#!/usr/bin/env python3 # -*- coding: utf-8 -*- """ 位相配列のビームフォーミングアニメーションと関連するプロットを生成するスクリプト。 このスクリプトは、コマンドライン引数 `argparse` を使用して、 位相配列アンテナのビームフォーミングシミュレーションの様々なパラメータ（波源数、波長、操向角など）を制御できます。 波の伝播のアニメーションと、各波源の位相オフセットのプロットを表示します。 :doc:`aesa_usage` Examples: python aesa.py python aesa.py --steer-angle 45 --n-sources 32 python aesa.py --wavelength 1.0 --spacing-multiple 0.5 --frames 80 """ import argparse import numpy as np import matplotlib.pyplot as plt from matplotlib.animation import FuncAnimation def parse_args(): """ コマンドライン引数を解析する。 位相配列ビームフォーミングアニメーションとソース位相オフセットプロットのための 設定オプションを定義し、コマンドラインからそれらを読み込む。 :returns: argparse.Namespace: 解析されたコマンドライン引数を含むオブジェクト。 """ parser = argparse.ArgumentParser( description="Animate phased-array beamforming and plot source phase offsets." ) parser.add_argument("--n-sources", type=int, default=16, help="Number of wave sources. Default: 16") parser.add_argument("--wavelength", type=float, default=1.0, help="Wavelength. Default: 1.0") parser.add_argument("--spacing", type=float, default=None, help="Source spacing. If omitted, wavelength * spacing_multiple is used.") parser.add_argument("--spacing-multiple", type=float, default=0.5, help="Source spacing in units of wavelength. Used only when --spacing is omitted. Default: 0.5") parser.add_argument("--steer-angle", type=float, default=30.0, help="Beam steering angle in degrees. Default: 30") parser.add_argument("--speed", type=float, default=1.0, help="Wave speed in simulation units. Default: 1.0") parser.add_argument("--xmin", type=float, default=-10.0, help="Minimum x value of calculation region. Default: -10") parser.add_argument("--xmax", type=float, default=10.0, help="Maximum x value of calculation region. Default: 10") parser.add_argument("--nx", type=int, default=300, help="Number of x mesh points. Default: 300") parser.add_argument("--ymin", type=float, default=0.0, help="Minimum y value of calculation region. Default: 0") parser.add_argument("--ymax", type=float, default=15.0, help="Maximum y value of calculation region. Default: 15") parser.add_argument("--ny", type=int, default=300, help="Number of y mesh points. Default: 300") parser.add_argument("--frames", type=int, default=50, help="Number of animation frames. Default: 50") parser.add_argument("--interval", type=int, default=50, help="Animation interval in milliseconds. Default: 50") parser.add_argument("--dt", type=float, default=0.1, help="Time step per frame. Default: 0.1") parser.add_argument("--levels", type=int, default=50, help="Number of contour levels. Default: 50") parser.add_argument("--vmin", type=float, default=-1.5, help="Minimum color scale value. Default: -1.5") parser.add_argument("--vmax", type=float, default=1.5, help="Maximum color scale value. Default: 1.5") parser.add_argument("--fig-width", type=float, default=8.0, help="Figure width. Default: 8") parser.add_argument("--fig-height", type=float, default=6.8, help="Figure height. Default: 6.8") return parser.parse_args() def wrap_phase(phi): """ 位相を `[-π, π)` の範囲にラップする。 位相値がこの範囲を超える場合に、周期性に基づいて等価な値に変換する。 例えば、`3π` は `π` に、`-3π/2` は `π/2` にラップされる。 :param phi: float or numpy.ndarray: ラップする位相値（ラジアン）。 :returns: float or numpy.ndarray: `[-π, π)` の範囲にラップされた位相値。 """ return (phi + np.pi) % (2.0 * np.pi) - np.pi def main(): """ 位相配列ビームフォーミングアニメーションのメイン処理を実行する。 コマンドライン引数に基づいて波源、計算領域を設定し、 波の伝播とビームフォーミング効果を視覚化するアニメーションと 位相オフセットのプロットを生成する。 """ args = parse_args() n_sources = args.n_sources wavelength = args.wavelength k = 2.0 * np.pi / wavelength spacing = args.spacing if args.spacing is not None else wavelength * args.spacing_multiple steer_angle = args.steer_angle speed_of_light = args.speed x_range = np.linspace(args.xmin, args.xmax, args.nx) y_range = np.linspace(args.ymin, args.ymax, args.ny) X, Y = np.meshgrid(x_range, y_range) source_xs = np.linspace( -(n_sources - 1) * spacing / 2.0, +(n_sources - 1) * spacing / 2.0, n_sources, ) theta_rad = np.radians(steer_angle) phases = -k * source_xs * np.sin(theta_rad) phases_wrapped = wrap_phase(phases) def get_initial_phase(i): """ ビームステアリングのための初期位相オフセットを計算する。 指定された波源インデックス `i` に対応する、計算済みの位相オフセット `phases[i]` を返す。 これはビームを特定の角度に操向するために各波源に与えられる。 :param i: int: 波源のインデックス。 :returns: float: 指定された波源の初期位相オフセット（ラジアン）。 """ return phases[i] fig = plt.figure(figsize=(args.fig_width, args.fig_height)) gs = fig.add_gridspec(2, 1, height_ratios=[9, 1], hspace=0.28) ax = fig.add_subplot(gs[0, 0]) ax_phase = fig.add_subplot(gs[1, 0]) def calculate_field(frame): """ 指定されたアニメーションフレームにおける実数波場を計算する。 各波源からの球面波を合成し、指定された時間のスナップショットにおける総波場を計算する。 各波源にはビームステアリングのための位相オフセットが適用される。 振幅は距離の平方根に反比例して減衰する。 :param frame: int: 現在のアニメーションフレーム番号。 :returns: numpy.ndarray: 計算された実数波場。 """ t = frame * args.dt omega = k * speed_of_light total_field = np.zeros_like(X, dtype=complex) for i, sx in enumerate(source_xs): r = np.sqrt((X - sx) ** 2 + Y ** 2) phi_0 = get_initial_phase(i) total_field += np.exp(1j * (omega * t - k * r + phi_0)) / np.sqrt(r + 0.5) return np.real(total_field) initial_field = calculate_field(0) ax.contourf( X, Y, initial_field, levels=args.levels, cmap="RdBu_r", vmin=args.vmin, vmax=args.vmax, ) ax.scatter(source_xs, np.zeros_like(source_xs), color="black", s=5, zorder=10) ax.set_title(f"Phased Array Beamforming (Angle: {steer_angle:g}°)") ax.set_aspect("equal") ax.set_xlabel("x") ax.set_ylabel("y") ax_phase.plot(np.arange(n_sources), phases, marker="o", linewidth=0.8, label="phase") ax_phase.plot(np.arange(n_sources), phases_wrapped, marker="s", linewidth=0.8, label="wrapped phase [-π,π)") ax_phase.axhline(0.0, color="black", linewidth=0.5) ax_phase.set_xlim(-0.5, n_sources - 0.5) ax_phase.set_ylabel("phase [rad]") ax_phase.set_xlabel("source index") ax_phase.tick_params(labelsize=8) ax_phase.legend(fontsize=8, loc="upper right") ax_phase.grid(True, linewidth=0.3) def update(frame): """ アニメーションの各フレームで波の状態を更新する。 `calculate_field` 関数を呼び出して現在のフレームの波場を計算し、 それを `matplotlib` の `contourf` でプロットを更新する。 波源の位置も再描画される。 :param frame: int: 現在のアニメーションフレーム番号。 :returns: tuple: 更新された `matplotlib.contourf` オブジェクトを含むタプル。 """ ax.clear() field_real = calculate_field(frame) im = ax.contourf( X, Y, field_real, levels=args.levels, cmap="RdBu_r", vmin=args.vmin, vmax=args.vmax, ) ax.scatter(source_xs, np.zeros_like(source_xs), color="black", s=5) ax.set_title(f"Phased Array Beamforming (Angle: {steer_angle:g}°)") ax.set_aspect("equal") ax.set_xlabel("x") ax.set_ylabel("y") return im, ani = FuncAnimation(fig, update, frames=args.frames, interval=args.interval, blit=False) plt.pause(0.01) if __name__ == "__main__": main() input("\nPress ENTER to terminate>>")