Формирование луча или пространственная фильтрация — это метод обработки сигналов , используемый в матрицах датчиков для направленной передачи или приема сигналов. [1] Это достигается за счет объединения элементов в антенной решетке таким образом, что сигналы под определенными углами испытывают конструктивные помехи , в то время как другие подвергаются разрушительным помехам. Формирование луча может использоваться как на передающей, так и на приемной стороне для достижения пространственной избирательности. Улучшение по сравнению с всенаправленным приемом/передачей известно как направленность массива.
Формирование луча может использоваться для радио или звуковых волн . Он нашел многочисленные применения в радиолокации , гидролокации , сейсмологии , беспроводной связи, радиоастрономии , акустике и биомедицине . Адаптивное формирование луча используется для обнаружения и оценки интересующего сигнала на выходе матрицы датчиков посредством оптимальной (например, методом наименьших квадратов) пространственной фильтрации и подавления помех.
Чтобы изменить направленность решетки при передаче, формирователь луча контролирует фазу и относительную амплитуду сигнала на каждом передатчике, чтобы создать структуру конструктивной и деструктивной интерференции на волновом фронте. При приеме информация от разных датчиков комбинируется таким образом, чтобы преимущественно наблюдалась ожидаемая картина излучения.
Например, в гидролокаторе , чтобы послать резкий импульс подводного звука к кораблю на расстоянии, просто одновременно передать этот резкий импульс от каждого гидролокационного проектора в массиве не удастся, потому что корабль сначала услышит импульс из динамика, который оказывается ближайший к кораблю, а затем импульсы из динамиков, которые оказались дальше от корабля. Метод формирования луча предполагает отправку импульса от каждого проектора в несколько разное время (проектор, ближайший к кораблю последним), так что каждый импульс попадает на корабль точно в одно и то же время, создавая эффект одного сильного импульса от одного мощного проектора. . Тот же метод можно реализовать в воздухе с использованием громкоговорителей или в радаре/радио с использованием антенн .
В пассивном гидролокаторе и при приеме в активном гидролокаторе метод формирования луча включает в себя объединение задержанных сигналов от каждого гидрофона в несколько разное время (гидрофон, ближайший к цели, будет объединен после наибольшей задержки), так что каждый сигнал достигает выхода точно в при этом издавая один громкий сигнал, как если бы сигнал исходил от одного очень чувствительного гидрофона. Формирование луча приема также можно использовать с микрофонами или радиолокационными антеннами.
В узкополосных системах временная задержка эквивалентна «фазовому сдвигу», поэтому в этом случае решетка антенн, каждая из которых сдвинута на немного разную величину, называется фазированной решеткой . Узкополосная система, типичная для радаров , — это система, полоса пропускания которой составляет лишь небольшую часть центральной частоты. В широкополосных системах это приближение больше не выполняется, что типично для гидролокаторов.
В формирователе приемного луча сигнал от каждой антенны может усиливаться с разным «весом». Различные шаблоны взвешивания (например, Дольфа-Чебышева ) могут использоваться для достижения желаемых шаблонов чувствительности. Главный лепесток создается вместе с нулевыми и боковыми лепестками. Помимо управления шириной основного лепестка ( шириной луча ) и уровнями боковых лепестков, можно контролировать положение нуля. Это полезно для игнорирования шума или помех в одном конкретном направлении и одновременного прослушивания событий в других направлениях. Аналогичный результат можно получить при передаче.
Полную математическую информацию о направлении лучей с использованием амплитудных и фазовых сдвигов см. в математическом разделе « Фазированная решетка» .
Методы формирования луча можно условно разделить на две категории:
Обычные формирователи луча, такие как матрица Батлера , используют фиксированный набор весов и временных задержек (или фазировок) для объединения сигналов от датчиков в массиве, в основном используя только информацию о расположении датчиков в пространстве и направлениях волн. представляет интерес. Напротив, методы адаптивного формирования луча (например, MUSIC , SAMV ) обычно объединяют эту информацию со свойствами сигналов, фактически полученных массивом, обычно для улучшения подавления нежелательных сигналов с других направлений. Этот процесс может осуществляться либо во временной, либо в частотной области.
Как следует из названия, адаптивный формирователь луча способен автоматически адаптировать свою реакцию к различным ситуациям. Должен быть установлен какой-то критерий, позволяющий продолжить адаптацию, например, минимизация общего выходного шума. Из-за изменения шума в зависимости от частоты в широкополосных системах может быть желательно выполнять этот процесс в частотной области .
Формирование луча может потребовать больших вычислительных ресурсов. ФАР гидролокатора имеет достаточно низкую скорость передачи данных, чтобы их можно было обрабатывать в реальном времени с помощью программного обеспечения , которое достаточно гибкое для передачи или приема в нескольких направлениях одновременно. Напротив, радиолокационная фазированная решетка имеет настолько высокую скорость передачи данных, что обычно требует специальной аппаратной обработки, которая жестко запрограммирована на передачу или прием только в одном направлении за раз. Однако новые программируемые вентильные матрицы достаточно быстры, чтобы обрабатывать радиолокационные данные в режиме реального времени, и их можно быстро перепрограммировать, как программное обеспечение, что стирает различие между аппаратным и программным обеспечением.
Формирование луча сонара использует метод, аналогичный электромагнитному формированию луча, но значительно различается в деталях реализации. Частота применения сонара варьируется от 1 Гц до 2 МГц, а элементы массива могут быть небольшими и большими или исчисляться сотнями, но очень маленькими. Это значительно сместит усилия по проектированию формирования луча гидролокатора между требованиями таких компонентов системы, как «передний конец» (преобразователи, предварительные усилители и цифровые преобразователи) и реальным вычислительным оборудованием формирователя луча. Высокочастотные, сфокусированные лучи, многоэлементные гидролокаторы поиска изображений и акустические камеры часто реализуют пространственную обработку пятого порядка, что создает нагрузку, эквивалентную требованиям радара Aegis для процессоров.
Многие гидролокационные системы, например, на торпедах, состоят из массивов, насчитывающих до 100 элементов, которые должны обеспечивать управление лучом в поле зрения 100 градусов и работать как в активном, так и в пассивном режимах.
Сонарные массивы используются как активно, так и пассивно в 1-, 2- и 3-мерных массивах.
Сонар отличается от радара тем, что в некоторых приложениях, таких как глобальный поиск, часто необходимо прослушивать все направления, а в некоторых приложениях транслировать одновременно. Таким образом, необходима многолучевая система. В узкополосном приемнике гидролокатора фазами каждого луча можно полностью управлять с помощью программного обеспечения для обработки сигналов, в отличие от современных радиолокационных систем, которые используют аппаратное обеспечение для «прослушивания» в одном направлении одновременно.
Сонар также использует формирование луча, чтобы компенсировать существенную проблему более низкой скорости распространения звука по сравнению со скоростью электромагнитного излучения. В гидролокаторах бокового обзора скорость буксирной системы или транспортного средства, несущего гидролокатор, движется с достаточной скоростью, чтобы вывести гидролокатор из поля возвращающегося звука «пинг». В дополнение к алгоритмам фокусировки, предназначенным для улучшения приема, многие гидролокаторы бокового обзора также используют управление лучом для просмотра вперед и назад, чтобы «поймать» входящие импульсы, которые были бы пропущены одним лучом бокового обзора.
Метод формирования луча с задержкой и суммированием использует несколько микрофонов для локализации источников звука. Одним из недостатков этого метода является то, что регулировка положения или количества микрофонов нелинейно изменяет характеристики формирователя луча. Кроме того, из-за большого количества возможных комбинаций сложно найти лучшую конфигурацию с вычислительной точки зрения. Одним из методов решения этой проблемы является использование генетических алгоритмов . Такой алгоритм ищет конфигурацию микрофонной решетки , обеспечивающую максимальное соотношение сигнал/шум для каждой управляемой ориентации. Эксперименты показали, что такой алгоритм может найти лучшую конфигурацию ограниченного пространства поиска, содержащего ~33 миллиона решений, за считанные секунды, а не дни. [2]
Методы формирования луча, используемые в стандартах сотовых телефонов , развивались из поколения в поколение, позволяя использовать более сложные системы для достижения более высокой плотности ячеек и более высокой пропускной способности.
Все большее число потребительских устройств Wi-Fi 802.11ac с возможностью MIMO может поддерживать формирование диаграммы направленности для повышения скорости передачи данных. [3]
Чтобы принимать (но не передавать [ нужна ссылка ] ), существует различие между аналоговым и цифровым формированием луча. Например, если имеется 100 сенсорных элементов, подход «цифрового формирования луча» предполагает, что каждый из 100 сигналов проходит через аналого-цифровой преобразователь для создания 100 потоков цифровых данных. Затем эти потоки данных суммируются в цифровом виде с соответствующими масштабными коэффициентами или фазовыми сдвигами для получения составных сигналов. Напротив, подход «аналогового формирования луча» предполагает прием 100 аналоговых сигналов, их масштабирование или фазовый сдвиг с использованием аналоговых методов, их суммирование, а затем обычно оцифровку единственного потока выходных данных.
Преимущество цифрового формирования луча заключается в том, что потоками цифровых данных (в этом примере 100) можно манипулировать и комбинировать многими возможными способами параллельно, чтобы параллельно получать множество различных выходных сигналов. Сигналы со всех направлений могут измеряться одновременно, причем сигналы можно интегрировать в течение более длительного времени при изучении удаленных объектов и одновременно интегрировать в течение более короткого времени для изучения быстродвижущихся близких объектов и так далее. [4] Это невозможно сделать так же эффективно для аналогового формирования диаграммы направленности не только потому, что каждая параллельная комбинация сигналов требует своей собственной схемы, но, что более важно, потому что цифровые данные могут быть скопированы идеально, а аналоговые данные — нет. (Имеется ограниченное количество аналоговой мощности, а усиление добавляет шум.) Следовательно, если полученный аналоговый сигнал разделить и отправить на большое количество различных схем объединения сигналов, это может уменьшить отношение сигнал/шум каждой из них. .
В системах связи MIMO с большим количеством антенн, так называемых массивных системах MIMO, алгоритмы формирования диаграммы направленности, выполняемые в цифровой основной полосе частот , могут стать очень сложными. Кроме того, если все формирование диаграммы направленности выполняется в основной полосе частот, каждой антенне потребуется собственный радиочастотный канал. На высоких частотах и при большом количестве антенных элементов это может быть очень дорогостоящим и увеличить потери и сложность системы. Чтобы решить эти проблемы, было предложено гибридное формирование луча, при котором часть формирования луча выполняется с использованием аналоговых компонентов, а не цифровых.
Существует много возможных различных функций, которые можно выполнять с использованием аналоговых компонентов вместо цифрового модулирующего сигнала. [5] [6] [7]
Формирование луча, выполняемое в цифровом формате или с помощью аналоговой архитектуры, недавно стало применяться в интегрированных технологиях зондирования и связи. Например, был предложен формирователь луча в ситуациях с несовершенной информацией о состоянии канала для выполнения задач связи, одновременно выполняя обнаружение целей для обнаружения целей на сцене. [8]
Формирование луча можно использовать, чтобы попытаться выделить источники звука в комнате, например, несколько динамиков в задаче на коктейльной вечеринке . Для этого необходимо заранее знать расположение динамиков, например, используя время прибытия от источников к микрофонам в массиве и определяя местоположения на основе расстояний.
По сравнению с телекоммуникациями на несущей волне , естественный звук содержит множество частот. Перед формированием луча выгодно разделить полосы частот, поскольку разные частоты имеют разные оптимальные фильтры формы луча (и, следовательно, их можно рассматривать как отдельные проблемы параллельно, а затем повторно объединять). Для правильной изоляции этих полос используются специализированные нестандартные банки фильтров . Напротив, например, стандартные полосовые фильтры быстрого преобразования Фурье (БПФ) неявно предполагают, что единственные частоты, присутствующие в сигнале, являются точными гармониками ; частоты, лежащие между этими гармониками, обычно активируют все каналы БПФ (а это не то, что требуется при анализе формы луча). Вместо этого можно разработать фильтры , в которых каждый канал обнаруживает только локальные частоты (при этом сохраняя свойство рекомбинации, позволяющее восстановить исходный сигнал), и они обычно неортогональны, в отличие от базиса БПФ.
