Sensor Array Analyzer

Анализируйте диаграммы направленности и показатели производительности линейных, плоских, 3-D, и произвольных сенсорных матриц

Описание

Приложение Sensor Array Analyzer позволяет вам создать и анализировать общие настройки сенсорной матрицы. Эти настройки область значений от 1D до трехмерных массивов антенн, преобразователей гидролокатора и микрофонов, и могут содержать подрешетки. После того, как вы задаете массив и параметры датчика, отображения приложения основные показатели производительности, такие как направленность массивов и измерения массива. Можно затем создать различные графики направленности и изображения.

Типы массива

Можно использовать это приложение, чтобы показать направленность этих массивов:

  • Универсальная линейная матрица (ULA)

  • Универсальный прямоугольный массив (URA)

  • Универсальный круговой массив (UCA)

  • Универсальный шестиугольный массив (UHA)

  • Круговой плоский массив

  • Концентрический массив

  • Сферический массив

  • Цилиндрический массив

  • Произвольный массив

Подрешетки

Можно использовать это приложение, чтобы создать и анализировать массивы, содержащие подрешетки к:

  • Реплицируйте массив вдоль пространственной сетки.

  • Разделите больший массив в подрешетки.

Типы элемента

Эти элементы доступны, чтобы заполнить массив:

  • Изотропная антенна

  • Антенна косинуса

  • Пользовательская антенна

  • Кардиоидный микрофон

  • Пользовательский микрофон

  • Ненаправленный микрофон

  • Изотропный гидрофон

  • Изотропный проектор

Постройте опции

Приложение Sensor Array Analyzer может создать эти типы графиков:

  • Геометрия массивов

  • 2D шаблоны массивов

  • Шаблон трехмерного массива

  • Трение лепестков

Sensor Array Analyzer app in action

Откройте приложение Sensor Array Analyzer

  • Панель инструментов MATLAB®: На вкладке Apps, под Signal Processing and Communications, кликают по значку приложения.

  • Командная строка MATLAB: Войти sensorArrayAnalyzer.

Примеры

Универсальная линейная матрица (ULA)

Этот пример анализирует универсальную линейную матрицу (ULA) с 10 элементами в приложении гидролокатора. Массив состоит из изотропных гидрофонов. Спроектируйте массив для сигнала на 10 кГц.

Универсальная линейная матрица имеет элементы датчика, которые равномерно распределены вдоль линии.

Под вкладкой Analyzer, в разделе Array панели инструментов, выбирают ULA. В разделе Element панели инструментов выберите Hydrophone.

Выберите вкладку Parameters и установите Number of Elements на 10. Установите Element Spacing на 0.5 длины волн.

Спроектируйте массив для сигнала на 10 кГц установкой Signal Frequencies (Hz) к 10000. Затем нажмите кнопку Apply. Можно изменить много пунктов меню и применить изменения в любое время. Параметры, которые появляются в этой вкладке, зависят от вашего выбора массива и элемента.

Когда вы выбираете элемент гидролокатора, приложение автоматически устанавливает скорость распространения сигнала в воде к 1500. Можно установить скорость распространения сигнала на любое значение путем установки Propagation Speed (m/s).

Выберите вкладку Array Geometry и используйте флажки для нормалей элемента отображения (Show Normals), индексы элемента (Show Index) и заострения элемента (Show Tapers).

Displays 10-element uniform linear array (ULA) in a sonar application

В самой правой панели Array Characteristics можно просмотреть направленность массивов, ширину луча на уровне половинной мощности (HPBW), ширину луча первого пустого указателя (FNBW) и уровень лепестка стороны (SLL).

Чтобы отобразить график направленности, перейдите к разделу Plots вкладки Analyzer. Выберите Azimuth Pattern из меню 2D Pattern. Шаблон направленности азимута теперь отображен в центральной панели приложения. Выберите вкладку Azimuth Pattern и установите Coordinate на Rectangular.

The Azimuth pattern shows main lobe directivity of 10 dBi

Вы видите основной лепесток функции направленности массивов (также названный основным лучом) на уровне 0 ° и другим основным лепестком на уровне ±180 °. Два основных лепестка появляются из-за цилиндрической симметрии массива ULA.

Сканер луча работает путем последовательного обращения массиву основного лепестка в различных направлениях. Во вкладке Steering, набор Azimuth Angles (deg) к 30 и Elevation Angles (deg) к 0. Это регулирует основной лепесток к 30 ° в азимуте и вертикальном изменении на 0 °. The Azimuth pattern shows two main lobes, one at 30 degrees as expected, and another at 150 degrees. Two main lobes appear because of the cylindrical symmetry of the array.

Один недостаток ULA является своими большими лепестками стороны. Исследование направленности массивов показывает два лепестка стороны близко к каждому основному лепестку, каждый вниз приблизительно на только 13 дБ. Сильный лепесток стороны запрещает способность массива обнаружить более слабый сигнал в присутствии большего соседнего сигнала. При помощи сужения массивов можно уменьшать лепестки стороны.

Используйте опцию Taper, чтобы задать заострение массивов как Taylor окно с набором Sidelobe Attenuation к 30 дБ и набор nbar к 4. Нажмите кнопку Apply.

The Azimuth Pattern shows how the Taylor window reduces all side lobes to –30 dB but at the expense of broadening the main lobe.

Ответ азимута разделенного ULA

Этот пример строит ответ азимута четырехэлементного ULA, разделенного в два двухэлементных ULAs.

Под вкладкой Analyzer, в разделе Array панели инструментов, выбирают ULA. Создайте ULA параметрами по умолчанию (с набором числа элементов к 4 и набором разрядки элемента к 0,5 метрам).

Displays 4-element uniform linear array (ULA)

Нажмите кнопку Partition на Analyzer. Спроектируйте массив для сигнала на 1 ГГц установкой Signal Frequencies (Hz) к 1e9. Затем нажмите кнопку Apply. Можно изменить много пунктов меню и применить изменения в любое время. Параметры, которые появляются в этой вкладке, зависят от вашего выбора массива и элемента.

Displays 4-element uniform linear array (ULA) partitioned into two 2-element ULAs

Пункт меню subarray selection должен считать [ones(1,2) zeros(1,2); zeros(1,2) ones(1,2)].

Выберите 2D Pattern во вкладке Analyzer и выберите Azimuth pattern визуализировать 2D шаблон азимута в полярных координатах.

2-D azimuth directivity pattern of 4-by-4 ULA.

Повторное разделение URA

Разделенный массив состоит из нескольких подрешеток, в которых каждый элемент массива может быть присвоен одной или нескольким подрешеткам. После создания массива раздела можно затем повторно присвоить элементы различным подрешеткам. Например, создайте универсальный прямоугольный массив (URA) 4 на 4, содержащий 16 элементов. Выбор вкладки Partition преобразует URA в разделенный массив 4 на 4 с подрешетками, обозначенными различными цветами. Разделением управляет матрица Subarray Selection.

[ ones(1,8) zeros(1,8); zeros(1,8) ones(1,8)]
Матрица выбора подрешетки по умолчанию присваивает каждый элемент одной подрешетке. В этой матрице количество столбцов равняется количеству элементов массива. Каждая строка соответствует подрешетке. Это 2 16 матрица присваивает элементы 1 – 8 подрешетке 1 и элементы 9 - 16 к подрешетке 2.

Чтобы повторно разделить массив, можно отредактировать матрицу Subarray Selection. Выберите вкладку Define Subarray, чтобы перестроить элементы, принадлежащие подрешеткам.

Geometry of 2-by-4 URA.

Выбор вкладки Define Subarray поднимает редактор подрешетки.

Open Subarray Selection editor

Вы можете:

  • Выберите значок карандаша рядом с Subarray1, чтобы отредактировать элементы и веса в подрешетке 1.

  • Выберите значок карандаша рядом с Subarray2, чтобы отредактировать элементы и веса в подрешетке 2.

  • Выберите зеленый перекрестный значок наверху, чтобы создать пустую подрешетку.

Выберите Subarray 2, чтобы отобразить индексы элемента, принадлежащие Subarray 2.

Edit element indices

Удалите элемент 9 и его вес. Выберите зеленый крест, добавляет новая подрешетка, Subarray 3. Затем добавьте элемент 9 в новую подрешетку.

Move elements between subarrays.

Новая подрешетка и ее добавленный элемент появляются в желтом.

Универсальный прямоугольный массив (URA)

В этом примере показано, как создать 6 6 универсальный прямоугольный массив (URA), спроектированный, чтобы обнаружить и локализовать сигнал на 100 МГц.

Под вкладкой Analyzer, в разделе Array панели инструментов, выбирают URA. В разделе Element панели инструментов выберите Isotropic.

Спроектируйте массив для сигнала на 100 МГц установкой Signal Frequencies к 100e6 и строка и столбец Element Spacing к [0.5 0.5] длина волны.

Выберите вкладку Parameters и установите Size на [6,6].

От выпадающего Taper выберите Row and Column. Установите Row Taper и Column Taper к Taylor окно с помощью параметров заострения по умолчанию. Нажмите кнопку Apply, чтобы применить изменения. Можно изменить много пунктов меню и применить изменения в любое время. Параметры, которые появляются в этой вкладке, зависят от вашего выбора массива и элемента.

Форму массива показывают в этом рисунке.

Displays array geometry of 6-by-6 uniform rectangular array

Затем отобразите шаблон трехмерного массива путем выбора 3D Pattern в разделе Plots вкладки Analyzer.

Displays 3D directivity pattern with directivity of 16.03 dBi

Значительным критерием качества работы для любого массива является направленность. Можно использовать приложение, чтобы исследовать эффекты сужения на направленности массивов. Без сужения направленность массивов для этого URA составляет 17,16 дБ. С сужением направленность массивов уменьшается до 16.03 dBi.

Трение лепестков для прямоугольного массива

Этот пример показывает скрипучую схему лепестка универсального прямоугольного массива (URA) 4 на 4, спроектированного, чтобы обнаружить и локализовать сигнал на 300 МГц.

Под вкладкой Analyzer, в разделе Array панели инструментов, выбирают URA. В разделе Element панели инструментов выберите Isotropic. Установите Size на [4,4]. Во вкладке Steering, набор Azimuth Angles (deg) к 20 и Elevation Angles (deg) к 0.

Спроектируйте массив для сигнала на 300 МГц установкой Signal Frequencies к 3e8 и строка и столбец Element Spacing к [0.7,0.7] длина волны. Путем установки строки и столбца Element Spacing на [0.7,0.7] длины волн, вы создаете пространственно субдискретизируемый, массив. Затем нажмите кнопку Apply.

Выберите Grating Lobe Diagram из раздела Plots, чтобы построить скрипучие лепестки.

Этот рисунок показывает скрипучую схему лепестка, произведенную когда вы beamform массив к углу [20,0]. Основной лепесток определяется маленьким черным заполненным кругом. Несколько скрипучих лепестков определяются маленькими незаполненными черными кругами. Больший черный круг называется физической областью, для который u2+ v2 ≤ 1. Основной лепесток всегда находится в физической области. Скрипучие лепестки могут иногда лежать за пределами физической области. Любой скрипучий лепесток в физической области приводит к неоднозначности в направлении входящей волны. Зеленая область показывает, где основной лепесток может быть указан без любых скрипучих лепестков, появляющихся в физической области. Если основной лепесток собирается указать за пределами зеленой области, скрипучий лепесток может переместиться в физическую область.

Grating lobe diagram of a 4-by-4 uniform rectangular array in U-V space for a 300 MHz signal steered at 20 degrees azimuth and 0 degree elevation

Следующий рисунок показывает то, что происходит, когда указывающее направление находится за пределами зеленой области. Во вкладке Steering, набор Azimuth Angles (deg) к 35 и Elevation Angles (deg) к 0. В этом случае один скрипучий лепесток перемещается в физическую область.

Grating lobe diagram in U-V space for a 300 MHz signal steered at 35 degrees azimuth and 0 degree elevation

Задайте произвольную геометрию массивов

В этом примере показано, как создать треугольный массив трех изотропных антенных элементов.

Можно задать массив, который имеет произвольное размещение датчиков. Выберите Arbitrary в выпадающем Array. Выберите Isotropic из меню Element. Войдите в положения элементов в поле Element Position. Положениями этих трех элементов является [0,0,0;0,0.5,0;0,0.5,0.866]. Все элементы имеют то же нормальное направление, указывание на азимут на 0 ° и вертикальное изменение на 20 ° и установить нормальное в Element Normal (deg) вводит [0 0 0; 20 20 20] и нажмите кнопку Apply. Выберите Array Geometry из раздела Plots.

Array geometry of triangular array with three isotropic elements

Чтобы показать направленность трехмерного массива, выберите 3D Pattern из вкладки Plots.

3-D array directivity pattern of triangular array with three isotropic elements for a 300 MHz signal with no steering shows the directivity of 4.72 dBi

Задайте произвольную геометрию массивов Используя переменные

Этот пример иллюстрирует массив с произвольной геометрией, заданной набором переменных MATLAB в командной строке. Введите переменные в соответствующее sensorArrayAnalyzer поля .

В командной строке MATLAB создайте массив положения элемента, pos, элемент нормальный массив, nrm, и массив значения заострения, tpr.

pos = [0 0 0; 0 1.0 0.5000; 0 0 0.866];
nrm = [0 0 0; 20 20 20];
tpr = [1 1 1];

Введите эти переменные в соответствующее sensorArrayAnalyzer поля, нажмите кнопку Apply. Чтобы показать направленность трехмерного массива, нажмите 3D Pattern от вкладки Plots.

3-D array directivity pattern of arbitrary array geometry for a 300 MHz signal with no steering, shows the directivity of 4.77 dBi

URA с пользовательским антенным элементом

Используйте те же параметры в качестве в примере Универсального прямоугольного массива (URA) и нажмите кнопку Apply. В разделе Element панели инструментов выберите Custom в разделе Antenna.

Для пользовательского антенного элемента задайте шаблоны фазы и величина. Поскольку шаблоны обычно требуют больших матриц, лучше использовать командную строку, чтобы задать шаблоны фазы и величина. Шаблон величины, заданный здесь, имеет направленность вдоль ±x-axes и является функцией азимута и вертикального изменения. Шаблон фазы является всеми нулями. В качестве альтернативы можно задать шаблон в терминах phi и углов theta путем установки параметра Pattern Coordinate System на phi-theta.

azpat = cosd([0:360]).^2 + 1;
elpat = cosd([-90:90]') + 1;
mag = elpat*azpat;
magdb = 10*log10(mag);

Чтобы показать направленность трехмерного массива, выберите 3D Pattern из вкладки Plots.

3-D directivity pattern of 6-by-6 uniform rectangular array with custom antenna element for a 300 MHz signal with no steering, shows directivity of 16.74 dBi

Связанные примеры

Смотрите также

Объекты

Приложения

Введенный в R2014b
Для просмотра документации необходимо авторизоваться на сайте