数字波束合成(精选三篇)
数字波束合成 篇1
基于常规约束规则的波束合成,如线性约束最小方差波束合成和最小方差无失真的波束合成等技术,往往是增大期望信号方向的接收增益,最大程度地抑制其他方向的干扰和噪声,但是,这些约束规则过于依赖期望信号的来波方向[1],用于波达方向的估计显然是不合适的。下面从工程应用的角度提出一种数字加权的波束合成技术,结合天线阵列布局得到预处理的加权系数,不依赖信号来波,易于工程实现,通过对指定方向形成波束并实施监听,可以实现同频信号或微弱信号的有效侦测[2]。
1信号模型及合成原理
1.1信号模型
针对远场窄带信号,阵元数为M的均匀圆阵接收P个非相关源,信源方向分别为θ1,θ2,…θp的信号矢量为:
X(t)=A(θ)S(t)+N(t)。 (1)
式中,X(t)=[x0(t),x1(t),…xM-1(t)]T为M个天线阵列的信号输出矢量;S(t)=[s0(t),s1(t),…sp-1(t)]T为输入信号矢量;N(t)=[n0(t),n1(t),…nM-1(t)]T为噪声矢量;A(θ)=[a(θ0),a(θ1),…a(θp-1)]为方向矢量矩阵,其中的元素a(θi)表示第i个输入信号的方向矢量。根据均匀圆阵的天线布局,以圆阵中心为参考点推算出:
a(θi)=[ejβcos(θi-φ0),ejβcos(θi-φ1),…,ejβcos(θi-φM-1)]T。 (2)
式中,β=2πr/λ;φn=2πn/M,n=0,1,…M-1。
考虑到工程应用的各种误差(如通道不一致,阵元间的互耦及阵元间的扰动等)不可避免,实际的方向矢量往往会出现一定程度的偏差[3],假设各个阵元通路引入的误差为δ(t)=diag[δ0(t),δ1(t),…δM-1(t)]。那么式(1)表示为:
X(t)=A(θ)δ(t)S(t)+N(t)。 (3)
1.2合成原理
在给出了信号模型的基础上,可以得到波束合成器的输出为Y(t)=wHX(t),其中w=[w0,w1,…,wM-1]H,阵列方向相响应可以表示为g(θ)=wHa(θ),那么波束方向图G(θ)归一化[4]为:
由式(4)可以知道,若信号来波方向θ以步进τ遍历0~2π,就可以得到来波信号的角度谱。系统中天线阵列布局如图1所示。
由天线阵列布局可以计算出各阵元接收的信号相对于圆阵中心的波程差所引起的相位值ψi:
式中,
式中,k=0,1,2,…INT[2π/τ];n=0,1,2…M-1。
2系统组成与算法实现
2.1系统组成
整个系统如图2所示,将天线阵列接收的信号经过信道变频至基带信号,同时根据天线阵列布局计算出方向矢量矩阵,由于信道通路的不一致性会引入各个通路的系统误差,这里主要考虑引入的相位误差。系统中采用单频点对整个系统的各个通路进行校准,对采集到的各个通路信号数据进行相位校准。通过系数加权实现期望信号的波束合成。系统组成如图2所示。
图2中所述的校准方法只适用于矩阵开关之后的设备通路校准,而天线阵列自身互耦或其他因素引起的相位误差由阵元中心的发射天线进行校准验证,这里不再详细论述。
2.2算法实现
算法的工程实现主要有系统校准、阵列流型计算和系数加权等几部分组成。算法实现步骤如下:
① 根据期望信号频率f,由校准源产生与之对应的单音信号对设备通路进行校准。各信道引入一个不同的幅度误差因子和误差相移。设定第1路为理想通道,设其理想通道的中心频率传递系数为:
H0(f)=|H0(f)|ej∠H0(f)。 (7)
则在测量得到其他各路的传递系数Hi(f)(i=1,2…M-1)后,可以得到各通道的校正系数[5]为:
δ(f)=diag[H1(f)/H0(f),H2(f)/H0(f),…,
HM-1(f)/H0(f)]-1。 (8)
② 根据天线阵列布局,计算阵列流型,以τ步进遍历0~360°,得到一个{INT[2π/τ]}×M的数字加权系数w(kτ)(k=0,1,2,…INT[2π/τ])。
③ 根据期望的信号频率f接收外界射频信号,经信道变频至基带数据后,由采样板记录原始的采样数据,经希尔伯特变换[6],得到某一时刻(快拍)下的各阵元接收的外界信号,其复信号表达形式可以表示为:Akejθk(k=0,1,2…M-1),其中θk为信号的相位,Ak为信号的幅度。
④ 利用正交校准技术[5]对各阵元接收到的信号数据进行校准。这里将式(7)以复系数的形式给出,那么校准系数对角线上的校准元素为:
δ(l,l)(f)=alej(Hl(f)/H0(f)),l=0,1,2…M-1。 (9)
对各阵元接收到的信号数据进行校准,得到校准后的复数据x(f),表示为:
X(f)=[A0ejθ0,A1ejθ1,…,AM-1ejθM-1]×δ(f)。 (10)
⑤ 数据加权运算。波束合成器输出Y(f)为:Y(f)=wHX(f),计算其协方向差矩阵E[YYH]得到幅度—角度关系的方向增益图,实现对期望信号的波束合成。
3仿真与结果
所述系统采用均匀圆阵,其中M=12,利用采集的数据进行仿真,算法在VC环境下实现。
① 信号频率1,其中波长孔径比β=r/λ=2.53,采样点数为512。阵列流型的计算中τ=π/360,期望信号的真实方位为69°。按照算法进行仿真,得到β=2.53时的波束合成效果图如图3(a)所示。
② 信号频率2,其中波长孔径比β=r/λ=2.46,采样点数为512。阵列流型的计算中τ=π/360,期望信号的真实方位为232°,按照算法对采集到的数据进行仿真,得到β=2.46时的波束合成效果图如图3(b)所示。
由结果可以看出,合成结果与信号的真实来波方向基本一致,误差在1.5°以内,通过数据后处理,可以达到较为理想的合成效果,合成后的数据经过解调单元实现语音监听,通过滑标能够准确地拾取来波信号示向度,实现对期望信号的有效侦测。从而验证了该算法在工程实践上的实用性。
4结束语
上述提出的直接加权波束合成技术,通过对实际采集的外界信号的数据仿真,很好地验证了它在实际工程中的应用,具有一定的实用性。文中的系统误差校准技术具有广泛的普适性,不过由于采用单频点校准,工程实现中矩阵开关的切换以及切换频率时加权系数的预计算,都会导致额外的时间花销,对于快速变化的外界信号,处理速度会受到一定程序的影响。
摘要:针对均匀圆阵天线的阵列布局,建立了天线阵列对信号的接收模型,提出了一种实用的直接加权波束合成技术。在分析了系统误差来源并修正了系统误差校准模型的基础上,给出了详细的波束合成理论推导。结合实际系统给出了工程上的具体实现,并运用正交校准技术对由设备通路引起的系统误差进行校准。对该算法进行计算机仿真验证其可行性,并与实际效果图进行比较,指出算法的优点和不足。所给出的理论和方法都通过了工程检验,具有一定的实用性。
关键词:直接加权,波束合成,均匀圆阵,误差校准
参考文献
[1]杨莘元,陈四根,郝敬涛.一种稳健的自适应波束形成方法[J].哈尔滨工业大学学报,2005,37(10):1 436-1 439.
[2]潘玉平,齐青茂.波束形成技术在短波侦测中的应用[J].无线电工程,2007,37(5):33-34.
[3]戴凌燕.自适应波束形成技术应用基础研究[D].合肥:国防科技大学,2009:16-17.
[4]肖航.智能天线中的自适应波束形成算法研究与设计[D].成都:电子科技大学,2008:11-12.
[5]管吉兴,马瑞平,黄巍,等.直线阵列数字波束形成技术[J].无线电工程,2011,41(9):25-27.
数字化图像的合成教学设计 篇2
信息技术教研组 周爱红
【教材分析】
1、所用教材:上海科技教育出版社《信息技术》之选修2《多媒体技术应用》中的第二章 计算机中的图世界
2、随着多媒体技术的发展,计算机对图形图像的处理能力越来越强,高中生活中每一个精彩的瞬间都可以转换成计算机中千姿百态的图并加入到多媒体作品中,图以它的生动形象和丰富内涵成为多媒体作品中最具表现力的形式之一,图的收集与处理也成为多媒体技术的一项重要内容。高中新课程《多媒体技术应用》模块中对“图像的合成”的知识内容包括图像的简单合成、合成图像的修饰,以及一个新的概念—--图层,其知识内容具有很强的可拓展性。根据新课改的精神来分析,本节的目标就是要对图像进行合理有效的加工,并在实际应用中能对加工的结果进行客观的分析和评价。
【学情分析】
通过第一册《信息技术基础》的学习,学生对Photoshop已有初步了解,初步掌握了图像加工的一些方法,比如:图像的旋转和裁切。在学生原有的认知基础上整合,并加以归纳提升,使学生形成对图像的理性认识,并在实践中不断探究图像处理的经验技巧。但是学生之间的差异比较大,要注意营造交流学习的氛围。
【教学目标】
1、知识与能力:
(1)熟练掌握工具箱中魔棒工具、矩形选框工具、移动工具、文字工具及反选命令的使用;
(2)掌握图像的合成方法;(3)学会在图像中加入合适的文字;
(4)能在图像中加入适当特殊效果,美化图像。(5)在自主探究中培养学生发现问题、解决问题的能力。
2、过程与方法:通过自主学习和小组合作学习使学生掌握数字化图像合成的一般步骤和方法
3、情感、态度与价值观:培养欣赏美的能力,团结互助的精神以及合理利用信息技术的态度。【教学重点】
图像的简单合成方法及在图像中加入合适的文字;
【教学难点】
图层概念的理解及在图像中加入适当特殊效果,美化图像。
【教学策略】
1、以任务驱动、自主学习和小组合作为主,讲练结合→自主探究→协作学习→完成作品→作品展示→自评、互评、点评;
2、教学思路:运用任务驱动教学法,教师边演示边讲解其部分操作的过程及相应知识,再让上机操作能力好的学生进行上机演示,通过屏幕监控功能,展示部分同学的操作过程,带动全班同学的学习积极性和学习兴趣,培养学生的创造性,使学生们的个性化得以体现。在本节课的教学中,我从学生熟悉的情景导入,引导学生欣赏、讨论;让学生自己发现问题,引出图层的概念,演示有关层的操作;教学任务的设计,也从学生感兴趣的事情着手,充分利用部分同学在班级网站的建设中缺少合适的图片去激发学生的学习兴趣,调动他们的学习积极性,以活跃课堂气氛,较好地完成教学任务,达到预期的目标。
【教具使用】多媒体网络教室、极域网电子教室软件 【课时安排】1课时 【教学过程】
一、课前组织教学
播放管弦乐曲《拉德斯基进行曲》,展示高中生活的实际图像和经过加工后的优美图像作品,为没有生命的计算机设备增添灵气,以活跃课堂气氛,激发学生的学习兴趣,调动他们的学习积极性。
二、新课教学:
(一)回忆photoshop窗口界面组成,并导入新课
高一时我们认识了图像处理工具photoshop,初步掌握了图像加工的一些方法,比如:图像的旋转和裁切。这节课我们要学习图像的合成(屏幕广播),启动photoshop以后,在他的左区有一个浮动的工具箱,图像操作的常用工具都会在这里显示出来,活动区有几个窗口,因为我们要用到图层窗口,所以把它调到最前面。
(二)介绍工具箱中所用工具按钮的使用:
1、魔棒工具
2、移动工具
3、文字工具 :选择图像区域,主要用于对颜色的选择;
:用鼠标拖动选中的图像,实现快速移动选择对象; :在图像中输入漂亮的文字;
4、选框工具中的椭圆选框工具:创建外形为椭圆的选区。
任务一:将海鸥和海豚图片合成到大海中,使大海变得更加美丽。
讲解演示操作过程:魔棒工具选中背景色→选择中的反选→移动工具移动海鸥到大海→调整海鸥大小(约束纵横比:shift+对角线,Enter键确定)→调整位置→用图层面板使图片与背景协调。
(三)图层的概念
1、概念:将图像的不同部分分层存放,由所有的图层叠加成复合图像;
2、优点:对某个图层作单独处理时,不会影响到图像中的其他图层;
3、图层调板:一个图像文件中的所有图层都会列在图层调板;
4、选中图层:在图层面板中单击需编辑的图层;
5、设置图层属性→不透明度:使叠加的图像更协调。师生一起做把海豚合成到海平面上去(复习巩固)
学生独立协作完成操作,教师巡回指导,让上机操作能力好的学生上机演示
任务二:制作雄鹰在草原上飞翔的图片,并加入文字“草原上翱翔的雄鹰”
分发原始与合成的效果图片,“雄鹰在草原上飞翔”的制作过程同任务一,另加文字工具→图像中拖动鼠标绘制文字外框→键入需要的文字→单击选项栏中的按钮
→修 3 饰、美化文字。
生探究完成任务二,师巡视。
一生上机演示(切换屏幕),师生观察他制作过程中有什么技巧和不当之处。
(四)点评小结:
1、魔棒工具选择的是颜色相近的图片区域(不能用魔棒工具选择海鸥和雄鹰,因为他们本身有较大的色差);
2、调整图像大小时,使用SHIFT键和对角线句柄来约束图像纵横比,以保持不失真;
3、修改图像时,必须要选中图像所在的图层。
任务三:制作“高效课堂,阳光课间”的图片(选做)
在制作网站时,没有现成的、合适的素材,我们要把两张或多张照片合成一张,并加入合适的文字,放在网站上。出示合成后的图片,让同学们自己来观察完成(自主探究、小组协作、创新培养---在这张图片中使用了特殊的效果,是在选择了背景层后,使用滤镜菜单下,“扭曲”中的“球面化”命令所实现的---让学生去发现)。
生按前后左右座次分组做题,师做适当点评;优秀小组推荐学生展播作品,师生共同欣赏评价。
(五)知识系统化(课堂总结):
本节课通过三个教学任务,引导我们掌握了魔棒工具、选框工具、移动工具、文字工具和反选命令的使用;掌握了图层属性的设置方法;学会了图像合成的基本方法,要熟练掌握图像合成的技巧,还有待于我们大家在今后的学习生活中结合班级网站的建设去不断地探索、不断地发现!
三、教学反思:
数字波束合成 篇3
【关键词】高职 《数字影视后期合成》 工作过程系统化 教学改革
【基金项目】重庆市高等教育教学改革研究项目资助《工作过程系统化在影视专业中的应用研究》(编号:143178),主持人:尹敬齐
【中图分类号】TP391.41-4;G712【文献标识码】A 【文章编号】2095-3089(2016)09-0238-02
《数字影视后期合成》课程是高职广播影视节目制作、编导等专业一门专业基础课程,课程的主要学习内容是掌握After Effects CC软件的应用技能,After Effects CC主要应用于电视台、动画制作公司、个人后期制作工作室以及多媒体工作室,其难度仅将于三维动画课程。在教学过程中,通过学生的反馈,发现该课程的教授存在一些问题,如学生对该课程的学习存在畏难情绪,主要是该课程重理论轻实践,学生对所学理论知识不感兴趣。因此教学内容需要重构,教学方法、教学手段需要改进。我们根据高职教育要立足于培养和提高学生操作技能和实践能力的特点,本文从多方面对《数字影视后期合成》课程的教学进行改革与探索。
一、课程建设与改革思路
我们针对就业岗位对影视制作技术人才的要求和教学中存在的问题,将《数字影视后期合成》的内容改为以电视短片头制作、电视栏目片头制作1、电视节目片头制作2、电视纪实片片头制作和电视新闻片头制作等项目,删减对片头制作工作实际意义不强的理论内容。我们的具体做法:一是加大实践教学环节,根据高职教育的特点,结合岗位群对影视片头制作人员的要求,从加大实践教学比例入手,使实践教学的比例占到一半以上,激发学生对该门课程学习的兴趣。二是以学生掌握影视片头制作的实践能力为教学目标和考核标准,以实际工作过程系统化为向导,“教学做”三位一体,用真实项目贯穿和带动整个学习过程。三是开展项目市场化高职传媒类专业教学模式研究,将影视片头制作的实际岗位能力群标准引入到我们的教学过程,营造贴近影视片头制作工作岗位的实践教学环境,让学生在真实的工作环境中得到锻炼。四是加强与影视制作行业的密切合作,如与重庆电视台栏目剧组等签订长期稳定的校企合作协议,聘请电视台影视片头制作技术人员来指导学生,开展多种形式的学术活动,为本课程的实践提供了真实的校外实训环境。由于有电视台专业人员的介入,大大缩短了学生与企业的距离感。
构建“影视片头制作实践不断线”课程体系,学院加大对设备、场地的投入,建立了生产性校内实训基地,学院先后为我们购置了工作站、集成渲染等专业设备。生产性校内实训基地对外承接包装业务,对内接收学生实训。以职业能力培养为主线,构建动态的教学单元、注重体验式的课程体系。用灵活的教学节奏,达到服务社会与提高学生职业能力的目的。以栏目包装岗位能力要求为主线,突出影视片头制作核心能力培养,打破原有的学科体系,将实践教学和现场教学紧密结合,使学生的学习过程与实际工作过程相一致,缩小所学知识与实际工作岗位之间的距离。
二、教学目标
1.知识目标
结合我院广播影视节目制作、编导等专业核心能力的要求,不仅要掌握After Effects CC影视合成软件的使用,而且要通过After Effects CC软件学习,促进学生对影视片头制作的学习,提升职业能力,达到国家职业标准要求,并能胜任影视片头制作等岗位上的技术工作。
2.技能目标
学生能熟练运用After Effects CC影视合成软件,掌握电视节目片头制作流程和技巧等。结合影视编辑考证培训,要求学生多接触各种不同的影视片头类型,了解其制作方法、使用特效、动态草图、运动跟踪、三维动画、三维标题插件及常用插件的使用技巧等;多观看栏目包装作品,看清影视片头作品的制作方法及技巧等。
3.态度目标
通过对《数字影视后期合成》的学习,培养学生自主学习、技术应用、团结协作和技术创新能力,培养学生认真的学习态度和严谨的工作作风。
三、课程内容与结构
课程是建立在一个个与工作实际、社会生活实际相关的学习情境之中的,以工作过程系统化项目为载体开发课程内容,以实践导向的活动课程作为课堂教学的主要组织形式,突出在具体“做”的工作中学习做人做事的道理,以工作过程和工作结果中的行为表现为主要的考核评价手段。
在课程内容选择上,首先分析岗位需求,还原影视片头制作的职业能力,再设计《数字影视后期合成》的教学内容,使课程内容的选择,与职业岗位紧密结合,并且能够在影视生产一线上直接应用,确保本课程内容的职业性、实用性和先进性。在课程结构安排上,坚持以工作过程系统化,注重提高学生动手能力和创新能力,以学生设计制作为旨,理论够用为度。内容从单一到综合,从简单到复杂,形成一系列彼此既独立又相互联系、层次渐进的工作任务。我们将《数字影视后期合成》课程教学内容分为五个项目:项目1为电视短片片头制作,主要学习内容包括固态层的使用、调节层的使用、图层动画的制作、图层样式的使用、影片播放速率的调整、混合模式的应用、遮罩动画及应用3D标题插件制作立体文字动画等;项目2为电视栏目片头制作1,学习内容包括使用动画预置文字动画、图层高级文字动画、特效文字动画等;项目3为电视节目片头制作2,学习内容包括抠像及动态跟踪动画、父子关系及表达式动画等;项目4为电视纪实片头制作,学习内容包括三维图层应用及三维通道的应用等;项目5为电视新闻片头制作,学习内容包括物理仿真和集群粒子。每一个项目中包含有1~6个学习任务和两个实训项目,以工作过程为导向,以典型工作任务分析为依据,以真实工作任务为载体,以行业企业共建教学环境为条件,校企合作,培养学生的职业能力和就业竞争力,形成了以学生为中心、教师引导、理论-实践-应用一体化的工学结合教学模式。
四、教学的实施
项目教学法就是学生在教师的指导下亲自处理一个项目的全过程,在这一过程中学习掌握教学计划内的教学内容。学生全部或部分独立组织、安排学习行为,解决在处理项目中遇到的困难,提高了学生的兴趣,自然能调动学习的积极性。项目教学法最显著的特点是“以项目为主线、教师为主导、学生为主体”,改变了以往“教师讲,学生听”被动的教学模式,创造了学生主动参与、自主协作、探索创新的新型教学模式。
我们设计的每一个学习项目就是一个真实的工作过程项目,在项目的构建过程中,遵循知识由浅到深、任务由单一到综合的原则。按照工学结合教学理念,将每一项目分为项目描述、信息、实施、评价、总结与改进六个阶段。
教学以班级为单位进行,先用1/3的时间讲解项目实施的必要知识,并采用“教学做”一体化的教学方法在机房实施,用2/3时间按照校内实训基地的条件和教学需求将全班学生分成若干个小组开展学习活动,授课教师安排课程所涉及的教学活动。让学生通过独立获得任务信息、制订制作方案、评估制作方案,实施并完成项目的制作,在动手实践中掌握职业技能、学得专业知识,构建实践经验和知识体系。
五、考核方法
我们课程组全体成员根据高职院校培养目标,将学生影视制作能力的考核作为评定学生成绩的重点。项目成绩评定包括项目成员组内评分(20%)、老师对项目组评分(30%)、项目组间相互评分(20%)及企业对项目组评分(30%)。对学生的综合表现进行考核,是促使学生养成良好的职业习惯,如技能考核和(60%)、出勤(10%)、创新能力(20%)、团队合作(10%)等。
在对学生技能成绩进行评定时,以完成单个项目即一个片头作品为一次成绩评定,学生的最后成绩应由所有项目的成绩累加后平均得到,这样做是对学生所学操作技能以及职业素质的全面考核,并把企业人员参与的作品评价情况作为学生项目成绩的依据之一。通过阶段影视片头作品效果的对比,使学生能及时掌握自己的操作技能情况,让学生从中发现自己的不足。教师通过阶段对影视片头作品成绩评定能及时了解学生掌握操作技能的程度,学生在技能、对影视作品的创意等方面还存在什么问题,有利于授课教师确定下一个项目的教学工作,及时调整教学进度,对个别学生进行因材施教,防止某些学生因学习困难而掉队,全面提高该课程的教学质量。
综合性应用能力考核。学生完成课程的学习任务后,统一参加影视编辑师中级工资格证书考试,考试内容是在给定时间内完成影视编辑制作的理论和影视片头的制作等,考试以百分制计成绩。
综上所述,课程改革可以使学生得到最大的收益,对其他课程建设有着积极的推动意义。通过采用工作系统化的方式重构课程内容,项目导向、任务驱动的教学模式,极大地提高学生的学习积极性,教学质量明显提升,学生由“要我学”转变为“我要学”,由不爱学转变为自己学,特别是通过工作过程的体验,过程性知识、经验性知识增长很多,取得理论知识、实践知识同步增长的效果。
参考文献:
[1]赵志群.对工作过程的认识[J].交通职业教育,2008(1):1.
[2]王卫兵.高职《电子CAD》课程教学改革探索与实践[J].职业技术教育,2010(294):12-73.
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