SAR学习笔记后续-phased工具箱介绍

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

目录

前言

一、相控阵雷达系统

二、相控阵雷达系统仿真流程

2.1 回波信号生成

1、波形产生

2、发射机（功率放大器）

3、发射阵列（电磁波辐射，能量形式转换）

4、信道影响

5、 接收阵列（能量形式转换）

6、接收机（LNA）

2.2 信号处理

1、距离多普勒图像

2、 方位多普勒图像

三、phased工具箱介绍

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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，通道信号，每个通道个脉冲，每个脉冲个采样点数，信号data （信号维度：）。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：）对快时间维进行脉压得到脉冲压缩信号矩阵matched （信号维度：）。

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：）。

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