поэтапный. MVDRBeamformer

Узкополосный формирователь луча без искажений с минимальной дисперсией

Описание

Поэтапный. Система object™ MVDRBeamformer реализует узкополосный формирователь луча без искажений минимальной дисперсии (MVDR). Формирователь луча MVDR также называется формирователем луча Capon. Формирователь луча MVDR принадлежит к семейству формирователей луча оптимизации с ограничениями.

Для формирования сигналов, поступающих в массив:

Создать phased.MVDRBeamformer 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?.

Создание

Синтаксис

формирователь луча = фазированный. MVDRBeamformer

формирователь луча = фазированный. MVDRBeamformer (имя, значение)

Описание

beamformer = phased.MVDRBeamformer создает объект системы формирования луча MVDR, beamformer, со значениями свойств по умолчанию.

beamformer = phased.MVDRBeamformer(Name,Value) создает формирователь луча MVDR с каждым свойством 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.

Пример: beamformer = phased.MVDRBeamformer('SensorArray',phased.URA,'OperatingFrequency',300e6) устанавливает массив датчиков в однородный прямоугольный массив (URA) со значениями свойств URA по умолчанию. Формирователь луча имеет рабочую частоту 300 МГц.

Свойства

развернуть все

Если не указано иное, свойства не настраиваются, что означает невозможность изменения их значений после вызова объекта. Объекты блокируются при их вызове, и release функция разблокирует их.

Если свойство настраивается, его значение можно изменить в любое время.

Дополнительные сведения об изменении значений свойств см. в разделе Проектирование системы в MATLAB с использованием системных объектов.

`SensorArray` - Матрица датчиков
`phased.ULA` множество со стоимостями недвижимости по умолчанию (дефолт) | Поэтапная Система Множества множество Toolbox™

Массив датчиков, указанный как системный объект массива, принадлежащий панели инструментов системы фазированных массивов. Массив датчиков может содержать подрешетки.

Пример: phased.URA

`PropagationSpeed` - Скорость распространения сигнала
`physconst('LightSpeed')` (по умолчанию) | действительный положительный скаляр

Скорость распространения сигнала, заданная как действительный положительный скаляр. Единицы измерения в метрах в секунду. Скорость распространения по умолчанию - это значение, возвращаемое physconst('LightSpeed').

Пример: 3e8

Типы данных: single | double

`OperatingFrequency` - Рабочая частота
`300e6` (по умолчанию) | положительный скаляр

Рабочая частота, заданная как положительный скаляр. Единицы измерения в Гц.

Пример: 1e9

Типы данных: single | double

`DiagonalLoadingFactor` - Коэффициент нагрузки по диагонали
`0` (по умолчанию) | неотрицательный скаляр

Коэффициент нагрузки по диагонали, заданный как неотрицательный скаляр. Диагональная нагрузка - это метод, используемый для достижения надежных характеристик формирования луча, особенно когда размер выборки невелик. Небольшой размер выборки может привести к неточной оценке ковариационной матрицы. Диагональная нагрузка также обеспечивает устойчивость из-за ошибок вектора рулевого управления. Метод диагональной нагрузки добавляет положительное скалярное кратное единичной матрице к выборной ковариационной матрице.

Настраиваемый: Да

Типы данных: single | double

`TrainingInputPort` - Включить ввод данных обучения
`false` (по умолчанию) | `true`

Включить ввод данных обучения, указанный как false или true. При установке для этого свойства значения true, используйте аргумент ввода обучающих данных, XT, при запуске объекта. Установить для этого свойства значение false для использования входных данных, X, в качестве данных обучения.

Типы данных: logical

`DirectionSource` - Источник направления формирования луча
`'Property'` (по умолчанию) | `'Input port'`

Источник направления формирования луча, указанный как 'Property' или 'Input port'. Укажите, исходит ли направление формирования луча из Direction свойство этого объекта или из входного аргумента, ANG. Значения этого свойства:

`'Property'`	Укажите направление формирования луча с помощью `Direction` собственность.
`'Input port'`	Укажите направление формирования луча с помощью входного аргумента, `ANG`.

Типы данных: char

`Direction` - Направления формирования луча
`[0;0]` (по умолчанию) | вектор 2 на 1 с действительным значением | матрица 2-by-L с действительным значением

Направления формирования луча, заданные как вектор 2 на 1 с действительным значением или матрица 2-by-L с действительным значением. Для матрицы каждый столбец указывает другое направление формирования луча. Каждый столбец имеет форму [AzimuthAngle;ElevationAngle]. Азимутальные углы должны лежать между -180 ° и 180 °, а углы места - между -90 ° и 90 °. Все углы определяются относительно локальной системы координат массива. Единицы измерения в градусах.

Пример: [40;30]

Зависимости

Чтобы включить это свойство, установите значение DirectionSource свойство для 'Property'.

Типы данных: single | double

`NumPhaseShifterBits` - Количество битов квантования фазовращателя
`0` (по умолчанию) | неотрицательное целое число

Количество битов, используемых для квантования составляющей фазового сдвига весов формирователя луча или вектора управления, заданного как неотрицательное целое число. Нулевое значение указывает, что квантование не выполняется.

Пример: 5

Типы данных: single | double

`WeightsOutputPort` - Включить вывод весов для формирования диаграммы направленности
`false` (по умолчанию) | `true`

Включить вывод весов формирования луча, указанных как false или true. Чтобы получить веса для формирования луча, задайте для этого свойства значение true и использовать соответствующий выходной аргумент, W. Если вы не хотите получать веса, установите для этого свойства значение false.

Типы данных: logical

Использование

Синтаксис

Y = формирователь луча (X)

Y = формирователь луча (X, XT)

Y = формирователь луча (X, ANG)

Y = формирователь луча (X, XT, ANG)

[Y, W] = формирователь луча (___)

Описание

пример

Y = beamformer(X) выполняет формирование луча MVDR на входном сигнале, Xи возвращает выходные данные в виде луча в Y. Этот синтаксис использует X в качестве обучающих образцов для расчета весов формирования луча.

Y = beamformer(X,XT) использование XT в качестве обучающих образцов для расчета весов формирования луча. Чтобы использовать этот синтаксис, задайте для свойства TrainingInputPort значение true.

Y = beamformer(X,ANG) использование ANG в качестве направления формирования луча. Чтобы использовать этот синтаксис, задайте для свойства DirectionSource значение 'Input port'.

Y = beamformer(X,XT,ANG) объединяет все входные аргументы. Чтобы использовать этот синтаксис, установите TrainingInputPort свойство для true и задайте для свойства DirectionSource значение 'Input port'.

[Y,W] = beamformer(___) возвращает веса формирования луча, W. Чтобы использовать этот синтаксис, задайте для свойства WeaingOutputPort значение true.

Входные аргументы

развернуть все

`X` - Входной сигнал
матрица M-by-N с комплексными значениями

Входной сигнал, определяемый как комплексная матрица M-by-N. N - количество элементов массива. Если массив датчиков содержит подрешетки, N - это количество подрешеток. Если для TrainingInputPort установлено значение falseМ должен быть больше N; в противном случае М может быть любым положительным целым числом.

Размер первого размера входной матрицы может изменяться для моделирования изменения длины сигнала. Изменение размера может происходить, например, в случае формы импульса с переменной частотой повторения импульса.

Типы данных: single | double
Поддержка комплексного номера: Да

`XT` - Данные по обучению
комплексная матрица P-by-N

Обучающие данные, указанные как комплексная матрица P-by-N. Если матрица датчиков содержит подрешетки, N - количество подрешеток; в противном случае N - число элементов. P должен быть больше N.

Пример: [1 0.5 2.6; 2 -0.2 0; 3 -2 -1]

Зависимости

Чтобы включить этот аргумент, задайте для свойства TrainingInputPort значение true.

Типы данных: single | double
Поддержка комплексного номера: Да

`ANG` - Направления формирования луча
`[0;0]` (по умолчанию) | вектор столбца 2 на 1 с действительным значением | матрица 2-by-L с действительным значением

Направления формирования луча, заданные как вектор столбца 2 на 1 с действительным значением или 2-by-L матрица. L - количество направлений формирования луча. Каждый столбец имеет форму [AzimuthAngle;ElevationAngle]. Единицы измерения в градусах. Каждый азимутальный угол должен лежать между -180 ° и 180 °, а каждый угол возвышения - между -90 ° и 90 °.

Пример: [40;10]

Зависимости

Чтобы включить этот аргумент, задайте для свойства DirectionSource значение 'Input port'.

Типы данных: single | double

Выходные аргументы

развернуть все

`Y` - Выход в виде луча
матрица M-by-L с комплексными значениями

Выходной сигнал в виде луча, возвращаемый в виде матрицы M-by-L с комплексными значениями, где M - количество строк X L - число направлений формирования луча.

Типы данных: single | double
Поддержка комплексного номера: Да

`W` - Веса для формирования луча
комплексная матрица N-на-L.

Весовые коэффициенты формирования луча, возвращаемые в виде комплексной матрицы N-by-L. Если матрица датчиков содержит подрешетки, N - количество подрешеток; в противном случае N - число элементов. L - количество направлений формирования луча.

Зависимости

Чтобы включить эти выходные данные, задайте для свойства WeadingOutputPort значение true.

Типы данных: single | double
Поддержка комплексного номера: Да

Функции объекта

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)

развернуть все

Общие для всех системных объектов

`step`	Запустить алгоритм объекта System
`release`	Деблокирование ресурсов и разрешение изменений значений свойств объекта системы и входных признаков
`reset`	Сброс внутренних состояний объекта System

Примеры

свернуть все

Формирование диаграммы направленности MVDR

Открыть сценарий в реальном времени

Примените формирователь луча MVDR к 5-элементному ULA. Угол падения сигнала составляет 45 градусов по азимуту и 0 градусов по высоте. Частота сигнала 0,01 герц. Несущая частота 300 МГц.

t = [0:.1:200]';
fr = .01;
xm = sin(2*pi*fr*t);
c = physconst('LightSpeed');
fc = 300e6;
rng('default');
incidentAngle = [45;0];
array = phased.ULA('NumElements',5,'ElementSpacing',0.5);
x = collectPlaneWave(array,xm,incidentAngle,fc,c);
noise = 0.1*(randn(size(x)) + 1j*randn(size(x)));
rx = x + noise;

Вычисление весов для формирования луча

beamformer = phased.MVDRBeamformer('SensorArray',array,...
    'PropagationSpeed',c,'OperatingFrequency',fc,...
    'Direction',incidentAngle,'WeightsOutputPort',true);
[y,w] = beamformer(rx);

Постройте график сигналов

plot(t,real(rx(:,3)),'r:',t,real(y))
xlabel('Time')
ylabel('Amplitude')
legend('Original','Beamformed')

Figure contains an axes. The axes contains 2 objects of type line. These objects represent Original, Beamformed.

Постройте график массива с использованием весов MVDR

pattern(array,fc,[-180:180],0,'PropagationSpeed',c,...
    'Weights',w,'CoordinateSystem','rectangular',...
    'Type','powerdb');

Figure contains an axes. The axes with title Azimuth Cut (elevation angle = 0.0°) contains an object of type line. This object represents 300 MHz.

Алгоритмы

развернуть все

Формирование диаграммы направленности MVDR

Формирователь луча MVDR максимизирует отношение сигнал/шум.

Начните с сигнала, поступающего к элементам массива. Предположим, что X является комплексной матрицей данных N-на-М, представляющей приход сигналов в массив. N - количество датчиков в матрице, а M - количество выборок или снимков на сигнал. Для математического удобства эта матрица является транспонированием матрицы, указанной в X аргумент. Каждая строка X представляет временной ряд данных для соответствующего массива. Здесь приведено отношение сигнал/шум сигнала.

$SNR \frac{{=^{|}}^{}}{{wHs}^{} |_{}^{}}$ 2wHRI + Nw

Соответственно, ковариационная матрица в знаменателе является ковариационной матрицей для шума и любых помех. Масштаб w можно изменять без влияния на SNR. Поэтому можно выбрать нормализацию для w так, чтобы веса оценщика MVDR для формирования диаграммы направленности были w = ^R-1v/vHRv, где R - ковариационная матрица данных R = E [^xxH ].

Диагональная нагрузка

Диагональная нагрузка обеспечивает устойчивость формирователя луча из-за небольшого размера выборки и ошибок вектора поворота.

Точность данных

Этот объект System поддерживает единственную и двойную точность входных данных, свойств и аргументов. Если входные данные X - единичная точность, выходные данные - единичная точность. Если входные данные X - двойная точность, выходные данные - двойная точность. Точность вывода не зависит от точности свойств и других аргументов.

Ссылки

[1] Деревья фургонов, H. Оптимальная обработка массива. Нью-Йорк: Wiley-Interscience, 2002.

[2] Frost, O. «Алгоритм обработки адаптивного массива с линейными ограничениями», процедуры IEEE. т. 60, номер 8, август, 1972, стр. 926-935.

Расширенные возможности

Создание кода C/C + +
Создайте код C и C++ с помощью MATLAB ® Coder™

Примечания и ограничения по использованию:

См. Системные объекты в создании кода MATLAB (кодер MATLAB).
Этот объект System поддерживает единственную и двойную точность входных данных, свойств и аргументов. Если входные данные X - единичная точность, выходные данные - единичная точность. Если входные данные X - двойная точность, выходные данные - двойная точность. Точность вывода не зависит от точности свойств и других аргументов.

См. также

phased.FrostBeamformer | phased.LCMVBeamformer | phased.PhaseShiftBeamformer | phased.SubbandMVDRBeamformer

Представлен в R2011a

Документация

поэтапный. MVDRBeamformer

Описание

Создание

Синтаксис

Описание

Свойства

SensorArray - Матрица датчиков phased.ULA множество со стоимостями недвижимости по умолчанию (дефолт) | Поэтапная Система Множества множество Toolbox™

PropagationSpeed - Скорость распространения сигнала physconst('LightSpeed') (по умолчанию) | действительный положительный скаляр

OperatingFrequency - Рабочая частота 300e6 (по умолчанию) | положительный скаляр

DiagonalLoadingFactor - Коэффициент нагрузки по диагонали 0 (по умолчанию) | неотрицательный скаляр

TrainingInputPort - Включить ввод данных обучения false (по умолчанию) | true

DirectionSource - Источник направления формирования луча 'Property' (по умолчанию) | 'Input port'

Direction - Направления формирования луча [0;0] (по умолчанию) | вектор 2 на 1 с действительным значением | матрица 2-by-L с действительным значением

Зависимости

NumPhaseShifterBits - Количество битов квантования фазовращателя 0 (по умолчанию) | неотрицательное целое число

WeightsOutputPort - Включить вывод весов для формирования диаграммы направленности false (по умолчанию) | true

Использование

Синтаксис

Описание

Входные аргументы

X - Входной сигнал матрица M-by-N с комплексными значениями

XT - Данные по обучению комплексная матрица P-by-N

Зависимости

ANG - Направления формирования луча [0;0] (по умолчанию) | вектор столбца 2 на 1 с действительным значением | матрица 2-by-L с действительным значением

Зависимости

Выходные аргументы

Y - Выход в виде луча матрица M-by-L с комплексными значениями

W - Веса для формирования луча комплексная матрица N-на-L.

Зависимости

Функции объекта

Общие для всех системных объектов

Примеры

Формирование диаграммы направленности MVDR

Алгоритмы

Формирование диаграммы направленности MVDR

Диагональная нагрузка

Точность данных

Ссылки

Расширенные возможности

Создание кода C/C + + Создайте код C и C++ с помощью MATLAB ® Coder™

См. также

Документация по панели инструментов системы поэтапной обработки массивов

Поддержка

`SensorArray` - Матрица датчиков
`phased.ULA` множество со стоимостями недвижимости по умолчанию (дефолт) | Поэтапная Система Множества множество Toolbox™

`PropagationSpeed` - Скорость распространения сигнала
`physconst('LightSpeed')` (по умолчанию) | действительный положительный скаляр

`OperatingFrequency` - Рабочая частота
`300e6` (по умолчанию) | положительный скаляр

`DiagonalLoadingFactor` - Коэффициент нагрузки по диагонали
`0` (по умолчанию) | неотрицательный скаляр

`TrainingInputPort` - Включить ввод данных обучения
`false` (по умолчанию) | `true`

`DirectionSource` - Источник направления формирования луча
`'Property'` (по умолчанию) | `'Input port'`

`Direction` - Направления формирования луча
`[0;0]` (по умолчанию) | вектор 2 на 1 с действительным значением | матрица 2-by-L с действительным значением

`NumPhaseShifterBits` - Количество битов квантования фазовращателя
`0` (по умолчанию) | неотрицательное целое число

`WeightsOutputPort` - Включить вывод весов для формирования диаграммы направленности
`false` (по умолчанию) | `true`

`X` - Входной сигнал
матрица M-by-N с комплексными значениями

`XT` - Данные по обучению
комплексная матрица P-by-N

`ANG` - Направления формирования луча
`[0;0]` (по умолчанию) | вектор столбца 2 на 1 с действительным значением | матрица 2-by-L с действительным значением

`Y` - Выход в виде луча
матрица M-by-L с комплексными значениями

`W` - Веса для формирования луча
комплексная матрица N-на-L.

Создание кода C/C + +
Создайте код C и C++ с помощью MATLAB ® Coder™