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2023-06-11 10:35:01 +08:00
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+65 -65
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@@ -43,15 +43,15 @@ z &= r \cos\theta
# 阵列的基本模型
  本文分析一个阵列对外部信号场的响应。阵列由一组全向阵元组成,阵元的位置为 $\vec{p}_n$,如[图 1-1-2](#fig.1-1-2) 所示。阵元在位置 $\vec{p}_n : n = 0, 1, \cdots, N — 1$ 上对信号场进行空域采样。这产生了一组信号,表示为矢量 $\vec{f}\left(t, \vec{p}\right)$
  本文分析一个阵列对外部信号场的响应。阵列由一组全向阵元组成,阵元的位置为 $\boldsymbol{p}_n$,如[图 1-1-2](#fig.1-1-2) 所示。阵元在位置 $\boldsymbol{p}_n : n = 0, 1, \cdots, N — 1$ 上对信号场进行空域采样。这产生了一组信号,表示为矢量 $\boldsymbol{f}\left(t, \boldsymbol{p}\right)$
$$\begin{equation}
\vec{f}(t, \vec{p}) = \left[
\boldsymbol{f}(t, \boldsymbol{p}) = \left[
\begin{array}{c}
f\left(t, \vec{p}_0\right) \\
f\left(t, \vec{p}_1\right) \\
f\left(t, \boldsymbol{p}_0\right) \\
f\left(t, \boldsymbol{p}_1\right) \\
\vdots \\
f\left(t, \vec{p}_{N-1}\right) \\
f\left(t, \boldsymbol{p}_{N-1}\right) \\
\end{array}
\right]
\end{equation}$$
@@ -69,7 +69,7 @@ $$\begin{equation}
  对每个阵元的输出用一个线性时不变滤波器进行处理,该滤波器的冲激响应为 $h_n(\tau)$,并对所有输出求和,得到阵列的输出 $y(t)$,如[图 1-1-3](#fig.1-1-3) 所示。假设观察间隔足够长(可以考虑为无限长),则输出 $y(t)$ 可以写成卷积积分的形式:
$$\begin{equation}
y(t) = \sum_{n=0}^{N-1} \int_{-\infty}^{\infty} h_n (t-\tau)f_n\left(\tau,\vec{p}_n\right) \mathrm{d} \tau
y(t) = \sum_{n=0}^{N-1} \int_{-\infty}^{\infty} h_n (t-\tau)f_n\left(\tau,\boldsymbol{p}_n\right) \mathrm{d} \tau
\end{equation}$$
<a id="fig.1-1-3"></a>
@@ -81,13 +81,13 @@ y(t) = \sum_{n=0}^{N-1} \int_{-\infty}^{\infty} h_n (t-\tau)f_n\left(\tau,\vec{p
<a id="VectorFormOfLinearArrayOutputInTimeDomain"></a>
$$\begin{equation} \label{VectorFormOfLinearArrayOutputInTimeDomain}
y(t) = \int_{-\infty}^{\infty} \vec{h}^\mathrm{T} (t-\tau) \vec{f}\left(\tau,\vec{p}\right) \mathrm{d} \tau
y(t) = \int_{-\infty}^{\infty} \boldsymbol{h}^\mathrm{T} (t-\tau) \boldsymbol{f}\left(\tau,\boldsymbol{p}\right) \mathrm{d} \tau
\end{equation}$$
其中
$$\begin{equation} \label{ImpulseResponse}
\vec{h}(\tau) = \left[ \begin{array}{c}
\boldsymbol{h}(\tau) = \left[ \begin{array}{c}
h_0(\tau) \\
h_1(\tau) \\
\vdots \\
@@ -101,25 +101,25 @@ $$\begin{equation} \label{ImpulseResponse}
$$\begin{equation}
\begin{aligned}
Y(\omega) &= \int_{-\infty}^{\infty} y(t) e^{-j\omega t} \mathrm{d} t \\
&= \vec{H}^\mathrm{T}(\omega) \vec{F}(\omega)
&= \boldsymbol{H}^\mathrm{T}(\omega) \boldsymbol{F}(\omega)
\end{aligned}
\end{equation}$$
其中
$$\begin{equation}
\vec{H} (\omega) = \int_{-\infty}^{\infty} \vec{h}(t) e^{-j\omega t} \mathrm{d} t
\boldsymbol{H} (\omega) = \int_{-\infty}^{\infty} \boldsymbol{h}(t) e^{-j\omega t} \mathrm{d} t
\end{equation}$$
$$\begin{equation} \label{SampleVectorInFreqDomain}
\vec{F} \left(\omega,\vec{p}\right) = \int_{-\infty}^{\infty} \vec{f}\left(\tau,\vec{p}\right) e^{-j\omega t} \mathrm{d} t
\boldsymbol{F} \left(\omega,\boldsymbol{p}\right) = \int_{-\infty}^{\infty} \boldsymbol{f}\left(\tau,\boldsymbol{p}\right) e^{-j\omega t} \mathrm{d} t
\end{equation}$$
在大多数情况下,可以去掉式 $\eqref{SampleVectorInFreqDomain}$ 中左边的 $\vec{p}$,直接使用 $\vec{F}(\omega)$ 。
在大多数情况下,可以去掉式 $\eqref{SampleVectorInFreqDomain}$ 中左边的 $\boldsymbol{p}$,直接使用 $\boldsymbol{F}(\omega)$ 。
# 信号到达不同阵元的时延
&emsp;&emsp;下面考虑如[图 1-1-4](#fig.1-1-4) 所示的简单的波束形成操作。外部信号输入为传播方向为 $\vec{a}$,时域频率(弧度)为 $\omega$ 的平面波,则在时域上每个阵元的输入信号可以用两种等效的方式进行表示。
&emsp;&emsp;下面考虑如[图 1-1-4](#fig.1-1-4) 所示的简单的波束形成操作。外部信号输入为传播方向为 $\boldsymbol{a}$,时域频率(弧度)为 $\omega$ 的平面波,则在时域上每个阵元的输入信号可以用两种等效的方式进行表示。
<a id="fig.1-1-4"></a>
@@ -128,7 +128,7 @@ $$\begin{equation} \label{SampleVectorInFreqDomain}
&emsp;&emsp;由于信号到达不同阵元的时间不同,因此第一种方式强调信号到达不同阵元的时间延时。设 $f(t)$ 是**在坐标系原点接收到的信号**,其在变换域表示为 $F (\omega)$,则
$$\begin{equation} \label{DelayedSignal}
\vec{f}(t, \vec{p}) = \left[
\boldsymbol{f}(t, \boldsymbol{p}) = \left[
\begin{array}{c}
f\left(t - \tau_0\right) \\
f\left(t - \tau_1\right) \\
@@ -141,20 +141,20 @@ $$\begin{equation} \label{DelayedSignal}
其中时延可表示为(距离除以速度得到时间)
$$\begin{equation} \label{ExpressionOfDelayByDirection}
\tau_n = \frac{\vec{a}^\mathrm{T}\vec{p}_n}{c}
\tau_n = \frac{\boldsymbol{a}^\mathrm{T}\boldsymbol{p}_n}{c}
\end{equation}$$
其中 $c$ 是信号在介质中的传播速度,$\vec{a}$ 是一个单位矢量,可以表示为
其中 $c$ 是信号在介质中的传播速度,$\boldsymbol{a}$ 是一个单位矢量,可以表示为
$$\begin{equation}
\vec{a} = \left[ \begin{array}{c}
\boldsymbol{a} = \left[ \begin{array}{c}
-\sin\theta\cos\varphi \\
-\sin\theta\sin\varphi \\
-\cos\theta
\end{array} \right]
\end{equation}$$
上式中的负号是考虑了 $\vec{a}$ 的方向。则 $\tau_n$ 可以进一步表示为:
上式中的负号是考虑了 $\boldsymbol{a}$ 的方向。则 $\tau_n$ 可以进一步表示为:
$$\begin{equation} \label{RelativeDelay}
\tau_n = -\frac{1}{c}\left(\sin\theta\cos\varphi \cot p_{x_n} + \sin\theta\sin\varphi \cdot p_{y_n} + \cos\theta \cdot p_{z_n} \right)
@@ -171,16 +171,16 @@ $$\begin{align}
则有
$$\begin{equation}
\vec{u} = -\vec{a}
\boldsymbol{u} = -\boldsymbol{a}
\end{equation}$$
则式 $\eqref{RelativeDelay}$ 可以写成
$$\begin{equation} \label{RelativeDelayWithDirectionCosine}
\tau_n = -\frac{1}{c}\left(u_x p_{x_n} + u_y p_{y_n} + u_z p_{z_n} \right) = -\frac{\vec{u}^\mathrm{T}\vec{p}_n}{c}
\tau_n = -\frac{1}{c}\left(u_x p_{x_n} + u_y p_{y_n} + u_z p_{z_n} \right) = -\frac{\boldsymbol{u}^\mathrm{T}\boldsymbol{p}_n}{c}
\end{equation}$$
根据式 $\eqref{DelayedSignal}$,$\vec{F}(\omega)$ 的第 $n$ 个分量为(利用 Fourier 变换的时移性质)
根据式 $\eqref{DelayedSignal}$,$\boldsymbol{F}(\omega)$ 的第 $n$ 个分量为(利用 Fourier 变换的时移性质)
$$\begin{equation}
F_n(\omega) = \int_{-\infty}^{\infty} e^{j \omega t} f(t - \tau_n) \mathrm{d} t = e^{j \omega \tau_n} F (\omega)
@@ -189,38 +189,38 @@ $$\begin{equation}
其中
$$\begin{equation}
\omega \tau_n = \frac{\omega}{c} \vec{a}^\mathrm{T}\vec{p}_n = -\frac{\omega}{c} \vec{u}^\mathrm{T}\vec{p}_n
\omega \tau_n = \frac{\omega}{c} \boldsymbol{a}^\mathrm{T}\boldsymbol{p}_n = -\frac{\omega}{c} \boldsymbol{u}^\mathrm{T}\boldsymbol{p}_n
\end{equation}$$
对于在局部均匀的介质(locally homogeneous medium)里传播的平面波,定义波数 $\vec{k}$ (在波传播的方向上单位长度内的周期数目)为
对于在局部均匀的介质(locally homogeneous medium)里传播的平面波,定义波数 $\boldsymbol{k}$ (在波传播的方向上单位长度内的周期数目)为
$$\begin{equation} \label{DefinitionOfWavenumber}
\vec{k} = \frac{\omega}{c} \vec{a} = \frac{2\pi}{\lambda} \vec{a}
\boldsymbol{k} = \frac{\omega}{c} \boldsymbol{a} = \frac{2\pi}{\lambda} \boldsymbol{a}
\end{equation}$$
其中,$\lambda$ 是对应于频率 $\omega$ 的波长。等效地,
$$\begin{equation}
\vec{k} = -\frac{2\pi}{\lambda} \left[
\boldsymbol{k} = -\frac{2\pi}{\lambda} \left[
\begin{array}{c}
\sin\theta\cos\varphi \\
\sin\theta\sin\varphi \\
\cos\theta
\end{array}
\right]
= -\frac{2\pi}{\lambda} \vec{u}
= -\frac{2\pi}{\lambda} \boldsymbol{u}
\end{equation}$$
且波数的幅度由波动方程限定
$$\begin{equation} \label{WaveEquation}
\left| \vec{k} \right| = \frac{\omega}{c} = \frac{2\pi}{\lambda}
\left| \boldsymbol{k} \right| = \frac{\omega}{c} = \frac{2\pi}{\lambda}
\end{equation}$$
所以,仅 $\vec{k}$ 的方向是变化的。比较式 $\eqref{ExpressionOfDelayByDirection}$ 和式 $\eqref{DefinitionOfWavenumber}$,可以看到
所以,仅 $\boldsymbol{k}$ 的方向是变化的。比较式 $\eqref{ExpressionOfDelayByDirection}$ 和式 $\eqref{DefinitionOfWavenumber}$,可以看到
$$\begin{equation}
\omega \tau_n = \vec{k}^\mathrm{T}\vec{p}_n
\omega \tau_n = \boldsymbol{k}^\mathrm{T}\boldsymbol{p}_n
\end{equation}$$
定义
@@ -228,21 +228,21 @@ $$\begin{equation}
<a id="DefinitionOfArrayManifoldVector"></a>
$$\begin{equation} \label{DefinitionOfArrayManifoldVector}
\vec{v}_{\vec{k}}\left(\vec{k}\right) = \left[ \begin{array}{c}
e^{-j \vec{k}^\mathrm{T}\vec{p}_0} \\
e^{-j \vec{k}^\mathrm{T}\vec{p}_1} \\
\boldsymbol{v}_{\boldsymbol{k}}\left(\boldsymbol{k}\right) = \left[ \begin{array}{c}
e^{-j \boldsymbol{k}^\mathrm{T}\boldsymbol{p}_0} \\
e^{-j \boldsymbol{k}^\mathrm{T}\boldsymbol{p}_1} \\
\vdots \\
e^{-j \vec{k}^\mathrm{T}\vec{p}_{N-1}} \\
e^{-j \boldsymbol{k}^\mathrm{T}\boldsymbol{p}_{N-1}} \\
\end{array} \right]
\end{equation}$$
则 $\vec{F}(\omega)$ 可写为
则 $\boldsymbol{F}(\omega)$ 可写为
$$\begin{equation}
\vec{F}(\omega) = F(\omega) \vec{v}_{\vec{k}}\left(\vec{k}\right)
\boldsymbol{F}(\omega) = F(\omega) \boldsymbol{v}_{\boldsymbol{k}}\left(\boldsymbol{k}\right)
\end{equation}$$
矢量 $\vec{v}_{\vec{k}}\left(\vec{k}\right)$ 包含了阵列的所有空间特征,称为**{% label primary @阵列流形矢量(array manifold vector) %}**。在我们的讨论中,阵列流形矢量具有非常核心的作用。下标 $\vec{k}$ 表示参数属于 $\vec{k}$ 空间。这个下标的作用是把它和以后将在阵列流形矢量中使用的其他变量相区分。
矢量 $\boldsymbol{v}_{\boldsymbol{k}}\left(\boldsymbol{k}\right)$ 包含了阵列的所有空间特征,称为**{% label primary @阵列流形矢量(array manifold vector) %}**。在我们的讨论中,阵列流形矢量具有非常核心的作用。下标 $\boldsymbol{k}$ 表示参数属于 $\boldsymbol{k}$ 空间。这个下标的作用是把它和以后将在阵列流形矢量中使用的其他变量相区分。
&emsp;&emsp;在这种情况下,把每个阵元的输入信号平移,使之在时间上对齐,然后把它们相加。这个操作过程如[图 1-1-5](#fig.1-1-5) 所示,其中包含了归一化因子 $1/N$,使得输出为 $f(t)$。在这里,
@@ -262,75 +262,75 @@ $$\begin{equation}
&emsp;&emsp;这个处理器称为**{% label primary @延时求和波束形成器(delay-and-sum beamformer) %}**或**{% label primary @常规波束形成器(conventional beamformer) %}**。在实际中会在每个通道中加上一个共同的延时,使得[图 1-1-5](#fig.1-1-5) 中的操作是物理可实现的。
&emsp;&emsp;此外,还可以把式 $\eqref{DelayAndSumBeamformer}$ 在频域内写成简洁的矩阵形式。如果 $\vec{k}_\mathrm{s}$ 是我们所感兴趣的平面波信号的波数,则
&emsp;&emsp;此外,还可以把式 $\eqref{DelayAndSumBeamformer}$ 在频域内写成简洁的矩阵形式。如果 $\boldsymbol{k}_\mathrm{s}$ 是我们所感兴趣的平面波信号的波数,则
$$\begin{equation}
\vec{H}^\mathrm{T} (\omega) = \frac{1}{N} \vec{v}_{\vec{k}}^\mathrm{H} \left( \vec{k}_\mathrm{s} \right)
\boldsymbol{H}^\mathrm{T} (\omega) = \frac{1}{N} \boldsymbol{v}_{\boldsymbol{k}}^\mathrm{H} \left( \boldsymbol{k}_\mathrm{s} \right)
\end{equation}$$
其中 $\vec{v}_{\vec{k}}\left(\vec{k}\right)$ 在式 $\eqref{DefinitionOfArrayManifoldVector}$ 中定义。
其中 $\boldsymbol{v}_{\boldsymbol{k}}\left(\boldsymbol{k}\right)$ 在式 $\eqref{DefinitionOfArrayManifoldVector}$ 中定义。
# 单位平面波模型
&emsp;&emsp;现在回到一般的问题,我们想要确定阵列对一个输入场 $\vec{f}(t, \vec{p})$ 的响应,这可以通过之前给出的卷积求和操作来实现,但更有用的方法是首先确定阵列对单位平面波(unit plane wave)的响应,响应为单位平面波时域(弧度)频率 $\omega$ 和波数 $\vec{k}$ 的函数。(利用叠加的复指数基函数对一个线性时不变系统进行分析的系统理论方法可以扩展到空时信号的情况。)
&emsp;&emsp;现在回到一般的问题,我们想要确定阵列对一个输入场 $\boldsymbol{f}(t, \boldsymbol{p})$ 的响应,这可以通过之前给出的卷积求和操作来实现,但更有用的方法是首先确定阵列对单位平面波(unit plane wave)的响应,响应为单位平面波时域(弧度)频率 $\omega$ 和波数 $\boldsymbol{k}$ 的函数。(利用叠加的复指数基函数对一个线性时不变系统进行分析的系统理论方法可以扩展到空时信号的情况。)
这里的基函数形式为
$$\begin{equation}
f_n\left( t, \vec{p}_n \right) = \exp \left[ j \left( \omega t - \vec{k}^\mathrm{T} \vec{p}_n\right) \right], \, n = 0, 1, \cdots, N-1
f_n\left( t, \boldsymbol{p}_n \right) = \exp \left[ j \left( \omega t - \boldsymbol{k}^\mathrm{T} \boldsymbol{p}_n\right) \right], \, n = 0, 1, \cdots, N-1
\end{equation}$$
或
$$\begin{equation}
\vec{f} \left( t, \vec{p} \right) = e^{j\omega t} \vec{v}_{\vec{k}}\left(\vec{k}\right)
\boldsymbol{f} \left( t, \boldsymbol{p} \right) = e^{j\omega t} \boldsymbol{v}_{\boldsymbol{k}}\left(\boldsymbol{k}\right)
\end{equation}$$
其中 $\vec{v}_{\vec{k}}\left(\vec{k}\right)$ 在式 $\eqref{DefinitionOfArrayManifoldVector}$ 中定义。
其中 $\boldsymbol{v}_{\boldsymbol{k}}\left(\boldsymbol{k}\right)$ 在式 $\eqref{DefinitionOfArrayManifoldVector}$ 中定义。
&emsp;&emsp;式 $\eqref{VectorFormOfLinearArrayOutputInTimeDomain}$ 中的阵列处理器对于一个平面波的响应为
$$\begin{equation} \label{ArrayResponseToUnitPlaneWaveInTimeDomain}
y \left( t, \vec{k} \right) = \vec{H}^\mathrm{T} (\omega) \vec{v}_{\vec{k}}\left(\vec{k}\right) e^{j\omega t}
y \left( t, \boldsymbol{k} \right) = \boldsymbol{H}^\mathrm{T} (\omega) \boldsymbol{v}_{\boldsymbol{k}}\left(\boldsymbol{k}\right) e^{j\omega t}
\end{equation}$$
其中 $\vec{H} (\omega)$ 是式 $\eqref{ImpulseResponse}$ 中 $\vec{h}(\tau)$ 的傅里叶变换。
其中 $\boldsymbol{H} (\omega)$ 是式 $\eqref{ImpulseResponse}$ 中 $\boldsymbol{h}(\tau)$ 的傅里叶变换。
&emsp;&emsp;这里用了符号 $y \left( t, \vec{k} \right)$,以强调输出和输入波数 $\vec{k}$ 的关系。时域上的相关性体现在输出是一个复指数,和输入平面波具有相同的频率。在频域内,$\eqref{ArrayResponseToUnitPlaneWaveInTimeDomain}$ 可以写成下面的形式:
&emsp;&emsp;这里用了符号 $y \left( t, \boldsymbol{k} \right)$,以强调输出和输入波数 $\boldsymbol{k}$ 的关系。时域上的相关性体现在输出是一个复指数,和输入平面波具有相同的频率。在频域内,$\eqref{ArrayResponseToUnitPlaneWaveInTimeDomain}$ 可以写成下面的形式:
$$\begin{equation} \label{ArrayResponseToUnitPlaneWaveInFreqDomain}
Y \left( \omega, \vec{k} \right) = \vec{H}^\mathrm{T} (\omega) \vec{v}_{\vec{k}}\left(\vec{k}\right)
Y \left( \omega, \boldsymbol{k} \right) = \boldsymbol{H}^\mathrm{T} (\omega) \boldsymbol{v}_{\boldsymbol{k}}\left(\boldsymbol{k}\right)
\end{equation}$$
&emsp;&emsp;注意,$\omega$ 是对应输入频率的单一频率。阵列的空时处理完全可以由式 $\eqref{ArrayResponseToUnitPlaneWaveInFreqDomain}$ 的右端描述。把这一项定义为
$$\begin{equation} \label{FrequencyWavenumberResponse}
\boxed{\vec{\varUpsilon} \left( \omega, \vec{k} \right) \triangleq \vec{H}^\mathrm{T} (\omega) \vec{v}_{\vec{k}}\left(\vec{k}\right)}
\boxed{\boldsymbol{\varUpsilon} \left( \omega, \boldsymbol{k} \right) \triangleq \boldsymbol{H}^\mathrm{T} (\omega) \boldsymbol{v}_{\boldsymbol{k}}\left(\boldsymbol{k}\right)}
\end{equation}$$
称之为阵列的**{% label primary @频率-波数响应函数(frequency-wavenumber response function) %}**。它描述了一个阵列对于波数为 $\vec{k}$、时域频率为 $\omega$ 的输入平面波的复增益,具有与线性、时不变系统的传递函数相同的解释(这里我们用了 $\vec{\varUpsilon} \left( \omega, \vec{k} \right)$, 是因为 $Y \left( \omega, \vec{k} \right)$ 在后面将要用于描述对任意输入的输出)。 $\vec{\varUpsilon} \left( \omega, \vec{k} \right)$ 是定义在整个 $\vec{k}$ 空间上的。$\eqref{FrequencyWavenumberResponse}$ 中的第二项 $\vec{v}_{\vec{k}}\left(\vec{k}\right)$ 是在式 $\eqref{DefinitionOfArrayManifoldVector}$ 中定义的阵列流形矢量。
称之为阵列的**{% label primary @频率-波数响应函数(frequency-wavenumber response function) %}**。它描述了一个阵列对于波数为 $\boldsymbol{k}$、时域频率为 $\omega$ 的输入平面波的复增益,具有与线性、时不变系统的传递函数相同的解释(这里我们用了 $\boldsymbol{\varUpsilon} \left( \omega, \boldsymbol{k} \right)$, 是因为 $Y \left( \omega, \boldsymbol{k} \right)$ 在后面将要用于描述对任意输入的输出)。 $\boldsymbol{\varUpsilon} \left( \omega, \boldsymbol{k} \right)$ 是定义在整个 $\boldsymbol{k}$ 空间上的。$\eqref{FrequencyWavenumberResponse}$ 中的第二项 $\boldsymbol{v}_{\boldsymbol{k}}\left(\boldsymbol{k}\right)$ 是在式 $\eqref{DefinitionOfArrayManifoldVector}$ 中定义的阵列流形矢量。
&emsp;&emsp;频率-波数响应函数描述了阵列对任意一个平面波的响应。在大多数的实际物理应用中,时域频率 $\omega$ 和空域波数 $\vec{k}$ 通过平面波传播的波动方程形成了耦合关系。有时这是一个非常简单的关系,例如当一个平而波在均匀(且无限)的空间中传播时。在其他的情况下,可能是非常复杂的耦合关系,例如在水下声学和地震学中的分层介质模型中的情况。
&emsp;&emsp;频率-波数响应函数描述了阵列对任意一个平面波的响应。在大多数的实际物理应用中,时域频率 $\omega$ 和空域波数 $\boldsymbol{k}$ 通过平面波传播的波动方程形成了耦合关系。有时这是一个非常简单的关系,例如当一个平而波在均匀(且无限)的空间中传播时。在其他的情况下,可能是非常复杂的耦合关系,例如在水下声学和地震学中的分层介质模型中的情况。
&emsp;&emsp;一个阵列的**{% label primary @波束方向图(beam pattern) %}**定义的背景是平面波在局部均匀的介质中传播,约束的波动方程见式 $\eqref{WaveEquation}$。如式 $\eqref{WaveEquation}$ 所示,这约束了波数 $\vec{k}$ 的幅度。波束方向图是用入射方向表示的频率-波数响应函数,或者可以写成
&emsp;&emsp;一个阵列的**{% label primary @波束方向图(beam pattern) %}**定义的背景是平面波在局部均匀的介质中传播,约束的波动方程见式 $\eqref{WaveEquation}$。如式 $\eqref{WaveEquation}$ 所示,这约束了波数 $\boldsymbol{k}$ 的幅度。波束方向图是用入射方向表示的频率-波数响应函数,或者可以写成
$$\begin{equation}
B(\omega:\theta,\varphi) = \left. \vec{\varUpsilon} \left( \omega, \vec{k} \right) \right|_{\vec{k}=\frac{2\pi}{\lambda}\vec{a}(\theta,\varphi)}
B(\omega:\theta,\varphi) = \left. \boldsymbol{\varUpsilon} \left( \omega, \boldsymbol{k} \right) \right|_{\boldsymbol{k}=\frac{2\pi}{\lambda}\boldsymbol{a}(\theta,\varphi)}
\end{equation}$$
其中 $\vec{a}(\theta,\varphi)$ 是一个单位矢量,在球坐标系中对应的角度为 $\theta$ 和 $\varphi$。可以看到,**波束方向图是频率-波数响应在一个半径为 $2\pi /\lambda$ 的球上的值**。
其中 $\boldsymbol{a}(\theta,\varphi)$ 是一个单位矢量,在球坐标系中对应的角度为 $\theta$ 和 $\varphi$。可以看到,**波束方向图是频率-波数响应在一个半径为 $2\pi /\lambda$ 的球上的值**。
&emsp;&emsp;阵列的波束方向图是确定阵列性能的关键要素。后续将会研究均匀加权线阵(uniformly weighted linear array)的波束方向图。
# 窄带假设
&emsp;&emsp;在这里中,我们强调 $f\left( t,\vec{p}_n \right)$ 是带通信号的情况,即
&emsp;&emsp;在这里中,我们强调 $f\left( t,\boldsymbol{p}_n \right)$ 是带通信号的情况,即
$$\begin{equation} \label{BandpassConstraint}
f\left( t,\vec{p}_n \right) = \sqrt{2} \Re\left\{ \tilde{f} \left( t,\vec{p}_n \right) e^{j \omega_c t}\right\}, \, n = 0, \cdots, N-1
f\left( t,\boldsymbol{p}_n \right) = \sqrt{2} \Re\left\{ \tilde{f} \left( t,\boldsymbol{p}_n \right) e^{j \omega_c t}\right\}, \, n = 0, \cdots, N-1
\end{equation}$$
其中,$\omega_c$ 是载波频率,$\tilde{f} \left( t,\vec{p}_n \right)$ 是复包络。假设复包络的带限区域为
其中,$\omega_c$ 是载波频率,$\tilde{f} \left( t,\boldsymbol{p}_n \right)$ 是复包络。假设复包络的带限区域为
$$\begin{equation}
\left| \omega_L \right| \leqslant 2\pi B_s /2
@@ -347,15 +347,15 @@ $$\begin{equation}
&emsp;&emsp;对于式 $\eqref{DelayedSignal}$ 中的平面波,式 $\eqref{BandpassConstraint}$ 成为
$$\begin{equation} \label{BandpassConstraintApproximation}
f\left( t,\vec{p}_n \right) = \sqrt{2} \Re\left\{ \tilde{f} \left( t - \tau_n \right) e^{j \omega_c \left( t - \tau_n \right)}\right\}, \, n = 0, \cdots, N-1
f\left( t,\boldsymbol{p}_n \right) = \sqrt{2} \Re\left\{ \tilde{f} \left( t - \tau_n \right) e^{j \omega_c \left( t - \tau_n \right)}\right\}, \, n = 0, \cdots, N-1
\end{equation}$$
其中,$\tau_n$ 由式 $\eqref{RelativeDelayWithDirectionCosine}$ 给出。
&emsp;&emsp;现在考虑信号跨越阵列传播的时间(the travel time across the array)。定义 $\Delta T_{nm} \left( \vec{u} \right)$ 为一个方向余弦为 $\vec{u}$ 的平面波在第 $n$ 个阵元和第 $m$ 个阵元之间的传播时间。则,
&emsp;&emsp;现在考虑信号跨越阵列传播的时间(the travel time across the array)。定义 $\Delta T_{nm} \left( \boldsymbol{u} \right)$ 为一个方向余弦为 $\boldsymbol{u}$ 的平面波在第 $n$ 个阵元和第 $m$ 个阵元之间的传播时间。则,
$$\begin{equation}
\Delta T_{\max} \triangleq \max_{n,m=0,\cdots,N-1;\vec{u}} \{\Delta T_{nm} \left( \vec{u} \right)\}
\Delta T_{\max} \triangleq \max_{n,m=0,\cdots,N-1;\boldsymbol{u}} \{\Delta T_{nm} \left( \boldsymbol{u} \right)\}
\end{equation}$$
是阵列的任意两个阵元之间的最大传播时间。对于一个线阵,这个最大值是当一个信号沿着阵列的轴线传播时(endfire),阵列两端阵元之间的传播时间。
@@ -363,7 +363,7 @@ $$\begin{equation}
&emsp;&emsp;假设原点位于阵列的重心,即
$$\begin{equation}
\sum_{n=0}^{N-1} \vec{p}_n = 0
\sum_{n=0}^{N-1} \boldsymbol{p}_n = 0
\end{equation}$$
则式 $\eqref{RelativeDelayWithDirectionCosine}$ 给出的所有 $\tau_n$ 均满足
@@ -387,7 +387,7 @@ $$\begin{equation} \label{NarrowBandConstraint}
定义复包络满足式 $\eqref{NarrowBandConstraint}$ 的带通信号为**{% label primary @窄带信号 %}**。后面我们会在有关最优处理器的内容中重新研究这个定义,并给出一个更好的量化的讨论。现在,直接采用式 $\eqref{NarrowBandConstraint}$ 。则式 $\eqref{BandpassConstraintApproximation}$ 简化为
$$\begin{equation}
f\left( t,\vec{p}_n \right) = \sqrt{2} \Re\left\{ \tilde{f} \left( t \right) e^{-j \omega_c \tau_n} e^{j \omega_c t } \right\}
f\left( t,\boldsymbol{p}_n \right) = \sqrt{2} \Re\left\{ \tilde{f} \left( t \right) e^{-j \omega_c \tau_n} e^{j \omega_c t } \right\}
\end{equation}$$
可以看到,在窄带的情况下,信号的延时可以用一个相移来近似。所以延时-求和波束形成器可以用一组移相器来代替延时线。结果得到的波束形成器在[图 1-1-6](#fig.1-1-6) 中给出。这种实现方式通常称为**{% label primary @相控阵 %}**,并在实际中得到了广泛的应用。
@@ -409,7 +409,7 @@ $$\begin{equation}
<a id="ComplexWeightVector"></a>
$$\begin{equation} \label{ComplexWeightVector}
\vec{w}^\mathrm{H} = [w_0^\ast, w_1^\ast, \cdots, w_{N-1}^\ast]
\boldsymbol{w}^\mathrm{H} = [w_0^\ast, w_1^\ast, \cdots, w_{N-1}^\ast]
\end{equation}$$
则式 $\eqref{ArrayResponseToUnitPlaneWaveInTimeDomain}$ 成为
@@ -417,13 +417,13 @@ $$\begin{equation} \label{ComplexWeightVector}
<a id="FrequencyWavenumberResponseWithComplexWeigh"></a>
$$\begin{equation}
y\left( t,\vec{k} \right) = \vec{w}^\mathrm{H} \vec{v}_{\vec{k}}\left( \vec{k} \right) e^{j\omega t}
y\left( t,\boldsymbol{k} \right) = \boldsymbol{w}^\mathrm{H} \boldsymbol{v}_{\boldsymbol{k}}\left( \boldsymbol{k} \right) e^{j\omega t}
\end{equation}$$
且
$$\begin{equation}
\varUpsilon \left(\omega, \vec{k} \right) = \vec{w}^\mathrm{H} \vec{v}_{\vec{k}}\left( \vec{k} \right)
\varUpsilon \left(\omega, \boldsymbol{k} \right) = \boldsymbol{w}^\mathrm{H} \boldsymbol{v}_{\boldsymbol{k}}\left( \boldsymbol{k} \right)
\end{equation}$$
式 $\eqref{ComplexWeightVector}$ 中的定义等价于
@@ -431,7 +431,7 @@ $$\begin{equation}
<a id="NarrowBandComplexWeightVector"></a>
$$\begin{equation}
\vec{w}^\mathrm{H} = \vec{H}^\mathrm{T}(\omega_c)
\boldsymbol{w}^\mathrm{H} = \boldsymbol{H}^\mathrm{T}(\omega_c)
\end{equation}$$
这里主要关注的是窄带模型,对于宽带信号,一种处理方法是利用离散傅里叶变换(DFT)把信号分解到更窄的频率柜 (frequency bin),每个频率柜内的信号是满足窄带条件的,因此所有的窄带结果可以直接得到应用。
+50 -50
View File
@@ -43,10 +43,10 @@ $$\begin{equation} \label{ElementLocation}
, \, n = 0,1,\cdots,N-1
\end{equation}$$
为了确定阵列流形矢量 $\vec{v}_{\vec{k}}\left(\vec{k}\right)$,把式 $\eqref{ElementLocation}$ 代入到[阵列流形矢量的定义][]中,得到
为了确定阵列流形矢量 $\boldsymbol{v}_{\boldsymbol{k}}\left(\boldsymbol{k}\right)$,把式 $\eqref{ElementLocation}$ 代入到[阵列流形矢量的定义][]中,得到
$$\begin{equation} \label{ManifoldVectorOfULA}
\vec{v}_{\vec{k}}\left(k_z\right) = \left[\begin{array}{c}
\boldsymbol{v}_{\boldsymbol{k}}\left(k_z\right) = \left[\begin{array}{c}
e^{j \left( \frac{N-1}{2} \right) k_z d} \\
e^{j \left( \frac{N-1}{2} - 1\right) k_z d} \\
\vdots \\
@@ -63,14 +63,14 @@ $$\begin{equation}
其中波数的幅度
$$\begin{equation}
k_0 \triangleq \left| \vec{k} \right| = \frac{2\pi}{\lambda}
k_0 \triangleq \left| \boldsymbol{k} \right| = \frac{2\pi}{\lambda}
\end{equation}$$
注意,线阵在 $\varphi$ 方向是没有分辨能力的。将[复权矢量][]和式 $\eqref{ManifoldVectorOfULA}$ 代入[用复权矢量表示的波数-频率响应函数][],得到 ULA 在角度域的频率-波数响应函数
$$\begin{equation} \label{FWRFOfULAInAngleDomain}
\begin{aligned}
\vec{\varUpsilon}(\omega,k_z) &= \vec{w}^\mathrm{H}\vec{v}_{\vec{k}}\left(k_z\right) \\
\boldsymbol{\varUpsilon}(\omega,k_z) &= \boldsymbol{w}^\mathrm{H}\boldsymbol{v}_{\boldsymbol{k}}\left(k_z\right) \\
&= \sum_{n=0}^{N-1} w_n^\ast e^{-j\left( n - \frac{N-1}{2} \right) k_z d}
\end{aligned}
\end{equation}$$
@@ -90,10 +90,10 @@ $$\begin{equation}
将式 $\eqref{DefinitionOfWavenumberDiffOfTwoElements}$ 代入式 $\eqref{FWRFOfULAInAngleDomain}$,得到**在 $\psi$ 空间的频率-波数函数(frequency-wavenumber function in $\psi$-space)**
$$\begin{equation} \label{FWRFOfULAInWavenumberDomain}
\vec{\varUpsilon}_\psi(\psi) = e^{-j \frac{N-1}{2} \psi } \sum_{n=0}^{N-1} w_n^\ast e^{j n\psi}
\boldsymbol{\varUpsilon}_\psi(\psi) = e^{-j \frac{N-1}{2} \psi } \sum_{n=0}^{N-1} w_n^\ast e^{j n\psi}
\end{equation}$$
$\vec{\varUpsilon}(\omega,k_z)$ 和 $\vec{\varUpsilon}_\psi(\psi)$ 的定义域均为 $-\infty$ 到 $\infty$,但仅在区域 $0 \leqslant \theta \leqslant \pi$(或 $-1 \leqslant u_z \leqslant 1$ ) 内代表传播的信号,即有 $-\displaystyle\frac{2\pi d}{\lambda} \leqslant \psi \leqslant \frac{2\pi d}{\lambda}$,这个区域称为**{% label primary @可视区域(visible region) %}**。
$\boldsymbol{\varUpsilon}(\omega,k_z)$ 和 $\boldsymbol{\varUpsilon}_\psi(\psi)$ 的定义域均为 $-\infty$ 到 $\infty$,但仅在区域 $0 \leqslant \theta \leqslant \pi$(或 $-1 \leqslant u_z \leqslant 1$ ) 内代表传播的信号,即有 $-\displaystyle\frac{2\pi d}{\lambda} \leqslant \psi \leqslant \frac{2\pi d}{\lambda}$,这个区域称为**{% label primary @可视区域(visible region) %}**。
&emsp;&emsp;可以观察到,若定义
@@ -102,13 +102,13 @@ $$\begin{equation}
\end{equation}$$
$$\begin{equation} \label{FWRFOfULAInZDomain}
\vec{\varUpsilon}_z(z) = z^{- \frac{N-1}{2}} \sum_{n=0}^{N-1} w_n^\ast z^{n}
\boldsymbol{\varUpsilon}_z(z) = z^{- \frac{N-1}{2}} \sum_{n=0}^{N-1} w_n^\ast z^{n}
\end{equation}$$
则式 $\eqref{FWRFOfULAInZDomain}$ 可以写成
$$\begin{equation}
\vec{\varUpsilon}_z(z) = z^{- \frac{N-1}{2}} \left(\sum_{n=0}^{N-1} w_n z^{-n}\right)^\ast
\boldsymbol{\varUpsilon}_z(z) = z^{- \frac{N-1}{2}} \left(\sum_{n=0}^{N-1} w_n z^{-n}\right)^\ast
\end{equation}$$
其中
@@ -120,7 +120,7 @@ $$\begin{equation}
和 $z$ 变换的形式相似,且
$$\begin{equation} \label{FWRFOfULAInZDomainToWavenumberDomain}
\vec{\varUpsilon}_\psi(\psi) = \left. \vec{\varUpsilon}_z(z) \right|_{z=e^{j\psi}} = \left.\left(z^{- \frac{N-1}{2}} W^\ast(z)\right)\right|_{z=e^{j\psi}}
\boldsymbol{\varUpsilon}_\psi(\psi) = \left. \boldsymbol{\varUpsilon}_z(z) \right|_{z=e^{j\psi}} = \left.\left(z^{- \frac{N-1}{2}} W^\ast(z)\right)\right|_{z=e^{j\psi}}
\end{equation}$$
是在 $\psi$ 空间的频率-波数响应。我们在后面将利用这个关系。
@@ -130,27 +130,27 @@ $$\begin{equation} \label{FWRFOfULAInZDomainToWavenumberDomain}
&emsp;&emsp;在 $\theta$ 和 $u$ 空间定义出阵列流形也是有用的
$$\begin{equation}
\left[ \vec{v}_\theta(\theta) \right] = e^{j\left( n - \frac{N-1}{2} \right) \frac{2\pi d}{\lambda} \cos \theta}, \, n = 0,\cdots, N-1
\left[ \boldsymbol{v}_\theta(\theta) \right] = e^{j\left( n - \frac{N-1}{2} \right) \frac{2\pi d}{\lambda} \cos \theta}, \, n = 0,\cdots, N-1
\end{equation}$$
$$\begin{equation}
\left[ \vec{v}_u(u) \right] = e^{j\left( n - \frac{N-1}{2} \right) \frac{2\pi d}{\lambda} u}, \, n = 0,\cdots, N-1
\left[ \boldsymbol{v}_u(u) \right] = e^{j\left( n - \frac{N-1}{2} \right) \frac{2\pi d}{\lambda} u}, \, n = 0,\cdots, N-1
\end{equation}$$
也可以用三种形式写出波束方向图。频率-波数函数和波束方向图的关键区别是波束方向图的参量受限于实际的物理角度 $\theta$,所以,
$$\begin{equation}
B_\theta(\theta) = \vec{w}^\mathrm{H} \vec{v}_\theta(\theta) = e^{-j\left(\frac{N-1}{2} \right) \frac{2\pi d}{\lambda} \cos \theta} \sum_{n=0}^{N-1} w_n^\ast e^{j n \frac{2\pi d}{\lambda} \cos \theta}, \, 0 \leqslant \theta \leqslant \pi
B_\theta(\theta) = \boldsymbol{w}^\mathrm{H} \boldsymbol{v}_\theta(\theta) = e^{-j\left(\frac{N-1}{2} \right) \frac{2\pi d}{\lambda} \cos \theta} \sum_{n=0}^{N-1} w_n^\ast e^{j n \frac{2\pi d}{\lambda} \cos \theta}, \, 0 \leqslant \theta \leqslant \pi
\end{equation}$$
<a id="BeamPatternInDirectionCosineDomain"></a>
$$\begin{equation}
B_u(u) = \vec{w}^\mathrm{H} \vec{v}_u(u) = e^{-j\left(\frac{N-1}{2} \right) \frac{2\pi d}{\lambda} u} \sum_{n=0}^{N-1} w_n^\ast e^{j n \frac{2\pi d}{\lambda} u}, \, -1 \leqslant u \leqslant 1
B_u(u) = \boldsymbol{w}^\mathrm{H} \boldsymbol{v}_u(u) = e^{-j\left(\frac{N-1}{2} \right) \frac{2\pi d}{\lambda} u} \sum_{n=0}^{N-1} w_n^\ast e^{j n \frac{2\pi d}{\lambda} u}, \, -1 \leqslant u \leqslant 1
\end{equation}$$
$$\begin{equation} \label{BeamPatternInWavenumberDomain}
B_\psi(\psi) = \vec{w}^\mathrm{H} \vec{v}_\psi(\psi) = e^{-j\left(\frac{N-1}{2} \right) \psi} \sum_{n=0}^{N-1} w_n^\ast e^{j n \psi}, \, -\frac{2\pi d}{\lambda} \leqslant \psi \leqslant \frac{2\pi d}{\lambda}
B_\psi(\psi) = \boldsymbol{w}^\mathrm{H} \boldsymbol{v}_\psi(\psi) = e^{-j\left(\frac{N-1}{2} \right) \psi} \sum_{n=0}^{N-1} w_n^\ast e^{j n \psi}, \, -\frac{2\pi d}{\lambda} \leqslant \psi \leqslant \frac{2\pi d}{\lambda}
\end{equation}$$
当函数的变量很清楚时,我们将省略掉 $B(\,\cdot\,)$ 中的下标。
@@ -160,11 +160,11 @@ $$\begin{equation} \label{BeamPatternInWavenumberDomain}
&emsp;&emsp;对于均匀线阵,通常用 $\psi$ 表示阵列流形
$$\begin{equation}
\left[ \vec{v}_\psi(\psi) \right]_n = e^{j\left( n - \frac{N-1}{2} \right)\psi}, \, n = 0, 1, \cdots, N-1
\left[ \boldsymbol{v}_\psi(\psi) \right]_n = e^{j\left( n - \frac{N-1}{2} \right)\psi}, \, n = 0, 1, \cdots, N-1
\end{equation}$$
$$\begin{equation} \label{ManifoldVecOfULAWithConjugateSymmetry}
\boxed{\vec{v}_\psi(\psi) = \left[ \begin{array}{c}
\boxed{\boldsymbol{v}_\psi(\psi) = \left[ \begin{array}{c}
e^{-j\left(\frac{N-1}{2} \right)\psi} &
e^{-j\left(\frac{N-3}{2} \right)\psi} &
\cdots &
@@ -178,12 +178,12 @@ $$\begin{equation} \label{ManifoldVecOfULAWithConjugateSymmetry}
{% tabs 阵列流形矢量具有共扼对称性 %}
<!-- tab $N$ 为偶数-->
当 $N$ 为偶数时,如果定义一个 $N/2$ 维的矢量 $\vec{v}_{\psi_1}(\psi)$,对应 $\vec{v}_\psi(\psi)$ 的前 $N/2$ 个元素,则有
当 $N$ 为偶数时,如果定义一个 $N/2$ 维的矢量 $\boldsymbol{v}_{\psi_1}(\psi)$,对应 $\boldsymbol{v}_\psi(\psi)$ 的前 $N/2$ 个元素,则有
$$\begin{equation}
\vec{v}_\psi(\psi) = \left[ \begin{array}{c}
\vec{v}_{\psi_1}(\psi) \\
\vec{J}\vec{v}_{\psi_1}^\ast(\psi)
\boldsymbol{v}_\psi(\psi) = \left[ \begin{array}{c}
\boldsymbol{v}_{\psi_1}(\psi) \\
\boldsymbol{J}\boldsymbol{v}_{\psi_1}^\ast(\psi)
\end{array} \right]
\end{equation}$$
@@ -191,13 +191,13 @@ $$\begin{equation}
<!-- tab $N$ 为奇数-->
当 $N$ 为奇数时,如果定义一个 $(N-1)/2$ 维的矢量 $\vec{v}_{\psi_1}(\psi)$,对应 $\vec{v}_\psi(\psi)$ 的前 $(N-1)/2$ 个元素,则有
当 $N$ 为奇数时,如果定义一个 $(N-1)/2$ 维的矢量 $\boldsymbol{v}_{\psi_1}(\psi)$,对应 $\boldsymbol{v}_\psi(\psi)$ 的前 $(N-1)/2$ 个元素,则有
$$\begin{equation}
\vec{v}_\psi(\psi) = \left[ \begin{array}{c}
\vec{v}_{\psi_1}(\psi) \\
\boldsymbol{v}_\psi(\psi) = \left[ \begin{array}{c}
\boldsymbol{v}_{\psi_1}(\psi) \\
1 \\
\vec{J}\vec{v}_{\psi_1}^\ast(\psi)
\boldsymbol{J}\boldsymbol{v}_{\psi_1}^\ast(\psi)
\end{array} \right]
\end{equation}$$
@@ -205,10 +205,10 @@ $$\begin{equation}
{% endtabs %}
其中交换矩阵(exchange matrix) $\vec{J}$
其中交换矩阵(exchange matrix) $\boldsymbol{J}$
$$\begin{equation}
\vec{J} = \left[ \begin{array}{c}
\boldsymbol{J} = \left[ \begin{array}{c}
0 & 0 & \cdots & 1 \\
\vdots & \vdots & & \vdots \\
0 & 1 & \cdots & 0 \\
@@ -216,12 +216,12 @@ $$\begin{equation}
\end{array} \right]
\end{equation}$$
在很多应用中,这种共轭对称性可以用于节省运算量和改进性能。例如,如果 $\vec{w}$ 也是共枙对称的,则当 $N$ 为偶数时,可以写成
在很多应用中,这种共轭对称性可以用于节省运算量和改进性能。例如,如果 $\boldsymbol{w}$ 也是共枙对称的,则当 $N$ 为偶数时,可以写成
$$\begin{equation} \label{ConjugateSymmetry}
\vec{w} = \left[ \begin{array}{c}
\vec{w}_1 \\
\vec{J}\vec{w}_1
\boldsymbol{w} = \left[ \begin{array}{c}
\boldsymbol{w}_1 \\
\boldsymbol{J}\boldsymbol{w}_1
\end{array} \right]
\end{equation}$$
@@ -229,19 +229,19 @@ $$\begin{equation} \label{ConjugateSymmetry}
$$\begin{equation}
\begin{aligned}
B_\psi(\psi) &= \vec{w}^\mathrm{H}\vec{v}_\psi(\psi) \\
&= \left[\begin{array}{c}\vec{w_1}^\mathrm{H} & \vec{w_1}^\mathrm{T}\vec{J}\end{array}\right] \left[\begin{array}{c}\vec{v}_{\psi_1}(\psi) \\ \vec{J}\vec{v}_{\psi_1}^\ast(\psi)\end{array}\right] \\
&= \vec{w}_1^\mathrm{H} \vec{v}_{\psi_1}(\psi) + \vec{w_1}^\mathrm{T}\vec{v}_{\psi_1}^\ast(\psi) \\
&= 2 \Re\left[ \vec{w}_1^\mathrm{H} \vec{v}_{\psi_1}(\psi) \right]
B_\psi(\psi) &= \boldsymbol{w}^\mathrm{H}\boldsymbol{v}_\psi(\psi) \\
&= \left[\begin{array}{c}\boldsymbol{w_1}^\mathrm{H} & \boldsymbol{w_1}^\mathrm{T}\boldsymbol{J}\end{array}\right] \left[\begin{array}{c}\boldsymbol{v}_{\psi_1}(\psi) \\ \boldsymbol{J}\boldsymbol{v}_{\psi_1}^\ast(\psi)\end{array}\right] \\
&= \boldsymbol{w}_1^\mathrm{H} \boldsymbol{v}_{\psi_1}(\psi) + \boldsymbol{w_1}^\mathrm{T}\boldsymbol{v}_{\psi_1}^\ast(\psi) \\
&= 2 \Re\left[ \boldsymbol{w}_1^\mathrm{H} \boldsymbol{v}_{\psi_1}(\psi) \right]
\end{aligned}
\end{equation}$$
所以波束方向图是一个实函数。注意到,实对称的权矢量同样能够满足式 $\eqref{ConjugateSymmetry}$;当 $N$ 为奇数时,也有类似的结果。我们将发现很多其他的阵列结构也具有共枙对称性质。
&emsp;&emsp;式 $\eqref{ManifoldVecOfULAWithConjugateSymmetry}$ 强调了 $\vec{v}_\psi(\psi)$ 的共枙对称性质。也可以把 $\vec{v}_\psi(\psi)$ 写成
&emsp;&emsp;式 $\eqref{ManifoldVecOfULAWithConjugateSymmetry}$ 强调了 $\boldsymbol{v}_\psi(\psi)$ 的共枙对称性质。也可以把 $\boldsymbol{v}_\psi(\psi)$ 写成
$$\begin{equation}
\vec{v}_\psi(\psi) = e^{-j\left(\frac{N-1}{2} \right)\psi} \left[ \begin{array}{c}
\boldsymbol{v}_\psi(\psi) = e^{-j\left(\frac{N-1}{2} \right)\psi} \left[ \begin{array}{c}
1 &
e^{j\psi} &
\cdots &
@@ -249,52 +249,52 @@ $$\begin{equation}
\end{array} \right]^\mathrm{T}
\end{equation}$$
这个形式强调了 $\vec{v}_\psi(\psi)$ 的 Vandermonde 结构。
这个形式强调了 $\boldsymbol{v}_\psi(\psi)$ 的 Vandermonde 结构。
# 从波束方向图获得权矢量
&emsp;&emsp;下面讨论如何从特定的方向图 $B_\psi(\psi)$ 中获得权矢量 $\vec{w}$,我们从式 $\eqref{BeamPatternInWavenumberDomain}$ 中的关系开始
&emsp;&emsp;下面讨论如何从特定的方向图 $B_\psi(\psi)$ 中获得权矢量 $\boldsymbol{w}$,我们从式 $\eqref{BeamPatternInWavenumberDomain}$ 中的关系开始
$$\begin{equation} \label{ShortBeamPatternInWavenumberDomain}
B_\psi(\psi) = \vec{w}^\mathrm{H} \vec{v}_\psi(\psi)
B_\psi(\psi) = \boldsymbol{w}^\mathrm{H} \boldsymbol{v}_\psi(\psi)
\end{equation}$$
假设 $B_\psi(\psi)$ 是已知的,我们想确定产生这个 $B_\psi(\psi)$ 的 $\vec{w}$。由于 $\vec{w}^\mathrm{H}$ 是一个 $1 \times N$ 维的矢量,因此如果知道 $B_\psi(\psi)$ 在 $N$ 个 $\psi$ 值上的值,就可以确定 $\vec{w}$。
假设 $B_\psi(\psi)$ 是已知的,我们想确定产生这个 $B_\psi(\psi)$ 的 $\boldsymbol{w}$。由于 $\boldsymbol{w}^\mathrm{H}$ 是一个 $1 \times N$ 维的矢量,因此如果知道 $B_\psi(\psi)$ 在 $N$ 个 $\psi$ 值上的值,就可以确定 $\boldsymbol{w}$。
&emsp;&emsp;对波束方向图在 $N$ 个 $\psi_i$ 上进行采样,这里要求 $\psi_i$ 必须是不同的,但不一定是等距的,记采样点处的波束方向图的值为 $B(\psi_i)$。根据式 $\eqref{ShortBeamPatternInWavenumberDomain}$,有
$$\begin{equation} \label{ElementOfShortBeamPatternInWavenumberDomain}
\vec{w}^\mathrm{H} \vec{v}(\psi_i) = B(\psi_i), \, i = 1, \cdots, N
\boldsymbol{w}^\mathrm{H} \boldsymbol{v}(\psi_i) = B(\psi_i), \, i = 1, \cdots, N
\end{equation}$$
定义一个 $N \times N$ 维的阵列流形矩阵
$$\begin{equation}
\vec{V}(\psi) \triangleq \left[ \begin{array}{c}\vec{v}(\psi_1) & \cdots & \vec{v}(\psi_N)\end{array}\right]
\boldsymbol{V}(\psi) \triangleq \left[ \begin{array}{c}\boldsymbol{v}(\psi_1) & \cdots & \boldsymbol{v}(\psi_N)\end{array}\right]
\end{equation}$$
和一个 $1 \times N$ 维的波束方向图矩阵
$$\begin{equation}
\vec{B} \triangleq \left[ \begin{array}{c}B(\psi_1) & \cdots & B(\psi_N)\end{array}\right]
\boldsymbol{B} \triangleq \left[ \begin{array}{c}B(\psi_1) & \cdots & B(\psi_N)\end{array}\right]
\end{equation}$$
则式 $\eqref{ElementOfShortBeamPatternInWavenumberDomain}$ 可以写成
$$\begin{matrix}
\vec{w}^\mathrm{H} \vec{V}(\psi) = \vec{B}
\boldsymbol{w}^\mathrm{H} \boldsymbol{V}(\psi) = \boldsymbol{B}
\end{matrix}$$
或
$$\begin{matrix}
\vec{V}^\mathrm{H}(\psi) \vec{w} = \vec{B}^\mathrm{H}
\boldsymbol{V}^\mathrm{H}(\psi) \boldsymbol{w} = \boldsymbol{B}^\mathrm{H}
\end{matrix}$$
由于 $\vec{V}^\mathrm{H}(\psi)$ 是满秩的,所以
由于 $\boldsymbol{V}^\mathrm{H}(\psi)$ 是满秩的,所以
$$\begin{equation} \label{WeightVecCalculation}
\boxed{\vec{w} = \left[ \vec{V}^\mathrm{H}(\psi) \right]^{-1}\vec{B}^\mathrm{H}}
\boxed{\boldsymbol{w} = \left[ \boldsymbol{V}^\mathrm{H}(\psi) \right]^{-1}\boldsymbol{B}^\mathrm{H}}
\end{equation}$$
尽管 $\psi_i$ 可以任意选择,但如果它们相距太近,那么阵列流形矢量将接近于线性相关,在式 $\eqref{WeightVecCalculation}$ 中的求逆可能会有数值计算的问题。如果采用均匀间距 $2\pi/N$,那么后续将会推导一个高效的权值计算算法。
@@ -308,20 +308,20 @@ $$\begin{equation}
且 $\psi_2, \psi_3, \cdots, \psi_N$ 对应于零点的位置。假设期望方向的信号无失真通过,其他方向的信号全部抑制,则预期的归一化波束方向图为:
$$\begin{matrix}
\vec{B} = \left[ \begin{array}{c} 1 & 0 & \cdots & 0 \end{array} \right] = \vec{e}_1^\mathrm{T}
\boldsymbol{B} = \left[ \begin{array}{c} 1 & 0 & \cdots & 0 \end{array} \right] = \boldsymbol{e}_1^\mathrm{T}
\end{matrix}$$
则式 $\eqref{WeightVecCalculation}$ 简化为
$$\begin{equation} \label{WeightVecCalculationWithAllZeroExceptMainAxis}
\boxed{\vec{w} = \left[ \vec{V}^\mathrm{H}(\psi) \right]^{-1}\vec{e}_1}
\boxed{\boldsymbol{w} = \left[ \boldsymbol{V}^\mathrm{H}(\psi) \right]^{-1}\boldsymbol{e}_1}
\end{equation}$$
后续将发现这些算法是非常有用的。
在式 $\eqref{WeightVecCalculation}$ 和式 $\eqref{WeightVecCalculationWithAllZeroExceptMainAxis}$ 中有两点需要强调:
1. 上述讨论已经假设 $B_\psi(\psi)$ 在式 $\eqref{ShortBeamPatternInWavenumberDomain}$ 中进行了定义,是由一个 $N \times 1$ 维复矢量 $\vec{w}$ 产生的。如果 $B_\psi(\psi)$ 是任意函数,且使用式 $\eqref{WeightVecCalculation}$,那么将产生一个方向图,和 $B(\psi_i), i = 1,\cdots,N$ 相匹配,但不一定和函数 $B_\psi(\psi)$ 相匹配。
1. 上述讨论已经假设 $B_\psi(\psi)$ 在式 $\eqref{ShortBeamPatternInWavenumberDomain}$ 中进行了定义,是由一个 $N \times 1$ 维复矢量 $\boldsymbol{w}$ 产生的。如果 $B_\psi(\psi)$ 是任意函数,且使用式 $\eqref{WeightVecCalculation}$,那么将产生一个方向图,和 $B(\psi_i), i = 1,\cdots,N$ 相匹配,但不一定和函数 $B_\psi(\psi)$ 相匹配。
2. 我们是在一个均匀线阵的背景下介绍这个结果的。但是,这个推导过程适用于任意结构的 $N$ 阵元阵列。
+16 -16
View File
@@ -34,14 +34,14 @@ $$\begin{equation}
\end{equation}$$
$$\begin{equation}
\vec{w} = \frac{1}{N} \vec{1}
\boldsymbol{w} = \frac{1}{N} \boldsymbol{1}
\end{equation}$$
其中 $\vec{1}$ 是 $N \times 1$ 维的单位矢量,则在 $\psi$ 空间的频率-波数响应函数可以写成(利用等比级数的求和公式)
其中 $\boldsymbol{1}$ 是 $N \times 1$ 维的单位矢量,则在 $\psi$ 空间的频率-波数响应函数可以写成(利用等比级数的求和公式)
$$\begin{equation}
\begin{aligned}
\vec{\varUpsilon}_\psi(\psi) &= \frac{1}{N} \sum_{n=0}^{N-1} e^{j \left(n - \frac{N-1}{2}\right)\psi} \\
\boldsymbol{\varUpsilon}_\psi(\psi) &= \frac{1}{N} \sum_{n=0}^{N-1} e^{j \left(n - \frac{N-1}{2}\right)\psi} \\
&= \frac{1}{N} e^{-j \left(\frac{N-1}{2}\right)\psi} \sum_{n=0}^{N-1} e^{j n \psi} \\
&= \frac{1}{N} e^{-j \left(\frac{N-1}{2}\right)\psi} \left[ \frac{1-e^{jN\psi}}{1-e^{j\psi}} \right]
\end{aligned}
@@ -50,40 +50,40 @@ $$\begin{equation}
或(利用欧拉公式)
$$\begin{equation}
\vec{\varUpsilon}_\psi(\psi) = \frac{1}{N} \frac{\sin\left( N \frac{\psi}{2} \right)}{\sin\frac{\psi}{2}}
\boldsymbol{\varUpsilon}_\psi(\psi) = \frac{1}{N} \frac{\sin\left( N \frac{\psi}{2} \right)}{\sin\frac{\psi}{2}}
\end{equation}$$
<!-- more -->
可以观察到:
- 当 $N$ 是奇数时,$\vec{\varUpsilon}_\psi(\psi)$ 是周期函数,周期为 $2\pi$;
- 当 $N$ 是奇数时,$\boldsymbol{\varUpsilon}_\psi(\psi)$ 是周期函数,周期为 $2\pi$;
- 当 $N$ 为偶数时,波瓣在 $\pm 2 \pi$、$\pm 6 \pi$ 处的值为负值,周期为 $4 \pi$;
- 对任意的 $N$,$\left|\vec{\varUpsilon}_\psi(\psi)\right|$ 的周期为 $2 \pi$。
- 对任意的 $N$,$\left|\boldsymbol{\varUpsilon}_\psi(\psi)\right|$ 的周期为 $2 \pi$。
当 $N = 11$ 时, $\vec{\varUpsilon}_\psi(\psi)$ 和 $\psi$ 的关系在[图 1-3-1](#fig.1-3-1) 中给出。[图 1-3-2](#fig.1-3-2) 给出了 $\left|\vec{\varUpsilon}_\psi(\psi)\right|$,单位为 dB,其中
当 $N = 11$ 时, $\boldsymbol{\varUpsilon}_\psi(\psi)$ 和 $\psi$ 的关系在[图 1-3-1](#fig.1-3-1) 中给出。[图 1-3-2](#fig.1-3-2) 给出了 $\left|\boldsymbol{\varUpsilon}_\psi(\psi)\right|$,单位为 dB,其中
$$\begin{equation}
\vec{\varUpsilon}_\mathrm{dB}(\psi) = 10 \log_{10} \left|\vec{\varUpsilon}(\psi)\right|^2
\boldsymbol{\varUpsilon}_\mathrm{dB}(\psi) = 10 \log_{10} \left|\boldsymbol{\varUpsilon}(\psi)\right|^2
\end{equation}$$
<a id="fig.1-3-1"></a>
![图 1-3-1 $\vec{\varUpsilon}(\psi): \psi = \frac{2\pi}{\lambda} d \cos\theta, N=11$](https://josh-blog-1257563604.cos.ap-beijing.myqcloud.com/img/2023-04-20-josh-oap-part-1-3/2023-04-20-josh-oap-part-1-3-010-FrequencyWavenumberResponseFunction.svg){width=1000px}
![图 1-3-1 $\boldsymbol{\varUpsilon}(\psi): \psi = \frac{2\pi}{\lambda} d \cos\theta, N=11$](https://josh-blog-1257563604.cos.ap-beijing.myqcloud.com/img/2023-04-20-josh-oap-part-1-3/2023-04-20-josh-oap-part-1-3-010-FrequencyWavenumberResponseFunction.svg){width=1000px}
<a id="fig.1-3-2"></a>
![图 1-3-2 用 dB 表示 $\left|\vec{\varUpsilon}(\psi)\right|$](https://josh-blog-1257563604.cos.ap-beijing.myqcloud.com/img/2023-04-20-josh-oap-part-1-3/2023-04-20-josh-oap-part-1-3-020-FrequencyWavenumberResponseFunctionInDB.svg){width=1000px}
![图 1-3-2 用 dB 表示 $\left|\boldsymbol{\varUpsilon}(\psi)\right|$](https://josh-blog-1257563604.cos.ap-beijing.myqcloud.com/img/2023-04-20-josh-oap-part-1-3/2023-04-20-josh-oap-part-1-3-020-FrequencyWavenumberResponseFunctionInDB.svg){width=1000px}
若不指定 $\vec{w}$ 的类型,则 $\vec{\varUpsilon}_\psi(\psi)$ 是复数,所以相位也应该画出来。但是,均匀加权线阵具有对称性,因此得到的频率-波数响应是实函数。
若不指定 $\boldsymbol{w}$ 的类型,则 $\boldsymbol{\varUpsilon}_\psi(\psi)$ 是复数,所以相位也应该画出来。但是,均匀加权线阵具有对称性,因此得到的频率-波数响应是实函数。
&emsp;&emsp;也可以用 $k_z$ 来表示频率-波数响应
$$\begin{equation}
\vec{\varUpsilon}(\omega:k_z) = \frac{1}{N} \frac{\sin\left( N k_z \frac{d}{2} \right)}{\sin \left(k_z\frac{d}{2}\right)}
\boldsymbol{\varUpsilon}(\omega:k_z) = \frac{1}{N} \frac{\sin\left( N k_z \frac{d}{2} \right)}{\sin \left(k_z\frac{d}{2}\right)}
\end{equation}$$
这里 $\vec{\varUpsilon}(\omega:k_z)$ 是周期函数,周期为 $2\pi/d$。
这里 $\boldsymbol{\varUpsilon}(\omega:k_z)$ 是周期函数,周期为 $2\pi/d$。
{% note warning %}
@@ -123,7 +123,7 @@ $$\begin{equation}
<a id="fig.1-3-4"></a>
![图 1-3-4 $d = \lambda/2, N=10$,线阵的 $\left|\vec{\varUpsilon}_\psi(\psi)\right|$](https://josh-blog-1257563604.cos.ap-beijing.myqcloud.com/img/2023-04-20-josh-oap-part-1-3/2023-04-20-josh-oap-part-1-3-040-AbsOfFWRFForALinearArray.svg){width=1000px}
![图 1-3-4 $d = \lambda/2, N=10$,线阵的 $\left|\boldsymbol{\varUpsilon}_\psi(\psi)\right|$](https://josh-blog-1257563604.cos.ap-beijing.myqcloud.com/img/2023-04-20-josh-oap-part-1-3/2023-04-20-josh-oap-part-1-3-040-AbsOfFWRFForALinearArray.svg){width=1000px}
{% note info %}
@@ -295,7 +295,7 @@ $$\begin{equation}
![图 1-3-6 阵元间距对波束方向图的影响:(a) $d=\lambda/4$;(b) $d=\lambda/2$;(c) $d=\lambda$](https://josh-blog-1257563604.cos.ap-beijing.myqcloud.com/img/2023-04-20-josh-oap-part-1-3/2023-04-20-josh-oap-part-1-3-060-%20EffectOfElementSpacingOnBeamPattern.svg){width=1000px}
&emsp;&emsp;在[图 1-3-6](#fig.1-3-6) 中,针对多种 $d/\lambda$ 的值,画出了 $\left| \vec{\varUpsilon}_u(u) \right|$。图中说明了“栅瓣”这个重要的概念,即和主波束一样高的波瓣。栅瓣发生在当波束方向图 $B_\psi(\psi)$(式 $\eqref{BeamPatternOfUWLAInWaveNumberDomain}$)中的分子和分母均为零的时候。栅瓣出现的间隔为
&emsp;&emsp;在[图 1-3-6](#fig.1-3-6) 中,针对多种 $d/\lambda$ 的值,画出了 $\left| \boldsymbol{\varUpsilon}_u(u) \right|$。图中说明了“栅瓣”这个重要的概念,即和主波束一样高的波瓣。栅瓣发生在当波束方向图 $B_\psi(\psi)$(式 $\eqref{BeamPatternOfUWLAInWaveNumberDomain}$)中的分子和分母均为零的时候。栅瓣出现的间隔为
$$\begin{equation}
\frac{\psi}{2} = m \cdot \pi
@@ -315,7 +315,7 @@ $$\begin{equation}
&emsp;&emsp;如果阵列的间距大于 $\lambda$,则栅瓣的峰值出现在信号传播区域以内,即在 $\left| u \right| \leqslant 1$ 的区域以内。这里就会出现峰值响应模糊的问题,只有当我们对信号的入射方向有先验信息的时候,才可能解决这个问题。
&emsp;&emsp;下一节将讨论阵列调向的问题,阵列调向使得在 $u$ 空间的频率-波数响应函数 $\left| \vec{\varUpsilon}_u(u) \right|$ 发生平移,这种平移导致栅瓣进入了可视区域以内。我们发现,如果阵列需要的调向范围为 $0^\circ \leqslant \theta \leqslant 180^\circ$ 则需要
&emsp;&emsp;下一节将讨论阵列调向的问题,阵列调向使得在 $u$ 空间的频率-波数响应函数 $\left| \boldsymbol{\varUpsilon}_u(u) \right|$ 发生平移,这种平移导致栅瓣进入了可视区域以内。我们发现,如果阵列需要的调向范围为 $0^\circ \leqslant \theta \leqslant 180^\circ$ 则需要
$$\begin{equation}
\frac{d}{\lambda} \leqslant \frac{1}{2}
+15 -15
View File
@@ -42,43 +42,43 @@ date: 2023-04-22 18:17:52
&emsp;&emsp;[1.2 节][]开头的简单例子说明了把阵列调向某个特定方向的主要思想,调向在波数空间的影响是很直接的。考虑[图 1-4-1](#fig.1-4-1) 中的处理器,输入到调向环节的基函数为
$$\begin{equation}
f\left( t, \vec{p}\right) = e^{j\omega t} \vec{v}_{\vec{k}}\left(\vec{k}\right)
f\left( t, \boldsymbol{p}\right) = e^{j\omega t} \boldsymbol{v}_{\boldsymbol{k}}\left(\boldsymbol{k}\right)
\end{equation}$$
我们希望当波数等于“目标”的波数时,即
$$\begin{equation}
\vec{k} = \vec{k}_\mathrm{T}
\boldsymbol{k} = \boldsymbol{k}_\mathrm{T}
\end{equation}$$
输出是对齐的。我们把 $\vec{k}_\mathrm{T}$ 称为**{% label primary @所调方向(steering direction) %}**或在 $k$ 空间的**{% label primary @主响应轴(main response axis) %}**。可以使用一个 $N \times N$ 的对角调向矩阵(diagonal steering matrix)来完成这个操作
输出是对齐的。我们把 $\boldsymbol{k}_\mathrm{T}$ 称为**{% label primary @所调方向(steering direction) %}**或在 $k$ 空间的**{% label primary @主响应轴(main response axis) %}**。可以使用一个 $N \times N$ 的对角调向矩阵(diagonal steering matrix)来完成这个操作
<a id="DiagonalSteeringMatrix"></a>
$$\begin{equation}
\vec{I}_\mathrm{s}\left(\vec{k}_\mathrm{T}\right) = \left[ \begin{matrix}
e^{j \vec{k}^\mathrm{T}_\mathrm{T}\vec{p}_1} & 0 & \cdots & 0 \\
0 & e^{j \vec{k}^\mathrm{T}_\mathrm{T}\vec{p}_2} & \cdots & 0 \\
\boldsymbol{I}_\mathrm{s}\left(\boldsymbol{k}_\mathrm{T}\right) = \left[ \begin{matrix}
e^{j \boldsymbol{k}^\mathrm{T}_\mathrm{T}\boldsymbol{p}_1} & 0 & \cdots & 0 \\
0 & e^{j \boldsymbol{k}^\mathrm{T}_\mathrm{T}\boldsymbol{p}_2} & \cdots & 0 \\
\vdots & \vdots & & \vdots \\
0 & 0 & \cdots & e^{j \vec{k}^\mathrm{T}_\mathrm{T}\vec{p}_N}
0 & 0 & \cdots & e^{j \boldsymbol{k}^\mathrm{T}_\mathrm{T}\boldsymbol{p}_N}
\end{matrix} \right]
\end{equation}$$
得到的输出为
$$\begin{equation}
f_\mathrm{s}\left( t, \vec{p}\right) = e^{j\omega t} \vec{v}_{\vec{k}}\left(\vec{k} - \vec{k}_\mathrm{T}\right)
f_\mathrm{s}\left( t, \boldsymbol{p}\right) = e^{j\omega t} \boldsymbol{v}_{\boldsymbol{k}}\left(\boldsymbol{k} - \boldsymbol{k}_\mathrm{T}\right)
\end{equation}$$
总的频率-波数响应为
$$\begin{equation}
\vec{\varUpsilon} \left(\left. \omega, \vec{k} \right| \vec{k}_\mathrm{T} \right) = \vec{\varUpsilon} \left( \omega, \vec{k} - \vec{k}_\mathrm{T} \right)
\boldsymbol{\varUpsilon} \left(\left. \omega, \boldsymbol{k} \right| \boldsymbol{k}_\mathrm{T} \right) = \boldsymbol{\varUpsilon} \left( \omega, \boldsymbol{k} - \boldsymbol{k}_\mathrm{T} \right)
\end{equation}$$
{% note info %}
阵列的响应函数仅是简单地平移到 $\vec{k}_\mathrm{T}$ 的位置,这是利用波数空间来解释阵列响应函数的好处之一。如果在波数空间考虑波束方向图,也会得到一个简单的平移关系。
阵列的响应函数仅是简单地平移到 $\boldsymbol{k}_\mathrm{T}$ 的位置,这是利用波数空间来解释阵列响应函数的好处之一。如果在波数空间考虑波束方向图,也会得到一个简单的平移关系。
{% endnote %}
@@ -87,27 +87,27 @@ $$\begin{equation}
&emsp;&emsp;当采用均匀幅度加权时,在[图 1-4-1](#fig.1-4-1) 中的两步的过程是不必要的。令
$$\begin{equation}
\vec{w} = \frac{1}{N} \vec{v}_{\vec{k}}\left(\vec{k}_\mathrm{T}\right)
\boldsymbol{w} = \frac{1}{N} \boldsymbol{v}_{\boldsymbol{k}}\left(\boldsymbol{k}_\mathrm{T}\right)
\end{equation}$$
则有
$$\begin{equation}
B_\mathrm{c} \left( \vec{k}, \vec{k}_\mathrm{T} \right) = \frac{1}{N} \vec{v}_{\vec{k}}^\mathrm{H} \left(\vec{k}_\mathrm{T}\right) \vec{v}_{\vec{k}}\left(\vec{k}\right)
B_\mathrm{c} \left( \boldsymbol{k}, \boldsymbol{k}_\mathrm{T} \right) = \frac{1}{N} \boldsymbol{v}_{\boldsymbol{k}}^\mathrm{H} \left(\boldsymbol{k}_\mathrm{T}\right) \boldsymbol{v}_{\boldsymbol{k}}\left(\boldsymbol{k}\right)
\end{equation}$$
称 $B_c \left( \vec{k}, \vec{k}_\mathrm{T} \right)$ 为**{% label primary @常规波束方向图(conventional beam pattern) %}**。我们将发现常规波束方向图是后面要讨论的很多最优处理内容的基础。
称 $B_c \left( \boldsymbol{k}, \boldsymbol{k}_\mathrm{T} \right)$ 为**{% label primary @常规波束方向图(conventional beam pattern) %}**。我们将发现常规波束方向图是后面要讨论的很多最优处理内容的基础。
# 均匀线性阵列的调向
&emsp;&emsp;线性阵列的常规波束方向图为
$$\begin{equation}
B_{\psi\mathrm{c}}\left( \psi : \psi_\mathrm{T} \right) = \frac{1}{N} \vec{v}_\psi^\mathrm{H} \left(\psi_\mathrm{T}\right) \vec{v}_\psi\left(\psi\right)
B_{\psi\mathrm{c}}\left( \psi : \psi_\mathrm{T} \right) = \frac{1}{N} \boldsymbol{v}_\psi^\mathrm{H} \left(\psi_\mathrm{T}\right) \boldsymbol{v}_\psi\left(\psi\right)
\end{equation}$$
$$\begin{equation}
B_{u\mathrm{c}}\left( u : u_\mathrm{T} \right) = \frac{1}{N} \vec{v}_u^\mathrm{H} \left(u_\mathrm{T}\right) \vec{v}_u\left(u\right)
B_{u\mathrm{c}}\left( u : u_\mathrm{T} \right) = \frac{1}{N} \boldsymbol{v}_u^\mathrm{H} \left(u_\mathrm{T}\right) \boldsymbol{v}_u\left(u\right)
\end{equation}$$
对于均匀线性阵列(阵元间距相同),有
+25 -25
View File
@@ -100,25 +100,25 @@ $$\begin{equation} \label{ElementOfSincMatrix}
[对角调向矩阵][] 在 $u$ 空间的表示形式为
$$\begin{equation}
\vec{I}_{\mathrm{s}u} = \mathrm{diag}\left( 1, e^{j \frac{2\pi d}{\lambda}u_\mathrm{T}} , e^{j \frac{2\pi d}{\lambda} 2u_\mathrm{T}}, \cdots, , e^{j \frac{2\pi d}{\lambda}(N-1)u_\mathrm{T}} \right)
\boldsymbol{I}_{\mathrm{s}u} = \mathrm{diag}\left( 1, e^{j \frac{2\pi d}{\lambda}u_\mathrm{T}} , e^{j \frac{2\pi d}{\lambda} 2u_\mathrm{T}}, \cdots, , e^{j \frac{2\pi d}{\lambda}(N-1)u_\mathrm{T}} \right)
\end{equation}$$
则
$$\begin{equation}
D = \vec{I}_{\mathrm{s}u} \vec{w}^\mathrm{H} \left[ \overrightarrow{\mathrm{sinc}} \right] \vec{w} \vec{I}_{\mathrm{s}u}^\mathrm{H}
D = \boldsymbol{I}_{\mathrm{s}u} \boldsymbol{w}^\mathrm{H} \left[ \overrightarrow{\mathrm{sinc}} \right] \boldsymbol{w} \boldsymbol{I}_{\mathrm{s}u}^\mathrm{H}
\end{equation}$$
通常,调向运算在权值矢量中包含[^1]
$$\begin{equation}
\vec{w}_\mathrm{s} = \vec{w}\vec{I}_{\mathrm{s}u}^\mathrm{H}
\boldsymbol{w}_\mathrm{s} = \boldsymbol{w}\boldsymbol{I}_{\mathrm{s}u}^\mathrm{H}
\end{equation}$$
则
$$\begin{equation}
D = \vec{w}_\mathrm{s}^\mathrm{H} \left[ \overrightarrow{\mathrm{sinc}} \right] \vec{w}_\mathrm{s}
D = \boldsymbol{w}_\mathrm{s}^\mathrm{H} \left[ \overrightarrow{\mathrm{sinc}} \right] \boldsymbol{w}_\mathrm{s}
\end{equation}$$
## 标准线阵的情况
@@ -132,16 +132,16 @@ $$\begin{equation} \label{IntermediateResultOfDirectivityInDirectionCosineSpaceO
当 $m = n$ 时,$\mathrm{sinc}$ 函数等于 1,当 $m \ne n$ 时,$\mathrm{sinc}$ 函数等于 0。所以式 $\eqref{IntermediateResultOfDirectivityInDirectionCosineSpaceOfLA}$ 简化为
$$\begin{equation}
D = \left\{ \sum_{n=0}^{N-1} \left| w_n \right|^2 \right\} = \left( \vec{w}^\mathrm{H}\vec{w} \right)^{-2} = \left\{ \left\| \vec{w} \right \|^2 \right\}^{-1}
D = \left\{ \sum_{n=0}^{N-1} \left| w_n \right|^2 \right\} = \left( \boldsymbol{w}^\mathrm{H}\boldsymbol{w} \right)^{-2} = \left\{ \left\| \boldsymbol{w} \right \|^2 \right\}^{-1}
\end{equation}$$
其中
$$\begin{equation} \label{SimplifiedResultOfDirectivityInDirectionCosineSpaceOfLA}
\left\| \vec{w} \right \| = \left( \vec{w}^\mathrm{H}\vec{w} \right)^{\frac{1}{2}}
\left\| \boldsymbol{w} \right \| = \left( \boldsymbol{w}^\mathrm{H}\boldsymbol{w} \right)^{\frac{1}{2}}
\end{equation}$$
是矢量 $\vec{w}$ 的 2-模。
是矢量 $\boldsymbol{w}$ 的 2-模。
&emsp;&emsp;所以一个标准线阵的方向性是权值矢量幅度平方的倒数。方向性不依赖于阵列的指向。当阵列指向从阵列的正侧向移开时,波束变宽,但是 $\varphi$ 的积分范围减小了
@@ -214,7 +214,7 @@ $$\begin{equation}
可以把 $DI$ 写成
$$\begin{equation}
DI = 10 \log_{10} N + 10 \log_{10}(g(\vec{w}))
DI = 10 \log_{10} N + 10 \log_{10}(g(\boldsymbol{w}))
\end{equation}$$
其中的第二项是权值的函数。对于任意的非均匀加权($w_n \ne N^{-1}$),$DI$ 将会减小。
@@ -240,7 +240,7 @@ $$\begin{equation} \label{InputSNRAtCertainFreq}
&emsp;&emsp;为了确定由信号和噪声产生的输出,我们需要一个用于描述输出谱的表达式,该式用波束形成器的权值和输入谱矩阵表示。根据[阵列输出的向量形式][]的表达式, 有
$$\begin{equation} \label{ArrayOutput}
y(t) = \int_{-\infty}^{\infty} \vec{h}^\mathrm{T} (\tau) \vec{x}\left(t - \tau\right) \mathrm{d} \tau
y(t) = \int_{-\infty}^{\infty} \boldsymbol{h}^\mathrm{T} (\tau) \boldsymbol{x}\left(t - \tau\right) \mathrm{d} \tau
\end{equation}$$
假设 $x(t)$ 是零均值宽平稳的。输出 $y(t)$ 的相关函数为
@@ -258,46 +258,46 @@ $$\begin{equation} \label{SpectrumOfArrayOutput}
根据式 $\eqref{ArrayOutput}$、$\eqref{CorrelationOfArrayOutput}$ 和 $\eqref{SpectrumOfArrayOutput}$,有
$$\begin{equation}
S_y (\omega) = \int_{-\infty}^{\infty} e^{-j\omega\tau} \, \mathrm{d} \tau \int_{-\infty}^{\infty} \vec{h}^\mathrm{T} (\alpha) \, \mathrm{d} \alpha \int_{-\infty}^{\infty} E \left[ \vec{x} (t-\alpha) \vec{x}^\mathrm{H} (t-\tau-\beta)\right] \vec{h}^\ast(\beta) \, \mathrm{d} \beta
S_y (\omega) = \int_{-\infty}^{\infty} e^{-j\omega\tau} \, \mathrm{d} \tau \int_{-\infty}^{\infty} \boldsymbol{h}^\mathrm{T} (\alpha) \, \mathrm{d} \alpha \int_{-\infty}^{\infty} E \left[ \boldsymbol{x} (t-\alpha) \boldsymbol{x}^\mathrm{H} (t-\tau-\beta)\right] \boldsymbol{h}^\ast(\beta) \, \mathrm{d} \beta
\end{equation}$$
也即
$$\begin{equation}
S_y (\omega) = \int_{-\infty}^{\infty} \vec{h}^\mathrm{T} (\alpha) e^{-j\omega\alpha} \, \mathrm{d} \alpha \int_{-\infty}^{\infty} e^{-jk\omega z} \vec{R}_x (z) \, \mathrm{d} z \int_{-\infty}^{\infty} e^{j\omega \beta} \vec{h}^\ast(\beta) \, \mathrm{d} \beta
S_y (\omega) = \int_{-\infty}^{\infty} \boldsymbol{h}^\mathrm{T} (\alpha) e^{-j\omega\alpha} \, \mathrm{d} \alpha \int_{-\infty}^{\infty} e^{-jk\omega z} \boldsymbol{R}_x (z) \, \mathrm{d} z \int_{-\infty}^{\infty} e^{j\omega \beta} \boldsymbol{h}^\ast(\beta) \, \mathrm{d} \beta
\end{equation}$$
可以进一步简化为
$$\begin{equation} \label{SimplifiedSpectrumOfArrayOutput}
S_y (\omega) = \vec{H}^\mathrm{T} (\omega) \vec{S}_x(\omega) \vec{H} ^\ast (\omega)
S_y (\omega) = \boldsymbol{H}^\mathrm{T} (\omega) \boldsymbol{S}_x(\omega) \boldsymbol{H} ^\ast (\omega)
\end{equation}$$
对于窄带波束形成器,在式 $\eqref{SimplifiedSpectrumOfArrayOutput}$ 中利用[窄带假设下的复加权的表达式][],可得到想要的结果:
$$\begin{equation}
S_y (\omega) = \vec{w}^\mathrm{H} \vec{S}_x(\omega) \vec{w}
S_y (\omega) = \boldsymbol{w}^\mathrm{H} \boldsymbol{S}_x(\omega) \boldsymbol{w}
\end{equation}$$
为了计算由于信号而产生的输出,对 $\vec{w}$ 施加约束条件,
为了计算由于信号而产生的输出,对 $\boldsymbol{w}$ 施加约束条件,
$$\begin{equation} \label{DistortionlessConstraint}
\vec{w}^\mathrm{H} \vec{v}_{\vec{k}} \left( \vec{k}_\mathrm{s} \right) = 1
\boldsymbol{w}^\mathrm{H} \boldsymbol{v}_{\boldsymbol{k}} \left( \boldsymbol{k}_\mathrm{s} \right) = 1
\end{equation}$$
在式 $\eqref{DistortionlessConstraint}$ 中的约束条件意味着从 $\vec{k}_\mathrm{s}$ 入射的任意信号将无畸变地通过波束形成器。我们把式 $\eqref{DistortionlessConstraint}$ 中的约束条件称为**{% label primary @无畸变约束( distortionless constraint) %}**。在后续的讨论中这个条件经常使用。
在式 $\eqref{DistortionlessConstraint}$ 中的约束条件意味着从 $\boldsymbol{k}_\mathrm{s}$ 入射的任意信号将无畸变地通过波束形成器。我们把式 $\eqref{DistortionlessConstraint}$ 中的约束条件称为**{% label primary @无畸变约束( distortionless constraint) %}**。在后续的讨论中这个条件经常使用。
&emsp;&emsp;可以把输入信号谱写成
$$\begin{equation} \label{SpectrumOfArrayInput}
\vec{S}_{\vec{f}}(\omega) = \vec{v}_{\vec{k}} \left( \vec{k}_\mathrm{s} \right) S_f(\omega) \vec{v}_{\vec{k}}^\mathrm{H} \left( \vec{k}_\mathrm{s} \right)
\boldsymbol{S}_{\boldsymbol{f}}(\omega) = \boldsymbol{v}_{\boldsymbol{k}} \left( \boldsymbol{k}_\mathrm{s} \right) S_f(\omega) \boldsymbol{v}_{\boldsymbol{k}}^\mathrm{H} \left( \boldsymbol{k}_\mathrm{s} \right)
\end{equation}$$
将式 $\eqref{SpectrumOfArrayInput}$ 代入利用式 $\eqref{SimplifiedSpectrumOfArrayOutput}$,得到的输出信号谱为
$$\begin{equation}
\begin{aligned}
S_{y_\mathrm{s}} &= \vec{w}^\mathrm{H} \vec{v}_{\vec{k}} \left( \vec{k}_\mathrm{s} \right) S_f (\omega) \vec{v}_{\vec{k}}^\mathrm{H} \left( \vec{k}_\mathrm{s} \right) \vec{w} \\
S_{y_\mathrm{s}} &= \boldsymbol{w}^\mathrm{H} \boldsymbol{v}_{\boldsymbol{k}} \left( \boldsymbol{k}_\mathrm{s} \right) S_f (\omega) \boldsymbol{v}_{\boldsymbol{k}}^\mathrm{H} \left( \boldsymbol{k}_\mathrm{s} \right) \boldsymbol{w} \\
&= S_f(\omega)
\end{aligned}
\end{equation}$$
@@ -305,19 +305,19 @@ $$\begin{equation}
由于噪声而产生的输出谱为
$$\begin{equation}
S_{y_\mathrm{n}} = \vec{w}^\mathrm{H} \vec{S_{\vec{n}}} (\omega) \vec{w}
S_{y_\mathrm{n}} = \boldsymbol{w}^\mathrm{H} \boldsymbol{S_{\boldsymbol{n}}} (\omega) \boldsymbol{w}
\end{equation}$$
其中 $\vec{S_{\vec{n}}} (\omega)$ 是输入噪声过程的谱矩阵。对于空域白噪声,且各传感器的噪声谱相同的特殊情况,有
其中 $\boldsymbol{S_{\boldsymbol{n}}} (\omega)$ 是输入噪声过程的谱矩阵。对于空域白噪声,且各传感器的噪声谱相同的特殊情况,有
$$\begin{equation}
S_{y_\mathrm{n}} = S_n (\omega) \vec{I}
S_{y_\mathrm{n}} = S_n (\omega) \boldsymbol{I}
\end{equation}$$
和
$$\begin{equation}
S_{y_n} = \left\| \vec{w} \right\|^2 S_n(w) = \sum_{n=0}^{N-1} \left| \omega_n \right|^2 S_n(\omega)
S_{y_n} = \left\| \boldsymbol{w} \right\|^2 S_n(w) = \sum_{n=0}^{N-1} \left| \omega_n \right|^2 S_n(\omega)
\end{equation}$$
所以
@@ -337,7 +337,7 @@ $$\begin{equation}
或
$$\begin{equation} \label{DefinitionOfArrayGain}
A_w = \left( \sum_{n=0}^{N-1} \frac{1}{\left| \omega_n \right|^2} \right) ^{-1} = \left\| \vec{w} \right\| ^{-2}
A_w = \left( \sum_{n=0}^{N-1} \frac{1}{\left| \omega_n \right|^2} \right) ^{-1} = \left\| \boldsymbol{w} \right\| ^{-2}
\end{equation}$$
对于式 $\eqref{DefinitionOfArrayGain}$,可以观察到下面三个有用的结果:
@@ -345,7 +345,7 @@ $$\begin{equation} \label{DefinitionOfArrayGain}
1. 只要满足
$$\begin{equation}
\left| \vec{w}^\mathrm{H}\vec{v}_{\vec{k}} \left( \vec{k}_\mathrm{s} \right) \right|^2 = 1
\left| \boldsymbol{w}^\mathrm{H}\boldsymbol{v}_{\boldsymbol{k}} \left( \boldsymbol{k}_\mathrm{s} \right) \right|^2 = 1
\end{equation}$$
这个结果就适用于任意的阵列结构。
@@ -360,4 +360,4 @@ $$\begin{equation} \label{DefinitionOfArrayGain}
[阵列输出的向量形式]: https://josh-gao.top/posts/8b61f5a7.html#VectorFormOfLinearArrayOutputInTimeDomain
[窄带假设下的复加权的表达式]: https://josh-gao.top/posts/8b61f5a7.html#NarrowBandComplexWeightVector
[^1]: 在大多数情况下,我们去掉下标 “$s$”,因为假设 $\vec{w}$ 是包含调向的。
[^1]: 在大多数情况下,我们去掉下标 “$s$”,因为假设 $\boldsymbol{w}$ 是包含调向的。