基于Matlab GUI“阵列处理技术”教学仿真系统开发

2011-03-21袁骏

电气电子教学学报 2011年3期

袁骏

（海军工程大学电子工程学院，湖北武汉 430033）

“阵列处理技术”课程是我校针对电子工程专业高年级本科生开设的一门专业基础课。课程经过近几年的教学改革，逐步引入了网络答疑室和FTP教学资源等教学方式。但由于课程涉及大量的数学公式和抽象的概念，且结论不直观，学生理解困难。

Matlab具有强大的绘图和计算功能，特别是采用GUI（图形用户界面）编程方式，可以制作能反复使用、操作简单且效果形象的仿真系统。我们结合课程的重要知识点，基于Matlab GUI配套开发了“阵列处理技术”课程仿真系统辅助理论授课。同时可为学生提供课后实验平台，提高理论教学和实践教学的效率，进一步深化课程的教学改革。

1 课程知识结构

阵列处理技术是信号处理的一个重要分支，已经广泛应用于雷达、声纳和通信等领域［1］。本课程教学内容主要包含阵列基本理论、阵列信号模型、波束图参数、波束图合成和目标参数估计共五章，如图1所示。前两章是阵列信号处理的理论基础，后三章分别针对阵列处理的性能和方法进行分析讨论。

图1 课程知识结构

课程主要讲述了阵列信号处理的基本概念和假设条件，阵列的信号模型；重点分析研究了线阵（离散均匀线列阵、连续直线阵）的波束图函数及其参数；研究了常用的窗函数法（矩形窗、海明窗等）、给定旁瓣下最小波束宽度法（Chebychev法）两种波束图合成方法；研究了目标方位估计算法性能。除此之外，课程还研究了平面阵（离散均匀圆阵、离散矩形阵、矩形板连续阵）的波束图函数以及立体阵（圆柱体、球壳）的波束图函数。

2 教学仿真系统

1）内容选取与安排

学好本课程的关键就是掌握转换传统单阵元信号处理的思想，尽快理解多阵元情况下的阵列信号模型［2］。在仿真系统内容的选取上，我们应当重点突出该知识点以及相关内容。主要包括：①阵列结构与空域采样定理；②阵列参数与静态指向性；③阵列配置与阵列模糊；④波束图性能参数分析。针对以上内容，我们设计了波束图分析仿真界面。

我们围绕目前阵列处理的两大研究方向：波束形成和空间谱估计，分别设计两个仿真界面。波束图合成仿真界面描绘了常用的窗函数加权方法下的波束图性能，并分别与常规波束形成结果进行了对比。目标参数估计仿真界面描绘了经典的Capon波束形成和MUSIC两种方位估计方法的性能［3，4］。

2）Matlab GUI应用开发

图形用户界面（GUI）程序可以为系统的仿真提供极大的便利。“阵列处理技术”教学仿真系统采用了用户与程序通过界面进行交互的模式，根据用户的输入，及时准确地向用户呈现结果以供学习，并可重复使用。整个系统由“阵列选择”主界面和仿真演示子界面组成。其中，“阵列选择”主界面完成阵型的选择；仿真演示子界面包含波束图分析、波束图合成和目标参数估计三个界面。仿真系统结构如图2所示。系统的操作主要通过按键和滑动条完成，仿真结果能够实时动态地进行显示，参数对结果的影响一目了然。

仿真系统的部分界面如图3所示。仿真系统的界面布局统一设置为：左上侧是阵列参数设置区，同时设置两个按键完成基本的性能参数计算和单次显示功能；左下侧给出程序源代码；右侧为计算结果显示区；右下侧设置重要参数的连续可调滑动条。

图2 仿真系统结构

图3 仿真演示界面面

3）应用举例

下面以线列阵为例，说明“阵列处理技术”课程中仿真系统在教学中的应用。

阵列空间模糊是阵列处理的一个重要知识点。如何让学生尽快正确理解，是教学中的一个重点。在传统的教学过程中，学生只能依靠手工计算后，得到最大阵列响应方向的静态值，不利于学生直观理解阵列模糊的物理现象。

我们利用波束图分析仿真演示程序：打开仿真系统，选择离散均匀线列阵波束图分析演示，即打开相应演示界面如图4所示。界面左上侧是阵列参数设置区，同时给出波束图主要参数，左下侧给出程序源代码。右侧给出了归一化的波束图以及分贝图。底部安排了三个滑动条，分别实现阵元个数、阵元间距波长比和波束指向三个参数的动态调整，当调整滑动条时，波束图也实时随之变化。

调整波束图分析界面中的阵元间距与波长之比滑动条，当时，波束图只出现主瓣，如图4（a）所示；而当时，除了主瓣，还会有栅瓣，这就是阵列处理中的一个重要现象——阵列模糊（或称空间泄露），如图4（b）所示，这时，此阵列就不能作为空域滤波器。