phased.FrostBeamformer

Фрост-лучевой форматор

Описание

The phased.FrostBeamformer реализует Frost beamformer. Frost beamformer состоит из мотора MVDR во временной области, объединенного с банком конечных импульсных характеристик. Пучок направляет пучок в заданное направление, в то время как конечные импульсные характеристики фильтры сохраняют степень входного сигнала.

Чтобы вычислить сигнал формирования луча:

Создайте phased.FrostBeamformer Объекту и установите его свойства.
Вызывайте объект с аргументами, как будто это функция.

Дополнительные сведения о работе системных объектов см. в разделе «Что такое системные объекты?».

Создание

Синтаксис

beamformer = phased.FrostBeamformer

beamformer = phased.FrostBeamformer(Name,Value)

Описание

beamformer = phased.FrostBeamformer создает Frost beamformer System object™, beamformer, со значениями свойств по умолчанию.

beamformer = phased.FrostBeamformer(Name,Value) создает объект Frost beamformer, beamformer, с каждым заданным именем свойства, установленным на заданное значение. Можно задать дополнительные аргументы пары "имя-значение" в любом порядке как (Name1, Value1..., NameN, ValueN). Заключайте каждое имя свойства в одинарные кавычки.

Пример: beamformer = phased.FrostBeamformer('SensorArray',phased.ULA('NumElements',20),'SampleRate',300e3) устанавливает массив датчиков в равномерный линейный массив (ULA) с значениями свойств ULA по умолчанию, за исключением количества элементов. Лучевой форматор имеет частоту дискретизации 300 кГц.

Свойства

расширить все

Если не указано иное, свойства являются нетронутыми, что означает, что вы не можете изменить их значения после вызова объекта. Объекты блокируются, когда вы вызываете их, и release функция разблокирует их.

Если свойство настраивается, можно изменить его значение в любой момент.

Для получения дополнительной информации об изменении значений свойств смотрите Разработку системы в MATLAB Использование Системных объектов.

`SensorArray` - Матрица датчиков
поэтапный. ULA выстраивают со свойствами массива по умолчанию (дефолт) | Системный объект массива Phased Array System Toolbox™

Массив датчика, заданный как Phased Array System Toolbox Системного объекта массива. Массив не может содержать подрешетки.

Пример: phased.URA

`PropagationSpeed` - Скорость распространения сигнала
`physconst('LightSpeed')` (по умолчанию) | реальная положительная скалярная величина

Скорость распространения сигнала, заданная как реальная положительная скалярная величина. Модули указаны в метрах в секунду. Скорость распространения по умолчанию является значением, возвращаемым physconst('LightSpeed').

Пример: 3e8

Типы данных: single | double

`SampleRate` - Частота дискретизации сигнала
`1e6` (по умолчанию) | положительная скалярная величина

Частота дискретизации сигнала, заданная как положительная скалярная величина. Модули указаны в Гц. Системный объект использует это количество, чтобы вычислить задержку распространения в единицах измерения выборки.

Пример: 1e6

Типы данных: single | double

`FilterLength` - длина конечной импульсной характеристики
`2` (по умолчанию) | положительное целое число

Длина конечной импульсной характеристики для каждого элемента датчика, заданная как положительное целое число.

Пример: 7

Типы данных: single | double

`DiagonalLoadingFactor` - Диагональный коэффициент загрузки
`0` (по умолчанию) | неотрицательной скаляром

Диагональный коэффициент загрузки, заданный как неотрицательный скаляр. Диагональная загрузка является методом, используемым для достижения устойчивой эффективности формирования луча, особенно когда размер образца небольшой. Небольшой размер выборки может привести к неточной оценке ковариационной матрицы. Диагональная загрузка также обеспечивает робастность из-за ошибок вектора рулевого управления. Метод диагональной загрузки добавляет положительной скалярной величины, кратную матрице тождеств к матрице выборочной ковариации.

Настраиваемый: Да

Типы данных: single | double

`TrainingInputPort` - Включите вход обучающих данных
`false` (по умолчанию) | `true`

Включите вход обучающих данных, заданный как false или true. Когда вы устанавливаете это свойство на true, используйте входной параметр обучающих данных, XT, при запуске объекта. Установите это свойство на false для использования входных данных, X, как обучающие данные.

Типы данных: logical

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

Источник направления формирования луча, заданный как 'Property' или 'Input port'. Задайте, происходит ли направление формирования луча от Direction свойство этого объекта или от входного параметра, ANG. Значения этого свойства:

`'Property'`	Задайте направление формирования луча с помощью `Direction` свойство.
`'Input port'`	Задайте направление формирования луча с помощью входного параметра, `ANG`.

Типы данных: char

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

Направления формирования луча, заданные как действительный вектор 2 на 1 или вещественная матрица 2 L. Для матрицы каждый столбец задает разное направление формирования луча. Каждый столбец имеет форму [AzimuthAngle;ElevationAngle]. Азимутальные углы должны лежать между -180 ° и 180 °, а вертикальные - между -90 ° и 90 °. Все углы заданы относительно локальной системы координат массива. Модули указаны в степенях.

Пример: [40;30]

Зависимости

Чтобы включить это свойство, установите DirectionSource свойство к 'Property'.

Типы данных: single | double

`WeightsOutputPort` - Включите выход весов формирования луча
`false` (по умолчанию) | `true`

Включите выход весов формирования луча, заданный как false или true. Чтобы получить веса формирования луча, установите это свойство равным true и используйте соответствующий выходной аргумент, W. Если вы не хотите получать веса, задайте для этого свойства false.

Типы данных: logical

Использование

Синтаксис

Y = beamformer(X)

Y = beamformer(X,XT)

Y = beamformer(X,ANG)

Y = beamformer(X,XT,ANG)

[Y,W] = beamformer(___)

Описание

пример

Y = beamformer(X) выполняет Фрост-формирование луча на входе, X, и возвращает выход формирования луча, Y. Этот синтаксис использует входные данные, X, как обучающие выборки для вычисления весов формирования луча.

Y = beamformer(X,XT) использует XT в качестве обучающих данных для вычисления весов формирования луча. Чтобы использовать этот синтаксис, задайте значение свойства TrainingInport true.

Y = beamformer(X,ANG) использует ANG как направление формирования луча. Чтобы использовать этот синтаксис, задайте значение свойства DirectionSource 'Input port'.

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

пример

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

Входные параметры

расширить все

`X` - Входной сигнал
комплексная матрица M -by N

Входной сигнал, заданный как комплексная матрица M -by N. M - длина сигнала, а N - количество элементов массива, заданное в свойстве SensorArray. M должен быть больше длины фильтра, заданной свойством FilterLength.

Размер первой размерности матрицы входа может варьироваться, чтобы симулировать изменяющуюся длину сигнала. Изменение размера может произойти, например, в случае импульсного сигнала с переменной частотой повторения импульса.

Типы данных: single | double
Поддержка комплексного числа: Да

`XT` - Обучающие данные
комплексная матрица M -by N

Обучающие данные, заданные как комплексная матрица M -by N. M и N равны значениям для X.

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

Зависимости

Чтобы включить этот аргумент, задайте значение свойства TrainingInportPort true.

Типы данных: single | double
Поддержка комплексного числа: Да

`ANG` - Направления формирования луча
`[0;0]` (по умолчанию) | вектор-столбец 2 на 1 с реальным | матрица- L 2 на байт

Направления формирования луча, заданные как действительный вектор-столбец 2 на 1 Вектор имеет вид [AzimuthAngle;ElevationAngle]. Модули указаны в степенях. Угол азимута должен лежать между -180 ° и 180 °, а угол возвышения должен лежать между -90 ° и 90 °.

Пример: [40;10]

Зависимости

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

Типы данных: double

Выходные аргументы

расширить все

`Y` - Светоформированный выход
комплексный вектор 1-by- M

Beamformed output, возвращенный как комплексный вектор 1- M, где M - количество строк входного сигнала X.

Типы данных: single | double
Поддержка комплексного числа: Да

`W` - Веса формирования луча
комплексно-значимый вектор L -by-1

Веса Beamforming, возвращенные как вектор <reservedrangesplaceholder1>-by-1 со сложным знаком, где L количество степеней свободы формирователя луча. Количество степеней свободы определяется продуктом количества элементов, заданных свойством SensorArray, и конечной импульсной характеристикой длины фильтра, заданной свойством FilterLength.

Зависимости

Чтобы включить этот выход, задайте значение свойства WeightsOutputPort true.

Типы данных: single | double
Поддержка комплексного числа: Да

Функции объекта

Чтобы использовать функцию объекта, задайте системный объект в качестве первого входного параметра. Например, чтобы освободить системные ресурсы системного объекта с именем obj, используйте следующий синтаксис:

release(obj)

расширить все

Общий для всех системных объектов

`step`	Запуск алгоритма системного объекта
`release`	Отпустите ресурсы и допустите изменения в значениях свойств системного объекта и входных характеристиках
`reset`	Сброс внутренних состояний Системного объекта

Примеры

свернуть все

Применение морозообразования к ULA

Открыть Live Script

Применить Фрост-формирование луча к 11-элементному акустическому массиву ULA. Падающий угол входящего сигнала составляет -50 степени по азимуту и 30 степени по повышению. Скорость звука в воздухе принята равной 340 м/с. Сигнал добавил гауссов белый шум.

Симулируйте сигнал.

array = phased.ULA('NumElements',11,'ElementSpacing',0.04);
array.Element.FrequencyRange = [20 20000];
fs = 8e3;
t = 0:1/fs:0.3;
x = chirp(t,0,1,500);
c = 340;
collector = phased.WidebandCollector('Sensor',array,...
    'PropagationSpeed',c,'SampleRate',fs,...
    'ModulatedInput',false,'NumSubbands',8192);
incidentAngle = [-50;30];
x = collector(x.',incidentAngle);
noise = 0.2*randn(size(x));
rx = x + noise;

Сформируйте сигнал лучом.

beamformer = phased.FrostBeamformer('SensorArray',array,...
    'PropagationSpeed',c,'SampleRate',fs,...
    'Direction',incidentAngle,'FilterLength',5);
y = beamformer(rx);

Постройте график выходного сигнала луча.

plot(t,rx(:,6),'r:',t,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.

Найти Морозообразующие Весы

Открыть Live Script

Найдите веса формирования луча Фроста, приложенные к сигналам, принятым в 7-элементном акустическом массиве ULA. Угол падения входного сигнала $- 2 0^{\circ}$ в азимуте и $3 0^{\circ}$ на повышении. Сигнал добавил гауссов белый шум. Скорость звука в воздухе принята равной 340 м/с. Используйте длину фильтра 15.

Сначала создайте сигнал.

numelements = 7;
element = phased.OmnidirectionalMicrophoneElement('FrequencyRange',[50,10000]);
array = phased.ULA('Element',element,'NumElements',numelements,'ElementSpacing',0.04);
fs = 8e3;
t = 0:1/fs:0.3;
x = chirp(t,0,1,500);
c = 340.0;
collector = phased.WidebandCollector('Sensor',array,...
    'PropagationSpeed',c,'SampleRate',fs,...
    'ModulatedInput',false,'NumSubbands',8192);
incidentAngle = [-20;30];
x = collector(x.',incidentAngle);
noise = 0.2*randn(size(x));
rx = x + noise;

Создайте формирователь луча с длиной фильтра 15. Затем формируйте пучок поступающего сигнала и получайте веса пучка.

filterlength = 15;
beamformer = phased.FrostBeamformer('SensorArray',array, ...
    'PropagationSpeed',c,'SampleRate',fs,'WeightsOutputPort',true, ...
    'Direction',incidentAngle,'FilterLength',filterlength);
[y,wt] = beamformer(rx);
size(wt)

ans = 1×2

   105     1

Существует 7 * 15 = 105 веса, вычисленные как ожидалось.

Сравните формированный лучом выход с сигналом, поступающим в средний элемент массива.

plot(1000*t,rx(:,4),'r:',1000*t,y)
xlabel('time (msec)')
ylabel('Amplitude')
legend('Middle Element','Beamformed')

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

Алгоритмы

phased.FrostBeamformer использует алгоритм формирования луча, предложенный Фростом. Это может быть рассмотрено как аналог частотного диапазона луча с минимальным отклонением без искажений (MVDR). Алгоритм делает следующее:

Управление массивом в направлении формирования луча.
Применяет конечная импульсная характеристика к выходу каждого датчика, чтобы достичь ограничения без искажений. Фильтр характерен для каждого датчика.
Этот системный объект поддерживает одинарную и двойную точность для входных данных, свойств и аргументов. Если входные данные X является одинарной точностью, выходные данные являются одинарной точностью. Если входные данные X двойная точность, выходные данные двойная точность. Точность выхода не зависит от точности свойств и других аргументов.

Для получения дополнительной информации о Фрост-формировании луча смотрите [1].

Ссылки

[1] Frost, O. «Алгоритм для линейно ограниченной обработки адаптивных массивов», труды IEEE. Том 60, № 8, август 1972, с. 926-935.

[2] Деревья фургонов, H. Optimum Array Processing. Нью-Йорк: Wiley-Interscience, 2002.

Расширенные возможности

Генерация кода C/C + +
Сгенерируйте код C и C++ с помощью Coder™ MATLAB ®

Указания и ограничения по применению:

Требует динамического выделения памяти. Смотрите ограничения для системных объектов, которые требуют динамического выделения памяти.
Смотрите Системные объекты в Генерации кода MATLAB (MATLAB Coder).
Этот системный объект поддерживает одинарную и двойную точность для входных данных, свойств и аргументов. Если входные данные X является одинарной точностью, выходные данные являются одинарной точностью. Если входные данные X двойная точность, выходные данные двойная точность. Точность выхода не зависит от точности свойств и других аргументов.

См. также

phased.PhaseShiftBeamformer | phased.SubbandPhaseShiftBeamformer | phased.TimeDelayBeamformer | phased.TimeDelayLCMVBeamformer

Введенный в R2011a

Документация

phased.FrostBeamformer

Описание

Создание

Синтаксис

Описание

Свойства

SensorArray - Матрица датчиков поэтапный. ULA выстраивают со свойствами массива по умолчанию (дефолт) | Системный объект массива Phased Array System Toolbox™

PropagationSpeed - Скорость распространения сигнала physconst('LightSpeed') (по умолчанию) | реальная положительная скалярная величина

SampleRate - Частота дискретизации сигнала 1e6 (по умолчанию) | положительная скалярная величина

FilterLength - длина конечной импульсной характеристики 2 (по умолчанию) | положительное целое число

DiagonalLoadingFactor - Диагональный коэффициент загрузки 0 (по умолчанию) | неотрицательной скаляром

TrainingInputPort - Включите вход обучающих данных 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 реальным | матрица 2 на L

Зависимости

WeightsOutputPort - Включите выход весов формирования луча false (по умолчанию) | true

Использование

Синтаксис

Описание

Входные параметры

X - Входной сигнал комплексная матрица M -by N

XT - Обучающие данные комплексная матрица M -by N

Зависимости

ANG - Направления формирования луча [0;0] (по умолчанию) | вектор-столбец 2 на 1 с реальным | матрица- L 2 на байт

Зависимости

Выходные аргументы

Y - Светоформированный выход комплексный вектор 1-by- M

W - Веса формирования луча комплексно-значимый вектор L -by-1

Зависимости

Функции объекта

Общий для всех системных объектов

Примеры

Применение морозообразования к ULA

Найти Морозообразующие Весы

Алгоритмы

Ссылки

Расширенные возможности

Генерация кода C/C + + Сгенерируйте код C и C++ с помощью Coder™ MATLAB ®

См. также

Документация по Phased Array System Toolbox

Поддержка

`SensorArray` - Матрица датчиков
поэтапный. ULA выстраивают со свойствами массива по умолчанию (дефолт) | Системный объект массива Phased Array System Toolbox™

`PropagationSpeed` - Скорость распространения сигнала
`physconst('LightSpeed')` (по умолчанию) | реальная положительная скалярная величина

`SampleRate` - Частота дискретизации сигнала
`1e6` (по умолчанию) | положительная скалярная величина

`FilterLength` - длина конечной импульсной характеристики
`2` (по умолчанию) | положительное целое число

`DiagonalLoadingFactor` - Диагональный коэффициент загрузки
`0` (по умолчанию) | неотрицательной скаляром

`TrainingInputPort` - Включите вход обучающих данных
`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 реальным | матрица 2 на L

`WeightsOutputPort` - Включите выход весов формирования луча
`false` (по умолчанию) | `true`

`X` - Входной сигнал
комплексная матрица M -by N

`XT` - Обучающие данные
комплексная матрица M -by N

`ANG` - Направления формирования луча
`[0;0]` (по умолчанию) | вектор-столбец 2 на 1 с реальным | матрица- L 2 на байт

`Y` - Светоформированный выход
комплексный вектор 1-by- M

`W` - Веса формирования луча
комплексно-значимый вектор L -by-1

Генерация кода C/C + +
Сгенерируйте код C и C++ с помощью Coder™ MATLAB ®