Формирование луча или пространственная фильтрация — это метод обработки сигнала , используемый в сенсорных решетках для направленной передачи или приема сигнала. [1] Это достигается путем объединения элементов в антенной решетке таким образом, что сигналы под определенными углами испытывают конструктивную интерференцию , а другие испытывают деструктивную интерференцию. Формирование луча может использоваться как на передающем, так и на приемном конце для достижения пространственной селективности. Улучшение по сравнению с ненаправленным приемом/передачей известно как направленность решетки.
Формирование луча может использоваться для радио- или звуковых волн . Оно нашло многочисленные применения в радарах , гидролокаторах , сейсмологии , беспроводной связи, радиоастрономии , акустике и биомедицине . Адаптивное формирование луча используется для обнаружения и оценки интересующего сигнала на выходе массива датчиков с помощью оптимальной (например, наименьших квадратов) пространственной фильтрации и подавления помех.
Для изменения направленности массива при передаче формирователь луча управляет фазой и относительной амплитудой сигнала на каждом передатчике, чтобы создать картину конструктивной и деструктивной интерференции на волновом фронте. При приеме информация от разных датчиков объединяется таким образом, что предпочтительно наблюдается ожидаемая картина излучения.
Например, в сонаре , чтобы послать резкий импульс подводного звука в сторону корабля на расстоянии, просто одновременно передать этот резкий импульс от каждого проектора сонара в массиве не получится, потому что корабль сначала услышит импульс от динамика, который оказался ближе всего к кораблю, а затем импульсы от динамиков, которые оказались дальше от корабля. Метод формирования луча заключается в отправке импульса от каждого проектора в немного разное время (ближайший к кораблю проектор — последним), так что каждый импульс попадает на корабль в одно и то же время, создавая эффект одного сильного импульса от одного мощного проектора. Тот же метод можно реализовать в воздухе с помощью громкоговорителей или в радаре/радио с помощью антенн .
В пассивном сонаре и при приеме в активном сонаре метод формирования луча включает в себя объединение задержанных сигналов от каждого гидрофона в немного разное время (гидрофон, ближайший к цели, будет объединен после самой большой задержки), так что каждый сигнал достигает выхода точно в одно и то же время, создавая один громкий сигнал, как если бы сигнал исходил от одного очень чувствительного гидрофона. Формирование луча приема также может использоваться с микрофонами или радарными антеннами.
В узкополосных системах задержка по времени 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, в которой полоса пропускания составляет лишь малую часть центральной частоты. В широкополосных системах это приближение больше не выполняется, что типично для сонаров.
В формирователе луча приемника сигнал от каждой антенны может быть усилен разным «весом». Для достижения желаемых шаблонов чувствительности могут использоваться разные весовые схемы (например, Дольфа–Чебышева ). Главный лепесток создается вместе с нулями и боковыми лепестками. Помимо управления шириной главного лепестка ( шириной луча ) и уровнями боковых лепестков, можно управлять положением нуля. Это полезно для игнорирования шума или помех в одном конкретном направлении, прослушивая события в других направлениях. Похожий результат можно получить при передаче.
Полную математику по направлению лучей с использованием амплитудных и фазовых сдвигов см. в математическом разделе по фазированной решетке .
Методы формирования луча можно 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 первую очередь используя только информацию о расположении датчиков в пространстве и интересующих направлениях волн. Напротив, адаптивные методы формирования луча (например, MUSIC , SAMV ) обычно объединяют эту информацию со свойствами сигналов, фактически полученных массивом, как правило, для улучшения подавления нежелательных сигналов с других направлений. Этот процесс может выполняться как во временной, так и в частотной области.
Как следует из названия, адаптивный формирователь луча способен автоматически адаптировать свой ответ к различным ситуациям. Необходимо задать некоторый критерий, чтобы позволить адаптации продолжиться, например, минимизировать общий выходной шум. Из-за изменения шума с частотой в широкополосных системах может быть желательно выполнять процесс в частотной области .
Формирование луча может быть вычислительно интенсивным. Фазированная решетка сонара имеет скорость передачи данных достаточно низкую, чтобы ее можно было обрабатывать в реальном времени в программном обеспечении , которое достаточно гибко для передачи или приема в нескольких направлениях одновременно. Напротив, фазированная решетка радара имеет скорость передачи данных настолько высокую, что обычно требует специальной аппаратной обработки, которая жестко запрограммирована для передачи или приема только в одном направлении за раз. Однако более новые программируемые вентильные матрицы достаточно быстры, чтобы обрабатывать данные радара в реальном времени, и могут быть быстро перепрограммированы как программное обеспечение, стирая различие между оборудованием и программным обеспечением.
Формирование луча сонара использует ту же технику, что и электромагнитное формирование луча, но значительно отличается в деталях реализации. Приложения сонара варьируются от 1 Гц до 2 МГц, а элементы массива могут быть немногочисленными и большими, или их может быть сотни, но они очень малы. Это значительно сместит усилия по проектированию формирования луча сонара между требованиями таких компонентов системы, как «внешний интерфейс» (преобразователи, предварительные усилители и оцифровщики) и фактического вычислительного оборудования формирователя луча ниже по потоку. Высокочастотные, сфокусированные лучи, многоэлементные сонары для поиска изображений и акустические камеры часто реализуют пространственную обработку пятого порядка, которая создает нагрузки, эквивалентные требованиям радара Aegis к процессорам.
Многие гидроакустические системы, например, на торпедах, состоят из решеток, содержащих до 100 элементов, которые должны обеспечивать управление лучом в поле зрения в 100 градусов и работать как в активном, так и в пассивном режиме.
Гидроакустические решетки используются как активно, так и пассивно в 1-, 2- и 3-мерных решетках.
Сонар отличается от радара тем, что в некоторых приложениях, таких как широкополосный поиск, часто необходимо прослушивать все направления, а в некоторых приложениях и транслировать их одновременно. Таким образом, необходима многолучевая система. В узкополосном приемнике сонара фазы для каждого луча могут полностью управляться программным обеспечением обработки сигнала, в отличие от современных радарных систем, которые используют аппаратное обеспечение для «прослушивания» в одном направлении за раз.
Сонар также использует формирование луча для компенсации существенной проблемы более медленной скорости распространения звука по сравнению со скоростью электромагнитного излучения. В сонарах бокового обзора скорость буксировочной системы или транспортного средства, несущего сонар, достаточно велика, чтобы вывести сонар из поля возвращающегося звукового «пинга». В дополнение к алгоритмам фокусировки, предназначенным для улучшения приема, многие сонары бокового обзора также используют управление лучом, чтобы смотреть вперед и назад, чтобы «ловить» 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 корректировка положения или количества микрофонов нелинейно изменяет производительность формирователя луча. Кроме того, из-за количества возможных комбинаций вычислительно сложно найти наилучшую конфигурацию. Одним из методов решения этой проблемы является использование генетических алгоритмов . Такой алгоритм ищет конфигурацию микрофонной решетки , которая обеспечивает наивысшее отношение сигнал/шум для каждой управляемой ориентации. Эксперименты показали, что такой алгоритм может найти наилучшую конфигурацию ограниченного пространства поиска, включающего ~33 миллиона решений, за считанные секунды вместо дней. [2]
Методы формирования луча, используемые в стандартах сотовой связи , совершенствовались с каждым поколением, позволяя использовать более сложные системы для достижения более высокой плотности ячеек с более высокой пропускной способностью.
Все большее число потребительских устройств Wi-Fi 802.11ac с функцией MIMO может поддерживать формирование луча для повышения скорости передачи данных. [3]
Для приема (но не передачи [ требуется ссылка ] ) 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 в цифровом виде с соответствующими масштабными коэффициентами или фазовыми сдвигами для получения составных сигналов. Напротив, подход «аналогового формирования луча» подразумевает взятие 100 аналоговых сигналов, их масштабирование или фазовый сдвиг с использованием аналоговых методов, их суммирование, а затем обычно оцифровывание единственного выходного потока данных.
Цифровое формирование луча имеет то преимущество, что потоки цифровых данных (100 в этом примере) можно манипулировать и объединять многими возможными способами параллельно, чтобы получать много различных выходных сигналов параллельно. Сигналы со всех направлений можно измерять одновременно, и 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. [4] Это не может быть сделано так же эффективно для аналогового формирования луча, не только потому, что каждая параллельная комбинация сигналов требует своей собственной схемы, но и, что более принципиально, потому что цифровые данные могут быть скопированы идеально, а аналоговые данные — нет. (Имеется лишь ограниченная аналоговая мощность, а усиление добавляет шум.) Поэтому, если полученный аналоговый сигнал разделить и отправить в большое количество различных схем комбинации сигналов, это может снизить отношение сигнал/шум каждой из них.
В системах связи MIMO с большим количеством антенн, так называемых массивных системах MIMO, алгоритмы формирования луча, выполняемые в цифровой базовой полосе , могут стать очень сложными. Кроме того, если все формирование луча выполняется в базовой полосе, каждой антенне требуется свой собственный радиочастотный источник. На высоких частотах и с большим количеством антенных элементов это может быть очень дорогостоящим и увеличивать потери и сложность в системе. 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 выполнить с использованием аналоговых компонентов вместо цифровой полосы частот. [5] [6] [7]
Формирование луча, будь то цифровое или с помощью аналоговой архитектуры, недавно было применено в интегрированной технологии зондирования и связи. Например, было предложено использовать формирователь луча в ситуациях с несовершенным состоянием канала для выполнения задач связи, одновременно выполняя обнаружение цели для обнаружения целей на сцене. [8]
Формирование луча можно использовать для извлечения источников звука в комнате, например, нескольких динамиков в задаче о коктейльной вечеринке . Для этого необходимо заранее знать местоположение динамиков, например, используя время прибытия от источников к микрофонам в массиве и выведя местоположения из расстояний.
По сравнению с телекоммуникациями на несущей волне , естественный звук содержит множество частот. Выгодно разделять полосы частот до формирования луча, поскольку разные частоты имеют разные оптимальные фильтры формы луча (и, следовательно, могут рассматриваться как отдельные проблемы, параллельно, а затем рекомбинироваться впоследствии). Надлежащая изоляция этих полос требует специализированных нестандартных банков фильтров . В отличие от этого, например, стандартные полосовые фильтры быстрого преобразования Фурье (БПФ) неявно предполагают, что единственные частоты, присутствующие в сигнале, являются точными гармониками ; частоты, которые лежат между этими гармониками, обычно активируют все каналы БПФ (что не является тем, что требуется при анализе формы луча). Вместо этого можно [ требуется ссылка ] разработать фильтры, в которых только локальные частоты обнаруживаются каждым каналом (при сохранении свойства рекомбинации для возможности восстановления исходного сигнала), и они, как правило, неортогональны в отличие от базиса БПФ.
