Phased Array Pro

GPU 加速相控阵雷达波束聚合模拟器 — Rust + CUDA + React + Three.js

概述

相控阵雷达通过控制各阵元的相位差实现电子扫描，无需机械转动。本项目提供：

• 3D 交互式波束方向图可视化（Three.js / React Three Fiber）
• 超分辨 DOA 估计（MUSIC / ESPRIT / MVDR）
• 真实物理建模（单元方向图、互耦合、相位量化、宽带 squint、阵元故障）
• CUDA GPU 加速 + Rayon 多核 CPU 并行

架构

phased-array-pro/
├── backend/                    # Rust 后端
│   ├── Cargo.toml
│   ├── src/
│   │   ├── main.rs             # Axum HTTP server (10 endpoints)
│   │   ├── array.rs            # 阵列几何生成
│   │   ├── beamforming.rs      # AF / 波束形成 / Taylor 锥削 (Rayon 并行)
│   │   ├── super_res.rs        # MUSIC / ESPRIT / MVDR
│   │   ├── physics.rs          # cos^q / 互耦合 / 相位量化 / squint / 故障
│   │   └── gpu/
│   │       ├── mod.rs          # GPU 调度 + CPU fallback
│   │       └── cuda_ffi.rs     # CUDA Driver API FFI (libloading)
│   └── kernels/
│       ├── kernels.cu          # CUDA C kernel 源码
│       └── kernels.ptx         # 预编译 PTX (include_bytes! 嵌入)
├── frontend/                   # React + TypeScript 前端
│   ├── package.json
│   ├── vite.config.ts
│   └── src/
│       ├── App.tsx             # 主布局 + 状态管理 + auto-compute
│       ├── api/client.ts       # 类型安全 API 客户端
│       └── components/
│           ├── Viewer3D.tsx    # @react-three/fiber 3D 场景
│           ├── ControlPanel.tsx# 阵列 + 波束控制面板
│           ├── DOAPanel.tsx    # MUSIC/ESPRIT/MVDR 面板
│           ├── PhysicsPanel.tsx# 真实物理效应面板
│           └── InfoOverlay.tsx # 元数据面板
├── docs/                       # 文档
│   ├── architecture.md         # 架构设计
│   ├── api-reference.md        # API 参考
│   ├── physics.md              # 物理模型
│   └── development.md          # 开发指南
├── LICENSE                     # MIT
└── README.md

快速启动

环境要求

• Rust 1.96+
• Node.js 20+
• CUDA Toolkit 13.2（可选，用于 GPU 加速；无 CUDA 时自动 CPU 模式）
• Windows / Linux / macOS

1. 启动后端

cd backend
cargo run --release

后端运行在 http://localhost:8000，API 文档 http://localhost:8000/docs

2. 启动前端

cd frontend
npm install
npm run dev

打开 http://localhost:5173

3. 编译 CUDA Kernel（可选）

cd backend/kernels
nvcc -ptx -arch=sm_75 -o kernels.ptx kernels.cu

PTX 会在 Rust 编译时通过 include_bytes! 嵌入二进制。

物理原理

阵列因子

$$AF(\theta,\phi) = \sum_{n=1}^{N} w_n \cdot e^{j\frac{2\pi}{\lambda}(x_n\sin\theta\cos\phi + y_n\sin\theta\sin\phi)}$$

波束宽度（3 dB）

$$\Delta\theta_{3dB} \approx \frac{51\degree}{N \cdot d/\lambda}$$

波束 Squint

$$\sin\theta_{actual} = \frac{f_0}{f} \cdot \sin\theta_{design}$$

MUSIC 伪谱

$$P_{MUSIC}(\theta) = \frac{1}{\mathbf{a}^H(\theta) \mathbf{E}_n \mathbf{E}_n^H \mathbf{a}(\theta)}$$

API 参考

端点	方法	说明
/api/health	GET	健康检查（返回 backend、CUDA 状态）
/api/geometries	GET	支持的阵列几何形状
/api/compute-pattern	POST	计算波束方向图（3D/2D/切面）
/api/element-positions	POST	获取阵元位置
/api/music	POST	MUSIC DOA 超分辨估计
/api/esprit	POST	ESPRIT DOA 估计
/api/mvdr	POST	MVDR/Capon 自适应波束形成
/api/pattern-realistic	POST	含真实物理效应的方向图
/api/beam-squint	POST	宽带波束 squint 分析

详细参数见 docs/api-reference.md

性能

场景	CPU (Rayon)	GPU (CUDA)
16×16 阵列, 122×122 网格	~15 ms	~0.5 ms
32×32 阵列, 182×182 网格	~80 ms	~2 ms
MUSIC (16 elem, 500 snap)	~5 ms	~0.3 ms

实测于 RTX 5070 Laptop GPU + AMD Ryzen

功能清单

• 3 种阵列几何（矩形 / 圆形 / 三角形）
• 4 种幅度锥削（Uniform / Taylor / Hamming / Hanning）
• 实时角度偏转（θ / φ 滑块 + 3D 实时更新）
• 3D 辐射方向图（指数增益映射，主瓣尖峰清晰可见）
• E-plane / H-plane 切面图
• MUSIC 超分辨 DOA
• ESPRIT 闭式解 DOA
• MVDR / Capon 自适应波束形成
• 单元方向图 cos^q(θ)
• 互耦合矩阵（Toeplitz）
• 相位量化（n-bit 移相器模拟）
• 阵元故障模拟（开路 / 短路 / 漂移）
• 宽带波束 squint 分析
• CUDA GPU 加速 + CPU Rayon fallback
• PTX 嵌入二进制（include_bytes!）
• TypeScript 类型安全 API 客户端

License

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