專利名稱：一種多基線相位-相位譜干涉儀測向裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種基于多基線的相位一相位譜干涉儀測向裝置，具體涉及該測向裝置中的數(shù)字處理算法及相應(yīng)的硬件單元。
背景技術(shù)：
無源定位技術(shù)是利用被探測目標(biāo)自身的電磁輻射來實現(xiàn)目標(biāo)定位的技術(shù)。由于定位系統(tǒng)自身不發(fā)射電磁波，因而可以避開反雷達(dá)設(shè)備，對目標(biāo)進(jìn)行隱蔽地探測和定位，具有抗干擾能力強(qiáng)、作用距離遠(yuǎn)等一系列優(yōu)點(diǎn)。無源定位技術(shù)的核心之一在于對電磁輻射源進(jìn)行高精度的測向。目前已有多種測向算法投入實際應(yīng)用。相比于需要進(jìn)行二維譜峰搜索的空間譜測向算法，相位干涉儀算法因其方法簡單、實現(xiàn)方便、計算速度快等特點(diǎn)而得到廣泛應(yīng)用。相位干涉儀算法成功應(yīng)用的關(guān)鍵在于以下幾個問題的解決如何計算入射信號到達(dá)任意兩個接收天線時的相位差、如何根據(jù)天線陣列流形來設(shè)計解相位模糊的策略、如何對多個不同頻率的入射波進(jìn)行測向。 此前，人們較多關(guān)注解相位模糊問題，已提出了基于多基線的多種解模糊方法(包括相關(guān)干涉儀方法在內(nèi))，但對前述另兩個問題卻較少研究，也極少給出結(jié)合實際硬件平臺的相位干涉儀算法的實現(xiàn)細(xì)節(jié)。

發(fā)明內(nèi)容
針對上述問題，本發(fā)明公開一種基于正交/非正交多基線的相位-相位譜干涉儀測向裝置，該裝置具有良好的測向精度和可靠性，能夠解決單個窄帶信號入射或多個異頻窄帶信號入射這兩種典型情況下的信號波達(dá)方向估計問題。本發(fā)明提供的一種多基線相位-相位譜干涉儀測向裝置，其特征在于，該裝置包括依次電連接的天線陣列、多通道數(shù)字接收單元和數(shù)字信號處理單元；天線陣列用于接收VHF頻段的電磁信號，并將接收到的電磁信號分別傳送給多通道數(shù)字接收單元；多通道數(shù)字接收單元對天線陣列所接收到得電磁信號進(jìn)行模擬濾波、放大、混頻處理，然后經(jīng)過ADC同步采樣得到具有數(shù)字信號，最后，經(jīng)過預(yù)處理后提供給數(shù)字信號處理單元；數(shù)字信號處理單元根據(jù)天線陣列的流形，實現(xiàn)正交/非正交多基線相位干涉儀測向功能和相位譜干涉儀測向功能，完成對單個窄帶信號入射或多個異頻窄帶信號入射的信號波達(dá)方向估計；所述數(shù)字信號處理單元包括互相關(guān)計算模塊、FFT計算模塊、數(shù)據(jù)分類緩存模塊、 數(shù)據(jù)輸出控制模塊、PCI上傳模塊、反三角函數(shù)計算模塊、相位差計算模塊、解相位模糊算法模塊和DOA計算模塊；互相關(guān)計算模塊對接收采集得到的數(shù)字信號，做通道間的互相關(guān)處理，得到所用基線的互相關(guān)平均值，并將計算得到的互相關(guān)信息通過數(shù)據(jù)組幀傳輸模塊提供給數(shù)據(jù)分類緩存模塊；FFT計算模塊對每個通道接收采樣得到的數(shù)據(jù)做FFT處理，得到信號的頻域信息， 包括對通道直接做FFT得到的通道信號頻譜信息和先對兩通道做互相關(guān)計算，然后對計算得到的互相關(guān)做FFT處理得到的互相關(guān)頻譜信息，并通過數(shù)據(jù)組幀傳輸模塊提供給數(shù)據(jù)分類緩存模塊；數(shù)據(jù)分類緩存模塊用于對接收到的數(shù)據(jù)進(jìn)行分類緩存；數(shù)據(jù)輸出控制模塊用于控制第二FPGA中的數(shù)據(jù)流走向，完成PCI上傳模塊對數(shù)據(jù)分類緩存模塊和HPI接口模塊中數(shù)據(jù)的分類有序的讀取，同時也完成數(shù)據(jù)分類緩存模塊和 HPI接口模塊之間的數(shù)據(jù)通信；相位差計算模塊利用互相關(guān)信息和信號的頻域信息，針對窄頻帶單源和寬頻帶多源兩種不同的信號入射，利用三種不同的方法計算得到基線的兩端天線接收到的信號的相位差，并提供給解相位模糊算法模塊；解相位模糊算法模塊利用確定無模糊的兩短基線的相位差與可能存在模糊的長基線相位差的確定關(guān)系，來確定上述長基線相的位差，并提供給DOA計算模塊；DOA計算模塊利用長基線相位差求得信號的入射方向，并存貯到DSP的外部存儲模塊中待用；反三角函數(shù)計算模塊采用分段展開泰勒級數(shù)的方法，用DSP實現(xiàn)定點(diǎn)化的反正切函數(shù)和反余弦函數(shù)的計算，供相位差計算模塊和DOA計算模塊調(diào)用；PCI上傳模塊用于讀取包括波形信息、DOA信息、互相關(guān)信息和信號的頻域信息在內(nèi)的各類數(shù)據(jù)，然后上傳到PC機(jī)。與其它的相位干涉儀測向裝置相比，本發(fā)明公開的基于正交/非正交多基線的相位-相位譜干涉儀測向方法及數(shù)字處理裝置，具有以下特點(diǎn)(1)使用兩條彼此正交的長基線來計算接收信號的精確相位差，然后使用兩條非正交的短基線來解除相位模糊。所使用的基線數(shù)少，并且具備0° 360°方位角和0° 90°仰角的全空域測量范圍；(2)采用多基線相位干涉儀算法計算單個窄帶入射信號的波達(dá)方向，使用多基線相位譜干涉儀算法計算多個異頻窄帶入射信號的波達(dá)方向。避免了常規(guī)的相位干涉儀只能處理單個入射信號的問題；(3)采用多點(diǎn)累積實現(xiàn)對單個窄帶信號或多個異頻窄帶信號的入射相位差的計算，提高了相位差的計算精度，從而保證了最終的測向精度；(4)采用分區(qū)域泰勒級數(shù)展開的辦法來計算方位角和仰角，避免了復(fù)雜的反三角運(yùn)算，保證了算法的可實現(xiàn)性、計算速度和計算精度。


圖1是本發(fā)明裝置中天線陣列結(jié)構(gòu)示意圖；圖2是本發(fā)明裝置中多通道采集接收單元框圖；圖3為本發(fā)明裝置中數(shù)字信號處理單元的結(jié)構(gòu)示意圖；圖4是第一 FPGA芯片中互相關(guān)計算模塊的結(jié)構(gòu)示意圖；圖5是HPI接口模塊中第二 FPGA芯片的狀態(tài)轉(zhuǎn)移圖。
本發(fā)明裝置包括依次電連接的天線陣列、多通道數(shù)字接收單元和數(shù)字信號處理單兀。天線陣列采用均勻分布在一個圓上的8根全向天線的來接收VHF頻段的電磁信號，并將該8路信號分別通過8根同軸電纜引入多通道數(shù)字接收單元。多通道數(shù)字接收單元對天線陣列所接收到得信號進(jìn)行模擬濾波、放大、混頻等處理，然后經(jīng)過ADC同步采樣得到具有幅相一致性較好的數(shù)字信號，最后，經(jīng)過數(shù)字下變頻、 陣列校準(zhǔn)、恒虛警門限檢測和二次量化等陣列信號預(yù)處理過程。本裝置的天線陣列流行如圖1所示，本裝置測向所用天線陣列由8根相同的VHF 頻段全向天線組成，其中八根天線按照均勻圓陣排列，1號天線、3號天線、5號天線、7號天線分別位于圓心的正東、正南、正西、正北方向，且每兩根相鄰天線之間的距離不超過信號中心頻率對應(yīng)波長的一半，以保證對于任意相鄰天線構(gòu)成的短基線，在求相位差的過程中不會發(fā)生相位模糊。因此，所述裝置利用相互正交的兩長基線1-5、3-7來求波達(dá)角，用非正交的兩條短基線2-3、3-4來解長基線相位模糊。如圖2所示，多通道數(shù)字接收單元包括接收模塊201、同步采集模塊202、數(shù)字下變頻處理模塊203、陣列校準(zhǔn)模塊204、門限檢測模塊205和二次量化模塊206。接收模塊201利用模擬接收電路處理陣列天線接收到得模擬信號，保證能夠在較大的功率范圍內(nèi)接收到來波信號，并提供給ADC同步采集模塊202。ADC同步采集模塊202用于將接收到得模擬信號經(jīng)過模數(shù)轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號，并通過高速同步采集保證數(shù)字信號的幅頻/相頻一致性，之后提供給數(shù)字下變頻處理模塊203。數(shù)字下變頻處理模塊203將中頻數(shù)字信號進(jìn)行下變頻處理，然后通過抽取降低工作頻率，并提供給陣列校準(zhǔn)模塊204。陣列校準(zhǔn)模塊204利用天線以及接收機(jī)的不同的狀態(tài)所對應(yīng)的校準(zhǔn)系數(shù)，對各路通道進(jìn)行進(jìn)一步的幅相一致性上的調(diào)整，提供給門限檢測模塊205。門限檢測模塊205利用平常狀態(tài)下采樣的本地噪聲功率的k倍作為檢測門限，判斷接收到的數(shù)字信號的功率是否大于檢測門限，將功率大于檢測門限的信號認(rèn)為是有效的數(shù)字信號，并過濾掉非有效的數(shù)字信號。其中k為大于1的正整數(shù)，是一個可以調(diào)整的經(jīng)驗值。二次量化模塊206對門限過濾得到的有效的數(shù)字信號進(jìn)行兩次截位量化，來縮短該數(shù)字信號的字長，從而保證后面大量計算的精度并減少資源消耗。數(shù)字信號處理單元根據(jù)天線陣列的流形，實現(xiàn)正交/非正交多基線相位干涉儀測向功能和相位譜干涉儀測向功能，從而應(yīng)對單個窄帶信號入射或多個異頻窄帶信號入射這兩種典型情況下的信號波達(dá)方向快速、精確估計的問題。數(shù)字信號處理單元在硬件實現(xiàn)上沒有特別的要求，下面僅以采用一塊DSP芯片、兩塊FPGA芯片以及它們的外圍電路實現(xiàn)的方式為例對其作進(jìn)一步詳細(xì)的說明。如圖3所示，數(shù)字信號處理單元包括設(shè)置在第一 FPGA芯片上的互相關(guān)計算模塊 100和FFT (快速傅立葉變換)計算模塊101，設(shè)置在第二 FPGA芯片上的數(shù)據(jù)分類緩存模塊 103、數(shù)據(jù)輸出控制模塊104和PCI上傳模塊106，以及設(shè)置在DSP芯片上的反三角函數(shù)計算模塊107、相位差計算模塊108、解相位模糊算法模塊109和DOA計算模塊110，第一、二 FPGA芯片之間設(shè)置有數(shù)據(jù)組幀傳輸模塊102，第二 FPGA芯片和DSP芯片之間設(shè)置有HPI接口模塊105?；ハ嚓P(guān)計算模塊100對接收采集得到的數(shù)字信號，做通道間的互相關(guān)處理，得到所用基線的互相關(guān)平均值，并將計算得到的互相關(guān)信息通過數(shù)據(jù)組幀傳輸模塊102提供給數(shù)據(jù)分類緩存模塊103。FFT計算模塊101對每個通道接收采樣得到的數(shù)據(jù)做FFT處理，得到信號的頻域信息(包括通道信號頻譜信息和互相關(guān)頻譜信息)，通過數(shù)據(jù)組幀傳輸模塊102提供給數(shù)據(jù)分類緩存模塊103。數(shù)據(jù)組幀傳輸模塊102負(fù)責(zé)完成第一 FPGA芯片于第二 FPGA芯片之間的數(shù)據(jù)通信，將上述互相關(guān)計算模塊100和FFT計算模塊101的數(shù)據(jù)分類傳到第二 FPGA芯片中。數(shù)據(jù)分類緩存模塊103用于對接收到的第一 FPGA芯片中數(shù)據(jù)的分類緩存，并隨時等待后面HPI接口模塊105和PCI上傳模塊106來讀取數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)輸出控制模塊104用于調(diào)度數(shù)據(jù)分類緩存模塊103與HPI接口模塊105和 PCI上傳模塊106之間的數(shù)據(jù)通信。HPI接口模塊105用于實現(xiàn)第二 FPGA芯片與DSP之間的數(shù)據(jù)通信，利用建立的讀寫FIFO，將互相關(guān)信息傳給DSP，同時讀取DSP計算得到的DOA數(shù)據(jù)。相位差計算模塊108利用互相關(guān)信息、通道信號頻譜信息或者互相關(guān)頻譜信息， 以三種不同的方法計算得到基線的兩端天線接收到的信號的相位差，并提供給解相位模糊算法模塊109。解相位模糊算法模塊109利用確定無模糊的兩短基線的相位差，來確定可能存在相位周期性溢出(即相位模糊)的長基線相位差，并提供給DOA計算模塊110。DOA計算模塊110利用解模糊之后的長基線相位差來求得信號的入射方向(即 DOA信息)，并存入存貯模塊。反三角函數(shù)計算模塊107用DSP實現(xiàn)定點(diǎn)化的反正切函數(shù)和反余弦函數(shù)的計算， 供相位差計算模塊108和DOA計算模塊110調(diào)用。PCI上傳模塊106用于讀取第二 FPGA芯片中的波形(即前面的數(shù)字信號)、D0A信息、互相關(guān)等各類數(shù)據(jù)，然后上傳到PC端。下面通過借助實施例更加詳細(xì)地說明上述數(shù)字信號處理單元中各部分的具體實現(xiàn)手段，但以下實施例僅是說明性的，本發(fā)明的保護(hù)范圍并不受這些實施例的限制。天線陣列單元接收到的信號，經(jīng)過前端八通道大動態(tài)范圍接收、ADC同步采集、數(shù)字下變頻處理、陣列校準(zhǔn)、門限檢測和二次量化之后，每個通道得到I、Q兩路16bit數(shù)據(jù)，通道復(fù)信號可以表示為xp(n) = Ip(n)-j%(n)，其中 ρ = 1、2···8 ；其中，ρ為天線編號，η為采樣點(diǎn)序號，Ip(η)和-ζ ρ(η)分別表示復(fù)信號的實部和虛部。這8通道I、Q數(shù)據(jù)，WN = 8000個采樣點(diǎn)為一組，同時進(jìn)入互相關(guān)計算模塊100 和FFT計算模塊101?；ハ嚓P(guān)計算模塊100利用每個通道這8000個點(diǎn)的I、Q兩路的數(shù)據(jù)計算得到所需的基線1-5、3-7、2-3、3-4的互相關(guān)
權(quán)利要求
1.一種多基線相位-相位譜干涉儀測向裝置，其特征在于，該裝置包括依次電連接的天線陣列、多通道數(shù)字接收單元和數(shù)字信號處理單元；天線陣列用于接收VHF頻段的電磁信號，并將接收到的電磁信號分別傳送給多通道數(shù)字接收單元；多通道數(shù)字接收單元對天線陣列所接收到得電磁信號進(jìn)行模擬濾波、放大、混頻處理， 然后經(jīng)過ADC同步采樣得到具有數(shù)字信號，最后，經(jīng)過預(yù)處理后提供給數(shù)字信號處理單元； 數(shù)字信號處理單元根據(jù)天線陣列的流形，實現(xiàn)正交/非正交多基線相位干涉儀測向功能和相位譜干涉儀測向功能，完成對單個窄帶信號入射或多個異頻窄帶信號入射的信號波達(dá)方向估計；所述數(shù)字信號處理單元包括互相關(guān)計算模塊(100)、FFT計算模塊(101)、數(shù)據(jù)分類緩存模塊(103)、數(shù)據(jù)輸出控制模塊(104)、PCI上傳模塊(106)、反三角函數(shù)計算模塊(107)、 相位差計算模塊(108)、解相位模糊算法模塊(109)和DOA計算模塊(110)；互相關(guān)計算模塊(100)對接收采集得到的數(shù)字信號，做通道間的互相關(guān)處理，得到所用基線的互相關(guān)平均值，并將計算得到的互相關(guān)信息通過數(shù)據(jù)組幀傳輸模塊(10 提供給數(shù)據(jù)分類緩存模塊(103)；FFT計算模塊(101)對每個通道接收采樣得到的數(shù)據(jù)做FFT處理，得到信號的頻域信息，包括對通道直接做FFT得到的通道信號頻譜信息和先對兩通道做互相關(guān)計算，然后對計算得到的互相關(guān)做FFT處理得到的互相關(guān)頻譜信息，并通過數(shù)據(jù)組幀傳輸模塊(102)提供給數(shù)據(jù)分類緩存模塊(103)；數(shù)據(jù)分類緩存模塊(10 用于對接收到的數(shù)據(jù)進(jìn)行分類緩存； 數(shù)據(jù)輸出控制模塊(104)用于控制第二 FPGA中的數(shù)據(jù)流走向，完成PCI上傳模塊 (106)對數(shù)據(jù)分類緩存模塊(10 和HPI接口模塊(10 中數(shù)據(jù)的分類有序的讀取，同時也完成數(shù)據(jù)分類緩存模塊(10 和HPI接口模塊(10 之間的數(shù)據(jù)通信；相位差計算模塊(108)利用互相關(guān)信息和信號的頻域信息，針對窄頻帶單源和寬頻帶多源兩種不同的信號入射，利用三種不同的方法計算得到基線的兩端天線接收到的信號的相位差，并提供給解相位模糊算法模塊(109)；解相位模糊算法模塊(109)利用確定無模糊的兩短基線的相位差與可能存在模糊的長基線相位差的確定關(guān)系，來確定上述長基線相的位差，并提供給DOA計算模塊(110)；DOA計算模塊(110)利用長基線相位差求得信號的入射方向，并存貯到DSP的外部存儲模塊中待用；反三角函數(shù)計算模塊(107)采用分段展開泰勒級數(shù)的方法，用DSP實現(xiàn)定點(diǎn)化的反正切函數(shù)和反余弦函數(shù)的計算，供相位差計算模塊(108)和DOA計算模塊(110)調(diào)用；PCI上傳模塊(106)用于讀取包括波形信息、DOA信息、互相關(guān)信息和信號的頻域信息在內(nèi)的各類數(shù)據(jù)，然后上傳到PC機(jī)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的多基線相位-相位譜干涉儀測向裝置，其特征在于，多通道數(shù)字接收單元包括接收模塊001)、同步采集模塊002)、數(shù)字下變頻處理模塊003)、陣列校準(zhǔn)模塊004)、門限檢測模塊(20 和二次量化模塊O06)；接收模塊(201)利用模擬接收電路處理陣列天線接收到得模擬信號，并提供給ADC同步采集模塊O02)；ADC同步采集模塊(20 用于將接收到得模擬信號經(jīng)過模數(shù)轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號，并通過高速同步采集保證數(shù)字信號的幅頻/相頻一致性，之后提供給數(shù)字下變頻處理模塊O03)； 數(shù)字下變頻處理模塊(20 將中頻數(shù)字信號進(jìn)行下變頻處理，然后通過抽取降低工作頻率，并提供給陣列校準(zhǔn)模塊(204)；陣列校準(zhǔn)模塊(204)利用天線以及接收機(jī)的不同的狀態(tài)所對應(yīng)的校準(zhǔn)系數(shù)，對各路通道進(jìn)行進(jìn)一步的幅相一致性上的調(diào)整，再提供給門限檢測模塊O05)；門限檢測模塊(205)利用平常狀態(tài)下采樣的本地噪聲功率的k倍作為檢測門限，判斷接收到的數(shù)字信號的功率是否大于檢測門限，將功率大于檢測門限的信號認(rèn)為是有效的數(shù)字信號，并過濾掉非有效的數(shù)字信號，將有效的數(shù)字信號提供給二次量化模塊006)，其中 k為預(yù)先設(shè)定的系數(shù)；二次量化模塊(206)對有效地數(shù)字信號進(jìn)行兩次截位量化，縮短該數(shù)字信號的字長， 以提高計算的精度和減少資源消耗。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的多基線相位-相位譜干涉儀測向裝置，其特征在于， 互相關(guān)計算模塊(100)和FFT計算模塊(101)設(shè)置在第一 FPGA芯片內(nèi)，數(shù)據(jù)分類緩存模塊(103)、數(shù)據(jù)輸出控制模塊(104)和PCI上傳模塊(106)設(shè)置在第二 FPGA芯片內(nèi)，反三角函數(shù)計算模塊(107)、相位差計算模塊(108)、解相位模糊算法模塊(109)和DOA計算模塊(110)設(shè)置在DSP芯片內(nèi)，第一、二 FPGA芯片之間設(shè)置有數(shù)據(jù)組幀傳輸模塊(102)，第二 FPGA芯片和DSP芯片之間設(shè)置有HPI接口模塊(105)；數(shù)據(jù)組幀傳輸模塊(10 負(fù)責(zé)完成第一 FPGA芯片于第二 FPGA芯片之間的數(shù)據(jù)通信， 將上述互相關(guān)計算模塊(100)和FFT計算模塊(101)的數(shù)據(jù)分類傳到第二 FPGA芯片中；HPI接口模塊(105)用于實現(xiàn)第二 FPGA芯片與DSP之間的數(shù)據(jù)通信，利用建立的讀寫 FIFO，完成以第二FPGA為主控芯片、DSP為從屬芯片的主從問答式數(shù)據(jù)通信，將第二FPGA中的互相關(guān)信息和信號的頻域信息傳給DSP，同時第二 FPGA讀取DSP計算得到的DOA數(shù)據(jù)，待通過PCI上傳。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種正交/非正交多基線相位-相位譜干涉儀測向裝置。它以相位干涉儀和相位譜干涉儀測向算法為依據(jù)，根據(jù)實際測向環(huán)境、入射信號的頻率范圍、測向精度要求以及硬件資源等因素綜合考慮設(shè)計而成。本裝置由兩片F(xiàn)PGA和一片DSP協(xié)同完成數(shù)字信號處理，分別針對窄頻帶單源信號和寬頻帶多源信號，實現(xiàn)正交/非正交多基線相位干涉儀和相位譜干涉儀兩種測向算法。本發(fā)明算法簡單、計算快速、測向精度較高、對硬件資源要求較低，可用于快速獲取單源或多源入射信號的二維到達(dá)方向等應(yīng)用場合。
文檔編號G01S3/46GK102435978SQ20111037651
公開日2012年5月2日 申請日期2011年11月23日 優(yōu)先權(quán)日2011年11月23日
發(fā)明者朱超, 羅冶, 譚萍, 馬洪 申請人:華中科技大學(xué)