Системные обзоры

Обзор системы фазированных решеток

Системы фазированных решеток используют пространственные и временные характеристики распространяющихся пространственно-временных волновых полей, чтобы извлечь информацию о любых источниках волновых полей. Путем обработки данных, собранных по пространственно-временной апертуре, с помощью массива датчиков, можно значительно улучшить эффективность по одному датчику в ряде областей. Эти области включают, но не ограничиваются:

Обнаруживаемость сигнала
Пространственная селективность
Идентификация и локализация источника

Следующий рисунок показывает высокоуровневый обзор системы фазированных решеток.

Системы фазированных решеток в различных приложениях, таких как радар, гидролокатор, медицинская ультразонография, медицинская визуализация и сотовая телефонная связь, имеют много общих элементов, включая:

Исходный массив - Исходный массив передаёт форму волны через окружение. Форма волны часто состоит из повторяющихся импульсов, модулируемых несущей частотой. В зависимости от применения волна может быть акустической (механической) или электромагнитной волной. Исходный массив часто управляется электронным или механическим способом для передачи в предпочтительных направлениях.
Окружение - Среда, в которой форма волны перемещается к цели и от нее, влияет на ряд системных параметров, включая скорость распространения, потери поглощения и дисперсию волн.
Цель - Цель отражает фрагмент энергии падающей формы волны от исходного массива. Некоторый процент отраженной энергии рассеивается назад в направлении массива приемника. В некоторых приложениях цель является источником энергии формы волны.
Приемник Array - массив приемника собирает энергию от цели, представляющей сигнал вместе с внешними и внутренними источниками шума. Приемник реализует алгоритмы, чтобы улучшить отношение сигнал/шум и извлечь пространственно-временную информацию из сигнала.

В приемнике системы фазированных решеток реализуют алгоритмы, чтобы извлечь временную и пространственную информацию об источнике или источниках энергии. Следующий рисунок показывает высокоуровневый обзор алгоритмов обработки сигналов массива, общих для значительного числа систем фазированных решеток.

Краткое описание трех категорий:

Временная Обработка - Фазированные решетки часто работают в плохих отношениях сигнал-шум (ОСШ). Использование временного интегрирования и согласованной фильтрации улучшает ОСШ. Знание скорости распространения переданной формы волны и измерение времени, требуемого для перехода импульса к цели и от нее, позволяет системам фазированных решеток оценивать область значений. Выполнение Анализа Фурье во временной серии импульсов позволяет фазированной решетке извлечь Допплеровскую информацию из движущихся целей.
Пространственная Обработка - объединение взвешенной информации через несколько элементов датчика с известной геометрией позволяет системам фазированных решеток пространственно фильтровать входящие формы сигналов. Фазированные решетки могут также оценить направление прибытия и количество исходных форм волны, падающих на массив.
Пространственно-временная обработка - одновременный анализ как пространственной, так и временной информации позволяет системам фазированных решеток производить углово-доплеровские измерения падающих форм волны. Пространственно-временная обработка позволяет системам фазированных решеток отличать движущиеся цели от стационарных целей, когда фазированная решётка находится в движении.

Обзор радара с фазированной решеткой

Следующий рисунок представляет обзор системы радиолокационных фазированных решеток. Рисунок разворачивается на обзоре высокого уровня, показанном в Обзоре системы фазированных решеток.

Чтобы использовать преимущества обработки массивов, необходимо сначала понять, как смоделировать и оптимизировать эффективность каждого компонента и операцию в системе фазированных решеток. Это программное обеспечение предоставляет модели для всех компонентов системы фазированных решеток, проиллюстрированных на предыдущем рисунке, от синтеза сигнала до анализа сигнала.

Программное обеспечение поддерживает модели, в которых передатчик и приемник объединены или пространственно разделены. Программное обеспечение также поддерживает модели, в которых и цели, и фазированная решетка находятся в движении.

Синтез формы волны

Программное обеспечение Phased Array System Toolbox™ поддерживает проект прямоугольных, линейных частотно-модулированных и линейных импульсных сигналов шаговой частоты. Чтобы создать такие формы волны, вы используете phased.RectangularWaveform, phased.LinearFMWaveform, и phased.SteppedFMWaveform.

Физические компоненты и моделирование окружения

Программное обеспечение позволяет вам моделировать физические компоненты системы фазированных решеток, включая:

Передатчик - можно задать пиковую степень, коэффициент усиления и потерь передатчика. См. phased.Transmitter для получения дополнительной информации.
Антенные элементы - можно создать антенные элементы с изотропными диаграммами направленности или антенные элементы с заданными пользователем диаграммами направленности. Эти диаграммы направленности могут охватывать всюсь область значений углов азимута ([-180,180] степени) и повышения ([-90,90] степени). См. phased.IsotropicAntennaElement, phased.CosineAntennaElement, и phased.CustomAntennaElement для получения дополнительной информации.
Элементы микрофона - Для акустических приложений можно смоделировать всенаправленный или пользовательский микрофон с phased.OmnidirectionalMicrophoneElement или phased.CustomMicrophoneElement.
Фазированные решетки - Существуют системные объекты для трех геометрий фазированных решеток:
- Равномерный линейный массив (ULA) - phased.ULA позволяет вам смоделировать равномерный линейный массив, состоящую из сенсорных элементов с изотропными или пользовательскими диаграммами направленности излучения. Можно задать количество элементов и интервалы между элементами.
- Равномерный прямоугольный массив - phased.URA позволяет вам смоделировать равномерный прямоугольный массив элементов датчика с изотропными или пользовательскими диаграммами направленности излучения. Можно задать количество элементов, интервалы между элементами вдоль двух ортогональных осей и геометрию решетки.
- Конформный массив - phased.ConformalArray позволяет вам смоделировать конформный массив элементов датчика с изотропными или пользовательскими диаграммами направленности излучения. Для этого задайте положения антенного элемента и нормальные направления.
Излучатель - можно смоделировать излучение формы волны через антенный элемент, микрофон или решётку с phased.Radiator объект.
Окружение - можно смоделировать распространение электромагнитной (EM) волны в свободном пространстве с phased.FreeSpace. Можно симулировать одностороннее или двухстороннее распространение узкополосного EM-сигнала путем применения зависящего от области значений ослабления и временных задержек или сдвигов фазы.
Цель - Можно симулировать цель с заданным радарным сечением (RCS), используя phased.RadarTarget. phased.RadarTarget поддерживает как неколеблющиеся, так и колеблющиеся (случайные) модели RCS. Тулбокс поддерживает семейство случайных моделей, основанных на распределении хи-квадрат, известном как целевые модели Swerling.
Набор сигналов - Можно симулировать узкополосный и широкополосный прием сигналов дальнего или ближнего поля с заданных направлений, используя phased.Collector и phased.WidebandCollector.
Приемник - phased.ReceiverPreamp позволяет моделировать коэффициент прибылей, коэффициент потерь и характеристики внутреннего шума приемника.

Обработка сигнала массива

Для обработки полученных данных программное обеспечение Phased Array System Toolbox поддерживает широкий спектр алгоритмов обработки сигналов массива. На следующем рисунке представлено более подробное представление общих концепций, обсуждаемых в разделе «Обзор системы фазированных решеток».

Предыдущий рисунок представляет только обзор операций обработки сигналов массива, поддерживаемых программным обеспечением, а не предопределенными порядками работы. Для примера оценка направления прибытия (DOA), формирование луча и пространственно-временная адаптивная обработка (STAP) часто следуют операциям, которые улучшают отношение сигнал/шум, такое как согласованная фильтрация. Можно реализовать поддерживаемые алгоритмы способом, наиболее подходящим для вашего приложения.

Согласованная фильтрация - Вы можете выполнить согласованную фильтрацию данных с помощью phased.MatchedFilter. Примеры см. в согласованной фильтрации.
Изменяющийся во времени коэффициент усиления - можно выровнять уровень степени падающей формы волны для выборок из различных областей значений с помощью phased.TimeVaryingGain. Этот объект компенсирует потерю степени сигнала из-за области значений.
Формирование луча и оценка направления прибытия (DOA) - The Phased Array System Toolbox предоставляет ряд алгоритмов для формирования луча и оценки направления прибытия.
Обнаружение - Ряд служебных функций реализуют и оценивают детекторы Неймана-Пирсона, используя как когерентное, так и некогерентное интегрирование импульсов.
Тулбокс также предоставляет стандартные программы для оценки эффективности детектора через конструкцию приемника кривых рабочих характеристик.
Чтобы смоделировать колеблющиеся шумовые характеристики, phased.CFARDetector объект адаптивно оценивает шумовые характеристики от данных, чтобы поддерживать постоянную частоту ложных предупреждений.
Pulse Doppler - The Phased Array System Toolbox имеет служебные функции для оценки доплеровского сдвига на основе скорости (speed2dop) и оценить скорость на основе доплеровского сдвига (dop2speed. Можно реализовать импульсно-допплеровскую обработку с помощью алгоритмов оценки спектра в Signal Processing Toolbox™ продукте на данных медленного времени. Смотрите Radar Data Cube для объяснения данных медленного времени.
См. доплеровский сдвиг и импульсно-доплеровскую обработку для примеров доплеровской обработки.
Чтобы вычислить угол-Допплеровскую характеристику соединений входных данных, используйте phased.AngleDopplerResponse.
Примеры рабочих процессов для вычисления угловой доплеровской характеристики можно найти в Angle-доплеровской реакции.
Пространственно-временная адаптивная обработка - можно реализовать методы перемещенной фазы центральной антенны с phased.DPCACanceller и phased.ADPCACanceller. phased.STAPSMIBeamformer реализует адаптивный формирователь луча путем вычисления весов формирователя луча с помощью оцененной пространственно-временной интерференционной ковариационной матрицы.

Документация