摘? 要: 對(duì)實(shí)施被動(dòng)無源測向定位的主要工具之一的相位干涉儀進(jìn)行了較為詳細(xì)和系統(tǒng)的研究，給出了一維相位干涉儀的基本關(guān)系式，分析了五通道相位干涉儀測向定位算法及其性能指標(biāo)，對(duì)解相位模糊問題進(jìn)行了探討。最后，在高速浮點(diǎn)信號(hào)處理" title="信號(hào)處理">信號(hào)處理器" title="數(shù)字信號(hào)處理器" title="數(shù)字信號(hào)處理器">數(shù)字信號(hào)處理器">數(shù)字信號(hào)處理器TMS320C6711系統(tǒng)上實(shí)現(xiàn)了五通道相位干涉儀測向定位算法，達(dá)到了性能指標(biāo)及實(shí)時(shí)實(shí)現(xiàn)。

　　關(guān)鍵詞: 相位干涉儀? 測向定位? 相位模糊? 定位誤差? 實(shí)時(shí)處理

　　相位干涉儀測向技術(shù)廣泛應(yīng)用于天文、雷達(dá)、聲納等領(lǐng)域。將干涉儀原理用于無線電測向始于上世紀(jì)五十年代和六十年代，隨著數(shù)字信號(hào)處理器的出現(xiàn)，通過數(shù)字信號(hào)處理器來實(shí)現(xiàn)高精度實(shí)時(shí)測向成為可能。

　　本文在對(duì)一維和二維相位干涉儀進(jìn)行研究的基礎(chǔ)上給出了五通道相位干涉儀的基本關(guān)系式，分析了測向精度，并對(duì)解相位模糊問題和信道校正問題進(jìn)行了探討。采用多基線五元圓形天線陣" title="天線陣">天線陣列為模型，由天線陣列接收到的信號(hào)求解出五元天線陣列的互相關(guān)信號(hào)，并由此提取測向所需的方位信息。本文以五通道相位干涉儀硬件實(shí)現(xiàn)為目標(biāo)，采用高速浮點(diǎn)數(shù)字信號(hào)處理芯片TMS320C6711進(jìn)行測向處理。

1 相位干涉儀測向原理

1.1? 一維相位干涉儀測向原理

　　圖1所示為一個(gè)最簡單的一維雙陣元" title="陣元">陣元干涉儀模型。圖中，間隔為d(d稱為基線)的兩根天線A₁和A₂所接收的遠(yuǎn)場輻射信號(hào)之間的相位差為:

?

　　式(1)中，λ為接收電磁波的波長。因此，只要測量出φ，就能算出輻射源的到達(dá)方向θ:

1.2 測向誤差的分析

　　在實(shí)際系統(tǒng)中，兩根天線A₁和A₂接收的信號(hào)為:

??

　　其中，n_i代表對(duì)應(yīng)陣元i接收的噪聲，兩陣元的噪聲統(tǒng)計(jì)相互獨(dú)立，且與信號(hào)統(tǒng)計(jì)獨(dú)立。

兩個(gè)陣元接收信號(hào)的互相關(guān)為:

式中，E代表數(shù)學(xué)期望運(yùn)算，“*”代表復(fù)共軛運(yùn)算，P_s代表信號(hào)功率，相關(guān)以后噪聲得到抑制。

　　由(4)式有:

式中，arccos表示反余弦函數(shù)，arg代表復(fù)數(shù)取幅角運(yùn)算，區(qū)間為［-π，π］。k為整數(shù)，且滿足:

　　在(6)式中，當(dāng)d/λ>0.5時(shí)，k的取值不唯一，θ有多個(gè)解，由此產(chǎn)生測向模糊。

對(duì)(5)式求導(dǎo)，有:

???

由(7)式可以得出以下結(jié)論:sinθ越大，即方位角" title="方位角">方位角與干涉儀法線方向的夾角越小，測向精度越高;反之，測向精度降低，直至測向無效。當(dāng)θ=±90°(即信號(hào)從干涉儀法線方向入射)時(shí)，精度最高;θ=0°或180°(即信號(hào)從干涉儀基線方向入射)時(shí)， 接收信號(hào)互相關(guān)的幅角arg(r₂₁)反映不出方位角的變化，測向無效。但單基線干涉儀不能同時(shí)測量俯仰角和方位角，此時(shí)至少需要另一條獨(dú)立基線的干涉儀對(duì)測得的數(shù)據(jù)聯(lián)合求解。

1.3 二維干涉儀測向原理及去模糊處理

1.3.1 多基線五元圓形天線模型

??? 五通道相位干涉儀采用寬口徑、多基線的五元圓形天線陣，五邊形的五個(gè)陣元均勻分布在半徑為R的圓上，五個(gè)陣源分別為1、2、3、4、5，如圖2所示。天線陣平面與地面平行，測得的方位角θ為以天線到地面的垂足為原點(diǎn)，目標(biāo)在地面上的方位角。測得的俯仰角φ對(duì)應(yīng)于目標(biāo)到原點(diǎn)的距離(俯仰角0°對(duì)應(yīng)原點(diǎn))。

兩個(gè)陣元接收信號(hào)之間的互相關(guān)為:

?? ??

?

??? 方位角θ和俯仰角φ的具體計(jì)算如下:

???

?

　　式中，i=1～5，令r₅₆=r₅₁、r₆₇=r₁₂、r₇₈=r₂₃、r₈₉=r₃₄;atan2(y，x)代表四象限求反正切函數(shù);arcsin代表反正弦函數(shù)。k1、k2為整數(shù)，且滿足:

　　在課題給定的條件下，最大俯仰角為60°。在俯仰角大于28°的情況下，可能出現(xiàn)模糊。

1.3.2 去模糊處理

　　為了消除測向模糊，采用多組基線測向，各組基線得出的解的交集即為真實(shí)方向。對(duì)于本文研究的多基線五元圓形天線陣，當(dāng)有信號(hào)入射時(shí)，每組基線均可得到一組測量值。設(shè)為:

　　(34，51): (θ11，φ11)、(θ12，φ12)…

　　(12，34): (θ21，φ21)、(θ22，φ22)…

　　(45，12): (θ31，φ31)、(θ32，φ32)…

　　(23，45): (θ41，φ41)、(θ42，φ42)…

　　(51，23): (θ51，φ51)、(θ52，φ52)…

　　以上五組值中，只有真實(shí)方向才會(huì)每次都出現(xiàn)。取五組值中數(shù)值最相近的一對(duì)角度，即可得到真實(shí)方向。

2 測向算法的硬件調(diào)試及仿真

　　由于需要對(duì)五通道輸入信號(hào)做相關(guān)運(yùn)算和角度運(yùn)算，計(jì)算量大且多為浮點(diǎn)運(yùn)算。這里采用TMS320C6711芯片為核心組成硬件系統(tǒng)數(shù)字信號(hào)處理單元，并在該硬件系統(tǒng)上完成了五通道相位干涉儀算法仿真研究。

2.1 TMS320C6711和TDS510USB-E的特點(diǎn)

　　TMS320C6711是TI公司于1997年推出的DSP芯片。C6711片內(nèi)有8個(gè)并行處理單元，分相同的兩組，C6711的體系結(jié)構(gòu)采用VLIW結(jié)構(gòu)，單指令字長為32bit，8個(gè)指令組成一個(gè)指令包。芯片內(nèi)部設(shè)置了專門的指令分配模塊，可以將每個(gè)256bits指令包同時(shí)分配到8個(gè)處理單元，并由8個(gè)單元同時(shí)運(yùn)行。芯片內(nèi)部時(shí)鐘頻率可以達(dá)到150MHz，芯片最大處理能力可達(dá)到1200MIPS。

　　TDS510USB-E是以TMS320C6000為核心的硬件調(diào)試系統(tǒng)。仿真器為USB2.0接口設(shè)備。

2.2 測向處理器硬件設(shè)計(jì)

????測向處理器硬件框圖如圖3所示。

?

????數(shù)字下變頻單元輸入5通道接收機(jī)接收的信號(hào)，并去掉載波的零中頻I、Q信號(hào)(5通道共10路I、Q信號(hào))。

　　FPGA包括數(shù)字下變頻單元、時(shí)分多路數(shù)據(jù)接口、DSP的EMIF接口控制及雙口RAM控制四大模塊。

　　雙口RAM存儲(chǔ)測向處理所需數(shù)據(jù)，考慮到DSP中測向算法所需要的內(nèi)存容量，因此其不少于10K。

2.3 測向算法軟件的實(shí)現(xiàn)

　　CCS是TI的集成性DSPs軟件開發(fā)工具。在一個(gè)開放式的插件結(jié)構(gòu)下，CCS內(nèi)部集成了C6000代碼產(chǎn)生工具、軟件模擬器、實(shí)時(shí)基礎(chǔ)軟件DSP/BIOS等軟件工具。在CCS下，開發(fā)者可以對(duì)軟件進(jìn)行編輯、編譯、調(diào)試、代碼性能測試和項(xiàng)目管理等所有工作。選擇C語言作為應(yīng)用程序的設(shè)計(jì)，是因?yàn)镃6000中采用優(yōu)化ANSI C編譯器，它的輸入是C語言源代碼，輸出為TMS320匯編代碼。即將符合ANSI標(biāo)準(zhǔn)的C代碼轉(zhuǎn)換為目標(biāo)DSPs的匯編代碼，一般的算法可采用C代碼實(shí)時(shí)實(shí)現(xiàn)。

　　五通道干涉儀測向算法軟件流程圖如圖4所示。

?

2.4 五通道相位干涉儀算法的硬件調(diào)試及仿真結(jié)果

???在透徹分析五通道相位干涉儀算法原理的基礎(chǔ)上，依據(jù)軟件工程的原則規(guī)范，采用C語言設(shè)計(jì)出了五通道相位干涉儀算法的軟件，然后在PC機(jī)上用C6711的C編譯器編譯、匯編、鏈接了軟件的C源代碼，最后將軟件加載到目標(biāo)板上進(jìn)行運(yùn)行、調(diào)試。

2.4.1 測向處理器中數(shù)據(jù)的來源

　　五通道送入TMS320C6711的數(shù)據(jù)由科學(xué)計(jì)算語言Matlab6.2在WINDOWS2000操作平臺(tái)上仿真得出，即采用模擬QPSK信號(hào)，調(diào)制速率為9600bps，噪聲是 Matlab6.2內(nèi)部函數(shù)randn產(chǎn)生的高斯白噪聲，并用Hilbert變換將其變換為復(fù)噪聲。

　　采樣信號(hào)長度:512點(diǎn)

　　信噪比:5dB、10dB

　　仿真頻點(diǎn):1800MHz

2.4.2 硬件調(diào)試結(jié)果

　　表1、表2、表3分別列出了幾種情況下待測俯仰角和方位角與CCS中得到的俯仰角和方位角的對(duì)比。其中，phai、theta分別表示待測俯仰角與方位角，phai測量值和theta測量值是由運(yùn)行CCS2.1中的測向程序得到的。

?

　　運(yùn)行結(jié)果表明，五通道相位干涉儀測向信號(hào)處理的硬件實(shí)現(xiàn)是可行的。當(dāng)俯仰角大于28°時(shí)，用前面所述的去模糊方法，可以完全消除由于模糊帶來的角度不確定問題。當(dāng)仿真數(shù)據(jù)中不加入噪聲時(shí)，該硬件系統(tǒng)的輸出結(jié)果與真實(shí)值基本吻合。信噪比對(duì)測向性能的影響較大。

　　在CCS2.1環(huán)境中，采用盡可能優(yōu)化的干涉儀法測向定位程序，用CCS2.1提供的記時(shí)工具CLOCK測量執(zhí)行時(shí)間，從仿真數(shù)據(jù)輸入到確定出信號(hào)方向的時(shí)間約為7ms，基本達(dá)到了實(shí)時(shí)信號(hào)處理的要求。

??? 以上所做的硬件調(diào)試是在用仿真語言MATLAB對(duì)五通道相位干涉儀測向算法在天線誤差、信道幅度及相位誤差存在的條件下進(jìn)行仿真驗(yàn)證的基礎(chǔ)上進(jìn)行的，在硬件調(diào)試中側(cè)重對(duì)測向算法的驗(yàn)證。硬件調(diào)試運(yùn)行結(jié)果表明五通道相位干涉儀具有噪聲可抑制、靈敏度高、線性范圍大、測向響應(yīng)時(shí)間快等優(yōu)點(diǎn)，這些優(yōu)點(diǎn)使得單信號(hào)環(huán)境下的相位干涉儀測向機(jī)制更具有優(yōu)勢。同時(shí)，五通道相位干涉儀算法的硬件實(shí)現(xiàn)也為工程上實(shí)現(xiàn)新一代電子測向系統(tǒng)打下了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

?

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