波束赋形beamforming

波束成形（beamforming or spatial filtering）是传感器阵列中用于定向信号传输或接收的信号处理技术。这是通过将天线阵列中的元件以这样的方式组合来实现的，即特定角度的信号经历相长干涉而其他经历相消干涉。波束成形在发送端和接收端都可以使用，以实现空间选择性。与全向接收/传输相比的改进被称为阵列的方向性。

波束成形可用于无线电或声波。它应用广泛，如用于雷达，声纳，地震学，无线通信，射电天文学，声学和生物医学中。自适应波束形成被用于通过最优空间滤波（例如最小二乘）和干扰抑制来检测和估计传感器阵列的输出端的期望信号。

为了在发射时改变阵列的方向性，波束形成器控制每个发射器处的信号的相位和相对幅度，以便在波阵面（波阵面Wavefront，简称“波面”有时又称为等相面。波源发出的振动在介质中传播经相同时间所到达的各点组成的面。）创建相长和相消干涉的图案。接收时，来自不同传感器的信息以优先观察预期的辐射图案的方式组合。

例如，在声纳中，为了向远处的船舶发送尖锐的水下声音脉冲，仅仅同时从阵列中的每个声纳发射器传送该尖锐脉冲是不行的，因为船舶将首先听到来自最近船只的扬声器发出的脉冲，然后是稍远船只的脉冲。波束形成技术包括在微小差异的时间发送来自每台发射器的脉冲（距离船舶最近的发射器最晚发送），以便各个脉冲完全同时撞击船舶，产生单个发射器发送单个强脉冲的效果。同样的事情可以在空中使用扬声器，或者在雷达/无线电中使用天线完成。

在被动声纳和主动声纳接收中，波束形成技术不同的延迟加载各个水听器上（最接近目标的水听器赋以最长的延迟），使得各个信号完全同时到达输出。接收波束成形也可以用于麦克风或雷达天线。

（主动声呐技术是指声呐主动发射声波“照射”目标，而后接收水中目标反射的回波以测定目标的参数。大多数采用脉冲体制，也有采用连续波体制的。它由简单的回声探测仪器演变而来，它主动地发射超声波，然后收测回波进行计算，适用于探测冰山、暗礁、沉船、海深、鱼群、水雷和关闭了发动机的隐蔽的潜艇；

被动声呐技术是指声呐被动接收舰船等水中目标产生的辐射噪声和水声设备发射的信号，以测定目标的方位。它由简单的水听器演变而来，它收听目标发出的噪声，判断出目标的位置和某些特性，特别适用于不能发声暴露自己而又要探测敌舰活动的潜艇。

简单的说主动声纳就是嘴和耳朵，喊出声音－听到回声，判定目标距离位。被动声纳就只有耳朵，听各种声音，只能估算出位置方位。）

对于窄带系统而言，时间延迟相当于“相移”，因此在这种情况下，每个天线阵列的偏移量稍微不同，称为相控阵。窄带系统，例如雷达，带宽仅为中心频率的一小部分。对于宽带系统，这种近似不再成立，例如声呐。

（相控阵即相位补偿(或延时补偿)基阵，它既可用以接收，也可用以发射。其工作原理是对按一定规律排列的基阵阵元的信号均加以适当的移相(或延时)以获得阵波束的偏转,在不同方位上同时进行相位(或延时)补偿,即可获得多波束。其优点是，不必用机械转动基阵就可在所要观察的空间范围内实现波束的电扫描，非常方便灵活。）

（有关使用幅度和相位偏移引导光束的完整数学，参见相控阵部分。）

在接收波束形成器中，来自每个天线的信号可以被不同的“权重”放大。可以使用不同的加权模式（例如，Dolph-Chebyshev）来实现期望的灵敏度模式。主瓣、零值和副瓣一起产生。除了控制主瓣宽度（波束）和副瓣电平以外，还可以控制零值的位置。这对于在接收其他方向信号的同时，忽略某个特定方向的噪声或干扰信号很有用。传输时可以获得类似的结果。

（主瓣中辐射功率为最大值一般是两个矢径间的夹角称为主瓣宽度。主瓣宽度越小，方向图越尖锐，表示天线辐射越集中。副瓣的最大值相对主瓣最大值的比，称为副瓣电平，一般用分贝来表示。

方向图包含有许多波瓣，其中包含最大辐射方向的波瓣称为主瓣。其它依次称为第一副瓣，第二副瓣等。

辐射方向图是描述天线或其它信号源发出无线电波的强度与方向（角度）之间依赖关系的图形。辐射方向图是一种表示天线辐射特性的数学函数或图示的空间坐标函数。）

波束形成技术大致可以分为两类：
常规（固定或开关波束）波束成形器
自适应波束形成器或相控阵
期望的信号最大化模式

干扰信号最小化或取消模式

常规波束形成器使用一组固定的权重和时间延迟（或相位）组合来自阵列传感器的信号，仅利用传感器在空间中的位置和期望的波方向的信息。相反，自适应波束成形技术（例如，MUSIC，SAMV）将从阵列实际接收的信号的特性组合起来，用于改善对来自其他方向的无用信号的抑制。这个过程可以在时域或频域都可以进行。

自适应波束形成器能够自动调节对不同情况的响应。必须设置一些标准以加速自适应过程，例如最小化总噪声输出。由于噪声随频率的变化，在宽带系统中，可能需要在频域中执行此过程。

波束形成可以是计算密集型的。声纳相控阵具有足够低的数据速率，可以通过软件进行实时处理，该软件足够灵活，可以一次发送或接收多个方向。相比之下，雷达相控阵的数据传输率非常高，通常需要专门的硬件处理，硬件一次只能在一个方向上进行传输或接收。然而，更新的现场可编程门阵列足够快，可以实时处理雷达数据，并且可以像软件一样快速重新编程，模糊了硬件/软件的区别。

参考：[1] https://en.wikipedia.org/wiki/Beamforming

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