基于Matlab的雷達(dá)系統(tǒng)仿真軟件包設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)探討-設(shè)計(jì)應(yīng)用

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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。

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。

MATLAB是由美國mathworks公司發(fā)布的主要面對(duì)科學(xué)計(jì)算、可視化以及交互式程序設(shè)計(jì)的高科技計(jì)算環(huán)境。它將數(shù)值分析、矩陣計(jì)算、科學(xué)數(shù)據(jù)可視化以及非線性動(dòng)態(tài)系統(tǒng)的建模和仿真等諸多強(qiáng)大功能集成在一個(gè)易于使用的視窗環(huán)境中，為科學(xué)研究、工程設(shè)計(jì)以及必須進(jìn)行有效數(shù)值計(jì)算的眾多科學(xué)領(lǐng)域提供了一種全面的解決方案，并在很大程度上擺脫了傳統(tǒng)非交互式程序設(shè)計(jì)語言（如C、Fortran）的編輯模式，代表了當(dāng)今國際科學(xué)計(jì)算軟件的先進(jìn)水平。

MATLAB和Mathematica、Maple并稱為三大數(shù)學(xué)軟件。它在數(shù)學(xué)類科技應(yīng)用軟件中在數(shù)值計(jì)算方面首屈一指。MATLAB可以進(jìn)行矩陣運(yùn)算、繪制函數(shù)和數(shù)據(jù)、實(shí)現(xiàn)算法、創(chuàng)建用戶界面、連matlab開發(fā)工作界面。20世紀(jì)70年代，美國新墨西哥大學(xué)計(jì)算機(jī)科學(xué)系主任CleveMoler為了減輕學(xué)生編程的負(fù)擔(dān)，用FORTRAN編寫了早的MATLAB。1984年由Little、Moler、SteveBangert合作成立了的MathWorks公司正式把MATLAB推向市場(chǎng)。到20世紀(jì)90年代，MATLAB已成為國際控制界的標(biāo)準(zhǔn)計(jì)算軟件。

MATLAB的基本數(shù)據(jù)單位是矩陣，它的指令表達(dá)式與數(shù)學(xué)、工程中常用的形式十分相似，故用MATLAB來解算問題要比用C，F(xiàn)ORTRAN等語言完成相同的事情簡(jiǎn)捷得多，并且MATLAB也吸收了像Maple等軟件的優(yōu)點(diǎn)，使MATLAB成為一個(gè)強(qiáng)大的數(shù)學(xué)軟件。在新的版本中也加入了對(duì)C，F(xiàn)ORTRAN，C++，JAVA的支持?？梢灾苯诱{(diào)用，用戶也可以將自己編寫的實(shí)用程序?qū)氲組ATLAB函數(shù)庫中方便自己以后調(diào)用，此外許多的MATLAB愛好者都編寫了一些經(jīng)典的程序，用戶可以直接進(jìn)行就可以用。

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)。

MATLAB的應(yīng)用范圍非常廣，包括信號(hào)和圖像處理、通訊、控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)、測(cè)試和測(cè)量、財(cái)務(wù)建模和分析以及計(jì)算生物學(xué)等眾多應(yīng)用領(lǐng)域。附加的工具箱（單獨(dú)提供的專用MATLAB函數(shù)集）擴(kuò)展了MATLAB環(huán)境，以解決這些應(yīng)用領(lǐng)域內(nèi)特定類型的問題。

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。本文通過調(diào)用VC動(dòng)態(tài)鏈接庫來編寫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VisualC++強(qiáng)大的調(diào)試功能。圖1給出在VC環(huán)境中建立MEX文件的過程。

Matlab提供了對(duì)動(dòng)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(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)鏈接庫文件。這樣在Matlab的m文件中就可以直接回調(diào)mexrun（）函數(shù)?？紤]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(huì)提高運(yùn)行效率。

在mexrun.cpp文件中需要包含如下頭文件：

C語言的MEX文件源程序主要由兩個(gè)部分組成：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。參照本文編寫的mexrun.cpp文件，需要注意以下幾點(diǎn)：

（1）voidmexFunction（intnlhs，mxArray*plhs[]，intnrhs，constmxArray*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；intlen1，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鏈接庫文件。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，只要把mexrun.dll鏈接庫文件放在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，用戶通過輸入設(shè)備如鍵盤、鼠標(biāo)等與計(jì)算機(jī)通信。GUI中包含各種控件，通過對(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。

本文使用GUIDE界面來對(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。

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。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，可以通過調(diào)用混合編程實(shí)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(duì)應(yīng)的Tag屬性pushbuttonl，在其回調(diào)函數(shù)中加入如下代碼。video按鈕打開后是關(guān)于軟件包使用說明的一段簡(jiǎn)單視頻。

其次，編寫坐標(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(gè)矩陣。

，關(guān)于登陸界面的密碼設(shè)置，需要對(duì)（）peningFcn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

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，并且副瓣的電平約為-13.4dB。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

雷達(dá)系統(tǒng)分析課程理論性強(qiáng)