波束赋形

波束赋形或空间滤波是一种信号处理技术，用于传感器阵列的定向信号传输或接收。这是通过组合天线阵列中的元素来实现的，使特定角度的信号经历建设性干扰，而其他角度的信号经历破坏性干扰。波束赋形可以在发射和接收两端使用，以实现空间选择性。与全向接收/发射相比，这种改进被称为阵列的指向性。

波束赋形可用于无线电或声波。它已经在雷达、声纳、地震学、无线通信、射电天文学、声学和生物医学中发现了许多应用。自适应波束成形是通过最佳（如最小二乘法）空间滤波和干扰抑制来检测和估计传感器阵列输出端的感兴趣的信号。

为了在发射时改变阵列的方向性，波束成形器控制每个发射器的信号的相位和相对振幅，以便在波前形成建设性和破坏性干扰模式。当接收时，来自不同传感器的信息以优先观察到预期的辐射模式的方式被结合起来。

例如，在声纳中，要向远处的船只发送一个尖锐的水下声音脉冲，简单地从阵列中的每个声纳投影仪同时发送这个尖锐的脉冲是失败的，因为船只将首先听到来自碰巧离船只最近的扬声器的脉冲，然后是来自碰巧离船只更远的扬声器的脉冲。波束成形技术包括在略微不同的时间发送来自每个投射器的脉冲（离船最近的投射器最后发送），从而使每个脉冲在完全相同的时间击中船，产生来自一个强大投射器的单一强脉冲的效果。同样的技术可以在空中使用扬声器进行，或在雷达/无线电中使用天线。

在被动声纳中，以及在主动声纳的接收中，波束成形技术涉及到将每个水听器的延迟信号在稍微不同的时间结合起来（最接近目标的水听器将在最长的延迟后被结合起来），这样，每个信号在完全相同的时间到达输出，形成一个响亮的信号，就像信号来自一个非常敏感的水听器。接收波束成形技术也可用于麦克风或雷达天线。

对于窄带系统，时间延迟相当于相位移动，所以在这种情况下，天线阵列，每根天线的移动量略有不同，被称为相位阵列。一个窄带系统，典型的雷达，是一个带宽只有中心频率的一小部分的系统。对于宽频系统，这一近似值不再成立，这在声纳中是典型的。

在接收波束成形器中，来自每个天线的信号可能被不同的权重所放大。不同的加权模式（如Dolph-Chebyshev）可用于实现所需的灵敏度模式。一个主波与空洞和侧波一起产生。除了控制主叶的宽度（波束宽度）和侧叶的水平，还可以控制空点的位置。这对忽略一个特定方向的噪声或干扰是很有用的，而对其他方向的事件进行监听。在传输方面也可以得到类似的结果。

关于使用振幅和相位移动引导波束的全部数学知识，请参见相控阵的数学部分。

波束赋形技术大致可分为两类。

• 传统（固定或切换波束）波束赋形器
• 自适应波束赋形器或相控阵
  • 期望信号最大化模式
  • 干扰信号最小化或取消模式

传统波束赋形器。如巴特勒矩阵，使用一组固定的加权和延时（或相位）来组合来自阵列中的传感器的信号，主要只使用关于传感器在空间的位置和感兴趣的波方向的信息。相反，自适应波束成形技术（如MUSIC、SAMV）通常将这一信息与阵列实际接收到的信号的特性相结合，通常是为了改善对来自其他方向的不需要的信号的抑制。这个过程可以在时域或频域进行。

顾名思义，自适应波束成形器能够自动适应不同情况的反应。必须设置一些标准以允许适应进行，如最小化总噪声输出。由于噪声随频率的变化，在宽频带系统中，xxx是在频域中进行这一过程。

波束赋形可能是计算上的密集。声纳相控阵的数据率很低，可以进行实时处理。