Узкополосный формирователь луча LCMV
Поэтапный. Объект LCMVBeamformer реализует узкополосный линейно-ограничительный минимально дисперсионный (LCMV) формирователь луча для матрицы датчиков. Формирователь луча LCMV относится к семейству формирователей луча оптимизации с ограничениями.
Для формирования сигналов, поступающих в матрицу датчиков:
Создать phased.LCMVBeamformer и задайте его свойства.
Вызовите объект с аргументами, как если бы это была функция.
Дополнительные сведения о работе системных объектов см. в разделе Что такое системные объекты?.
beamformer = phased.LCMVBeamformerbeamformer, со значениями свойств по умолчанию.
beamformer = phased.LCMVBeamformer(Name,Value)Name задать для указанного Value. Можно указать дополнительные аргументы пары имя-значение в любом порядке как (Name1,Value1,...,NameN,ValueN). Заключите каждое имя свойства в отдельные кавычки.
beamformer = phased.LCMVBeamformer('Constraint',[1;1]) задает матрицу ограничений.Y = beamformer(X,XT)XT в качестве обучающих данных для вычисления весов формирования луча. Чтобы использовать этот синтаксис, задайте для свойства TrainingInputPort значение true.
[ возвращает веса формирования луча Y,W] = beamformer(___)W. Чтобы использовать этот синтаксис, задайте для свойства WeaingOutputPort значение true.
Чтобы использовать функцию объекта, укажите объект System в качестве первого входного аргумента. Например, для освобождения системных ресурсов объекта System с именем obj, используйте следующий синтаксис:
release(obj)
Примените формирователь луча LCMV к 5-элементному ULA изотропных сенсорных элементов, сохранив сигнал с нужного направления. Рабочая частота - 300 МГц.
Имитировать низкочастотный синусоидальный сигнал в гауссовом шуме.
f = 50; t = (0:.001:.3)'; x = sin(2*pi*f*t); c = physconst('LightSpeed'); fc = 300e6; lambda = c/fc; incidentAngle = [45;0]; antenna = phased.IsotropicAntennaElement('FrequencyRange',[20 20e8]); array = phased.ULA('NumElements',5,'ElementSpacing',lambda/2,... 'Element',antenna); x = collectPlaneWave(array,x,incidentAngle,fc,c); noise = 0.2*(randn(size(x)) + 1j*randn(size(x))); rx = x + noise;
Сформируйте массив.
steervec = phased.SteeringVector('SensorArray',array,... 'PropagationSpeed',c); beamformer = phased.LCMVBeamformer('Constraint',steervec(fc,incidentAngle),'DesiredResponse',1); y = beamformer(rx);
Постройте график исходного сигнала и сигнала, сформированного лучом.
plot(t,real(rx(:,3)),'r:',t,real(y),t,real(x(:,3)),'g') xlabel('Time (sec)') ylabel('Amplitude') legend('Signal at Sensor 3','Beamformed Signal','Noise Free Signal')
В этом примере показано, как использовать формирователь луча LCMV для указания нуля отклика массива в направлении источника помех. Массив представляет собой 10-элементный однородный линейный массив (ULA). По умолчанию элементы ULA являются изотропными антеннами, созданными phased.IsotropicAntennaElement object™ системы. Установите диапазон частот антенных элементов таким образом, чтобы несущая частота находилась в пределах рабочего диапазона. Несущая частота - 1 ГГц.
fc = 1e9; lambda = physconst('LightSpeed')/fc; array = phased.ULA('NumElements',10,'ElementSpacing',lambda/2); array.Element.FrequencyRange = [8e8 1.2e9];
Моделирование тестового сигнала с использованием простого прямоугольного импульса.
t = linspace(0,0.3,300)'; testsig = zeros(size(t)); testsig(201:205) = 1;
Предположим, что прямоугольный импульс падает на ULA с угла 30 ° азимута и отметки 0 °. Используйте collectPlaneWave функция объекта ULA System по моделированию приема импульсного сигнала от угла падения.
angle_of_arrival = [30;0]; x = collectPlaneWave(array,testsig,angle_of_arrival,fc);
Сигнал x является матрицей с десятью столбцами. Каждый столбец представляет принятый сигнал в одном из элементов матрицы.
Сконструировать обычный фазовращающий формирователь луча. Установите WeightsOutputPort свойство для true для вывода весов пространственного фильтра.
convbeamformer = phased.PhaseShiftBeamformer('SensorArray',array,... 'OperatingFrequency',1e9,'Direction',angle_of_arrival,... 'WeightsOutputPort',true);
Добавление в сигнал сложного белого гауссова шума x. Задайте поток случайных чисел по умолчанию для воспроизводимых результатов.
rng default
npower = 0.5;
x = x + sqrt(npower/2)*(randn(size(x)) + 1i*randn(size(x)));Создайте 10W источник пересечений. Указать постановщик помех на эффективную мощность излучения 10 Вт. Помеховый сигнал от постановщика помех падает на ULA с угла 120 ° по азимуту и отметке 0 °. Используйте collectPlaneWave функция объекта ULA System для имитации приема сигнала помехи.
jamsig = sqrt(10)*randn(300,1); jammer_angle = [120;0]; jamsig = collectPlaneWave(array,jamsig,jammer_angle,fc);
Добавьте сложный белый гауссов шум, чтобы имитировать шумовые вклады, не связанные непосредственно с помеховым сигналом. Снова установите поток случайных чисел по умолчанию для воспроизводимых результатов. Мощность шума на 0 дБ ниже мощности помехи. Формирование луча с использованием обычного формирователя луча.
noisePwr = 1e-5;
rng(2008);
noise = sqrt(noisePwr/2)*...
(randn(size(jamsig)) + 1j*randn(size(jamsig)));
jamsig = jamsig + noise;
rxsig = x + jamsig;
[yout,w] = convbeamformer(rxsig);Реализация адаптивного формирователя луча LCMV с использованием того же массива ULA. Используйте данные, не содержащие цели, jamsig, в качестве данных обучения. Вывод сигнала формирования луча и весов формирователя луча.
steeringvector = phased.SteeringVector('SensorArray',array,... 'PropagationSpeed',physconst('LightSpeed')); LCMVbeamformer = phased.LCMVBeamformer('DesiredResponse',1,... 'TrainingInputPort',true,'WeightsOutputPort',true); LCMVbeamformer.Constraint = steeringvector(fc,angle_of_arrival); LCMVbeamformer.DesiredResponse = 1; [yLCMV,wLCMV] = LCMVbeamformer(rxsig,jamsig);
Постройте график обычного выходного сигнала формирователя луча и адаптивного выходного сигнала формирователя луча.
subplot(211) plot(t,abs(yout)) axis tight title('Conventional Beamformer') ylabel('Magnitude') subplot(212) plot(t,abs(yLCMV)) axis tight title('LCMV (Adaptive) Beamformer') xlabel('Seconds') ylabel('Magnitude')
Адаптивный формирователь луча значительно улучшает SNR прямоугольного импульса через 0,2 с.
Используя обычные и LCMV веса, постройте график ответов для каждого формирователя луча.
subplot(211) pattern(array,fc,[-180:180],0,'PropagationSpeed',physconst('LightSpeed'),... 'CoordinateSystem','rectangular','Type','powerdb','Normalize',true,... 'Weights',w) title('Array Response with Conventional Beamforming Weights'); subplot(212) pattern(array,fc,[-180:180],0,'PropagationSpeed',physconst('LightSpeed'),...) 'CoordinateSystem','rectangular','Type','powerdb','Normalize',true,... 'Weights',wLCMV) title('Array Response with LCMV Beamforming Weights');
Адаптивная форма луча помещает нуль на угол прихода интерференционного сигнала, 120 °.
[1] Деревья фургонов, H. Оптимальная обработка массива. Нью-Йорк: Wiley-Interscience, 2002.