基于Matlab的雷達(dá)系統(tǒng)仿真軟件包設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)
掃描二維碼
隨時(shí)隨地手機(jī)看文章
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。