Системы фазированной решетки используют пространственные и временные характеристики распространения пространственно-временных wavefields, чтобы извлечь информацию о любых источниках wavefields. Путем обработки данных, собранных по пространственно-временной апертуре с помощью массива датчиков, можно значительно улучшать производительность по одному датчику во многих областях. Эти области включают, но не ограничиваются:
Обнаружительная способность сигнала
Пространственная селективность
Исходная идентификация и локализация
Следующий рисунок показывает общий обзор системы фазированной решетки.
Системы фазированной решетки в разнообразных приложениях, таких как радар, гидролокатор, медицинская ультрасонография, медицинская обработка изображений и коммуникация сотового телефона совместно используют много общих элементов включая:
Исходный массив — исходный массив передает форму волны через среду. Форма волны часто состоит из повторяющихся импульсов, модулируемых несущей частотой. В зависимости от приложения волна может быть слуховым аппаратом (механическое устройство) или электромагнитная волна. Исходный массив часто электронно или механически управляется, чтобы передать в предпочтительных направлениях.
Среда — носитель, в котором форма волны перемещается в и от цели, влияет на многие системные параметры включая скорость распространения, потерю поглощения и дисперсию волны.
Цель — цель отражает фрагмент инцидентной энергии формы волны от исходного массива. Некоторый процент отраженной энергии является backscattered в направлении массива приемника. В некоторых приложениях цель является источником энергии формы волны.
Массив приемника — массив приемника собирает энергию из цели, представляющей сигнал наряду с внешними и внутренними источниками шума. Приемник реализует алгоритмы, чтобы улучшить отношение сигнал-шум и извлечь пространственно-временную информацию из сигнала.
В приемнике системы фазированной решетки реализуют алгоритмы, чтобы извлечь временную и пространственную информацию об источнике или источниках энергии. Следующий рисунок показывает общий обзор алгоритмов обработки сигналов массивов, характерных для значительного количества систем фазированной решетки.
Краткие описания этих трех категорий:
Временная Обработка — Фазированные решетки часто управляют в недостаточном сигнале к шуму (ОСШ) отношениями. Использование временного интегрирования и согласованной фильтрации улучшает ОСШ. Знание скорости распространения переданной формы волны и измерение времени, которое требуется для импульса, чтобы переместиться в и от цели, позволяют системам фазированной решетки оценивать область значений. Выполнение анализа Фурье временных рядов импульсов позволяет фазированной решетке извлечь информацию о Доплере из перемещения целей.
Пространственная Обработка — Объединение взвешенной информации через несколько элементов датчика с известной геометрией позволяет системам фазированной решетки пространственно отфильтровать входящие формы волны. Фазированные решетки могут также оценить направление прибытия и количество исходного инцидента форм волны на массиве.
Обработка пространства-времени — Одновременно анализирующий и пространственную и временную информацию позволяет системам фазированной решетки произвести измерения Доплера угла поворота шарнира инцидентных форм волны. Пространственно-временная обработка позволяет системам фазированной решетки отличить движущиеся цели от стационарных целей, когда фазированная решетка находится в движении.
Следующая фигура представляет обзор радарной системы фазированной решетки. Фигура подробно останавливается на общем обзоре, показанном в Системном Обзоре Фазированной решетки.
Чтобы использовать преимущества обработки матриц, необходимо сначала изучить, как смоделировать и оптимизировать эффективность каждого компонента и операцию в системе фазированной решетки. Это программное обеспечение предоставляет модели для всех компонентов системы фазированной решетки, проиллюстрированной на предыдущем рисунке от синтеза сигнала, чтобы сигнализировать об анализе.
Программное обеспечение поддерживает модели, в которых передатчик и приемник расположены или пространственно разделены. Программное обеспечение также поддерживает модели, в которых находятся в движении и цели и фазированная решетка.
Программное обеспечение Phased Array System Toolbox™ поддерживает проект пульсировавших форм волны прямоугольной, линейной модулируемой частотой, и линейной ступенчатой частоты. Чтобы создать такие формы волны, вы используете phased.RectangularWaveform, phased.LinearFMWaveform, и phased.SteppedFMWaveform.
Программное обеспечение позволяет вам симулировать физические компоненты системы фазированной решетки, включая:
Передатчик — можно задать пиковую мощность передатчика, усиление и коэффициент потерь. Смотрите phased.Transmitter для деталей.
Антенные элементы — можно создать антенные элементы с изотропными диаграммами направленности или антенные элементы с заданными пользователями диаграммами направленности. Эти диаграммы направленности могут охватить целую область значений азимута ([-180 180] степени) и вертикальное изменение ([-90,90] степени) углы. Смотрите phased.IsotropicAntennaElement, phased.CosineAntennaElement, и phased.CustomAntennaElement для деталей.
Элементы микрофона — Для акустических приложений, можно смоделировать всенаправленный или пользовательский микрофон с phased.OmnidirectionalMicrophoneElement или phased.CustomMicrophoneElement.
Фазированные решетки — существуют Системные объекты для трех конфигураций фазированной решетки:
Универсальная линейная матрица (ULA) — phased.ULA позволяет вам смоделировать универсальную линейную матрицу, состоящую из элементов датчика с изотропными или пользовательскими диаграммами направленности. Можно задать интервал элемента и число элементов.
Универсальный прямоугольный массив — phased.URA позволяет вам смоделировать универсальный прямоугольный массив элементов датчика с изотропными или пользовательскими диаграммами направленности. Можно задать число элементов, интервал элемента вдоль двух ортогональных осей, и образовать решетку геометрию.
Конформный массив — phased.ConformalArray позволяет вам смоделировать конформный массив элементов датчика с изотропными или пользовательскими диаграммами направленности. Для этого задайте положения антенного элемента и нормальные направления.
Излучатель — можно смоделировать излучение формы волны через антенный элемент, микрофон или массив с phased.Radiator объект.
Среда — можно смоделировать распространение электромагнитного (EM) волна в свободном пространстве с phased.FreeSpace. Можно симулировать одностороннее или двухстороннее распространение узкополосного сигнала EM путем применения зависимого областью значений затухания и задержек или сдвигов фазы.
Цель — можно симулировать цель с заданным радарным сечением (RCS) с помощью phased.RadarTarget. phased.RadarTarget поддержки и неколебание и колеблющиеся (случайные) модели RCS. Тулбокс поддерживает семейство случайных моделей на основе распределения хи-квадрат, известного как целевые модели Swerling.
Набор сигнала — можно симулировать далекое поле или почти поле узкополосный и широкополосный прием сигнала от заданных направлений с помощью phased.Collector и phased.WidebandCollector.
Приемник — phased.ReceiverPreamp позволяет вам симулировать усиление, коэффициент потерь и внутренние шумовые характеристики вашего приемника.
Для обработки полученных данных программное обеспечение Phased Array System Toolbox поддерживает широкий диапазон алгоритмов обработки сигналов массивов. Следующая фигура представляет более подробное представление общих концепций, обсужденных в Системном Обзоре Фазированной решетки.
Предыдущая фигура только представляет обзор операций обработки сигналов массивов, поддержанных программным обеспечением, а не предопределенными порядками операции. Например, оценка направления прибытия (DOA), beamforming, и пространственно-временная адаптивная обработка (STAP) часто следуют за операциями, которые улучшают отношение сигнал-шум, такое как согласованная фильтрация. Можно реализовать поддерживаемые алгоритмы, таким образом подходящие лучше всего для приложения.
Согласованная фильтрация — можно выполнить согласованную фильтрацию на данных с phased.MatchedFilter. Смотрите Согласованную фильтрацию для примеров.
Изменяющееся во времени усиление — можно компенсировать уровень мощности инцидентной формы волны через выборки из различных областей значений с помощью phased.TimeVaryingGain. Этот объект компенсирует потери мощности сигнала, должные располагаться.
Оценка Beamforming и направления прибытия (DOA) — Phased Array System Toolbox предоставляет много алгоритмов для beamforming и направления оценки прибытия.
Обнаружение — Много служебных функций реализуют и оценивают детекторы Неимен-Пирсона с помощью и когерентного и некогерентного импульсного интегрирования.
Тулбокс также обеспечивает стандартные программы для оценки эффективности детектора посредством конструкции кривых рабочей характеристики приемника.
К модели, колеблющейся шумовые характеристики, phased.CFARDetector возразите адаптивно оценивает, что шумовые характеристики из данных обеспечивают постоянный ложно-сигнальный уровень.
Импульс Доплер — Phased Array System Toolbox имеет служебные функции для оценки эффекта Доплера на основе скорости (speed2dop) и оценить скорость на основе эффекта Доплера (dop2speed. Можно реализовать импульсного Доплера, обрабатывающего при помощи алгоритмов оценки спектра в продукте Signal Processing Toolbox™ на медленно-разовых данных. Смотрите Радарный Куб Данных для объяснения медленно-разовых данных.
Смотрите эффект Доплера и Импульсного Доплера Просессинга для примеров Доплера, обрабатывающего.
Чтобы вычислить ответ Доплера угла поворота шарнира входных данных, используйте phased.AngleDopplerResponse.
Рабочие процессы в качестве примера для вычисления ответа углового Доплера могут быть найдены в Угловом Доплере Респонсе.
Пространственно-временная адаптивная обработка — можно реализовать перемещенные методы антенны центра фазы с phased.DPCACanceller и phased.ADPCACanceller. phased.STAPSMIBeamformer реализует адаптивный формирователь луча путем вычисления весов формирователя луча с помощью предполагаемой пространственно-временной интерференционной ковариационной матрицы.
