Системы с фазированной решеткой используют пространственные и временные характеристики распространяющихся пространственно-временных волновых полей для извлечения информации о любых источниках волновых полей. Обработка данных, собранных по пространственно-временной апертуре с помощью массива датчиков, позволяет значительно повысить производительность по сравнению с одним датчиком в ряде областей. Эти области включают, но не ограничиваются ими:
Обнаруживаемость сигнала
Пространственная избирательность
Идентификация и локализация источника
На следующем рисунке показан общий обзор системы с фазированным массивом.
Системы с фазированной решеткой в различных применениях, таких как радар, гидролокатор, медицинская ультрасонография, медицинская визуализация и сотовая телефонная связь, имеют множество общих элементов, включая:
Исходный массив - исходный массив передает сигнал через среду. Форма сигнала часто состоит из повторяющихся импульсов, модулированных несущей частотой. В зависимости от применения волна может быть акустической (механической) или электромагнитной волной. Матрица источников часто управляется электронными или механическими средствами для передачи в предпочтительных направлениях.
Среда - среда, в которой сигнал проходит к цели и от цели, влияет на ряд параметров системы, включая скорость распространения, потери поглощения и дисперсию волн.
Цель - цель отражает часть энергии падающего сигнала из матрицы источников. Некоторый процент отраженной энергии рассеивается назад в направлении матрицы приемников. В некоторых применениях целью является источник энергии формы сигнала.
Массив приемника - массив приемника собирает энергию от цели, представляющей сигнал, вместе с внешними и внутренними источниками шума. Приемник реализует алгоритмы для улучшения отношения сигнал/шум и извлечения пространственно-временной информации из сигнала.
В приемнике системы с фазированной решеткой реализуют алгоритмы извлечения временной и пространственной информации об источнике или источниках энергии. На следующем рисунке представлен общий обзор алгоритмов обработки сигналов матриц, общих для значительного числа фазированных матричных систем.
Краткие описания трех категорий:
Временная обработка - фазированные матрицы часто работают в плохом отношении сигнал-шум (SNR). Использование временной интеграции и согласованной фильтрации улучшает SNR. Знание скорости распространения передаваемого сигнала и измерение времени, которое требуется для прохождения импульса к цели и от цели, позволяет системам с фазированной решеткой оценивать дальность. Выполнение анализа Фурье на временном ряду импульсов позволяет фазированной решетке извлекать доплеровскую информацию из движущихся целей.
Пространственная обработка - объединение взвешенной информации по множеству сенсорных элементов с известной геометрией позволяет системам с фазированной решеткой пространственно фильтровать поступающие сигналы. Фазированные массивы могут также оценивать направление прихода и количество форм сигнала источника, падающих на матрицу.
Пространственно-временная обработка - одновременный анализ как пространственной, так и временной информации позволяет системам с фазированной решеткой производить совместные углово-доплеровские измерения форм падающего сигнала. Пространственно-временная обработка позволяет системам с фазированной решеткой отличать движущиеся цели от стационарных целей, когда фазированная решетка находится в движении.
На следующем рисунке представлен обзор радиолокационной системы с фазированной решеткой. На рисунке представлен обзор высокого уровня, показанный в разделе Обзор системы фазированных массивов.
Чтобы использовать преимущества обработки массивов, необходимо сначала понять, как моделировать и оптимизировать производительность каждого компонента и работу в системе с фазированными массивами. Это программное обеспечение предоставляет модели для всех компонентов системы с фазированной решеткой, показанной на предыдущем рисунке, от синтеза сигнала до анализа сигнала.
Программное обеспечение поддерживает модели, в которых передатчик и приемник расположены или пространственно разделены. Программное обеспечение также поддерживает модели, в которых как цели, так и фазированная матрица находятся в движении.
Программное обеспечение Phased Array System Toolbox™ поддерживает разработку прямоугольных, линейных частотно-модулированных и линейных ступенчатых частотно-импульсных сигналов. Для создания таких сигналов используется phased.RectangularWaveform, phased.LinearFMWaveform, и phased.SteppedFMWaveform.
Программное обеспечение позволяет моделировать физические компоненты фазированной системы массива, включая:
Измерительный преобразователь - можно указать пиковую мощность, коэффициент усиления и коэффициент потерь измерительного преобразователя. Посмотрите phased.Transmitter для получения подробной информации.
Антенные элементы - можно создавать антенные элементы с изотропными диаграммами отклика или антенные элементы с заданными пользователем диаграммами отклика. Эти схемы отклика могут охватывать весь диапазон азимутальных ([-180,180] градусов) и высотных ([-90,90] градусов) углов. Посмотрите phased.IsotropicAntennaElement, phased.CosineAntennaElement, и phased.CustomAntennaElement для получения подробной информации.
Элементы микрофона - для акустических приложений можно смоделировать повсеместно направленный или пользовательский микрофон с помощью phased.OmnidirectionalMicrophoneElement или phased.CustomMicrophoneElement.
Фазированные массивы - существуют системные объекты для трех геометрий фазированных массивов:
Однородная линейная матрица (ULA) - phased.ULA позволяет моделировать однородную линейную матрицу, состоящую из сенсорных элементов с изотропными или пользовательскими моделями излучения. Можно указать количество элементов и интервал между ними.
Однородный прямоугольный массив - phased.URA позволяет моделировать однородный прямоугольный массив сенсорных элементов с изотропными или пользовательскими лучами излучения. Можно задать количество элементов, расстояние между элементами вдоль двух ортогональных осей и геометрию решетки.
Конформный массив - phased.ConformalArray позволяет моделировать конформный массив сенсорных элементов с помощью изотропных или пользовательских диаграмм излучения. Для этого задайте положения антенного элемента и нормальные направления.
Излучатель - можно моделировать волновое излучение через антенный элемент, микрофон или решетку с помощью phased.Radiator объект.
Среда - можно моделировать распространение электромагнитной волны (ЭМ) в свободном пространстве с помощью phased.FreeSpace. Можно моделировать одностороннее или двустороннее распространение узкополосного ЭМ-сигнала, применяя зависящее от диапазона затухание и временные задержки или фазовые сдвиги.
Цель - имитировать цель с заданным сечением РЛС можно с помощью phased.RadarTarget. phased.RadarTarget поддерживает как нефлюктуирующую, так и флуктуирующую (случайную) модели RCS. Панель инструментов поддерживает семейство случайных моделей, основанных на распределении хи-квадрат, известном как целевые модели Swerling.
Сбор сигналов - Вы можете моделировать узкополосный и широкополосный прием сигналов в дальнем или ближнем поле с указанных направлений с помощью phased.Collector и phased.WidebandCollector.
Приемник - phased.ReceiverPreamp позволяет моделировать характеристики усиления, коэффициента потерь и внутреннего шума приемника.
Для обработки полученных данных программное обеспечение Phased Array System Toolbox поддерживает широкий диапазон алгоритмов обработки сигналов матриц. На следующем рисунке представлено более подробное представление общих концепций, обсуждаемых в документе «Обзор системы фазированных массивов» (Phased Array System Overview).
На предыдущем чертеже представлен только обзор операций обработки сигналов матрицы, поддерживаемых программным обеспечением, а не заранее определенными порядками операций. Например, оценка направления поступления (DOA), формирование диаграммы направленности и пространственно-временная адаптивная обработка (STAP) часто следуют за операциями, которые улучшают отношение сигнал/шум, такими как согласованная фильтрация. Поддерживаемые алгоритмы можно реализовать так, как это лучше всего подходит для вашего приложения.
Сопоставленная фильтрация - можно выполнить сопоставленную фильтрацию данных с помощью phased.MatchedFilter. Примеры см. в разделе Сопоставленная фильтрация.
Изменяющийся во времени коэффициент усиления - можно выровнять уровень мощности падающего сигнала в выборках из различных диапазонов с помощью phased.TimeVaryingGain. Этот объект компенсирует потерю мощности сигнала из-за дальности.
Оценка формирования луча и направления прибытия (DOA) - Набор инструментов системы фазированной решетки предоставляет ряд алгоритмов для формирования луча и оценки направления прихода.
Обнаружение - ряд функций утилиты реализуют и оценивают детекторы Неймана-Пирсона, используя как когерентную, так и некогерентную интеграцию импульсов.
Инструментарий также предоставляет процедуры для оценки характеристик детектора посредством построения кривых рабочих характеристик приемника.
Для моделирования характеристик колеблющегося шума, phased.CFARDetector объект адаптивно оценивает характеристики шума из данных для поддержания постоянной частоты ложных аварийных сигналов.
Импульсный доплеровский (Pulse Doppler) - инструментарий системы фазированной решетки имеет функции утилиты для оценки доплеровского сдвига на основе скорости (speed2dop) и для оценки скорости на основе доплеровского сдвига (dop2speed. Можно реализовать импульсно-доплеровскую обработку, используя алгоритмы оценки спектра в продукте Signal Processing Toolbox™ на медленных данных. Описание медленных данных см. в разделе Куб радиолокационных данных.
Примеры доплеровской обработки см. в разделе Доплеровский сдвиг и импульсно-доплеровская обработка.
Для вычисления угла соединения - доплеровского отклика входных данных используйте phased.AngleDopplerResponse.
Примеры рабочих процессов для вычисления угла-доплеровского отклика можно найти в Angle-доплеровского отклика.
Пространственно-временная адаптивная обработка - с помощью phased.DPCACanceller и phased.ADPCACanceller. phased.STAPSMIBeamformer реализует адаптивный формирователь луча путем вычисления весов формирователя луча с использованием ковариационной матрицы оцененных пространственно-временных помех.