SAR学习笔记后续-phased工具箱介绍

摘要：相控阵雷达介绍，基于仿真对MATLAB中phased工具箱进行了详细介绍

【杨（_> <_)】

9913人浏览 · 2022-03-06 21:28:21

【杨（_> <_)】 · 2022-03-06 21:28:21 发布

摘要

《SAR学习笔记-代码部分》主要介绍了目标检测、一维距离像、二维距离像以及SAR成像的RDA算法等编程实现过程。这篇论文承接上篇内容，主要介绍MATLAB中phased工具箱。

文章目录

前言

文章首先简要介绍相控阵雷达的发展历程以及对应雷达之间的区别。然后针对无源相控阵雷达系统，分析MATLAB中phased工具箱的仿真实现。最后对phased工具箱做一个说明性的介绍。

一、相控阵雷达系统

从机械扫描到电子扫描，雷达实现了跨越式发展。电子扫描雷达即相控阵雷达，技术已经相当成熟，从无源相控阵雷达，到有源相控阵雷达，再到数字阵列雷达，雷达探测能够在各种复杂环境实现相应的功能。

上图是传统雷达结构图，可以看出，雷达天线固定，对应天线方向图固定，方向图的扫描只能通过雷达机械旋转实现。

无源相控阵雷达根据特定方位信号到达不同阵元的时延不同，根据天线阵列的几何关系，对不同阵元接收的信号延迟对应的时延，通过对时延后的信号进行相干累加，从而实现天线阵列对特定方向信号的空域滤波。考虑信号是窄波束，信号的时延对应于原始信号附加了一个与时延和载波波长有关的相位，由此可以通过信号的相移实现信号的时移。与传统机械雷达相比，无源相控阵雷达最大特点是为每个阵元分配了独立的移相器，通过阵元的相移实现波束的扫描。

与无源相控阵雷达相比，有源相控阵雷达每个阵元都分配了独立的T/R组件，每个T/R组件实现对应阵元的相移外，还能调整对应的功率输出，使得最终波束形成的性能更佳。

数字阵列雷达将数字波束形成应用其中，使得固态集成电路的占比、雷达的扫描频率、扫描范围以及抗干扰性等得到进一步提升

二、相控阵雷达系统仿真流程

这节内容结合上节关于相控阵雷达系统结构的介绍，对《SAR学习笔记-代码部分》中关于波束形成代码实现过程中所用到的MATLAB中phased工具箱函数进行介绍。

2.1 回波信号生成

上图展示了相控阵雷达系统仿真结构图，以及phased工具箱函数（图示中的函数名称省略了“phased.”前缀)在雷达系统仿真中的位置。下面结合回波信号生成过程介绍对应函数。

1、波形产生

waveform = phased.LinearFMWaveform;
waveform.PRF = 1000;
waveform.PulseWidth = 1e-4;
wf = step(waveform);

通过LinearFMWaveform函数生成结构体(包含数据以及功能模块，以下的结构体等同）waveform，结构体waveform构建了线性调频信号模型。通过对结构体waveform下的参数（如脉冲重复频率：PRF，脉宽：PlulesWidth等）赋值，实现对线性调频率波形相关参数的初始化。通过step函数实现对应参数下线性调频离散信号wf（信号维度： $N\times 1$ ，N为快时间离散点数）的生成。

2、发射机（功率放大器）

TX = phased.Transmitter;
TX.Gain = 20;
s0 = step(TX, wf);

通过Transmitter函数生成结构体TX，结构体TX构建了发射机模型。对结构体TX下的参数（如增益：Gain等）赋值，然后通过step函数得到发射机输出信号s0（信号维度： $N\times 1$ ，N为快时间离散点数）。

3、发射阵列（电磁波辐射，能量形式转换）

3.1 天线阵列

antenna = phased.ULA;
antenna.NumElements = 16;
antenna.ElementSpacing = 0.3*lambda;
cosineElement = phased.CosineAntennaElement;
antenna.Element = cosineElement;

通过ULA函数生成结构体antenna，结构体antenna构建了均匀线阵列天线模型。对结构体antenna下的参数（如阵元数量：NumElements，阵元间距：ElementSpacing以及阵元激励：Element等）赋值，设计对应的天线阵列模型。

3.2 目标空间模型

PlatformModel = phased.Platform;
PlatformModel.InitialPosition = tgtpos;
PlatformModel.Velocity = tgtvel;
[tgtPos, tgtVel] = step(PlatformModel,1/prf);
[tgtRng, tgtAng] = rangeangle(tgtPos, radarPos);

通过Platform函数生成结构体PlatformModel，结构体PlatformModel构建了目标运动模型。对结构体PlatformModel参数（如初始位置：InitialPosition，速度：Velocity等）赋值，通过step函数得到目标实时的位置信息，再通过函数rangeangle得到目标实时的方位信息tgtAng。

3.3 信号辐射

txArray = phased.Radiator;
txArray.Sensor = antenna;
txArray.OperatingFrequency = fc;
s1 = step(txArray,s0, tgtAng);

通过Radiator函数生成结构体txArray，结构体txArray构建了电磁波辐射模型。对结构体txArray下的参数（如传感器模型：Sensor，处理频率：OperatingFrequency等）赋值。通过step函数实现辐射信号s1（信号维度： $N\times 1$ ，N为快时间离散点数）的生成。

4、信道影响

4.1 环境影响

ChannelModel = phased.FreeSpace;
ChannelModel.TwoWayPropagation = true;
s2 = step(ChannelModel, s1, radarPos, tgtPos, radarVel, tgtVel);

通过FreeSpace函数生成结构体txArray，结构体txArray构建了理想的信号传播模型，没有考虑大气等因素对电磁波传播的影响。结构体txArray下的参数TwoWayPropagation表示传播模型是否考虑往返路径传播。最后利用结构体txArray，通过step函数实现未考虑目标散射特性下回波信号s2（信号维度： $N\times 1$ ，N为快时间离散点数）的生成。

4.2 目标散射

TgtModel = phased.RadarTarget;
s3 = step(TgtModel, s2);

通过RadarTarget函数生成结构体TgtModel，结构体tTgtModel构建了目标对电磁波的散射模型。通过step函数实现考虑目标散射特性下回波信号s3（信号维度： $N\times 1$ ，N为快时间离散点数）的生成。

5、接收阵列（能量形式转换）

rxArray = phased.Collector;
rxArray.Sensor = antenna;
rxArray.OperatingFrequency = fc;
s4 = step(rxArray,s3,tgtAng);

通过Radiator函数生成结构体rxArray，结构体rxArray构建了天线接收电磁波信号的模型。对结构体rxArray下的参数（如传感器模型：Sensor，处理频率：OperatingFrequency等）赋值。通过step函数实现经过回波信号s4（信号维度： $N\times M$ ，N为快时间离散点数，M为阵元个数/通道数）的生成。

6、接收机（LNA）

rxPreamp = phased.ReceiverPreamp;
rxPreamp.Gain = 10;
rxPreamp.NoiseFigure = 5;
s5 = step(rxPreamp,s4);

通过ReceiverPreamp函数生成结构体rxPreamp，结构体rxPreamp构建了接收机模型。对结构体rxPreamp下的参数（如增益：Gain，噪声等效温度：NoiseFigure等）赋值，然后通过step函数得到最终回波信号s5（信号维度： $N\times M$ ，N为快时间离散点数，M为阵元个数/通道数）。

2.2 信号处理

data(:,:,ii) = s5(:,:);

通过上述模型， $M$ 通道信号，每个通道 $L$ 个脉冲，每个脉冲 $N$ 个采样点数，信号data （信号维度： $N\times M\times L$ ）。下面对接收的信号进行信号处理，得到目标的速度、距离、方位信息。

1、距离多普勒图像

1.1 匹配滤波器生成

b = getMatchedFilter(waveform);

调用getMatchedFilter函数，根据波形waveform设计得到对应的匹配滤波器b。

1.2 信号波束形成

beamformer = phased.PhaseShiftBeamformer;
beamformer.SensorArray = antenna;
beamformer.DirectionSource = 'Input port';
beamformer.WeightsOutputPort = true;
beamformer.WeightsNormalization = 'Preserve power';

调用PhaseShiftBeamformer函数生成结构体beamformer，对结构体beamformer下的参数（如传感器模型：SensorArray）赋值，形成相应的波束形成器beamformer。

beamformed=complex(zeros(nSamples,nPulses));
for ii=1:nPulses
    beamformed(:,ii)=beamformer(data(:,:,ii),tgtAngcopy(:,ii));
end

调用beamformer，对不同脉冲信号进行波束形成，得到信号beamformed（信号维度： $N\times L$ ，N为离散时间点数，L为脉冲数量）。

1.3 距离多普勒响应

rangeDoppler=phased.RangeDopplerResponse('PropagationSpeed',physconst('LightSpeed'),...
    'SampleRate',waveform.SampleRate,...
    'DopplerFFTLengthSource','Property',...
    'DopplerFFTLength',512, ...
    'DopplerWindow','Kaiser',...
    'DopplerSidelobeAttenuation',30,...
    'DopplerOutput','Speed', ...
    'OperatingFrequency',fc);
[Rv,range,vecter] = rangeDoppler(beamformed,b);

通过RangeDopplerResponse函数生成结构体rangeDoppler，结构体rangeDoppler构建了距离多普勒响应的求解模型。调用结构体rangeDoppler，用匹配滤波器b对波束形成/空域滤波后的信号beamformed进行距离多普勒响应处理，得到响应矩阵Rv （信号维度： $N\times 512$ ，N为快时间离散点数，512为多普勒维FFT点数）。

2、方位多普勒图像

2.1 目标距离估计

matchedfilter = phased.MatchedFilter(...
    'Coefficients',b,...
    'SpectrumWindow','Hamming');

调用MatchedFilter函数，利用匹配滤波器b构建匹配滤波模型matchedfilter。

matchFiltered = step(matchedfilter,beamformed);

该模型对波束形成后的信号beamformed进行匹配滤波器处理后，还用hanmming窗进行了平滑处理，得到距离维脉压后的数据矩阵matchedfilter （信号维度： $N\times L$ ，N为离散时间点数，L为脉冲数量）。

[m,ind] = max(abs(matchFiltered(:,nPulses/2)));

选择中间位置脉压峰值位置为目标距离ind。

2.2 原始信号脉冲压缩

matched = complex(zeros(nSamples,nPulses,antenna.NumElements));
for ii=1:antenna.NumElements
    for jj=1:nPulses
        matched(:,jj,ii) = filter(b,1,data(:,ii,jj));
    end
end

利用匹配滤波器对数据data（信号维度： $N\times M\times L$ ）对快时间维进行脉压得到脉冲压缩信号矩阵matched （信号维度： $N\times M\times L$ ）。

dd = squeeze(matched(ind,:,:)).';

选择目标距离处的信号分析目标的方位多普勒信息。

2.3 方位多普勒相应

angleDopplerResp = phased.AngleDopplerResponse('SensorArray',antenna,...
    'OperatingFrequency',3e8, ...
    'PropagationSpeed',physconst('LightSpeed'),...
    'PRF',prf, 'ElevationAngle',tgel,...
    'NumAngleSamples',512,'NumDopplerSamples',512);
[AnDo,angle,dop] = angleDopplerResp(dd);

通过AngleDopplerResponse函数生成结构体angleDopplerResp，结构体angleDopplerResp构建了方位多普勒响应的求解模型。调用结构体angleDopplerResp对信号dd进行方位多普勒响应处理，得到响应矩阵AnDo （信号维度： $512\times 512$ ）。

三、phased工具箱介绍

上述基于相控阵雷达应用场景介绍了所用到的phased工具箱的几个函数，场景较为简单，也比较理想，对于更加复杂的环境，phased工具箱也有其他函数可以调用。phased工具箱主要分为以下几个模块：

阵列分析Array Analysis；
阵列天线元素Array Antenna Elements；
阵列设计Array Design；
麦克风阵列的元素Array Acoustic Elements；
波束形成器Beamformers；
杂波模型Clutter Models；
坐标系统和运动建模Coordinate System and Motion Modeling；
检测Detection；
到达方向(DOA)Direction of Arrival (DOA)；
环境模型Environment Models；
干扰机模型Jammer Models；
极化Polarization；
雷达分析Radar Analysis；
接收器模型Receiver Models；
时空自适应处理Space-Time Adaptive Processing (STAP)；
目标模型Target Models；
发射机模型Transmitter Models；
实用工具Transmitter Models；
波形Waveforms；
应用程序Apps。

下面结合MATLAB的帮助文档进行简要介绍：

阵列分析：

az2broadside 将方位角转换为宽边角

broadside2az将宽边角转换为方位角

phased.ArrayGain传感器阵列增益

phased.ArrayResponse 传感器阵列的响应

phased.ElementDelay 传感器阵列元件延迟估计器

phased.SteeringVector 传感器阵列导向矢量

pilotcalib 使用导频源进行阵列校准

steervec 传感器阵列导向矢量

阵列天线元素：

aperture2gain 将有效孔径转换为增益

gain2aperture 将增益转换为有效孔径

phased.CosineAntennaElement 余弦天线 phased.CrossedDipoleAntennaElement 交叉偶极子天线

phased.CustomAntennaElement 定制天线

phased.IsotropicAntennaElement 各向同性天线

phased.ShortDipoleAntennaElement 短偶极子天线

阵列设计：

phased.ConformalArray 共形阵列

phased.HeterogeneousConformalArray 异构的共形阵列

phased.HeterogeneousULA 非均匀线性阵列

phased.HeterogeneousURA 非均匀矩形阵列

phased.PartitionedArray 相控阵划分为子阵

phased.ReplicatedSubarray 由复制子阵构成的相控阵

phased.UCA 均匀圆阵列

phased.ULA 均匀线性阵列

phased.URA 均匀的矩形阵列

麦克风阵列的元素：

phased.CustomMicrophoneElement 定制的麦克风

phased.OmnidirectionalMicrophoneElement 全向麦克风

波束形成：

cbfweights 窄带常规波束形成权值

lcmvweights 窄带LCMV波束形成权值

mvdrweights 窄带MVDR波束形成权值

phased.FrostBeamformer Frost波束形成器

phased.LCMVBeamformer 窄带LCMV波束形成器

phased.MVDRBeamformer 窄带MVDR 波束形成器

phased.PhaseShiftBeamformer 窄带相移波束形成器

phased.SubbandMVDRBeamformer 次能带MVDR 波束形成器

phased.SubbandPhaseShiftBeamformer 子带相移波束形成器

phased.TimeDelayBeamformer 时间延迟波束形成器

phased.TimeDelayLCMVBeamformer 延时LCMV波束形成器

杂波模型：

billingsleyicm 比林斯利固有杂波运动(ICM)模型

depressionang 水面目标俯角

effearthradius 有效地球半径

grazingang 地面目标掠射角

horizonrange 视野范围内

phased.ConstantGammaClutter 恒伽马杂波模拟

phased.gpu.ConstantGammaClutter 基于GPU的恒伽马杂波模拟

surfacegamma 不同地形的伽马值

surfclutterrcs 地面杂波雷达截面

坐标系统和运动建模：

dop2speed 将多普勒频移转换为速度

global2localcoord 全局到局部坐标的转换

local2globalcoord 局部到全局坐标的转换

phased.Platform 运动平台

phased.ScenarioViewer 可视化平台的轨迹

radialspeed 相对径向速度

rangeangle 距离和角度计算

speed2dop 将速度转换为多普勒频移

检测：

albersheim Albersheim方程

npwgnthresh 高斯白噪声的信噪比检测门限

phased.CFARDetector 恒虚警率(CFAR)检测器

phased.MatchedFilter 匹配滤波器

phased.RangeDopplerResponse Range-Doppler响应

phased.StretchProcessor 线性调频波形拉伸处理器

phased.TimeVaryingGain 时变增益控制

pulsint 脉冲集成

rocpfa Pfa变化时接收机工作特性曲线

rocsnr 变信噪比下接收机工作特性曲线

shnidman Shnidman方程

stretchfreq2rng 将频率偏移从拉伸处理转换为量程

到达方向(DOA)：

espritdoa 到达方向(DOA)

gccphat GCC-PHAT延迟估计

phased.BeamscanEstimator ULA的波束扫描空间谱估计器

phased.BeamscanEstimator2D 二维波束扫描空间谱估计器

phased.BeamspaceESPRITEstimator 波束空间ESPRIT到达方向(DOA)估计器

phased.ESPRITEstimator ESPRIT到达方向(DOA)估计器 -

phased.GCCEstimator GCC到达方向(DOA)估计器

phased.MVDREstimator ULA的MVDR空间谱估计器

phased.MVDREstimator2D 二维MVDR空间谱估计器

phased.RootMUSICEstimator 根MUSIC到达方向(DOA)估计器

phased.RootWSFEstimator 根WSF到达方向(DOA)估计器

phased.SumDifferenceMonopulseTracker ULA的和和差单脉冲

phased.SumDifferenceMonopulseTracker2D 和和差单脉冲为市建局

rootmusicdoa music到达方向(DOA)

spsmooth 协方差矩阵的空间平滑

环境模型：

fspl 自由空间路径损失

fogpl 因雾和云导致航路丢失

gaspl 由于大气气体吸收造成的路径损失

phased.FreeSpace 自由空间环境

phased.LOSChannel 视线传播通道

phased.TwoRayChannel 双线多径传播信道

phased.WidebandFreeSpace 宽频带自由空间环境

phased.WidebandLOSChannel 宽带视距传播信道

rainpl 因雨导致路径丢失

干扰机模型：

phased.BarrageJammer 阻塞干扰机

极化：

circpol2pol 圆到线偏振表示转换

pol2circpol 线性到圆极化表示转换

polellip 极化椭圆

polloss 极化损失

polratio 极化率

polsignature 极化的签名

stokes 斯托克斯参数

雷达分析：

blakechart 布雷克雷达海图

radareqpow 雷达方程估计功率

radareqrng 雷达方程估计距离

radareqsnr 估计信噪比的雷达方程

radarvcd 雷达垂直覆盖图

接收器模型：

noisepow 接收机噪声功率

phased.Collector 窄带信号收集器

phased.ReceiverPreamp 接收机前置放大器

phased.WidebandCollector 宽带信号收集器

sensorcov 接收信号的协方差矩阵

sensorsig 传感器阵列收到信号

systemp 系统噪声温度

时空自适应处理：

dopsteeringvec 多普勒转向矢量

phased.ADPCACanceller 自适应DPCA (ADPCA)脉冲抵消器

phased.AngleDopplerResponse Angle-Doppler响应

phased.DPCACanceller 位移相位中心阵列(DPCA)脉冲抵消器

phased.STAPSMIBeamformer 样本矩阵反演(SMI) STAP波束形成器

目标模型：

phased.RadarTarget 雷达目标

phased.BackscatterRadarTarget 后向散射点雷达目标

发射机模型：

phased.Radiator 窄带信号散热器

phased.Transmitter 发射机

phased.WidebandRadiator 宽带信号散热器

实用工具：

aictest 赤池信息判据检验

azelaxes 给定方位角和仰角方向的轴

azel2phitheta 将角度从az/el格式转换为phi/theta格式

azel2phithetapat 转换模式从az/el到phi/ θ格式

azel2uv 转换角度从az/el格式到u/v格式

azel2uvpat 转换模式从az/el到u/v格式

cart2sphvec 将矢量从笛卡尔表示转换为球面表示

delayseq 延迟或提前时间序列

mdltest 最小描述长度试验

phased.IntensityScope 显示滚动的强度向量或数组

physconst 自然现象的物理常数

phitheta2azel 将角度从phi/theta格式转换为az/el格式

phitheta2azelpat 转换模式从phi/theta到az/el格式

phitheta2uv 将角度从/格式转换为u/v格式

phitheta2uvpat 转换模式从phi/theta到u/v格式

range2bw 将范围分辨率转换为所需的带宽

range2time 将传播距离转换为传播时间

rotx 绕x轴旋转矩阵

roty 绕y轴旋转矩阵

rotz 绕z轴旋转矩阵

sph2cartvec 将矢量从球面转换为笛卡尔表示

time2range 将传播时间转换为传播距离

unigrid 产生均匀的网格

uv2azel 转换角度从u/v格式到az/el格式

uv2azelpat 转换模式从u/v到az/el格式

uv2phitheta 将角度从u/v格式转换为/格式

uv2phithetapat 转换模式从u/v到phi/ θ格式

val2ind 将网格值转换为网格索引

波形：

ambgfun 模糊度函数

beat2range 转换拍频到范围

dechirp Dechirp FMCW信号

phased.FMCWWaveform FMCW波形

phased.LinearFMWaveform 线性调频脉冲波形

phased.MFSKWaveform MFSK波形

phased.PhaseCodedWaveform 相脉冲波形

phased.RectangularWaveform 矩形脉冲波形

phased.SteppedFMWaveform 步进调频脉冲波形

range2beat 转换范围到拍频

rdcoupling 距离多普勒耦合

应用程序：

radarWaveformAnalyzer 分析脉冲、调频和相位编码波形的性能特性

radarEquationCalculator 估计雷达系统的最大距离、峰值功率和信噪比

sensorArrayAnalyzer 分析线性、平面和共形传感器阵列的波束图

Examples 相控阵系统工具箱的例子

Simulink library 开放相控阵系统工具箱Simulink库

开放原子开发者工作坊

开放原子开发者工作坊旨在鼓励更多人参与开源活动，与志同道合的开发者们相互交流开发经验、分享开发心得、获取前沿技术趋势。工作坊有多种形式的开发者活动，如meetup、训练营等，主打技术交流，干货满满，真诚地邀请各位开发者共同参与！

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