%% 例11.5 阵元域最大白噪声增益波束响应
clear all;
% kr=0.1:.1:8;
% Lk=length(kr);
% M=16;%阵元数为16
% m=1:1:M;%各阵元序号
% theta=2*pi/M*(m-1);%各阵元方位
% Nmax=20;
% N=-Nmax:1:Nmax;
% LN=length(N);
% thetas=(-180:180)/180*pi;%观察方向
% Lt=length(thetas);
% for q=1:Lk
% for p=1:Lt
% P1=0;
% P2=0;
% for n=1:LN
% Pn_open=Cn_open(N(n),kr(q))*exp(-1i*N(n)*thetas(p));
% Pn_baff=Cn_baff(N(n),kr(q))*exp(-1i*N(n)*thetas(p));
% P1=Pn_open*exp(1i*N(n)*theta)+P1;
% P2=Pn_baff*exp(1i*N(n)*theta)+P2;
% end
% p_open(p,:)=P1;
% p_baff(p,:)=P2;
% end
% p_ref_baff=p_baff((Lt-1)/2+1,:);
% p_ref_open=p_open((Lt-1)/2+1,:);
% for u=1:Lt
% B_open(u,q)=conj(p_open(u,:)/(p_open(u,:)*(p_open(u,:)')))*(p_ref_open.');
% B_baff(u,q)=conj(p_baff(u,:)/(p_baff(u,:)*(p_baff(u,:)')))*(p_ref_baff.');
% G_open(u,q)=p_open(u,:)*(p_open(u,:)');
% G_baff(u,q)=p_baff(u,:)*(p_baff(u,:)');
% end
% end
% figure;
% [THETA,Z]=meshgrid(thetas,kr);
% [X,Y,Z]=pol2cart(THETA,abs(B_open).',Z);
% mesh(X,Y,Z);zlabel('kr');title('open')
% figure;
% [THETA,Z]=meshgrid(thetas,kr);
% [X,Y,Z]=pol2cart(THETA,abs(B_baff).',Z);
% mesh(X,Y,Z);zlabel('kr');title('baff')
% figure;
% imagesc(kr,thetas*180/pi,20*log10(abs(B_open)));
% xlabel('kr');ylabel('θ/°');title('open');
% figure;
% imagesc(kr,theta*180/pi,20*log10(abs(B_baff)));
% xlabel('kr');ylabel('θ/°');title('baff');
% figure;
% plot(kr,10*log10(G_open(180,:)),'--');hold on;
% plot(kr,10*log10(G_baff(180,:)))
% grid on
% axis([0.1 8 10 15.2]);
% xlabel('kr');ylabel('10logG');legend('open','baff');
%% 圆谐波域波束形成
%% 相位模式波束形成
Nmax=100;
N=-Nmax:Nmax;
Ln=2*Nmax+1;
kr=40:70;
Lk=length(kr);
thetas=(-180:180)/180*pi;
Lt=length(thetas);
theta=-90*pi/180;
for p=1:Lk
for q=1:Lt
for u=1:Ln
W0_open(u)=1/Ln*exp(-1i*N(u)*thetas(q))/conj(Cn_open(N(u),kr(p)));
P_ref_open(u)=Cn_open(N(u),kr(p))*exp(-1i*N(u)*theta);
W0_baff(u)=1/Ln*exp(-1i*N(u)*thetas(q))/conj(Cn_baff(N(u),kr(p)));
P_ref_baff(u)=Cn_open(N(u),kr(p))*exp(-1i*N(u)*theta);
end
W_open(q,:)=W0_open;
W_baff(q,:)=W0_baff;
end
B_open(p,:)=P_ref_open*(W_open');
B_baff(p,:)=P_ref_baff*(W_baff');
end
% figure;
% imagesc(theta,kr,20*log10(abs(B_open)));
% xlabel('theta/°');ylabel('kr');title('N=15,open');
% figure;
% imagesc(theta,kr,20*log10(abs(B_baff)));
% xlabel('theta/°');ylabel('kr');title('N=15,baff');
figure;
[THETA,Z]=meshgrid(thetas,kr);
[X,Y,Z]=pol2cart(THETA,abs(B_baff),Z);
mesh(X,Y,Z);zlabel('kr');title('baff')
figure;
[THETA,Z]=meshgrid(thetas,kr);
[X,Y,Z]=pol2cart(THETA,abs(B_open),Z);
mesh(X,Y,Z);zlabel('kr');title('open')
%% 例11.7白噪声增益
% M=16;
% Nmax=[1:7];%用50代替无穷
% thetas=0*pi/180;
% kr=0.1:0.1:7;
% Lk=length(kr);
% for p=1:length(Nmax)
% N=-Nmax(p):Nmax(p);
% Ln=2*Nmax(p)+1;
% for q=1:Lk
% for n=1:Ln
% W_open(n)=1/Ln*exp(-1i*N(n)*thetas)/conj(Cn_open(N(n),kr(q)));
% W_baff(n)=1/Ln*exp(-1i*N(n)*thetas)/conj(Cn_baff(N(n),kr(q)));
% end
% G_open(p,q)=M/(W_open*(W_open'));
% G_baff(p,q)=M/(W_baff*(W_baff'));
% end
% end
% figure;
% plot(kr,10*log10(G_open(1,:)),kr,10*log10(G_open(2,:)),kr,10*log10(G_open(3,:)),...
% kr,10*log10(G_open(4,:)),kr,10*log10(G_open(5,:)),kr,10*log10(G_open(6,:)),...
% kr,10*log10(G_open(7,:)),kr,10*log10(M)*ones(1,Lk),'--')
% axis([1 7 -80 20])
% legend('N=1','N=2','N=3','N=4','N=5','N=6','N=7','Gmax');
% xlabel('kr');ylabel('10logG');title('open');
% figure;
% plot(kr,10*log10(G_baff(1,:)),kr,10*log10(G_baff(2,:)),kr,10*log10(G_baff(3,:)),...
% kr,10*log10(G_baff(4,:)),kr,10*log10(G_baff(5,:)),kr,10*log10(G_baff(6,:)),...
% kr,10*log10(G_baff(7,:)),kr,10*log10(M)*ones(1,Lk),'--')
% axis([1 7 -80 20])
% legend('N=1','N=2','N=3','N=4','N=5','N=6','N=7','Gmax');
% xlabel('kr');ylabel('10logG');title('baff');
%% 圆模态域时延求和波束形成
M=16;
Nmax=[1:10 50];
theta0=0*pi/180;
kr=.1:.1:10;
Lk=length(kr);
thetas=(-180:180)*pi/180;
Lt=length(thetas);
for p=1:length(Nmax)
N=-Nmax(p):Nmax(p);
Ln=2*Nmax(p)+1;
for q=1:Lk
for u=1:Lt
B0_open=0;
B0_baff=0;
for n=1:Ln
B0=abs(Cn_open(N(n),kr(q))).^2*exp(-1i*N(n)*(thetas(u)-theta0));
B1=abs(Cn_baff(N(n),kr(q))).^2*exp(-1i*N(n)*(thetas(u)-theta0));
B0_open=B0_open+B0;
B0_baff=B0_baff+B1;
end
B_open(u,q)=B0_open;
B_baff(u,q)=B0_baff;
end
end
BS_open(:,:,p)=B_open;
BS_baff(:,:,p)=B_baff;
end
figure;
subplot(3,2,1);
imagesc(kr,thetas*180/pi,20*log10(abs(BS_open(:,:,1))));
xlabel('kr');ylabel('theta/°');title('N=1,open');
subplot(3,2,2);
imagesc(kr,thetas*180/pi,20*log10(abs(BS_open(:,:,3))));
xlabel('kr');ylabel('theta/°');title('N=3,open');
subplot(3,2,3);
imagesc(kr,thetas*180/pi,20*log10(abs(BS_open(:,:,5))));
xlabel('kr');ylabel('theta/°');title('N=5,open');
subplot(3,2,4);
imagesc(kr,thetas*180/pi,20*log10(abs(BS_open(:,:,7))));
xlabel('kr');ylabel('theta/°');title('N=7,open');
subplot(3,2,5);
imagesc(kr,thetas*180/pi,20*log10(abs(BS_open(:,:,10))));
figure;
subplot(3,2,1);
imagesc(kr,thetas*180/pi,20*log10(abs(BS_baff(:,:,1))));
xlabel('kr');ylabel('theta/°');title('N=1,baff');
subplot(3,2,2);
imagesc(kr,thetas*180/pi,20*log10(abs(BS_baff(:,:,3))));
xlabel('kr');ylabel('theta/°');title('N=3,baff');
subplot(3,2,3);
imagesc(kr,thetas*180/pi,20*log10(abs(BS_baff(:,:,5))));
xlabel('kr');ylabel('theta/°');title('N=5,baff');
subplot(3,2,4);
imagesc(kr,thetas*180/pi,20*log10(abs(BS_baff(:,:,7))));
xlabel('kr');ylabel('theta/°');title('N=7,baff');
subplot(3,2,5);
imagesc(kr,thetas*180/pi,20*log10(abs(BS_baff(:,:,10))));
xlabel('kr');ylabel('theta/°');title('N=10,baff');
subplot(3,2,6);
imagesc(kr,thetas*180/pi,20*log10(abs(BS_baff(:,:,11))));
xlabel('kr');ylabel('theta/°');title('N=∞,baff');
figure;
[THETA,Z]=meshgrid(thetas,kr);
[X,Y,Z]=pol2cart(THETA,abs(BS_open(:,:,10)).',Z);
mesh(X,Y,Z);zlabel('kr');title('open K=10')
axis([-1 1 -1 1 0 10])
figure;
[THETA,Z]=meshgrid(thetas,kr);
[X,Y,Z]=pol2cart(THETA,abs(BS_baff(:,:,10)).',Z);
mesh(X,Y,Z);zlabel('kr');title('baff K=10')
axis([-2 2 -2 2 0 10])
figure;
polarplot(thetas,abs(BS_open(:,70,1)).')
hold on;polarplot(thetas,abs(BS_open(:,70,3)).')
hold on;polarplot(thetas,abs(BS_open(:,70,5)).');
hold on;polarplot(thetas,abs(BS_open(:,70,7)).');
hold on;polarplot(thetas,abs(BS_open(:,70,10)).');
hold on;polarplot(thetas,abs(BS_open(:,70,11)).');
rlim([0 1]);
圆模态波束形成Matlab仿真程序
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更新于2024-06-25
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圆模态波束形成是信号处理领域中的一个重要概念,特别是在阵列信号处理中,它用于提升天线阵列的方向分辨率和抑制干扰。本程序集是针对优化阵列信号处理下册——模态处理与方位估计第11章的实例进行的Matlab仿真,覆盖了从例1到例10的各种应用场景。
1. **圆模态波束形成基础**
圆模态波束形成是一种基于圆形或球形阵列的信号处理技术。它利用阵列元素的空间分布和不同角度入射信号的相位差来合成定向的波束。相比于传统的线性阵列,圆阵列能够提供全方位的覆盖,并且在水平和垂直方向上具有良好的波束特性。
2. **Matlab仿真环境**
Matlab作为强大的数值计算和可视化工具,是进行信号处理仿真的首选平台。它提供了丰富的信号处理和数组操作函数,使得实现复杂的波束形成算法变得相对简单。在这个程序集中,我们可以期待看到如何使用Matlab的函数库来构建和优化圆模态波束形成器。
3. **例1-10的解析**
- **例1** 可能是介绍基本的圆阵列结构和信号模型,包括阵元位置的定义以及理想的波束形状。
- **例2-4** 可能涉及不同的波束形成算法,如MVDR(最小均方误差)波束形成、DFT(离散傅立叶变换)波束形成和MV(最大似然比)波束形成,通过比较它们的性能。
- **例5-7** 可能会涵盖噪声抑制和干扰抵消技术,演示如何利用圆模态波束形成改善信噪比。
- **例8-9** 可能探讨阵列配置对波束形成性能的影响,例如增加或减少阵列元素数量的效果。
- **例10** 可能是一个综合应用,可能涉及到多目标跟踪或自适应波束形成,展示如何在动态环境中优化波束形成器。
4. **关键算法**
在这些仿真程序中,可能会用到以下关键技术:
- **权值计算**:根据信号和噪声功率谱密度计算最佳权值向量,以形成指向特定方向的波束。
- **模态分析**:将信号分解为一系列模态分量,每个模态对应一个特定的辐射模式。
- **自适应滤波**:使用LMS(最小均方误差)或RMS(均方根)等算法实时调整权值,以跟踪环境变化。
5. **学习与应用**
通过研究这些Matlab仿真,学习者可以深入理解圆模态波束形成的理论与实践,包括阵列处理的基本原理、波束形成算法的实现细节,以及如何评估和优化波束形成性能。这些知识对于无线通信、雷达系统、声纳等领域都有重要的应用价值。
6. **代码结构与调试**
每个示例可能包含数据生成、算法实现、结果可视化等部分。理解代码结构和调试技巧对于复现和扩展这些示例至关重要。学习者应学会如何读取和理解代码中的变量意义、函数调用和控制流程。
这个Matlab仿真程序集是学习和实践圆模态波束形成技术的理想资源,它提供了丰富的实例和详细的实现,有助于加深对这一复杂领域的理解。通过深入研究和实践,工程师和学者可以更好地掌握信号处理的核心概念,并将其应用于实际的信号检测和定位任务中。
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