基于Matlab的雷達(dá)系統(tǒng)仿真軟件包設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

0 引言

近些年來(lái)國(guó)際上相繼發(fā)展了一些雷達(dá)仿真系統(tǒng)，而國(guó)內(nèi)相控陣?yán)走_(dá)系統(tǒng)和脈沖壓縮雷達(dá)系統(tǒng)仿真軟件的研究已經(jīng)成為一個(gè)熱點(diǎn)。對(duì)于一個(gè)復(fù)雜的雷達(dá)系統(tǒng)，系統(tǒng)建模與仿真技術(shù)是雷達(dá)系統(tǒng)設(shè)計(jì)和研究的一個(gè)重要方向和發(fā)展趨勢(shì)。這些仿真軟件系統(tǒng)主要是為工程設(shè)計(jì)人員服務(wù)的，具有較高的實(shí)用參考價(jià)值?；诖?，本文參考了上述雷達(dá)系統(tǒng)的仿真思想，利用Matlab圖形用戶界面開(kāi)發(fā)出一套供學(xué)生自學(xué)、教師教學(xué)的雷達(dá)系統(tǒng)分析輔助教學(xué)軟件包。該軟件包主要立足于教學(xué)自學(xué)輔助軟件，供學(xué)習(xí)者高效理解和掌握雷達(dá)系統(tǒng)分析的相關(guān)知識(shí)。
在各種教學(xué)實(shí)驗(yàn)軟件中，往往只限于Matlab的編程實(shí)現(xiàn)，而在貼近學(xué)習(xí)者需求和多媒體學(xué)習(xí)中尚有不足之處。Matlab具有非常強(qiáng)大的數(shù)值計(jì)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(yù)處理，導(dǎo)致程序運(yùn)行速度較慢。VC具有很高的編碼效率，可對(duì)操作系統(tǒng)和應(yīng)用程序以及硬件進(jìn)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(yùn)行效率，發(fā)揮了兩種語(yǔ)言的長(zhǎng)處。運(yùn)行結(jié)果表明，該軟件包具有良好的人機(jī)交互功能、較高的軟件運(yùn)行速率和豐富的多媒體學(xué)習(xí)方式。

1 利用VC和Matlab混合編程實(shí)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(gè)方面。前者旨在彌補(bǔ) Matlab程序所不能實(shí)現(xiàn)的軟件功能或者解決Matlab運(yùn)行速度過(guò)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(jì)算、數(shù)據(jù)分析方面的強(qiáng)大優(yōu)勢(shì)。
在Matlab與VC混合編程之前，首先要對(duì)Matlab的編譯應(yīng)用程序max和編譯器mbuild進(jìn)行正確的設(shè)置。對(duì)MEX編譯器進(jìn)行設(shè)置并生成配置文件即一個(gè)后綴為bat的批處理文件，它是通過(guò)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(shí)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(dòng)態(tài)鏈接庫(kù)。本文通過(guò)調(diào)用VC動(dòng)態(tài)鏈接庫(kù)來(lái)編寫(xiě)mexrun文件。實(shí)際上，在Matlab環(huán)境中就可以方便地編輯MEX文件，但對(duì)于大型的MEX程序，可能會(huì)比較復(fù)雜，容易出錯(cuò)，這時(shí)就可以利用Visual C++強(qiáng)大的調(diào)試功能。圖1給出在VC環(huán)境中建立MEX文件的過(guò)程。

Matlab提供了對(duì)動(dòng)態(tài)鏈接庫(kù)DLL文件的接口，且其接口支持VC編寫(xiě)的DLL文件，因此在對(duì)m文件進(jìn)行編譯后會(huì)產(chǎn)生一個(gè)與mexrun．cpp同名的 mexrun．dll動(dòng)態(tài)鏈接庫(kù)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(guò)VC來(lái)編寫(xiě)mexrun文件是因?yàn)樾枰?Matlab中直接運(yùn)行諸如MP3，MP4，CHM和TXT等格式的文件，而用Matlab本身來(lái)實(shí)現(xiàn)這一過(guò)程的執(zhí)行效率較低，代碼具有重復(fù)性，對(duì)每種格式還需要區(qū)別對(duì)待。因而，考慮到VC語(yǔ)言和操作系統(tǒng)及硬件之間的直接聯(lián)系，通過(guò)VC來(lái)編寫(xiě)程序并提供給Matlab調(diào)用，無(wú)疑會(huì)提高運(yùn)行效率。
在mexrun．cpp文件中需要包含如下頭文件：

C語(yǔ)言的MEX文件源程序主要由兩個(gè)部分組成：第一部分是算法程序，用于完成實(shí)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(guò)在輸入指針數(shù)組中獲得算法程序所需的數(shù)據(jù)，同時(shí)也能把計(jì)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(xiě)的mexrun．cpp文件，需要注意以下幾點(diǎn)：

(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(gè)數(shù)；*plhs[]是一個(gè)mxArray結(jié)構(gòu)體類(lèi)型指向所有輸出參數(shù)的指針數(shù)組；*prhs[]也是是一個(gè)mxArray結(jié)構(gòu)體類(lèi)型指向所有輸入?yún)?shù)的指針數(shù)組；nrhs是輸入?yún)?shù)的個(gè)數(shù)。
(2)還需定義以下幾個(gè)變量：char*input_arg1，*input_arg2；int len1，len2，status1，status2。其中：*input_arg1，*input_arg2是兩個(gè)字符指針；len1，len2表示分配空間長(zhǎng)度；status1，status2是兩個(gè)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(huì)生成mexrun．dll鏈接庫(kù)文件。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，只要把 mexrun．dll鏈接庫(kù)文件放在Matlab的當(dāng)前工作區(qū)中，就可以在GUI設(shè)計(jì)中的m文件編寫(xiě)中直接調(diào)用。

2 系統(tǒng)模塊的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

雷達(dá)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(dú)立，分別完成一定的功能。從方便用戶的角度出發(fā)，設(shè)計(jì)的雷達(dá)系統(tǒng)軟件包采用多層次的分級(jí)菜單驅(qū)動(dòng)形式，先由主菜單選擇進(jìn)入各功能模塊的子菜單，在每一個(gè)功能模塊的菜單下，可以選擇參數(shù)設(shè)置、程序運(yùn)行、獲取幫助和返回上級(jí)菜單等操作。

2．1 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)方法

圖形用戶界面(graphical user interfaces，GUI)是用戶與計(jì)算機(jī)進(jìn)行信息交流的方式。計(jì)算機(jī)在屏幕顯示圖形和文本，用戶通過(guò)輸入設(shè)備如鍵盤(pán)、鼠標(biāo)等與計(jì)算機(jī)通信。GUI中包含各種控件，通過(guò)對(duì)控件設(shè)置一些事件響應(yīng)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(shí)執(zhí)行，從而實(shí)現(xiàn)特定事件觸發(fā)下需要的某些功能。這些事件響應(yīng)函數(shù)即是句柄圖形對(duì)象的回調(diào)函數(shù)。

本文使用GUIDE界面來(lái)對(duì)各種控件進(jìn)行布局，并利用屬性編輯器對(duì)每個(gè)控件進(jìn)行設(shè)置。軟件包的實(shí)驗(yàn)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(shuō)明圖形用戶界面的設(shè)計(jì)過(guò)程。

2．2 登陸界面設(shè)置

圖2表示GUIDE界面下對(duì)登錄界面進(jìn)行設(shè)置，其中包含了按鈕、靜態(tài)文本框、編輯框和坐標(biāo)軸。在對(duì)每種控件的屬性編輯器進(jìn)行編輯時(shí)，Matlab對(duì)于每個(gè)控件都會(huì)在其相應(yīng)的m文件中初始化出一個(gè)回調(diào)函數(shù)。

首先，可以通過(guò)調(diào)用混合編程實(shí)現(xiàn)的mexrun．dll庫(kù)文件打開(kāi)help文檔、MP3文件和MP4文件。以video按鈕為例，打開(kāi)它的屬性編輯器可以看到其對(duì)應(yīng)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(kāi)后是關(guān)于軟件包使用說(shuō)明的一段簡(jiǎn)單視頻。

其次，編寫(xiě)坐標(biāo)軸控件的屬性和構(gòu)造函數(shù)，這里的坐標(biāo)軸函數(shù)是用來(lái)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(lái)讀取和存放靜態(tài)圖片，函數(shù)中的X是一個(gè)矩陣。


最后，關(guān)于登陸界面的密碼設(shè)置，需要對(duì)()pening Fcn函數(shù)進(jìn)行初始化設(shè)置，也即是軟件包默認(rèn)的用戶賬號(hào)和密碼。這里需要使用函數(shù)set()來(lái)設(shè)置編輯框中輸入的字符串即用戶賬號(hào)和密碼，并對(duì)該賬戶和密碼進(jìn)行初始化賦值。

3 仿真結(jié)果

雷達(dá)系統(tǒng)分析包含各個(gè)部分仿真結(jié)果分析，這里選擇雷達(dá)天線中典型的線性天線陣列仿真結(jié)果進(jìn)行分析。仿真界面實(shí)例如圖3所示，這里選擇的實(shí)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(dāng)單元問(wèn)距為1．5個(gè)波長(zhǎng)、掃描角度為-38°、使用Ham-ming窗進(jìn)行幅度加權(quán)、并用23量化電平時(shí)，相應(yīng)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(shí)的增益方向圖。

通過(guò)該系統(tǒng)進(jìn)行模擬仿真，并將仿真結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，可以清晰地了解天線在各個(gè)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(duì)線性陣列天線增益方向圖的直觀感受。

4 結(jié)語(yǔ)

雷達(dá)系統(tǒng)分析課程理論性強(qiáng)，抽象難懂，如何幫助學(xué)習(xí)者理解課程中的基本概念、基本分析方法等是該課程教學(xué)中所要解決的關(guān)鍵問(wèn)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(yáng)了兩種語(yǔ)言的優(yōu)勢(shì)，開(kāi)發(fā)實(shí)現(xiàn)了該課程教學(xué)實(shí)驗(yàn)GUI軟件包。實(shí)驗(yàn)表明，該雷達(dá)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(guò)程中能隨時(shí)看到雷達(dá)信號(hào)發(fā)射、接收和信號(hào)處理等各方面的文字或圖形描述。