专利名称：一种均匀圆阵二维music测向装置的制作方法
技术领域：
本发明属于雷电监测系统技术，具体涉及一种均勻圆阵二维MUSIC(Multiple Signal Classification，多信号分类算法)测向装置，它尤其适合于对于云闪的定位，并且能够应用于高速率的实时测向。
背景技术：
在现代阵列信号处理中，波达方向(DOA)估计在近几十年来一直是研究和实现的热点和难点，而且在雷达、水下声纳、移动通信和电子对抗中有着广泛的应用。传统的测向技术常利用相位信息、幅度信息或者相位幅度结合做测向处理。目前应用最多的是相位体制，如互相关相位干涉仪、多普勒等。互相关相位干涉仪原理简单、实现难度低，但同时也存在相位�：�、精度不高的弊端。一般对云间闪电波到达探测站的入射方向(方位角和俯仰角)采用的是这种相位干涉仪法。目前常见的空间谱测向算法有=Shcmidt的多重信号分类算法和Roy的旋转不变子空间算法。多重信号分类算法具有空间谱技术特有的高分辨率，高准确率的特点，也具有其利用特征分解和构造复杂的空间谱带来的高额计算量，而且在实际系统中往往要求对目标方位估计具有一定的实时性。因此往往利用高速数字信号处理装置来完成这些计算复杂度比较高的计算得到目标方位。
发明内容
本发明的目的在于提供一种对目标方位有较高估计精度的均勻圆阵二维MUSIC 测向装置。本发明提供的一种均勻圆阵二维MUSIC测向装置，其特征在于，该装置包括FPGA 处理单元和DSP处理单元，DSP处理单元接收FPGA处理单元传来的含有目标方位信息的协方差矩阵，再利用二维MUSIC算法得到目标的方位信息，然后将方位信息传给FPGA处理单元；FPGA处理单元负责将外部天线接收到的信号经过滤波去噪处理之后，计算生成含有目标方位信息的协方差矩阵，FPGA处理单元还负责存储DSP计算完成的方位信息。本发明提供一种估计精度高的均勻圆阵二维MUSIC测向装置，它与以往的装置相比不但适合于工程实现，而且尽可能在各个步骤减小运算复杂度，使装置实时测向能力比以往装置有所提高。本装置的主要组成部分是DSP处理器，它接收由FPGA处理器生成的含有目标方位信息的协方差矩阵，经过一些�？榇碇蟮玫侥勘攴轿坏墓兰浦担缓蠼庑┕兰浦荡鳩PGA处理器存储于计算机硬盘中。DSP处理器的主要�？榘ǔ绦虼娲⑵鳎糜诖娣攀荽砥骱虳SP传输接口的运行程序；数据存储器，用于存储FPGA处理器传输的含有目标方位信息的协方差矩阵、计算空间谱值的阵列流型矢量表格、计算的中间数据和计算完成的对目标方位的估计值；数据处理器，用于DSP的初始化、生成阵列流型矢量表格和对协方差矩阵进行MUSIC运算得到目标方位值；DSP传输接口，当FPGA有协方差矩阵传输给DSP 或者DSP将计算完成的目标方位估计值传输给FPGA时，需要通过DSP传输接口来完成相应的传输。本装置采用DSP的HPI接口作为传输接口，当进行数据传输时，需要对同一块数据存储空间进行读写操作，但是由于DSP和FPGA相互传输数据速率不一致会带来数据同步问题，因此本装置应用循环队列存储设计解决数据同步问题。并且使用两个循环存储队列，即循环写队列和循环读队列，来分别处理FPGA往DSP存储空间传输含目标方位信息协方差矩阵的写过程和FPGA从DSP存储空间取估计出的目标方位估计值的读过程。本装置采用二维MUSIC算法作为对目标方位进行估计的方法，该算法具有分辨率高，估计精度高，而且可以同时估计多个目标方位等优点，因此本装置具有以往基于干涉仪侧向技术的装置所没有的优点。二维MUSIC算法包括特征值分解、信号个数估计、构造空间谱和二维谱峰搜索。本装置采用了一些计算复杂度较低而且有较高精度的算法实现了这些过程。由于协方差矩阵具有实对称的特性，且QR法运用于实对称矩阵时，相对于其它方法具有较高的效率，因此本装置的特征值分解采用QR方法。信号个数估计采用修正特征值的特征门限方法，这种方法适用于色噪声背景下的信号个数估计，因为实际背景噪声往往属于色噪声。二维谱峰搜索算法采用一种基于数据聚类和分级搜索的方法，它具有计算复杂度低且估计精度较高等优点。
图1是本发明装置的结构示意图；图2是DSP上电后软件执行流程图；图3是DSP目标方位估计的流程图；图4是DSP中断服务程序软件流程图；图5是循环队列图(Q. front代表头指针，Q. rear代表尾指针，Maxsize代表队列长度)；图6是二维谱峰搜索流程图。图7是谱峰粗搜索流程图；图8是谱峰细搜索流程图；图9是类似灌水法流程图；图10是第一种最优谱峰方位计算流程图；图11是第二种最优谱峰方位计算流程图。
具体实施例方式如图1所示，本发明装置总体由FPGA处理单元101和DSP处理单元102构成。本装置的核心是DSP处理单元102，它接收FPGA处理单元101传来的含有目标方位信息的协方差矩阵。这些协方差矩阵经过DSP处理单元102处理之后得到目标的方位信息，然后将方位信息传给FPGA处理单元101。FPGA处理单元101的作用主要由两部分组成a、将外部天线接收到的信号经过滤波去噪处理之后，计算生成含有目标方位信息的协方差矩阵；b、负责将DSP计算完成的方位信息存储至计算机硬盘。DSP处理单元102用于实现二维MUSIC算法，它包含数据处理器201、数据存储器 202、DSP传输接口 203和程序存储器204。数据存储器202用来存储由FPGA处理单元101传输来的协方差矩阵、数据处理器 201计算空间谱值时所需的阵列流型矢量和已计算完的待传给FPGA处理单元101的目标方位信息。程序存储器204包含两部分程序一部分程序作用于数据处理器201，即对DSP处理单元102初始化和利用二维MUSIC算法对信号方位估计；另外一部分程序用于对DSP传输接口 203的控制，即HPI中断服务程序。数据处理器201包括DSP上电后的初始化、阵列流型表的生成和存储和从接收到协方差矩阵到最后得到信号方位的所有信号处理过程。如图2所示，DSP上电后的处理步骤如下(301)DSP上电或者复位；(302) DSP进入引导程序，即从DSP相应起始地址执行程序，然后将程序存储器204 上的程序分别搬移到数据处理器201和DSP数据接口 203存放程序的相应的位置；(303)进入C语言环境的主程序首先进行底层硬件初始化；(304)生成阵列流型矢量表，用以简化计算空间谱值；(305)将GPIO管脚的GP4置为高电平，通知FPGA处理单元101，DSP初始化完成， 可以和DSP传输数据；(306)查询判断是否有未计算完的协方差矩阵。如果有，进入步骤(307)，没有，则继续等待；(307)信号的DOA估计部分，进入步骤(306)。其中在304中生成阵列流型矢量表是为了减小空间谱值计算量而设置的，因为二维MUSIC算法需要计算搜索范围内每个方位的空间谱值，计算空间谱值时需要的阵列流型矢量包含了非常复杂的非线性运算，需要很多计算资源。因此本装置将所测空间按照一定间隔划分为一个网格，然后将计算得到的网格上的阵列流型矢量建立成表格，存入数据存储器202中。这样在计算空间谱值时，只需要从相应存储位置取出计算好的阵列流型矢量用以计算空间相应位置的空间谱值，从而大大减小了计算空间谱值的运算量，提高了运算速度。生成阵列流型矢量表具体方法如下经过实数化处理后的8圆阵的阵列流型矢量α汐,勿为
权利要求
1.一种均勻圆阵二维MUSIC测向装置，其特征在于，该装置包括FPGA处理单元(101) 和DSP处理单元(102)，DSP处理单元(10 接收FPGA处理单元(101)传来的含有目标方位信息的协方差矩阵，再利用二维MUSIC算法得到目标的方位信息，然后将方位信息传给 FPGA处理单元(101)；FPGA处理单元(101)负责将外部天线接收到的信号经过滤波去噪处理之后，计算生成含有目标方位信息的协方差矩阵，FPGA处理单元(101)还负责存储DSP计算完成的方位信肩、ο
2.根据权利要求1所述的均勻圆阵二维MUSIC测向装置，其特征在于，DSP处理单元 (102)包含数据处理器(201)、数据存储器(20 、DSP传输接口(20 和程序存储器Q04)；数据存储器(20 用于存储由FPGA处理单元(101)传输来的协方差矩阵、数据处理器 (201)计算空间谱值时所需的阵列流型矢量和已计算完的待传给FPGA处理单元(101)的目标方位信息；程序存储器(204)包含两部分程序一部分程序作用于数据处理器201，即对DSP处理单元102初始化和利用二维MUSIC算法对信号方位估计；另外一部分程序用于对DSP传输接口 203的控制，即HPI中断服务程序；DSP传输接口(203)用于完成FPGA处理单元(101)和DSP处理单元(102)之间的数据交换；数据处理器(201)包括DSP上电后的初始化、阵列流型表的生成和存储和从接收到协方差矩阵到最后得到信号方位的所有信号处理过程。
全文摘要
本发明公开了一种均匀圆阵二维MUSIC测向装置，它包括FPGA处理单元和DSP处理单元，DSP处理单元接收FPGA处理单元传来的含有目标方位信息的协方差矩阵，再利用二维MUSIC算法得到目标的方位信息，然后将方位信息传给FPGA处理单元；FPGA处理单元负责将外部天线接收到的信号经过滤波去噪处理之后，计算生成含有目标方位信息的协方差矩阵，FPGA处理单元还负责存储DSP计算完成的方位信息。本装置采用二维MUSIC算法作为对目标方位进行估计的方法，可以尽可能在各个步骤减小运算复杂度，使装置实时测向能力比以往装置有所提高。
文档编号G01S3/78GK102520390SQ20111037657
公开日2012年6月27日 申请日期2011年11月23日 优先权日2011年11月23日
发明者罗冶, 谭萍, 陈劲峰, 马洪 申请人:华中科技大学
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