Введение

Техника обработки сигналов, используемая в массивах датчиков для направленной передачи или приема сигнала. Формирование луча или пространственная фильтрация – это техника обработки сигналов, применяемая в массивах датчиков для направленной передачи или приема сигнала. Это достигается путем комбинирования элементов антенной решетки таким образом, чтобы сигналы, приходящие под определенными углами, усиливались за счет конструктивной интерференции, а остальные – ослаблялись за счет деструктивной интерференции. Формирование луча может использоваться как на передающей, так и на принимающей стороне для обеспечения пространственной избирательности. Улучшение по сравнению с всенаправленной передачей/приемом известно как диаграмма направленности массива. Формирование луча применимо к радио- и звуковым волнам. Оно находит широкое применение в радиолокации, гидролокации, сейсмологии, беспроводной связи, радиоастрономии, акустике и биомедицине. Адаптивное формирование луча используется для обнаружения и оценки целевого сигнала на выходе массива датчиков посредством оптимальной (например, метода наименьших квадратов) пространственной фильтрации и подавления помех.

Требования к формированию звуковой передачи

Сонарная формировка луча использует аналогичную технику, как и электромагнитная, но значительно различается в деталях реализации. Области применения сонара варьируются от 1 Гц до 2 МГц, а элементы массива могут быть немногочисленными и крупными, или насчитывать сотни, но быть очень маленькими. Это существенно смещает акцент в проектировании сонарной формировки луча между требованиями к таким компонентам системы, как "фронтальная часть" (преобразователи, предварительные усилители и цифровые преобразователи) и вычислительному оборудованию формирователя луча, расположенному ниже по цепи. Высокочастотные, сфокусированные многоэлементные поисковые сонары и акустические камеры, предназначенные для получения изображений, часто реализуют пространственную обработку пятого порядка, создавая нагрузку на процессоры, сопоставимую с требованиями радаров типа Aegis. Многие сонарные системы, например, на торпедах, состоят из массивов, содержащих до 100 элементов, которые должны обеспечивать управление лучом в поле зрения в 100 градусов и работать как в активном, так и в пассивном режимах. Сонарные массивы используются как в активном, так и в пассивном режимах в одномерных, двухмерных и трехмерных конфигурациях. Одномерные "линейные" массивы обычно применяются в многоэлементных пассивных системах, буксируемых за кораблями, а также в одно- или многоэлементных сонарах бокового обзора. Двумерные "планарные" массивы широко используются в активных/пассивных сонарах, устанавливаемых на корпусе корабля, и в некоторых сонарах бокового обзора. Трехмерные сферические и цилиндрические массивы применяются в "сонарных куполах" на современных подводных лодках и кораблях. Сонар отличается от радара тем, что в некоторых приложениях, таких как широкозонный поиск, часто необходимо одновременно прослушивать все направления, а в некоторых – и передавать сигналы. Таким образом, требуется многолучевая система. В узкополосном сонарном приемнике фазы для каждого луча могут быть полностью скорректированы программным обеспечением обработки сигналов, в отличие от современных радиолокационных систем, использующих аппаратное обеспечение для "прослушивания" в одном направлении за раз. Сонар также использует формировку луча для компенсации значительной проблемы, связанной с более низкой скоростью распространения звука по сравнению со скоростью электромагнитного излучения. В сонарах бокового обзора скорость буксируемой системы или транспортного средства, несущего сонар, достаточно велика, чтобы вывести сонар из зоны действия отраженного звукового "импульса". Помимо алгоритмов фокусировки, предназначенных для улучшения приема, многие сонары бокового обзора также используют управление лучом для обзора вперед и назад, чтобы "перехватывать" входящие импульсы, которые могли бы быть пропущены одним боковым лучом.

Схемы

Обычный формирователь луча может быть простым формирователем луча, также известным как формирователь луча с задержкой и суммированием. Все веса антенных элементов могут иметь одинаковую амплитуду. Формирователь луча направляется в заданном направлении только путем выбора соответствующих фаз для каждой антенны. Если шум некоррелирован и отсутствуют направленные помехи, отношение сигнал/шум формирователя луча с антеннами, принимающими сигнал мощности , (где – дисперсия шума или мощность шума), составляет: Формирователь луча с подавлением помех оптимизирован для нулевого отклика в направлении одного или нескольких источников помех. Формирователь луча в частотной области рассматривает каждый частотный интервал как узкополосный сигнал, для которого фильтры представляют собой комплексные коэффициенты (то есть, коэффициенты усиления и фазовые сдвиги), оптимизированные отдельно для каждой частоты.

Эволюционировавший Beamformer

Техника задержки и суммирования использует несколько микрофонов для локализации источников звука. Одним из недостатков этой техники является то, что изменение положения или количества микрофонов нелинейно влияет на производительность формирователя луча. Кроме того, из-за огромного числа возможных комбинаций, вычислительно сложно найти оптимальную конфигурацию. Одним из способов решения этой проблемы является использование генетических алгоритмов. Такой алгоритм ищет конфигурацию микрофонного массива, обеспечивающую максимальное отношение сигнал/шум для каждой заданной ориентации. Эксперименты показали, что такой алгоритм способен найти оптимальную конфигурацию в ограниченном пространстве поиска, содержащем около 33 миллионов решений, за секунды вместо дней.

Цифровые, аналоговые и гибридные

Для приема (а не передачи) существует различие между аналоговым и цифровым формированием луча. Например, если имеется 100 сенсорных элементов, подход "цифрового формирования луча" подразумевает, что каждый из 100 сигналов проходит через аналого-цифровой преобразователь для создания 100 цифровых потоков данных. Затем эти потоки данных суммируются цифровым способом с соответствующими коэффициентами масштабирования или сдвигами фаз, чтобы получить результирующие сигналы. В отличие от этого, подход "аналогового формирования луча" предполагает прием 100 аналоговых сигналов, масштабирование или фазовое смещение их с использованием аналоговых методов, суммирование их, а затем, как правило, оцифровку единственного выходного потока данных. Цифровое формирование луча имеет то преимущество, что цифровыми потоками данных (100 в данном примере) можно манипулировать и комбинировать параллельно множеством различных способов, чтобы получить множество различных выходных сигналов параллельно. Сигналы со всех направлений можно измерять одновременно, а сигналы можно интегрировать в течение более длительного времени при изучении удаленных объектов и одновременно интегрировать в течение более короткого времени для изучения быстро движущихся близких объектов и так далее. Это не может быть сделано столь же эффективно при аналоговом формировании луча, не только потому, что каждая параллельная комбинация сигналов требует собственной схемы, но и более фундаментально потому, что цифровые данные можно скопировать идеально, а аналоговые – нет. (Доступна лишь ограниченная аналоговая мощность, а усиление добавляет шум.) Следовательно, если принятый аналоговый сигнал разделяется и направляется в большое количество различных схем комбинирования сигналов, это может снизить отношение сигнал/шум каждого из них. В системах связи MIMO с большим количеством антенн, так называемых системах Massive MIMO, алгоритмы формирования луча, выполняемые в цифровой базовой полосе, могут быть очень сложными. Кроме того, если все формирование луча выполняется в базовой полосе, каждой антенне требуется собственная RF-линия. При высоких частотах и большом количестве антенных элементов это может быть очень дорогостоящим и увеличивать потери и сложность системы. Для решения этих проблем было предложено гибридное формирование луча, при котором часть формирования луча выполняется с использованием аналоговых компонентов, а не цифровых. Существует множество различных функций, которые можно выполнять с использованием аналоговых компонентов вместо цифровой базовой полосы. Формирование луча, будь то цифровое или реализованное с помощью аналоговой архитектуры, в последнее время находит применение в интегрированных технологиях связи и сенсорики. Например, был предложен формирователь луча, который в условиях неполной информации о состоянии канала выполняет задачи связи, одновременно осуществляя обнаружение целей для определения объектов в сцене.

Для речевого аудио

Формирование луча может использоваться для выделения источников звука в помещении, например, нескольких говорящих в задаче "коктейльной вечеринки". Для этого необходимо заранее знать местоположение источников звука, например, определяя время прихода сигнала от источников к микрофонам в массиве и вычисляя местоположение на основе расстояний. В отличие от телекоммуникаций с несущей частотой, естественный звук содержит широкий спектр частот. Целесообразно разделять частотные полосы перед формированием луча, поскольку для разных частот оптимальны разные фильтры формирования луча (и, следовательно, их можно рассматривать как отдельные задачи, решаемые параллельно с последующим объединением результатов). Для эффективной изоляции этих полос требуются специализированные нестандартные фильтр-банки. В отличие от этого, стандартные полосно-пропускающие фильтры быстрого преобразования Фурье (FFT), например, неявно предполагают, что в сигнале присутствуют только точные гармоники; частоты, лежащие между этими гармониками, обычно активируют все каналы FFT (что нежелательно при анализе формирования луча). Вместо этого можно разрабатывать фильтры, в которых каждый канал обнаруживает только локальные частоты (сохраняя при этом возможность рекомбинации для восстановления исходного сигнала), и такие фильтры, как правило, неортогональны, в отличие от базиса FFT.