基于Matlab的雷達系統(tǒng)仿真軟件包設(shè)計與實現(xiàn)

0 引言
    近些年來國際上相繼發(fā)展了一些雷達仿真系統(tǒng)，而國內(nèi)相控陣雷達系統(tǒng)和脈沖壓縮雷達系統(tǒng)仿真軟件的研究已經(jīng)成為一個熱點。對于一個復雜的雷達系統(tǒng)，系統(tǒng)建模與仿真技術(shù)是雷達系統(tǒng)設(shè)計和研究的一個重要方向和發(fā)展趨勢。這些仿真軟件系統(tǒng)主要是為工程設(shè)計人員服務(wù)的，具有較高的實用參考價值?；诖?，本文參考了上述雷達系統(tǒng)的仿真思想，利用Matlab圖形用戶界面開發(fā)出一套供學生自學、教師教學的雷達系統(tǒng)分析輔助教學軟件包。該軟件包主要立足于教學自學輔助軟件，供學習者高效理解和掌握雷達系統(tǒng)分析的相關(guān)知識。
    在各種教學實驗軟件中，往往只限于Matlab的編程實現(xiàn)，而在貼近學習者需求和多媒體學習中尚有不足之處。Matlab具有非常強大的數(shù)值計算、數(shù)據(jù)分析處理等功能，然而Matlab程序是一種解釋執(zhí)行程序，不用編譯等預處理，導致程序運行速度較慢。VC具有很高的編碼效率，可對操作系統(tǒng)和應用程序以及硬件進行直接操作。因此，該軟件包利用Matlab和VC混合編程，提高了代碼的運行效率，發(fā)揮了兩種語言的長處。運行結(jié)果表明，該軟件包具有良好的人機交互功能、較高的軟件運行速率和豐富的多媒體學習方式。

1 利用VC和Matlab混合編程實現(xiàn)MEX文件
    在Matlab和VC混合編程中，它們可分為在Matlab中調(diào)用VC程序和在VC中調(diào)用Matlab兩個方面。前者旨在彌補Matlab程序所不能實現(xiàn)的軟件功能或者解決Matlab運行速度過慢的缺陷；后者一般是為了在VC環(huán)境下調(diào)用Matlab程序，充分利用Matlab在矩陣計算、數(shù)據(jù)分析方面的強大優(yōu)勢。
    在Matlab與VC混合編程之前，首先要對Matlab的編譯應用程序max和編譯器mbuild進行正確的設(shè)置。對MEX編譯器進行設(shè)置并生成配置文件即一個后綴為bat的批處理文件，它是通過在Matlab命令窗口輸入命令：mex-setup，然后按照輸出信息提示選擇編譯器和路徑實現(xiàn)的。Ma-tlab調(diào)用VC的方式主要有兩種：利用MEX技術(shù)和VC動態(tài)鏈接庫。本文通過調(diào)用VC動態(tài)鏈接庫來編寫mexrun文件。實際上，在Matlab環(huán)境中就可以方便地編輯MEX文件，但對于大型的MEX程序，可能會比較復雜，容易出錯，這時就可以利用Visual C++強大的調(diào)試功能。圖1給出在VC環(huán)境中建立MEX文件的過程。

    Matlab提供了對動態(tài)鏈接庫DLL文件的接口，且其接口支持VC編寫的DLL文件，因此在對m文件進行編譯后會產(chǎn)生一個與mexrun．cpp同名的mexrun．dll動態(tài)鏈接庫文件。這樣在Matlab的m文件中就可以直接回調(diào)mexrun()函數(shù)。通過VC來編寫mexrun文件是因為需要在Matlab中直接運行諸如MP3，MP4，CHM和TXT等格式的文件，而用Matlab本身來實現(xiàn)這一過程的執(zhí)行效率較低，代碼具有重復性，對每種格式還需要區(qū)別對待。因而，考慮到VC語言和操作系統(tǒng)及硬件之間的直接聯(lián)系，通過VC來編寫程序并提供給Matlab調(diào)用，無疑會提高運行效率。
    在mexrun．cpp文件中需要包含如下頭文件：
   
    C語言的MEX文件源程序主要由兩個部分組成：第一部分是算法程序，用于完成實際工作；另一部分是入口子程序，它是算法程序與Matl-ab的接口。入口子程序?qū)崿F(xiàn)接口功能是通過在輸入指針數(shù)組中獲得算法程序所需的數(shù)據(jù)，同時也能把計算結(jié)果返回到輸出指針數(shù)組。在這里mexFunction有著輸入／輸出與變量轉(zhuǎn)換的作用。參照本文編寫的mexrun．cpp文件，需要注意以下幾點：
    (1)void mexFunction(int nlhs，mxArray*plhs[]，int nrhs，const mxArray*prhs[])。函數(shù)頭中nlhs是Matlab命令行方式下輸出參數(shù)的個數(shù)；*plhs[]是一個mxArray結(jié)構(gòu)體類型指向所有輸出參數(shù)的指針數(shù)組；*prhs[]也是是一個mxArray結(jié)構(gòu)體類型指向所有輸入?yún)?shù)的指針數(shù)組；nrhs是輸入?yún)?shù)的個數(shù)。
    (2)還需定義以下幾個變量：char*input_arg1，*input_arg2；int len1，len2，status1，status2。其中：*input_arg1，*input_arg2是兩個字符指針；len1，len2表示分配空間長度；status1，status2是兩個數(shù)據(jù)空間變量。
    (3)輸入的必須是單行字符串，行矢量，如下：
   
    (4)把輸入的字符串拷貝到C字符串里面，如下所示：

    按照上述流程設(shè)置好編譯環(huán)境和源程序后就可以編譯此工程，編譯成功后，在debug文件夾中會生成mexrun．dll鏈接庫文件。實驗結(jié)果表明，只要把mexrun．dll鏈接庫文件放在Matlab的當前工作區(qū)中，就可以在GUI設(shè)計中的m文件編寫中直接調(diào)用。

2 系統(tǒng)模塊的設(shè)計與實現(xiàn)
    雷達系統(tǒng)軟件包的總體結(jié)構(gòu)采用分離式的多模塊結(jié)構(gòu)，即各功能模塊彼此相互獨立，分別完成一定的功能。從方便用戶的角度出發(fā)，設(shè)計的雷達系統(tǒng)軟件包采用多層次的分級菜單驅(qū)動形式，先由主菜單選擇進入各功能模塊的子菜單，在每一個功能模塊的菜單下，可以選擇參數(shù)設(shè)置、程序運行、獲取幫助和返回上級菜單等操作。
2．1 系統(tǒng)實現(xiàn)方法
    圖形用戶界面(graphical user interfaces，GUI)是用戶與計算機進行信息交流的方式。計算機在屏幕顯示圖形和文本，用戶通過輸入設(shè)備如鍵盤、鼠標等與計算機通信。GUI中包含各種控件，通過對控件設(shè)置一些事件響應函數(shù)，這些函數(shù)可以在控件創(chuàng)建或刪除等事件發(fā)生時執(zhí)行，從而實現(xiàn)特定事件觸發(fā)下需要的某些功能。這些事件響應函數(shù)即是句柄圖形對象的回調(diào)函數(shù)。
    本文使用GUIDE界面來對各種控件進行布局，并利用屬性編輯器對每個控件進行設(shè)置。軟件包的實驗界面主要有登陸界面、主界面和各部分子界面。下面以登陸界面為例，說明圖形用戶界面的設(shè)計過程。
2．2 登陸界面設(shè)置
    圖2表示GUIDE界面下對登錄界面進行設(shè)置，其中包含了按鈕、靜態(tài)文本框、編輯框和坐標軸。在對每種控件的屬性編輯器進行編輯時，Matlab對于每個控件都會在其相應的m文件中初始化出一個回調(diào)函數(shù)。

    首先，可以通過調(diào)用混合編程實現(xiàn)的mexrun．dll庫文件打開help文檔、MP3文件和MP4文件。以video按鈕為例，打開它的屬性編輯器可以看到其對應的Tag屬性pushbuttonl，在其回調(diào)函數(shù)中加入如下代碼。video按鈕打開后是關(guān)于軟件包使用說明的一段簡單視頻。

    其次，編寫坐標軸控件的屬性和構(gòu)造函數(shù)，這里的坐標軸函數(shù)是用來顯示一張JPEG格式的靜態(tài)圖片。Matlab提供imread()函數(shù)和imshow()函數(shù)來讀取和存放靜態(tài)圖片，函數(shù)中的X是一個矩陣。
   
    最后，關(guān)于登陸界面的密碼設(shè)置，需要對()pening Fcn函數(shù)進行初始化設(shè)置，也即是軟件包默認的用戶賬號和密碼。這里需要使用函數(shù)set()來設(shè)置編輯框中輸入的字符串即用戶賬號和密碼，并對該賬戶和密碼進行初始化賦值。
   

3 仿真結(jié)果
    雷達系統(tǒng)分析包含各個部分仿真結(jié)果分析，這里選擇雷達天線中典型的線性天線陣列仿真結(jié)果進行分析。仿真界面實例如圖3所示，這里選擇的實例是線性天線陣列的增益方向圖。其中，陣列中的單元數(shù)為19，可以看到當單元問距為1．5個波長、掃描角度為-38°、使用Ham-ming窗進行幅度加權(quán)、并用23量化電平時，相應地在-38°處有主瓣產(chǎn)生，并且第一副瓣的電平約為-13．4 dB。若在面板中選擇不同的設(shè)置值，則可以得到在不同的陣列天線(即陣列中的單元數(shù)不同或單元間距不同)、不同的掃描角度、不同的加窗函數(shù)、不同量化電平時的增益方向圖。

    通過該系統(tǒng)進行模擬仿真，并將仿真結(jié)果進行對比，可以清晰地了解天線在各個轉(zhuǎn)向角處的增益方向是如何隨天線陣列的單元間距、掃描角度、加窗函數(shù)、量化電平這些參量的變化而變化的，從而形成對線性陣列天線增益方向圖的直觀感受。

4 結(jié)語
    雷達系統(tǒng)分析課程理論性強，抽象難懂，如何幫助學習者理解課程中的基本概念、基本分析方法等是該課程教學中所要解決的關(guān)鍵問題?？紤]到Matlab的圖形用戶界面非常形象，本文采用VC和Matlab混合編程充分發(fā)揚了兩種語言的優(yōu)勢，開發(fā)實現(xiàn)了該課程教學實驗GUI軟件包。實驗表明，該雷達系統(tǒng)仿真軟件包界面友好，參數(shù)設(shè)置靈活，并且在仿真的過程中能隨時看到雷達信號發(fā)射、接收和信號處理等各方面的文字或圖形描述。