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近些年來國際上相繼發展了一些雷達仿真系統，而國內相控陣雷達系統和脈沖壓縮雷達系統仿真軟件的研究已經成為一個熱點。對于一個復雜的雷達系統，系統建模與仿真技術是雷達系統設計和研究的一個重要方向和發展趨勢。這些仿真軟件系統主要是為工程設計人員服務的，具有較高的實用參考價值。基于此，本文參考了上述雷達系統的仿真思想，利用Matlab圖形用戶界面開發出一套供學生自學、教師教學的雷達系統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分析的相關知識。 在各種教學實驗軟件中，往往只限于Matlab的編程實現，而在貼近學習者需求和多媒體學習中尚有不足之處。Matlab具有非常強大的數值計算、數據分析處理等功能，然而Matlab程序是一種解釋執行程序，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，發揮了兩種語言的長處。運行結果表明，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MEX文件 在Matlab和VC混合編程中，它們可分為在Matlab中調用VC程序和在VC中調用Matlab兩個方面。前者旨在彌補Matlab程序所不能實現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環境下調用Matlab程序，充分利用Matlab在矩陣計算、數據分析方面的強大優勢。 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進行正確的設置。對MEX編譯器進行設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的。Ma-tlab調用VC的方式主要有兩種：利用MEX技術和VC動態鏈接庫。本文通過調用VC動態鏈接庫來編寫mexrun文件。實際上，在Matlab環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++強大的調試功能。圖1給出在VC環境中建立MEX文件的過程。 Matlab提供了對動態鏈接庫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生一個與mexrun．cpp同名的mexrun．dll動態鏈接庫文件。這樣在Matlab的m文件中就可以直接回調mexrun()函數。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本身來實現這一過程的執行效率較低，代碼具有重復性，對每種格式還需要區別對待。因而，考慮到VC語言和操作系統及硬件之間的直接聯系，通過VC來編寫程序并提供給Matlab調用，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。入口子程序實現接口功能是通過在輸入指針數組中獲得算法程序所需的數據，同時也能把計算結果返回到輸出指針數組。在這里mexFunction有著輸入／輸出與變量轉換的作用。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[])。函數頭中nlhs是Matlab命令行方式下輸出參數的個數；*plhs[]是一個mxArray結構體類型指向所有輸出參數的指針數組；*prhs[]也是是一個mxArray結構體類型指向所有輸入參數的指針數組；nrhs是輸入參數的個數。 (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是兩個數據空間變量。 (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： 按照上述流程設置好編譯環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。實驗結果表明，只要把mexrun．dll鏈接庫文件放在Matlab的當前工作區中，就可以在GUI設計中的m文件編寫中直接調用。 2 系統模塊的設計與實現 雷達系統軟件包的總體結構采用分離式的多模塊結構，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，設計的雷達系統軟件包采用多層次的分級菜單驅動形式，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，可以選擇參數設置、程序運行、獲取幫助和返回上級菜單等操作。 2．1 系統實現方法 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，通過對控件設置一些事件響應函數，這些函數可以在控件創建或刪除等事件發生時執行，從而實現特定事件觸發下需要的某些功能。這些事件響應函數即是句柄圖形對象的回調函數。 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計過程。 2．2 登陸界面設置 圖2表示GUIDE界面下對登錄界面進行設置，其中包含了按鈕、靜態文本框、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函數。 首先，可以通過調用混合編程實現的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，在其回調函數中加入如下代碼。video按鈕打開后是關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造函數，這里的坐標軸函數是用來顯示一張JPEG格式的靜態圖片。Matlab提供imread()函數和imshow()函數來讀取和存放靜態圖片，函數中的X是一個矩陣。 最后，關于登陸界面的密碼設置，需要對()pening Fcn函數進行初始化設置，也即是軟件包默認的用戶賬號和密碼。這里需要使用函數set()來設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 仿真結果 雷達系統分析包含各個部分仿真結果分析，這里選擇雷達天線中典型的線性天線陣列仿真結果進行分析。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、并用23量化電平時，相應地在-38°處有主瓣產生，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置值，則可以得到在不同的陣列天線(即陣列中的單元數不同或單元間距不同)、不同的掃描角度、不同的加窗函數、不同量化電平時的增益方向圖。 通過該系統進行模擬仿真，并將仿真結果進行對比，可以清晰地了解天線在各個轉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、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 結語 雷達系統分析課程理論性強，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鍵問題。考慮到Matlab的圖形用戶界面非常形象，本文采用VC和Matlab混合編程充分發揚了兩種語言的優勢，開發實現了該課程教學實驗GUI軟件包。實驗表明，該雷達系統仿真軟件包界面友好，參數設置靈活，并且在仿真的過程中能隨時看到雷達信號發射、接收和信號處理等各方面的文字或圖形描述。 |
