基于Matlab GUI“陣列處理技術(shù)”教學(xué)仿真系統(tǒng)開(kāi)發(fā)

袁 駿

（海軍工程大學(xué) 電子工程學(xué)院，湖北 武漢 430033）

“陣列處理技術(shù)”課程是我校針對(duì)電子工程專(zhuān)業(yè)高年級(jí)本科生開(kāi)設(shè)的一門(mén)專(zhuān)業(yè)基礎(chǔ)課。課程經(jīng)過(guò)近幾年的教學(xué)改革，逐步引入了網(wǎng)絡(luò)答疑室和FTP教學(xué)資源等教學(xué)方式。但由于課程涉及大量的數(shù)學(xué)公式和抽象的概念，且結(jié)論不直觀，學(xué)生理解困難。

Matlab具有強(qiáng)大的繪圖和計(jì)算功能，特別是采用GUI（圖形用戶(hù)界面）編程方式，可以制作能反復(fù)使用、操作簡(jiǎn)單且效果形象的仿真系統(tǒng)。我們結(jié)合課程的重要知識(shí)點(diǎn)，基于Matlab GUI配套開(kāi)發(fā)了“陣列處理技術(shù)”課程仿真系統(tǒng)輔助理論授課。同時(shí)可為學(xué)生提供課后實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，提高理論教學(xué)和實(shí)踐教學(xué)的效率，進(jìn)一步深化課程的教學(xué)改革。

1 課程知識(shí)結(jié)構(gòu)

陣列處理技術(shù)是信號(hào)處理的一個(gè)重要分支，已經(jīng)廣泛應(yīng)用于雷達(dá)、聲納和通信等領(lǐng)域［1］。本課程教學(xué)內(nèi)容主要包含陣列基本理論、陣列信號(hào)模型、波束圖參數(shù)、波束圖合成和目標(biāo)參數(shù)估計(jì)共五章，如圖1所示。前兩章是陣列信號(hào)處理的理論基礎(chǔ)，后三章分別針對(duì)陣列處理的性能和方法進(jìn)行分析討論。

圖1 課程知識(shí)結(jié)構(gòu)

課程主要講述了陣列信號(hào)處理的基本概念和假設(shè)條件，陣列的信號(hào)模型；重點(diǎn)分析研究了線陣（離散均勻線列陣、連續(xù)直線陣）的波束圖函數(shù)及其參數(shù)；研究了常用的窗函數(shù)法（矩形窗、海明窗等）、給定旁瓣下最小波束寬度法（Chebychev法）兩種波束圖合成方法；研究了目標(biāo)方位估計(jì)算法性能。除此之外，課程還研究了平面陣（離散均勻圓陣、離散矩形陣、矩形板連續(xù)陣）的波束圖函數(shù)以及立體陣（圓柱體、球殼）的波束圖函數(shù)。

2 教學(xué)仿真系統(tǒng)

1）內(nèi)容選取與安排

學(xué)好本課程的關(guān)鍵就是掌握轉(zhuǎn)換傳統(tǒng)單陣元信號(hào)處理的思想，盡快理解多陣元情況下的陣列信號(hào)模型［2］。在仿真系統(tǒng)內(nèi)容的選取上，我們應(yīng)當(dāng)重點(diǎn)突出該知識(shí)點(diǎn)以及相關(guān)內(nèi)容。主要包括：①陣列結(jié)構(gòu)與空域采樣定理；②陣列參數(shù)與靜態(tài)指向性；③陣列配置與陣列模糊；④波束圖性能參數(shù)分析。針對(duì)以上內(nèi)容，我們?cè)O(shè)計(jì)了波束圖分析仿真界面。

我們圍繞目前陣列處理的兩大研究方向：波束形成和空間譜估計(jì)，分別設(shè)計(jì)兩個(gè)仿真界面。波束圖合成仿真界面描繪了常用的窗函數(shù)加權(quán)方法下的波束圖性能，并分別與常規(guī)波束形成結(jié)果進(jìn)行了對(duì)比。目標(biāo)參數(shù)估計(jì)仿真界面描繪了經(jīng)典的Capon波束形成和MUSIC兩種方位估計(jì)方法的性能［3，4］。

2）Matlab GUI應(yīng)用開(kāi)發(fā)

圖形用戶(hù)界面（GUI）程序可以為系統(tǒng)的仿真提供極大的便利。“陣列處理技術(shù)”教學(xué)仿真系統(tǒng)采用了用戶(hù)與程序通過(guò)界面進(jìn)行交互的模式，根據(jù)用戶(hù)的輸入，及時(shí)準(zhǔn)確地向用戶(hù)呈現(xiàn)結(jié)果以供學(xué)習(xí)，并可重復(fù)使用。整個(gè)系統(tǒng)由“陣列選擇”主界面和仿真演示子界面組成。其中，“陣列選擇”主界面完成陣型的選擇；仿真演示子界面包含波束圖分析、波束圖合成和目標(biāo)參數(shù)估計(jì)三個(gè)界面。仿真系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖2所示。系統(tǒng)的操作主要通過(guò)按鍵和滑動(dòng)條完成，仿真結(jié)果能夠?qū)崟r(shí)動(dòng)態(tài)地進(jìn)行顯示，參數(shù)對(duì)結(jié)果的影響一目了然。

仿真系統(tǒng)的部分界面如圖3所示。仿真系統(tǒng)的界面布局統(tǒng)一設(shè)置為：左上側(cè)是陣列參數(shù)設(shè)置區(qū)，同時(shí)設(shè)置兩個(gè)按鍵完成基本的性能參數(shù)計(jì)算和單次顯示功能；左下側(cè)給出程序源代碼；右側(cè)為計(jì)算結(jié)果顯示區(qū)；右下側(cè)設(shè)置重要參數(shù)的連續(xù)可調(diào)滑動(dòng)條。

圖2 仿真系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

圖3 仿真演示界面面

3）應(yīng)用舉例

下面以線列陣為例，說(shuō)明“陣列處理技術(shù)”課程中仿真系統(tǒng)在教學(xué)中的應(yīng)用。

陣列空間模糊是陣列處理的一個(gè)重要知識(shí)點(diǎn)。如何讓學(xué)生盡快正確理解，是教學(xué)中的一個(gè)重點(diǎn)。在傳統(tǒng)的教學(xué)過(guò)程中，學(xué)生只能依靠手工計(jì)算后，得到最大陣列響應(yīng)方向的靜態(tài)值，不利于學(xué)生直觀理解陣列模糊的物理現(xiàn)象。

我們利用波束圖分析仿真演示程序：打開(kāi)仿真系統(tǒng)，選擇離散均勻線列陣波束圖分析演示，即打開(kāi)相應(yīng)演示界面如圖4所示。界面左上側(cè)是陣列參數(shù)設(shè)置區(qū)，同時(shí)給出波束圖主要參數(shù)，左下側(cè)給出程序源代碼。右側(cè)給出了歸一化的波束圖以及分貝圖。底部安排了三個(gè)滑動(dòng)條，分別實(shí)現(xiàn)陣元個(gè)數(shù)、陣元間距波長(zhǎng)比和波束指向三個(gè)參數(shù)的動(dòng)態(tài)調(diào)整，當(dāng)調(diào)整滑動(dòng)條時(shí)，波束圖也實(shí)時(shí)隨之變化。

調(diào)整波束圖分析界面中的陣元間距與波長(zhǎng)之比滑動(dòng)條，當(dāng)時(shí)，波束圖只出現(xiàn)主瓣，如圖4（a）所示；而當(dāng)時(shí)，除了主瓣，還會(huì)有柵瓣，這就是陣列處理中的一個(gè)重要現(xiàn)象——陣列模糊（或稱(chēng)空間泄露），如圖4（b）所示，這時(shí)，此陣列就不能作為空域?yàn)V波器。

圖4 線列陣波束圖分析界面

我們?cè)诖嘶A(chǔ)上引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)一步思考：為避免陣列模糊的出現(xiàn)，必須對(duì)陣列的結(jié)構(gòu)配置進(jìn)行一定約束，即空域采樣定理：陣元間距必須小于等于半波長(zhǎng)。通過(guò)以上演示，學(xué)生確立了直觀概念，再?gòu)臄?shù)學(xué)上進(jìn)行推導(dǎo)得到防止陣列模糊的公式——空域采樣定理，比傳統(tǒng)單純數(shù)學(xué)推導(dǎo)有更好的教學(xué)效果。

3 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)“陣列處理技術(shù)”課程仿真系統(tǒng)在教學(xué)實(shí)踐中的應(yīng)用，可以發(fā)現(xiàn)該系統(tǒng)對(duì)課堂教學(xué)和學(xué)生自學(xué)具有較好的輔助作用。

1）“陣列處理技術(shù)”仿真系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)，將理論授課和仿真演示結(jié)合起來(lái)，有利于學(xué)生對(duì)知識(shí)的理解、消化。

2）仿真系統(tǒng)開(kāi)放了相應(yīng)程序的源代碼，并對(duì)其進(jìn)行難點(diǎn)注釋?zhuān)膭?lì)學(xué)生利用Matlab編程，為研究性實(shí)驗(yàn)的展開(kāi)奠定了基礎(chǔ)。

3）基于Matlab的仿真系統(tǒng)使用方便、擴(kuò)展性強(qiáng)，避免了搭建陣列硬件實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)帶來(lái)的場(chǎng)地限制和成本高等不足。

實(shí)踐證明，在授課過(guò)程中，采用理論和實(shí)驗(yàn)相結(jié)合的方法，使抽象的理論知識(shí)形象化，使學(xué)生能變被動(dòng)學(xué)習(xí)為主動(dòng)研究。同時(shí)仿真系統(tǒng)開(kāi)放源代碼，鼓勵(lì)學(xué)生學(xué)習(xí)編寫(xiě)有關(guān)的實(shí)驗(yàn)程序，有利于提高學(xué)生的編程技能，有益于培養(yǎng)學(xué)生自主學(xué)習(xí)、設(shè)計(jì)分析和科學(xué)研究能力。

［1］Van Trees H L.Optimum Array Processing.Part IV of Detection，Estimation，and Modulation Theory［M］.New York：John Wiley ＆Sons，Inc，2002

［2］李貴斌.聲納基陣設(shè)計(jì)原理（第1版）［M］.北京：海洋出版社，1995

［3］鄢社鋒，馬遠(yuǎn)良.傳感器陣列波束優(yōu)化設(shè)計(jì)及應(yīng)用［M］.北京：科學(xué)出版社，2009

［4］王永良，陳輝，彭應(yīng)寧等.空間譜估計(jì)理論與算法［M］.北京：清華大學(xué)出版社，2005

［5］鄒鯤，袁俊泉，龔享銥.MATLAB 6.x信號(hào)處理［M］.北京：清華大學(xué)出版社，2002