专利名称：一种多基线相位-相位谱干涉仪测向装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种基于多基线的相位一相位谱干涉仪测向装置，具体涉及该测向装置中的数字处理算法及相应的硬件单元。
背景技术：
无源定位技术是利用被探测目标自身的电磁辐射来实现目标定位的技术。由于定位系统自身不发射电磁波，因而可以避开反雷达设备，对目标进行隐蔽地探测和定位，具有抗干扰能力强、作用距离远等一系列优点。无源定位技术的核心之一在于对电磁辐射源进行高精度的测向。目前已有多种测向算法投入实际应用。相比于需要进行二维谱峰搜索的空间谱测向算法，相位干涉仪算法因其方法简单、实现方便、计算速度快等特点而得到广泛应用。相位干涉仪算法成功应用的关键在于以下几个问题的解决如何计算入射信号到达任意两个接收天线时的相位差、如何根据天线阵列流形来设计解相位�：牟呗�、如何对多个不同频率的入射波进行测向。 此前，人们较多关注解相位模糊问题，已提出了基于多基线的多种解�：椒�(包括相关干涉仪方法在内)，但对前述另两个问题却较少研究，也极少给出结合实际硬件平台的相位干涉仪算法的实现细节。
发明内容
针对上述问题，本发明公开一种基于正交/非正交多基线的相位-相位谱干涉仪测向装置，该装置具有良好的测向精度和可靠性，能够解决单个窄带信号入射或多个异频窄带信号入射这两种典型情况下的信号波达方向估计问题。本发明提供的一种多基线相位-相位谱干涉仪测向装置，其特征在于，该装置包括依次电连接的天线阵列、多通道数字接收单元和数字信号处理单元；天线阵列用于接收VHF频段的电磁信号，并将接收到的电磁信号分别传送给多通道数字接收单元；多通道数字接收单元对天线阵列所接收到得电磁信号进行模拟滤波、放大、混频处理，然后经过ADC同步采样得到具有数字信号，最后，经过预处理后提供给数字信号处理单元；数字信号处理单元根据天线阵列的流形，实现正交/非正交多基线相位干涉仪测向功能和相位谱干涉仪测向功能，完成对单个窄带信号入射或多个异频窄带信号入射的信号波达方向估计；所述数字信号处理单元包括互相关计算�？�、FFT计算�？�、数据分类缓存�？�、 数据输出控制模块、PCI上传模块、反三角函数计算模块、相位差计算�？�、解相位�：惴？楹虳OA计算�？椋换ハ喙丶扑隳？槎越邮詹杉玫降氖中藕牛鐾ǖ兰涞幕ハ喙卮恚玫剿没叩幕ハ喙仄骄担⒔扑愕玫降幕ハ喙匦畔⑼ü葑橹〈淠？樘峁└莘掷嗷捍婺？椋籉FT计算�？槎悦扛鐾ǖ澜邮詹裳玫降氖葑鯢FT处理，得到信号的频域信息， 包括对通道直接做FFT得到的通道信号频谱信息和先对两通道做互相关计算，然后对计算得到的互相关做FFT处理得到的互相关频谱信息，并通过数据组帧传输�？樘峁└莘掷嗷捍婺？椋皇莘掷嗷捍婺？橛糜诙越邮盏降氖萁蟹掷嗷捍妫皇菔涑隹刂颇？橛糜诳刂频诙﨔PGA中的数据流走向，完成PCI上传模块对数据分类缓存�？楹虷PI接口�？橹惺莸姆掷嘤行虻亩寥。币餐瓿墒莘掷嗷捍婺？楹� HPI接口�？橹涞氖萃ㄐ牛幌辔徊罴扑隳？槔没ハ喙匦畔⒑托藕诺钠涤蛐畔ⅲ攵哉荡ピ春涂砥荡嘣戳街植煌男藕湃肷洌萌植煌姆椒扑愕玫交叩牧蕉颂煜呓邮盏降男藕诺南辔徊睿⑻峁└庀辔荒：惴？椋唤庀辔荒：惴？槔萌范ㄎ弈：牧蕉袒叩南辔徊钣肟赡艽嬖谀：某せ呦辔徊畹娜范ü叵担慈范ㄉ鲜龀せ呦嗟奈徊睿⑻峁└鳧OA计算�？椋籇OA计算�？槔贸せ呦辔徊钋蟮眯藕诺娜肷浞较颍⒋嬷紻SP的外部存储�？橹写茫环慈呛扑隳？椴捎梅侄握箍├占妒姆椒ǎ肈SP实现定点化的反正切函数和反余弦函数的计算，供相位差计算�？楹虳OA计算�？榈饔茫籔CI上传�？橛糜诙寥“úㄐ涡畔�、DOA信息、互相关信息和信号的频域信息在内的各类数据，然后上传到PC机。与其它的相位干涉仪测向装置相比，本发明公开的基于正交/非正交多基线的相位-相位谱干涉仪测向方法及数字处理装置，具有以下特点(1)使用两条彼此正交的长基线来计算接收信号的精确相位差，然后使用两条非正交的短基线来解除相位�：Ｋ褂玫幕呤伲⑶揖弑�0° 360°方位角和0° 90°仰角的全空域测量范围；(2)采用多基线相位干涉仪算法计算单个窄带入射信号的波达方向，使用多基线相位谱干涉仪算法计算多个异频窄带入射信号的波达方向。避免了常规的相位干涉仪只能处理单个入射信号的问题；(3)采用多点累积实现对单个窄带信号或多个异频窄带信号的入射相位差的计算，提高了相位差的计算精度，从而保证了最终的测向精度；(4)采用分区域泰勒级数展开的办法来计算方位角和仰角，避免了复杂的反三角运算，保证了算法的可实现性、计算速度和计算精度。
图1是本发明装置中天线阵列结构示意图；图2是本发明装置中多通道采集接收单元框图；图3为本发明装置中数字信号处理单元的结构示意图；图4是第一 FPGA芯片中互相关计算�？榈慕峁故疽馔迹煌�5是HPI接口�？橹械诙� FPGA芯片的状态转移图。
本发明装置包括依次电连接的天线阵列、多通道数字接收单元和数字信号处理单兀。天线阵列采用均勻分布在一个圆上的8根全向天线的来接收VHF频段的电磁信号，并将该8路信号分别通过8根同轴电缆引入多通道数字接收单元。多通道数字接收单元对天线阵列所接收到得信号进行模拟滤波、放大、混频等处理，然后经过ADC同步采样得到具有幅相一致性较好的数字信号，最后，经过数字下变频、 阵列校准、恒虚警门限检测和二次量化等阵列信号预处理过程。本装置的天线阵列流行如图1所示，本装置测向所用天线阵列由8根相同的VHF 频段全向天线组成，其中八根天线按照均勻圆阵排列，1号天线、3号天线、5号天线、7号天线分别位于圆心的正东、正南、正西、正北方向，且每两根相邻天线之间的距离不超过信号中心频率对应波长的一半，以保证对于任意相邻天线构成的短基线，在求相位差的过程中不会发生相位模糊。因此，所述装置利用相互正交的两长基线1-5、3-7来求波达角，用非正交的两条短基线2-3、3-4来解长基线相位�：�。如图2所示，多通道数字接收单元包括接收�？�201、同步采集�？�202、数字下变频处理�？�203、阵列校准�？�204、门限检测�？�205和二次量化�？�206。接收模块201利用模拟接收电路处理阵列天线接收到得模拟信号，保证能够在较大的功率范围内接收到来波信号，并提供给ADC同步采集�？�202。ADC同步采集�？�202用于将接收到得模拟信号经过模数转换成数字信号，并通过高速同步采集保证数字信号的幅频/相频一致性，之后提供给数字下变频处理模块203。数字下变频处理模块203将中频数字信号进行下变频处理，然后通过抽取降低工作频率，并提供给阵列校准�？�204。阵列校准�？�204利用天线以及接收机的不同的状态所对应的校准系数，对各路通道进行进一步的幅相一致性上的调整，提供给门限检测�？�205。门限检测�？�205利用平常状态下采样的本地噪声功率的k倍作为检测门限，判断接收到的数字信号的功率是否大于检测门限，将功率大于检测门限的信号认为是有效的数字信号，并过滤掉非有效的数字信号。其中k为大于1的正整数，是一个可以调整的经验值。二次量化�？�206对门限过滤得到的有效的数字信号进行两次截位量化，来缩短该数字信号的字长，从而保证后面大量计算的精度并减少资源消耗。数字信号处理单元根据天线阵列的流形，实现正交/非正交多基线相位干涉仪测向功能和相位谱干涉仪测向功能，从而应对单个窄带信号入射或多个异频窄带信号入射这两种典型情况下的信号波达方向快速、精确估计的问题。数字信号处理单元在硬件实现上没有特别的要求，下面仅以采用一块DSP芯片、两块FPGA芯片以及它们的外围电路实现的方式为例对其作进一步详细的说明。如图3所示，数字信号处理单元包括设置在第一 FPGA芯片上的互相关计算�？� 100和FFT (快速傅立叶变换)计算�？�101，设置在第二 FPGA芯片上的数据分类缓存�？� 103、数据输出控制�？�104和PCI上传�？�106，以及设置在DSP芯片上的反三角函数计算�？�107、相位差计算模块108、解相位模糊算法模块109和DOA计算�？�110，第一、二 FPGA芯片之间设置有数据组帧传输�？�102，第二 FPGA芯片和DSP芯片之间设置有HPI接口�？�105。互相关计算模块100对接收采集得到的数字信号，做通道间的互相关处理，得到所用基线的互相关平均值，并将计算得到的互相关信息通过数据组帧传输�？�102提供给数据分类缓存�？�103。FFT计算�？�101对每个通道接收采样得到的数据做FFT处理，得到信号的频域信息(包括通道信号频谱信息和互相关频谱信息)，通过数据组帧传输�？�102提供给数据分类缓存�？�103。数据组帧传输�？�102负责完成第一 FPGA芯片于第二 FPGA芯片之间的数据通信，将上述互相关计算�？�100和FFT计算�？�101的数据分类传到第二 FPGA芯片中。数据分类缓存模块103用于对接收到的第一 FPGA芯片中数据的分类缓存，并随时等待后面HPI接口�？�105和PCI上传�？�106来读取数据。数据输出控制�？�104用于调度数据分类缓存�？�103与HPI接口�？�105和 PCI上传�？�106之间的数据通信。HPI接口�？�105用于实现第二 FPGA芯片与DSP之间的数据通信，利用建立的读写FIFO，将互相关信息传给DSP，同时读取DSP计算得到的DOA数据。相位差计算�？�108利用互相关信息、通道信号频谱信息或者互相关频谱信息， 以三种不同的方法计算得到基线的两端天线接收到的信号的相位差，并提供给解相位�：惴？�109。解相位模糊算法�？�109利用确定无�：牧蕉袒叩南辔徊睿慈范ǹ赡艽嬖谙辔恢芷谛砸绯�(即相位�：�)的长基线相位差，并提供给DOA计算�？�110。DOA计算�？�110利用解�：蟮某せ呦辔徊罾辞蟮眯藕诺娜肷浞较�(即 DOA信息)，并存入存贮�？�。反三角函数计算�？�107用DSP实现定点化的反正切函数和反余弦函数的计算， 供相位差计算�？�108和DOA计算�？�110调用。PCI上传�？�106用于读取第二 FPGA芯片中的波形(即前面的数字信号)、D0A信息、互相关等各类数据，然后上传到PC端。下面通过借助实施例更加详细地说明上述数字信号处理单元中各部分的具体实现手段，但以下实施例仅是说明性的，本发明的保护范围并不受这些实施例的限制。天线阵列单元接收到的信号，经过前端八通道大动态范围接收、ADC同步采集、数字下变频处理、阵列校准、门限检测和二次量化之后，每个通道得到I、Q两路16bit数据，通道复信号可以表示为xp(n) = Ip(n)-j%(n)，其中 ρ = 1、2···8 ；其中，ρ为天线编号，η为采样点序号，Ip(η)和-ζ ρ(η)分别表示复信号的实部和虚部。这8通道I、Q数据，WN = 8000个采样点为一组，同时进入互相关计算�？�100 和FFT计算�？�101。互相关计算�？�100利用每个通道这8000个点的I、Q两路的数据计算得到所需的基线1-5、3-7、2-3、3-4的互相关
权利要求
1.一种多基线相位-相位谱干涉仪测向装置，其特征在于，该装置包括依次电连接的天线阵列、多通道数字接收单元和数字信号处理单元；天线阵列用于接收VHF频段的电磁信号，并将接收到的电磁信号分别传送给多通道数字接收单元；多通道数字接收单元对天线阵列所接收到得电磁信号进行模拟滤波、放大、混频处理， 然后经过ADC同步采样得到具有数字信号，最后，经过预处理后提供给数字信号处理单元； 数字信号处理单元根据天线阵列的流形，实现正交/非正交多基线相位干涉仪测向功能和相位谱干涉仪测向功能，完成对单个窄带信号入射或多个异频窄带信号入射的信号波达方向估计；所述数字信号处理单元包括互相关计算�？�(100)、FFT计算�？�(101)、数据分类缓存�？�(103)、数据输出控制�？�(104)、PCI上传�？�(106)、反三角函数计算�？�(107)、 相位差计算�？�(108)、解相位模糊算法�？�(109)和DOA计算�？�(110)；互相关计算模块(100)对接收采集得到的数字信号，做通道间的互相关处理，得到所用基线的互相关平均值，并将计算得到的互相关信息通过数据组帧传输�？�(10 提供给数据分类缓存�？�(103)；FFT计算�？�(101)对每个通道接收采样得到的数据做FFT处理，得到信号的频域信息，包括对通道直接做FFT得到的通道信号频谱信息和先对两通道做互相关计算，然后对计算得到的互相关做FFT处理得到的互相关频谱信息，并通过数据组帧传输�？�(102)提供给数据分类缓存模块(103)；数据分类缓存�？�(10 用于对接收到的数据进行分类缓存； 数据输出控制�？�(104)用于控制第二 FPGA中的数据流走向，完成PCI上传�？� (106)对数据分类缓存�？�(10 和HPI接口模块(10 中数据的分类有序的读�。币餐瓿墒莘掷嗷捍婺？�(10 和HPI接口�？�(10 之间的数据通信；相位差计算�？�(108)利用互相关信息和信号的频域信息，针对窄频带单源和宽频带多源两种不同的信号入射，利用三种不同的方法计算得到基线的两端天线接收到的信号的相位差，并提供给解相位�：惴？�(109)；解相位�：惴？�(109)利用确定无�：牧蕉袒叩南辔徊钣肟赡艽嬖谀：某せ呦辔徊畹娜范ü叵担慈范ㄉ鲜龀せ呦嗟奈徊睿⑻峁└鳧OA计算�？�(110)；DOA计算模块(110)利用长基线相位差求得信号的入射方向，并存贮到DSP的外部存储�？橹写茫环慈呛扑隳？�(107)采用分段展开泰勒级数的方法，用DSP实现定点化的反正切函数和反余弦函数的计算，供相位差计算�？�(108)和DOA计算�？�(110)调用；PCI上传模块(106)用于读取包括波形信息、DOA信息、互相关信息和信号的频域信息在内的各类数据，然后上传到PC机。
2.根据权利要求1所述的多基线相位-相位谱干涉仪测向装置，其特征在于，多通道数字接收单元包括接收�？�001)、同步采集�？�002)、数字下变频处理�？�003)、阵列校准�？�004)、门限检测�？�(20 和二次量化�？镺06)；接收�？�(201)利用模拟接收电路处理阵列天线接收到得模拟信号，并提供给ADC同步采集�？镺02)；ADC同步采集�？�(20 用于将接收到得模拟信号经过模数转换成数字信号，并通过高速同步采集保证数字信号的幅频/相频一致性，之后提供给数字下变频处理�？镺03)； 数字下变频处理�？�(20 将中频数字信号进行下变频处理，然后通过抽取降低工作频率，并提供给阵列校准�？�(204)；阵列校准�？�(204)利用天线以及接收机的不同的状态所对应的校准系数，对各路通道进行进一步的幅相一致性上的调整，再提供给门限检测�？镺05)；门限检测�？�(205)利用平常状态下采样的本地噪声功率的k倍作为检测门限，判断接收到的数字信号的功率是否大于检测门限，将功率大于检测门限的信号认为是有效的数字信号，并过滤掉非有效的数字信号，将有效的数字信号提供给二次量化�？�006)，其中 k为预先设定的系数；二次量化�？�(206)对有效地数字信号进行两次截位量化，缩短该数字信号的字长， 以提高计算的精度和减少资源消耗。
3.根据权利要求1或2所述的多基线相位-相位谱干涉仪测向装置，其特征在于， 互相关计算模块(100)和FFT计算�？�(101)设置在第一 FPGA芯片内，数据分类缓存模块(103)、数据输出控制�？�(104)和PCI上传�？�(106)设置在第二 FPGA芯片内，反三角函数计算�？�(107)、相位差计算�？�(108)、解相位�：惴？�(109)和DOA计算�？�(110)设置在DSP芯片内，第一、二 FPGA芯片之间设置有数据组帧传输�？�(102)，第二 FPGA芯片和DSP芯片之间设置有HPI接口模块(105)；数据组帧传输�？�(10 负责完成第一 FPGA芯片于第二 FPGA芯片之间的数据通信， 将上述互相关计算�？�(100)和FFT计算�？�(101)的数据分类传到第二 FPGA芯片中；HPI接口�？�(105)用于实现第二 FPGA芯片与DSP之间的数据通信，利用建立的读写 FIFO，完成以第二FPGA为主控芯片、DSP为从属芯片的主从问答式数据通信，将第二FPGA中的互相关信息和信号的频域信息传给DSP，同时第二 FPGA读取DSP计算得到的DOA数据，待通过PCI上传。
全文摘要
本发明公开了一种正交/非正交多基线相位-相位谱干涉仪测向装置。它以相位干涉仪和相位谱干涉仪测向算法为依据，根据实际测向环境、入射信号的频率范围、测向精度要求以及硬件资源等因素综合考虑设计而成。本装置由两片FPGA和一片DSP协同完成数字信号处理，分别针对窄频带单源信号和宽频带多源信号，实现正交/非正交多基线相位干涉仪和相位谱干涉仪两种测向算法。本发明算法简单、计算快速、测向精度较高、对硬件资源要求较低，可用于快速获取单源或多源入射信号的二维到达方向等应用场合。
文档编号G01S3/46GK102435978SQ20111037651
公开日2012年5月2日 申请日期2011年11月23日 优先权日2011年11月23日
发明者朱超, 罗冶, 谭萍, 马洪 申请人:华中科技大学
专业数控铣床产品供应商
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