波束图(beam pattern)的python和matlab实现

2023-11-10 05:50

本文主要是介绍波束图(beam pattern)的python和matlab实现,希望对大家解决编程问题提供一定的参考价值,需要的开发者们随着小编来一起学习吧!

关注、点赞、收藏是对我最大的支持,谢谢!

目录

1、什么是波束图

2、波束图的原理

3、波束图的实现


1、什么是波束图

通过波束图可以知晓哪个方向的信号被增强,哪个方向的信号被抑制。

2、波束图的原理

        声源到各麦克风的时间是不一样的,存在时间差,以mic1为参考点,mic2和micM均会提前,提前的时间为(\Delta t, 2\Delta t,,...,(M-1)\Delta t,),其中\Delta=dcos\theta/c

假设声波波长\lambda=d/2,频率为f,相位差为(\psi, 2\psi,...,(M-1)\psi),其中

\psi = 2\pi \Delta t/T= 2\pi f \Delta t= 2\pi f dcos\theta/c =2\pi dcos\theta/\lambda = 4 \pi cos\theta

设定期望阵列流形矢量

w=(e^{j\psi }, e^{j2\psi },...,e^{j(M-1)\psi })

其它方向阵列流形矢量p(\theta) = (e^{j\psi^{'}}, e^{j2\psi^{'}},...,e^{j(M-1)\psi^{'}}),各方向的波束响应B(\theta)可以用波束图来描述,

B(\theta) = w^Tp(\theta)

       

3、波束图的实现

clear; close all; clc;c=340;
f=1000;
lambda=c/f;  % wave length
k=2*pi/lambda;
d=lambda/2; % mic distance 
M=10;
theta_d = 80*pi/180;  % angle of incidence
theta_angle = 0:0.1:180;
theta = theta_angle*pi/180;psi = 2*pi*d*cos(theta_d)/lambda;  % phase differenceWc = exp(-1i*psi*[0:M-1])/M;
B = zeros(size(theta));%% compute beam pattern
for i=1:length(theta)psi2 = 2*pi*d*cos(theta(i))/lambda; p = exp(1i * psi2 * [0:M-1]);B(i) = conj(Wc)*p';
end
B_db = 20*log10(B);
limit_dB = -50;
index = B_db <limit_dB;
B_db(index) = limit_dB;figure;
plot(theta_angle, B_db, 'linewidth', 1.5);
grid on;
xlabel('azimuth(^°)'); ylabel('20lg(B)/dB');
title('beam pattern');

波束图


import numpy as np
import matplotlib.pyplot as plt
from mpl_toolkits.mplot3d import Axes3D
import numbadef abs2(x):return x.real**2 + x.imag**2def linear_mic_array(num = 4,       # number of array elementsspacing = 0.2, # element separation in metresIs3D = True,
):PX = np.arange(num) * spacing   # microphone positionif Is3D:return np.array([PX, np.zeros(len(PX)), np.zeros(len(PX))])else:return np.array([PX, np.zeros(len(PX))])def calc_array_manifold_vector_from_point(mic_layout, source_from_mic, nfft=512, sampling_rate = 16000,c = 343, attn=False, ff=True):p = np.array(source_from_mic)if p.ndim == 1:p = source_from_mic[:, np.newaxis]frequencies = np.linspace(0, sampling_rate//2, nfft//2 + 1)omega = 2 * np.pi * frequenciesif ff:p /= np.linalg.norm(p)D = -1 * np.einsum("im, i->m", mic_layout, p.squeeze())D -= D.min()else:D = np.sqrt(((mic_layout - source_from_mic) ** 2).sum(0))phase = np.exp(np.einsum("k,m->km", -1j*omega/c, D))if attn:return 1.0/(4*np.pi)/D*phaseelse:return phasedef get_look_direction_loc(deg_phi, deg_theta):phi = np.deg2rad(deg_phi)theta = np.deg2rad(deg_theta)return np.array([[np.cos(phi) * np.cos(theta),np.cos(phi) * np.sin(theta),np.sin(phi),]]).Tdef cal_delay_and_sum_weights(mic_layout, source_from_mic, nfft=512, sampling_rate=16000,c=343, attn=False, ff=True):a = calc_array_manifold_vector_from_point(mic_layout, source_from_mic, nfft, sampling_rate, c, attn, ff)return a/np.einsum("km,km->k", a.conj(), a)[:,None]def plot_freq_resp(w,nfft   =  512,angle_resolution = 500,mic_layout = linear_mic_array(),sampling_rate = 16000,speedSound = 434,plt3D = False,vmin = -50,vmax = None,
):n_freq, n_ch = w.shapeif n_freq != nfft // 2+1:raise ValueError("invalid n_freq")if n_ch != mic_layout.shape[1]:raise ValueError("invalid n_ch")freqs = np.linspace(0, sampling_rate//2, nfft//2+1)angles = np.linspace(0, 180, angle_resolution)angleRads = np.deg2rad(angles)loc = np.array([[np.cos(theta), np.sin(theta), 0] for theta in angleRads]).Tphases = np.einsum('k,ai, am->kim', 2j * np.pi * freqs/speedSound, loc, mic_layout)psi = np.einsum('km,kim->ki', w.conj(), np.exp(phases))outputs = np.sqrt(abs2(psi))logOutputs = 20*np.log10(outputs)if vmin is not None:logOutputs = np.maximum(logOutputs, vmin)if vmax is not None:logOutputs = np.minimum(logOutputs, vmax)plt.figure(figsize=(10,8))if plt3D:ax = plt.subplot(projection='3d')surf = ax.plot_surface(*np.meshgrid(angles, freqs), logOutputs, rstride=1, cstride=1, cmap='hsv', linewidth=0.3)#ax.get_proj = lambda: np.dot(Axes3D.get_proj(ax), np.diag([1.5, 1.5, 0.3, 1]))ax.view_init(elev=30, azim=-45)else:ax = plt.subplot()surf = ax.pcolormesh(*np.meshgrid(angles, freqs), logOutputs, cmap="inferno", shading='gouraud')plt.colorbar(surf)plt.xlabel("Arrival Angle[degrees]")plt.ylabel("Frequency[Hz]")plt.title("Frequency Response")plt.show()def plot_ds_freq_resp(nfft             = 512,    # Number of fftangle_resolution = 500,    # Number of angle points to calculatemic_layout       = linear_mic_array(),sampling_rate    = 16000,  # HzspeedSound       = 343.0,  # m/splt3D            = False,
):freqs = np.linspace(0, sampling_rate // 2, nfft // 2 + 1)angles = np.linspace(0, 180, angle_resolution)angleRads = np.deg2rad(angles)loc = np.array([[np.cos(theta), np.sin(theta), 0] for theta in angleRads]).Tphases = np.einsum('k,ai,am->kim', 2j * np.pi * freqs / speedSound, loc, mic_layout)outputs = np.sqrt(abs2(np.exp(phases).sum(-1))) / mic_layout.shape[1]logOutputs = np.maximum(20 * np.log10(outputs), -50)plt.figure(figsize=(10, 8))if plt3D:ax = plt.subplot(projection='3d')surf = ax.plot_surface(*np.meshgrid(angles, freqs), logOutputs, rstride=1, cstride=1, cmap='hsv', linewidth=0.3)# ax.get_proj = lambda: np.dot(Axes3D.get_proj(ax), np.diag([1.5, 1.5, 0.3, 1]))ax.view_init(elev=30, azim=-45)else:ax = plt.subplot()surf = ax.pcolormesh(*np.meshgrid(angles, freqs), logOutputs, cmap="inferno", shading='gouraud')plt.colorbar(surf)plt.xlabel("Arrival Angle[degrees]")plt.ylabel("Frequency[Hz]")plt.title("Frequency Response")plt.show()if __name__ == '__main__':plot_ds_freq_resp()plot_ds_freq_resp(plt3D=True)

 

参考文章

1、https://www.funcwj.cn/2018/05/12/beampattern-and-fixed-beamformer/

2、https://memotut.com/en/afc3ee9a8942b41569bf/

3、波束成形(Beamforming)的数学推导(一)---从发射端看 - 知乎

4、常规与MVDR波束形成对比—麦克风阵列系列(一) - 知乎

5、Fundamentals of Signal Enhancement and Array Signal Processing, Jacob Benesty, Israel Cohen, Jingdong Chen

6、优化阵列信号处理, 鄢社峰

关注、点赞、收藏是对我最大的支持,谢谢!

这篇关于波束图(beam pattern)的python和matlab实现的文章就介绍到这儿,希望我们推荐的文章对编程师们有所帮助!



http://www.chinasem.cn/article/380732

相关文章

windos server2022里的DFS配置的实现

《windosserver2022里的DFS配置的实现》DFS是WindowsServer操作系统提供的一种功能,用于在多台服务器上集中管理共享文件夹和文件的分布式存储解决方案,本文就来介绍一下wi... 目录什么是DFS?优势:应用场景:DFS配置步骤什么是DFS?DFS指的是分布式文件系统(Distr

NFS实现多服务器文件的共享的方法步骤

《NFS实现多服务器文件的共享的方法步骤》NFS允许网络中的计算机之间共享资源,客户端可以透明地读写远端NFS服务器上的文件,本文就来介绍一下NFS实现多服务器文件的共享的方法步骤,感兴趣的可以了解一... 目录一、简介二、部署1、准备1、服务端和客户端:安装nfs-utils2、服务端:创建共享目录3、服

Python MySQL如何通过Binlog获取变更记录恢复数据

《PythonMySQL如何通过Binlog获取变更记录恢复数据》本文介绍了如何使用Python和pymysqlreplication库通过MySQL的二进制日志(Binlog)获取数据库的变更记录... 目录python mysql通过Binlog获取变更记录恢复数据1.安装pymysqlreplicat

利用Python编写一个简单的聊天机器人

《利用Python编写一个简单的聊天机器人》这篇文章主要为大家详细介绍了如何利用Python编写一个简单的聊天机器人,文中的示例代码讲解详细,感兴趣的小伙伴可以跟随小编一起学习一下... 使用 python 编写一个简单的聊天机器人可以从最基础的逻辑开始,然后逐步加入更复杂的功能。这里我们将先实现一个简单的

基于Python开发电脑定时关机工具

《基于Python开发电脑定时关机工具》这篇文章主要为大家详细介绍了如何基于Python开发一个电脑定时关机工具,文中的示例代码讲解详细,感兴趣的小伙伴可以跟随小编一起学习一下... 目录1. 简介2. 运行效果3. 相关源码1. 简介这个程序就像一个“忠实的管家”,帮你按时关掉电脑,而且全程不需要你多做

C#使用yield关键字实现提升迭代性能与效率

《C#使用yield关键字实现提升迭代性能与效率》yield关键字在C#中简化了数据迭代的方式,实现了按需生成数据,自动维护迭代状态,本文主要来聊聊如何使用yield关键字实现提升迭代性能与效率,感兴... 目录前言传统迭代和yield迭代方式对比yield延迟加载按需获取数据yield break显式示迭

Python实现高效地读写大型文件

《Python实现高效地读写大型文件》Python如何读写的是大型文件,有没有什么方法来提高效率呢,这篇文章就来和大家聊聊如何在Python中高效地读写大型文件,需要的可以了解下... 目录一、逐行读取大型文件二、分块读取大型文件三、使用 mmap 模块进行内存映射文件操作(适用于大文件)四、使用 pand

python实现pdf转word和excel的示例代码

《python实现pdf转word和excel的示例代码》本文主要介绍了python实现pdf转word和excel的示例代码,文中通过示例代码介绍的非常详细,对大家的学习或者工作具有一定的参考学习价... 目录一、引言二、python编程1,PDF转Word2,PDF转Excel三、前端页面效果展示总结一

Python xmltodict实现简化XML数据处理

《Pythonxmltodict实现简化XML数据处理》Python社区为提供了xmltodict库,它专为简化XML与Python数据结构的转换而设计,本文主要来为大家介绍一下如何使用xmltod... 目录一、引言二、XMLtodict介绍设计理念适用场景三、功能参数与属性1、parse函数2、unpa

C#实现获得某个枚举的所有名称

《C#实现获得某个枚举的所有名称》这篇文章主要为大家详细介绍了C#如何实现获得某个枚举的所有名称,文中的示例代码讲解详细,具有一定的借鉴价值,有需要的小伙伴可以参考一下... C#中获得某个枚举的所有名称using System;using System.Collections.Generic;usi