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Sensor Array Analyzer
線形、平面、3D、および任意のセンサー アレイのビーム パターンとパフォーマンス特性の解析
説明
センサー アレイ アナライザー アプリを使用すると、一般的なセンサー アレイ構成を構築および解析できます。これらの構成は、アンテナ、ソナー トランスデューサー、およびマイクから成る 1 次元から 3 次元のアレイに対応しており、サブアレイを含めることも可能です。アレイとセンサーのパラメーターを指定すると、アレイの指向性やアレイの寸法などの基本的なパフォーマンス特性がアプリに表示されます。その後、さまざまな指向性プロットやイメージを作成できます。
アレイのタイプ
このアプリを使用すると、次のアレイの指向性を表示できます。
2D アレイ
等間隔直線アレイ (ULA)
等間隔矩形アレイ (URA)
等間隔円形アレイ (UCA)
等間隔六角形アレイ (UHA)
円形平面アレイ
同心アレイ
3D アレイ
球面アレイ
円柱アレイ
任意アレイ
サブアレイ
このアプリを使用すると、サブアレイを含むアレイを作成および解析して、次を行うことができます。
空間グリッドに沿ってアレイを複製する。
大きなアレイをサブアレイに分割する。
素子のタイプ
アレイを構成するために使用できる素子は次のとおりです。
非偏波アンテナ
カージオイド アンテナ
コサイン アンテナ
カスタム アンテナ
ガウス アンテナ
等方性アンテナ
Sinc アンテナ
偏波アンテナ
交差ダイポール アンテナ
カスタム アンテナ
NR アンテナ
短縮ダイポール アンテナ
マイク
カージオイド マイク
カスタム マイク
無指向性マイク
ソナー トランスデューサー
等方性ハイドロフォン
等方性プロジェクター
プロット オプション
センサー アレイ アナライザー アプリは、次のタイプのプロットを作成できます。
アレイのジオメトリ
2 次元アレイ パターン
3 次元アレイ パターン
グレーティング ローブ
Sensor Array Analyzer アプリを開く
MATLAB® ツールストリップ: [アプリ] タブの [信号処理と通信] の下にあるアプリ アイコンをクリックします。
MATLAB コマンド プロンプト:
sensorArrayAnalyzerと入力します。
例
この例では、ソナー用途における 10 素子の等間隔直線アレイ (ULA) を解析します。アレイは等方性ハイドロフォンで構成されます。10 KHz 信号用のアレイを設計します。
等間隔直線アレイのセンサー素子は、線状に等間隔に配置されています。
[アナライザー] タブで、ツールストリップの [アレイ] セクションにある [ULA] を選択します。ツールストリップの [素子] セクションで、[ハイドロフォン] を選択します。
[パラメーター] タブを選択し、[素子数] を 10 に設定します。[素子間隔] を 0.5 波長に設定します。
[信号の周波数 (Hz)] を 10000 に設定して、10 KHz 信号用のアレイを設計します。次に [適用] ボタンをクリックします。多くのメニュー項目は変更可能であり、いつでも変更を適用できます。このタブに表示されるパラメーターは、選択するアレイと素子によって異なります。
ソナー素子を選択すると、水中での信号伝搬速度がアプリによって自動的に 1500 に設定されます。[伝搬速度 (m/s)] を設定することで、信号の伝搬速度を任意の値に設定できます。
[アレイのジオメトリ] タブを選択し、チェック ボックスを使用して、素子法線 ([法線の表示])、素子インデックス ([インデックスの表示])、および素子テーパー ([テーパーの表示]) を表示します。
右端の [アレイの特性] パネルでは、アレイの指向性、半値ビーム幅 (HPBW)、第 1 ヌル ビーム幅 (FNBW)、サイド ローブ レベル (SLL) を表示できます。
指向性プロットを表示するには、[アナライザー] タブの [プロット] セクションに移動します。[2D パターン] メニューから [方位角パターン] を選択します。方位角指向性パターンがアプリの中央パネルに表示されます。[方位パターン] タブを選択し、[座標] を [矩形] に設定します。
アレイ指向性関数のメイン ローブ (メイン ビームとも呼ばれる) が 0° にあり、別のメイン ローブが ±180° にあることがわかります。2 つのメイン ローブが出現しているのは、ULA アレイの円筒対称性によるものです。
ビーム スキャナーは、アレイのメイン ローブを異なる方向に連続的に向けることで機能します。[ステアリング] タブで、[方位角 (deg)] を 30 に、[仰角 (deg)] を 0 に設定します。これにより、メイン ローブは方位角 30°、仰角 0° にステアリングされます。
ULA の欠点の 1 つは、サイド ローブが大きいことです。アレイの指向性を調べると、各メイン ローブの近傍に 2 つのサイド ローブが見られ、それぞれが約 13 dB 程度低いだけであることがわかります。強いサイド ローブは、近くにより大きな信号が存在する場合に、それより弱い信号を検出するアレイの能力を阻害します。アレイ テーパリングを使用すると、このサイド ローブを減らすことができます。
[テーパー] オプションを使用して、アレイのテーパーを Taylor ウィンドウとして指定し、[サイドローブの減衰] を 30 dB に設定し、[nbar] を 4 に設定します。[適用] ボタンをクリックします。
この例では、2 つの 2 素子 ULA に分割された 4 素子 ULA の方位角応答をプロットします。
[アナライザー] タブで、ツールストリップの [アレイ] セクションにある [ULA] を選択します。既定のパラメーター (素子数を 4 に設定し、素子間隔を 0.5 メートルに設定) を使用して ULA を作成します。
[アナライザー] の [分割] ボタンを選択します。[信号の周波数 (Hz)] を 1e9 に設定して、1 GHz 信号用のアレイを設計します。次に [適用] ボタンをクリックします。多くのメニュー項目は変更可能であり、いつでも変更を適用できます。このタブに表示されるパラメーターは、選択するアレイと素子によって異なります。
[サブアレイの選択] メニュー項目は [ones(1,2) zeros(1,2); zeros(1,2) ones(1,2)] となっている必要があります。
[アナライザー] タブで [2D パターン] を選択し、[方位角パターン] を選択すると、極座標で 2 次元の方位角パターンを可視化できます。
分割されたアレイは複数のサブアレイで構成され、各アレイ素子は 1 つ以上のサブアレイに割り当てることができます。分割されたアレイを作成した後、素子を別のサブアレイに再割り当てできます。たとえば、16 個の素子を含む 4×4 の等間隔矩形アレイ (URA) を作成するとします。[パーティション] タブを選択すると、URA が 4×4 の分割されたアレイに変換され、サブアレイが異なる色で示されます。分割は、[サブアレイの選択] 行列によって制御されます。
[ ones(1,8) zeros(1,8); zeros(1,8) ones(1,8)]
アレイを再分割するには、[サブアレイの選択] 行列を編集します。[サブアレイの定義] タブを選択して、サブアレイに属する素子を再配置します。
[サブアレイの定義] タブを選択すると、サブアレイ エディターが表示されます。
以下を行うことができます。
[Subarray1] の横にある鉛筆アイコンを選択して、Subarray1 内の素子と重みを編集する。
[Subarray2] の横にある鉛筆アイコンを選択して、Subarray2 内の素子と重みを編集する。
上部の緑色の十字アイコンを選択して、空のサブアレイを作成する。
[Subarray2] を選択すると、[Subarray2] に属する素子のインデックスが表示されます。
素子 9 とその重みを削除します。緑色の十字を選択し、新しいサブアレイ [Subarray3] を追加します。次に、素子 9 を新しいサブアレイに追加します。
新しいサブアレイとその追加された素子が黄色で表示されています。
この例では、100 MHz 信号を検出して位置推定を行うように設計された 6×6 の等間隔矩形アレイ (URA) の構築方法を示します。
[アナライザー] タブで、ツールストリップの [アレイ] セクションにある [URA] を選択します。ツールストリップの [素子] セクションで、[等方性] を選択します。
[信号の周波数] を 100e6 に設定し、行および列の [素子間隔] を [0.5 0.5] 波長に設定して、100 MHz 信号用のアレイを設計します。
[パラメーター] タブを選択し、[サイズ] を [6,6] に設定します。
[テーパー] ドロップダウンから [行および列] を選択します。既定のテーパー パラメーターを使用して、[行テーパー] と [列テーパー] を Taylor ウィンドウに設定します。[適用] ボタンをクリックして変更を適用します。多くのメニュー項目は変更可能であり、いつでも変更を適用できます。このタブに表示されるパラメーターは、選択するアレイと素子によって異なります。
アレイの形状は次の図に示されています。
次に、[アナライザー] タブの [プロット] セクションで [3D パターン] を選択して、3 次元のアレイ パターンを表示します。
あらゆるアレイにとって重要なパフォーマンス指標は指向性です。このアプリを使用すると、テーパリングがアレイの指向性に与える影響を調べることができます。テーパリングがない場合、この URA のアレイ指向性は 17.16 dB です。テーパリングにより、アレイの指向性は 16.03 dBi に低下します。
この例では、300 MHz 信号を検出して位置推定を行うように設計された 4×4 等間隔矩形アレイ (URA) のグレーティング ローブの図を示します。
[アナライザー] タブで、ツールストリップの [アレイ] セクションにある [URA] を選択します。ツールストリップの [素子] セクションで、[等方性] を選択します。[サイズ] を [4,4] に設定します。[ステアリング] タブで、[方位角 (deg)] を 20 に、[仰角 (deg)] を 0 に設定します。
[信号の周波数] を 3e8 に設定し、行および列の [素子間隔] を [0.7,0.7] 波長に設定して、300 MHz 信号用のアレイを設計します。行および列の [素子間隔] を [0.7,0.7] 波長に設定して、空間的にアンダーサンプリングされたアレイを作成します。次に [適用] ボタンをクリックします。
[プロット] セクションから [グレーティング ローブの図] を選択して、グレーティング ローブをプロットします。
次の図は、角度 [20,0] に向けてアレイをビームフォーミングしたときに生成されるグレーティング ローブの図を示しています。メイン ローブは小さな黒く塗りつぶされた円で示されます。複数のグレーティング ローブは、小さな塗りつぶされていない黒い円で示されます。大きい方の黒い円は物理領域と呼ばれ、u2+ v2 ≤ 1 となります。メイン ローブは常に物理領域内に位置します。グレーティング ローブは、物理領域の外側に位置する場合があります。物理領域にグレーティング ローブがあると、入射波の方向が不確定になります。緑色の領域は、物理領域にグレーティング ローブが現れることなくメイン ローブを向けることができる範囲を示しています。メイン ローブが緑色の領域外に指向するように設定された場合、グレーティング ローブが物理領域内に移動する可能性があります。
次の図は、緑の領域外に指向させた場合に何が起こるかを示しています。[ステアリング] タブで、[方位角 (deg)] を 35 に、[仰角 (deg)] を 0 に設定します。この場合、1 つのグレーティング ローブが物理領域内に移動します。
[アナライザー] タブで、ツールストリップの [アレイ] セクションにある [URA] を選択します。ツールストリップの [素子] セクションで、[交差ダイポール] を選択します。[偏波] で RHCP を選択し、[回転角] を 30° に設定します。
[信号の周波数] を
100e6に設定し、行および列の [素子間隔] を[0.5 0.5]波長に設定して、100 MHz 信号用のアレイを設計します。[パラメーター] タブを選択し、[サイズ] を
[6,6]に設定します。[テーパー] ドロップダウンから
[行および列]を選択します。既定のテーパー パラメーターを使用して、[行テーパー] と [列テーパー] をTaylorウィンドウに設定します。[適用] ボタンをクリックして変更を適用します。
この例では、3 つの等方性アンテナ素子から成る三角形アレイを構築する方法を示します。
任意の配置でセンサーを配置したアレイを指定できます。[アレイ] ドロップダウンで [任意] を選択します。[素子] メニューから [等方性] を選択します。[素子の位置] フィールドに素子の位置を入力します。3 つの素子の位置は [0,0,0;0,0.5,0;0,0.5,0.866] です。すべての素子は同じ法線方向をもち、方位角 0°、仰角 20° を指します。法線を設定するには、[素子の法線 (deg)] に [0 0 0; 20 20 20] と入力し、[適用] ボタンをクリックします。[プロット] セクションから [アレイのジオメトリ] を選択します。
3-D アレイの指向性を表示するには、[プロット] タブから [3D パターン] を選択します。
[方向] ダイアログ ボックスを使用して、アレイの方向を変更できます。
[アレイを表示] チェック ボックスは、アレイの表示のオン/オフを切り替えます。
[ローカル座標の表示] チェック ボックスをオンにすると、ローカル座標系の表示のオン/オフを切り替えます。
[カラーバーの表示] チェック ボックスをオンにすると、フィールド強度を表示するカラーバーの表示のオン/オフを切り替えます。
この例では、コマンド ラインで設定した MATLAB 変数によって指定された任意のジオメトリをもつアレイを示します。適切な sensorArrayAnalyzer フィールドに変数を入力します。
MATLAB コマンド ラインで、素子の位置の配列 pos、素子の法線の配列 nrm、およびテーパー値の配列 tpr を作成します。
pos = [0,0,0;0,0.5,0;0,0.5,0.866] nrm = [0 0 0; 20 20 20]; tpr = [1 1 1];
これらの変数を適切な sensorArrayAnalyzer フィールドに入力し、[適用] ボタンをクリックします。3-D アレイの指向性を表示するには、[プロット] タブから [3D パターン] をクリックします。
等間隔矩形アレイ (URA)の例と同じパラメーターを使用し、[適用] ボタンをクリックします。ツールストリップの [素子] セクションで、[アンテナ] セクションにある [カスタム] を選択します。
カスタム アンテナ素子の場合は、振幅と位相のパターンを指定します。通常、パターンには大きな行列が必要になるため、コマンド ラインを使用して振幅と位相のパターンを指定することを推奨します。ここで指定する振幅パターンは、±x 軸に沿った方向性をもち、方位角と仰角の関数になります。位相パターンはすべてゼロです。あるいは、[パターン座標系] パラメーターを phi-theta に設定して、phi 角度と theta 角度でパターンを指定することもできます。
azpat = cosd([0:360]).^2 + 1; elpat = cosd([-90:90]') + 1; mag = elpat*azpat; magdb = 10*log10(mag);
3-D アレイの指向性を表示するには、[プロット] タブから [3D パターン] を選択します。
関連する例
バージョン履歴
R2014b で導入
