波束成形基本原理

Preface：在阵列信号处理中，往往会对多天线采集到的信号做加权合并处理，来提高接收信号的信噪比或信干噪比，这种加权合并处理被称为波束成形。

1. 方向图与波束

1.1. 从天线的方向图出发

天线方向图，是指在离天线一定距离处，辐射场的相对场强（归一化模值）随方向变化的图形。天线方向图反应了能量在方向上的汇聚效果。

所有的天线都有自己的方向图，所有的天线阵也有其特有的方向图。
$$天线阵的方向图=阵因子\times 阵元方向图$$

1.2. 波束的概念

在阵列信号处理中，天线阵的方向图也称为波束图，其反应了天线阵辐射出的能量在各个方向上的分布。

在电磁场中，波束的指向性可以理解为能量在空间中的集中分布。在天线中，则体现为天线的方向性，天线具有方向性，那其就具有波束指向性。

2. 波束成形的概念

波束成形，又称为波束赋形，也成为空域滤波。
波束成形是一种使用传感器阵列定向发送和接收信号的信号处理技术。故波束成形技术分为发送波束成形和接收波束成形，二者的目的存在一些差异。

发送波束成形的目的有两个：

1. 向期望方向定向发送信号

2. 不向某些方向发送信号；

接收波束成形的目的有两个：

3. 接收期望方向上的信号

4. 不接受某些方向上的信号。

我们往往通过合理的设置波束权值矢量，来控制波束的指向，我们研究波束成形技术，其实也就是研究如何计算波束权值。

3. 波束成形的基本原理

波束成形在物理学上的基本原理是干涉原理，即相干信源的相干叠加，更通俗一点讲，就是信号的同向叠加会产生波峰。

信号是相干的，所以可以相干叠加，而噪声之间是不相干的，无法相干叠加，这就是波束成形可以提高信噪比的根本原因！