поэтапный. SubbandMVDRBeamformer

Широкополосный формирователь луча без искажений с минимальной дисперсией

Описание

phased.SubbandMVDRBeamformer Система object™ реализует широкополосный формирователь луча без искажений дисперсии (MVDR) на основе способа обработки поддиапазонов. Этот тип формирователя луча также называется формирователем луча Капона.

Для формирования сигналов, поступающих в массив:

Создать phased.SubbandMVDRBeamformer 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. SubbandMVDRBeamformer

формирователь луча = фазированный. Поддиапазон MVDRBeamformer (имя, значение)

Описание

beamformer = phased.SubbandMVDRBeamformer создает поддиапазонный объект MVDR beamformer System, beamformer. Объект выполняет формирование диаграммы направленности MVDR поддиапазона на принятом сигнале.

beamformer = phased.SubbandMVDRBeamformer(Name,Value) создает поддиапазонный объект MVDR beamformer System, beamformer, с каждым указанным свойством Name установить в указанное значение Value. Можно указать дополнительные аргументы пары имя-значение в любом порядке как Name1,Value1,...,NameN,ValueN.

Пример: beamformer = phased.SubbandMVDRBeamformer('SensorArray',phased.URA('Size',[5 5]),'OperatingFrequency',500e6) устанавливает массив датчиков в однородный прямоугольный массив (URA) 5 на 5 со всеми другими значениями свойств URA по умолчанию. Формирователь луча имеет рабочую частоту 500 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

`SampleRate` - Частота дискретизации сигнала
`1e6` (по умолчанию) | положительный скаляр

Частота дискретизации сигнала, заданная как положительный скаляр. Единицы измерения в Гц. Объект System использует эту величину для вычисления задержки распространения в единицах выборки.

Пример: 1e6

Типы данных: single | double

`NumSubbands` - Количество поддиапазонов обработки
`64` (по умолчанию) | положительное целое число

Число поддиапазонов обработки, указанное как положительное целое число.

Пример: 128

Типы данных: double

`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

`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

`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

`SubbandsOutputPort` - Опция для включения вывода центральных частот поддиапазонов
`false` (по умолчанию) | `true`

Опция для включения вывода центральных частот поддиапазонов, указанных как true или false. Чтобы получить центральные частоты поддиапазонов, задайте для этого свойства значение true и использовать соответствующий выходной аргумент FREQS при вызове объекта.

Типы данных: logical

Использование

Синтаксис

Y = формирователь луча (X)

Y = формирователь луча (X, XT)

Y = формирователь луча (X, ANG)

[Y, W] = формирователь луча (___)

[Y, FREQS] = формирователь луча (___)

[Y, W, FREQS] = формирователь луча (X, XT, ANG)

Описание

Y = beamformer(X) выполняет широкополосное формирование луча MVDR на входе, Xи возвращает выходные данные в виде луча в Y. Этот синтаксис использует X для обучающих образцов для расчета весов формирования луча. Используйте свойство «Направление» для задания направления формирования луча.

Y = beamformer(X,XT) использование XT для обучающих образцов для расчета весов формирования луча.

Y = beamformer(X,ANG) использование ANG в качестве направления формирования луча. Этот синтаксис применяется при установке для свойства DirectionSource значения 'Input port'.

[Y,W] = beamformer(___) возвращает веса формирования луча, W. Этот синтаксис применяется при задании для свойства WearingOutputPort значения true.

[Y,FREQS] = beamformer(___) возвращает центральные частоты поддиапазонов, FREQS. Этот синтаксис применяется при установке для свойства SubbingOutputPort значения true.

пример

При установке их разрешающих свойств можно комбинировать необязательные входные аргументы. Необязательные входные аргументы должны быть перечислены в том же порядке, что и их разрешающие свойства. Например, [Y,W,FREQS] = beamformer(X,XT,ANG) действителен при указании TrainingInputPort как true и задайте для параметра DirectionSource значение 'Input port'.

Входные аргументы

развернуть все

`X` - Широкополосный входной сигнал
M-на-N комплекснозначная матрица

Широкополосный входной сигнал, заданный как матрица M-by-N, где N - количество элементов матрицы. M - количество выборок в данных. Если матрица датчиков состоит из подрешеток, то N - это количество подрешеток.

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.

Если для TrainingInputPort установлено значение false, то объект использует X в качестве учебных данных. В этом случае размер М должен быть больше, чем N × NB. где NB - количество поддиапазонов, указанных в NumSubbands.

Если для TrainingInputPort установлено значение true, используйте XT аргумент для предоставления данных обучения. В этом случае размерность М может быть любым положительным целым числом.

Пример: [1,1;j,1;0.5,0]

Типы данных: single | double
Поддержка комплексного номера: Да

`XT` - Образцы широкополосного обучения
Комплекснозначная матрица P-by-N

Широкополосные обучающие выборки, определенные как матрица P-by-N, где N - количество элементов. Если матрица датчиков состоит из подрешеток, то N представляет количество подрешеток.

Этот аргумент применяется при установке для TrainingInputPort значения true. Измерение P - это количество образцов в данных обучения. P должен быть больше N × NB, где NB - количество поддиапазонов, указанных в свойстве NumSubbands.

Пример: FT = [1,1;j,1;0.5,0]

Типы данных: single | double
Поддержка комплексного номера: Да

`ANG` - Направление формирования луча
2-by-L матрица вещественных значений

Направление формирования луча, заданное как 2-by-L действительная матрица, где L - число направлений формирования луча. Этот аргумент применяется только при установке для свойства DirectionSource значения 'Input port'. Каждый столбец имеет вид [AzimuthAngle;ElevationAngle]. Угловые единицы в градусах. Угол азимута должен лежать между -180 ° и 180 °. Угол возвышения должен лежать между -90 ° и 90 °. Углы определяются относительно локальной системы координат массива.

Пример: [40 30;0 10]

Типы данных: single | double

Выходные аргументы

развернуть все

`Y` - Выход в виде луча
M-by-L комплекснозначная матрица

Выходной сигнал в виде луча, возвращаемый в виде комплексной матрицы M-by-L. Величина М - это количество выборок сигнала, а L - количество направлений формирования луча, указанное в ANG аргумент.

`W` - Веса для формирования луча
N-по-K-по-L комплекснозначная матрица

Весовые коэффициенты формирования луча, возвращаемые в виде N-by-K-by-L комплексной матрицы. Величина N - количество сенсорных элементов или подрешеток, а K - количество поддиапазонов, заданное свойством NumSubbands. Величина L представляет собой количество направлений формирования луча. Каждый столбец W содержит узкополосные веса формирования луча, используемые в соответствующем поддиапазоне для соответствующих направлений.

Зависимости

Чтобы вернуть эти выходные данные, задайте для свойства WeaureOutputPort значение true.

Типы данных: single | double

`FREQS` - Центральные частоты поддиапазонов
K-by-1 вектор столбца с действительным значением

Центральные частоты поддиапазонов, возвращаемые как K-by-1 действительный вектор столбца. Величина K - это количество поддиапазонов, заданное свойством NumSubbands.

Зависимости

Чтобы вернуть эти выходные данные, задайте для свойства SubbingOutputPort значение true.

Типы данных: single | double

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 поддиапазона ULA

Открыть сценарий в реальном времени

Применить поддиапазонное формирование луча MVDR к подводной акустической 11-элементной ULA. Угол инцидента сигнала - $10^{\circ}$ азимутов и $30^{\circ}$ возвышений. Сигнал представляет собой чирп ЧМ, имеющий ширину полосы 1 кГц. Скорость звука 1500 м/с.

Имитация сигнала

array = phased.ULA('NumElements',11,'ElementSpacing',0.3);
fs = 2e3;
carrierFreq = 2000;
t = (0:1/fs:2)';
sig = chirp(t,0,2,fs/2);
c = 1500;
collector = phased.WidebandCollector('Sensor',array,'PropagationSpeed',c,...
    'SampleRate',fs,'ModulatedInput',true,...
    'CarrierFrequency',carrierFreq);
incidentAngle = [10;0];
sig1 = collector(sig,incidentAngle);
noise = 0.3*(randn(size(sig1)) + 1j*randn(size(sig1)));
rx = sig1 + noise;

Применение формирования луча MVDR

beamformer = phased.SubbandMVDRBeamformer('SensorArray',array,...
    'Direction',incidentAngle,'OperatingFrequency',carrierFreq,...
    'PropagationSpeed',c,'SampleRate',fs,'TrainingInputPort',true, ...
    'SubbandsOutputPort',true,'WeightsOutputPort',true);
[y,w,subbandfreq] = beamformer(rx, noise);

Постройте график сигнала, поступающего на средний датчик (канал 6), относительно выходного сигнала формирователя луча.

plot(t(1:300),real(rx(1:300,6)),'r:',t(1:300),real(y(1:300)))
xlabel('Time')
ylabel('Amplitude')
legend('Original','Beamformed');

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

Ответ массива графика

Постройте график отклика для пяти областей

pattern(array,subbandfreq(1:5).',-180:180,0,...
    'PropagationSpeed',c,'Weights',w(:,1:5));

Формирование диаграммы MVDR поддиапазона массива с пересечениями

Открыть сценарий в реальном времени

Применить поддиапазонное формирование луча MVDR к подводной акустической 11-элементной ULA. Луч формирует поступающие сигналы для оптимизации усиления линейного ЧМ-сигнала частотной модуляции, поступающего от азимута 0 градусов и возвышения 0 градусов. Сигнал имеет ширину полосы 2,0 кГц. Кроме того, имеется единичная амплитуда 2,250 кГц, создающая помехи синусоидальной волне, поступающей от 28 градусов по азимуту и 0 градусов по высоте. Покажите, как формирователь луча MVDR обнуляет сигнал помех. Отображение массива для нескольких частот в районе 2,250 кГц. Скорость звука составляет 1500 метров/сек.

Имитация поступающего сигнала и шума

array = phased.ULA('NumElements',11,'ElementSpacing',0.3);
fs = 2000;
carrierFreq = 2000;
t = (0:1/fs:2)';
sig = chirp(t,0,2,fs/2);
c = 1500;
collector = phased.WidebandCollector('Sensor',array,'PropagationSpeed',c,...
    'SampleRate',fs,'ModulatedInput',true,...
    'CarrierFrequency',carrierFreq);
incidentAngle = [0;0];
sig1 = collector(sig,incidentAngle);
noise = 0.3*(randn(size(sig1)) + 1j*randn(size(sig1)));

Моделирование мешающего сигнала

Объедините как требуемые, так и мешающие сигналы.

fint = 250;
sigint = sin(2*pi*fint*t);
interfangle = [28;0];
sigint1 = collector(sigint,interfangle);
rx = sig1 + sigint1 + noise;

Применение формирования луча MVDR

В качестве обучающих данных используйте комбинированный сигнал шума и помехи.

beamformer = phased.SubbandMVDRBeamformer('SensorArray',array,...
    'Direction',incidentAngle,'OperatingFrequency',carrierFreq,...
    'PropagationSpeed',c,'SampleRate',fs,'TrainingInputPort',true,...
    'NumSubbands',64,...
    'SubbandsOutputPort',true,'WeightsOutputPort',true);
[y,w,subbandfreq] = beamformer(rx,sigint1 + noise);
tidx = [1:300];
plot(t(tidx),real(rx(tidx,6)),'r:',t(tidx),real(y(tidx)))
xlabel('Time')
ylabel('Amplitude')
legend('Original','Beamformed')

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

Ответ массива графика, показывающий Beampattern Null

Постройте график отклика для пяти полос около 2,250 кГц.

fdx = [5,7,9,11,13];
pattern(array,subbandfreq(fdx).',-50:50,0,...
    'PropagationSpeed',c,'Weights',w(:,fdx),...
    'CoordinateSystem','rectangular');

Figure contains an axes. The axes with title Azimuth Cut (elevation angle = 0.0°) contains 5 objects of type line. These objects represent 2.1250 kHz, 2.1875 kHz, 2.2500 kHz, 2.3125 kHz, 2.3750 kHz.

Формирователь луча устанавливает нулевое значение 28 градусов для поддиапазона, содержащего 2,250 кГц.

Подробнее

развернуть все

Диагональная нагрузка

Диагональная нагрузка - это метод улучшения устойчивости формирователя луча, когда проблемы стабильности возникают из-за ошибок вектора рулевого управления или эффектов конечного размера выборки. Этот метод добавляет положительное вещественное кратное единичной матрице к корреляционной матрице принятого вектора данных массива. Можно применить диагональную загрузку с помощью свойства DiagonalLoadingFactor.

Алгоритмы

развернуть все

Точность даты

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.

Частотная обработка поддиапазонов

Обработка поддиапазонов разлагает широкополосный сигнал на множество поддиапазонов и применяет узкополосную обработку к сигналу в каждом поддиапазоне. Сигналы для всех поддиапазонов суммируются для формирования выходного сигнала.

При использовании широкополосных частотных системных объектов или блоков указывается количество поддиапазонов, NB, в которых разлагается широкополосный сигнал. Центральные частоты и ширина поддиапазонов вычисляются автоматически из общей полосы пропускания и количества поддиапазонов. Общая полоса частот центрирована на несущей или рабочей частоте fc. Общая полоса пропускания определяется частотой дискретизации, _fs. Ширина частотного поддиапазона Δf = f с/NB. _{Центральные} частоты поддиапазонов:

$_{fm} = \begin{matrix} _{{} \frac{{fc}_{}}{−} fs2 + (m − 1_{)} Δf, \\ _{NB} \frac{_{} evenfc_{-}}{(_{}} NB - 1) fs2NB_{+} (m \end{matrix} - 1) Δf,_{NB}$ нечетный, m = 1,..., NB

Некоторые системные объекты позволяют получать центральные частоты поддиапазонов в качестве выходных при запуске объекта. Частоты возвращенных поддиапазонов упорядочиваются последовательно с порядком дискретного преобразования Фурье. Первыми появляются частоты выше несущей, за которыми следуют частоты ниже несущей.

Ссылки

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

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

Представлен в R2015b

Документация

поэтапный. SubbandMVDRBeamformer

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

SampleRate - Частота дискретизации сигнала 1e6 (по умолчанию) | положительный скаляр

NumSubbands - Количество поддиапазонов обработки 64 (по умолчанию) | положительное целое число

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

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

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

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

SubbandsOutputPort - Опция для включения вывода центральных частот поддиапазонов false (по умолчанию) | true

Использование

Синтаксис

Описание

Входные аргументы

X - Широкополосный входной сигнал M-на-N комплекснозначная матрица

XT - Образцы широкополосного обучения Комплекснозначная матрица P-by-N

ANG - Направление формирования луча 2-by-L матрица вещественных значений

Выходные аргументы

Y - Выход в виде луча M-by-L комплекснозначная матрица

W - Веса для формирования луча N-по-K-по-L комплекснозначная матрица

Зависимости

FREQS - Центральные частоты поддиапазонов K-by-1 вектор столбца с действительным значением

Зависимости

Функции объекта

Общие для всех системных объектов

Примеры

Формирование диаграммы направленности MVDR поддиапазона ULA

Формирование диаграммы MVDR поддиапазона массива с пересечениями

Подробнее

Диагональная нагрузка

Алгоритмы

Точность даты

Частотная обработка поддиапазонов

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

`SampleRate` - Частота дискретизации сигнала
`1e6` (по умолчанию) | положительный скаляр

`NumSubbands` - Количество поддиапазонов обработки
`64` (по умолчанию) | положительное целое число

`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

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

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

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

`SubbandsOutputPort` - Опция для включения вывода центральных частот поддиапазонов
`false` (по умолчанию) | `true`

`X` - Широкополосный входной сигнал
M-на-N комплекснозначная матрица

`XT` - Образцы широкополосного обучения
Комплекснозначная матрица P-by-N

`ANG` - Направление формирования луча
2-by-L матрица вещественных значений

`Y` - Выход в виде луча
M-by-L комплекснозначная матрица

`W` - Веса для формирования луча
N-по-K-по-L комплекснозначная матрица

`FREQS` - Центральные частоты поддиапазонов
K-by-1 вектор столбца с действительным значением

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