Документация

Преимущества адаптивного формирования луча

Узкополосный формирователь диаграммы сдвига фаз Для ULA используются веса, выбранные независимо от любых данных, принимаемых массивом. Веса в узкополосном формирователе луча фазового сдвига управляют откликом матрицы в заданном направлении. Однако они не учитывают никаких сценариев пересечений. В результате эти обычные формирователи луча восприимчивы к помехам. Такие интерференционные сигналы могут быть конкретной проблемой, если они возникают на боковых стенках матричного отклика.

Напротив, адаптивные или статистически оптимальные формирователи луча могут учитывать сигналы помех. Алгоритм адаптивного формирователя луча выбирает весовые коэффициенты на основе статистики принятых данных. Например, адаптивный формирователь луча может улучшить SNR, используя принятые данные для размещения нулей в отклике массива. Эти нули расположены под углами, соответствующими сигналам помех.

Поддержка адаптивного формирования луча

Программное обеспечение Phased Array System Toolbox™ предоставляет следующие адаптивные формирователи луча:

Обнуление с помощью формирователя луча LCMV

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 °.