钼板坯
耿赟;谷振宇
【摘 要】相关干涉仪测向是测量信号到达方向的一种重要方法,因其实现简单且测向精度较高得到了广泛应用,但是运算量较大使得测向处理较慢.利用现场可编程门阵列(FPGA)的高速并行计算特点,对算法流程进行了改进,设计了一种资源占用少、处理速度快的实现方案,对算法的关键模块实现进行了分析,最后通过实际应用验证了该方法的正确性和可行性.
【期刊名称】《舰船电子对抗》
【年(卷),期】2014(037)002
【总页数】4页(P57-60)
【关键词】相关干涉仪;并行计算;测向
【作 者】耿赟;谷振宇
【作者单位】钛合金型材中国电子科技集团公司第54研究所,石家庄050081;中国电子科技集团公司第54研究所,石家庄050081
【正文语种】中 文实验室用实验台
【中图分类】TN911
0 引 言
随着扩频、跳频等宽带技术在短波通信中的广泛应用，传统的窄带测向技术已不能满足宽带系统的需求，研究宽带测向技术成为必然。由于短波频段信号具有信号密集、频谱重叠等特点，宽带测向系统需要处理巨大的数据量；另一方面为保证对突发、短时信号的监测，还需要具有快速的处理能力，应用现场可编程门阵列（FPGA）、数字信号处理（DSP）等高速数字信号处理技术可满足这些需求。
相关干涉仪算法是基于相位测量的一种测向算法，这种方法实施简便直观，并且具有较高的测向灵敏度、测向准确度和较快的测向时间，是目前测向系统中应用较多的一种技术［1-2］。相关干涉仪算法的不足之处是运算量较大，这与短波测向对多信号的快速处理需
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求是相悖的。为满足短波测向的实时性需求，本文对基于FPGA实现相关干涉仪测向进行研究，改进算法流程，提高测向速度。
1 相关干涉仪测向
1.1 基本原理
干涉仪测向是通过测量不同天线入射波的相位分布并与天线间的相对位置结合来获取来波方向的［3-4］，相关干涉仪测向也属于干涉仪测向。其基本原理是：已知天线阵结构，通过计算或测量获取各频率、各方位的入射波相位差分布，建立样本，对某一方向入射的信号测量其到达各天线对的相位差，根据频率和测量相位差在样本中对比查最接近的1组样本相位差，对应的方位即为信号的入射方向。这种对比相似性的方法称为相关处理，相似性通过计算相关值来反映，相关值越大表明越相似，到最大相关值就能得到信号的入射方向。 相关处理的方法如下：设天线阵中有M个天线，以某个天线为参考天线，则有m ＝M-1个天线对，方位角范围内有等间隔分布的方向θi，i＝1，2，…，N，每个方向对应m个天线
对的样本相位差为φj（θi），j＝1，2，…，m ，则对某一频率信号的样本为Φ ＝ （φ1i，φ2i，…，φmi）T，i＝1，2，…，N ，待测信号的测量相位差为 Ψ ＝ （φ1，φ2，…，φm），则其相关值计算公式［5］为：
短波干涉仪测向天线阵通常采用均匀圆阵，天线阵列孔径很大，一般是几十米甚至上百米。如果用测量方法建立样本相位差，根据远场条件估算至少要在几公里外发射信号来采集样本，对于天波信号还要考虑俯仰角，巨大的采集工作量和实施难度在工程应用中很难实现，因此本文讨论用理论计算的方法获得样本相位差。
1.2 均匀圆阵
图1为M个天线的均匀圆阵示意图，阵列半径为r，坐标系y轴指向正北，天线A1与正北方向夹角为0°。以圆心A0为参考点，假设入射波方向为（α，β），其中方位角记为α，俯仰角记为β，波长λ＝c／f，c为光速，f为入射波频率。
图1 均匀圆阵示意图
某一天线对之间的相位差实际上是入射波到达天线对的波程差，根据入射波与天线间的几
何关系，可以求得天线A1和天线Aj相对于天线A0的相位差φ10和φj0分别为：
将式（2）与式（3）相减得到天线Aj相对于天线A1的相位差φj1：
如果以等间隔在方位角和俯仰角上建立样本空间，则不同角度入射波到达其他天线与参考天线A1间的相位差就可以由式（4）求出，从而获得样本相位差。角度间隔越小，样本相位差空间就越大，相应的相关处理运算量也就越大。为满足实时性需求，要求测向系统必须能快速地完成相关处理。
2 关键模块实现
2.1 FPGA模块设计
为实现快速的相关干涉仪测向算法，本文对相关干涉仪算法流程进行了优化，利用FPGA流水化和并行处理的优势，针对相关干涉仪算法的结构特点，提出了实时计算样本相位差的实现方法。FPGA模块主要有采样及快速傅里叶变换（FFT）模块、样本相位差模块、相关计算模块和控制模块，示意图如图2所示。
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图2 FPGA模块示意图
采样及FFT模块完成对各天线的信号采集和FFT变换，计算出信号频率以及各天线相对于参考天线的相位差。样本相位差模块根据信号频率、布阵半径和俯仰角实时计算出样本空间。相关计算模块计算出测量相位差与样本相位差间的相关值，为提高处理速度，可使用多路并行样本相位差模块和相关计算模块。控制模块可控制一维测向或二维测向，对于接近水平面的入射波可认为其俯仰角为零，进行一次相关处理就能得到方位角；对于较大俯仰角的入射波，控制模块在俯仰角上按一定角度间隔进行多次相关处理，到相关值最大的方位角和俯仰角即为入射波方向。
2.2 样本相位差的FPGA实现
如上所述，由式（3）可计算出样本相位差，对任意入射波方向θιk ＝ （αi，βk），令pij ＝cosαi-cosσij，σij＝2π·（j-1）／（M-1）-αi，其中i＝1，2，…，N，j＝2，…，M，则式（3）可表示为φj1（θιk）＝r·w·cosβk·pij。可以看到对于不同半径、不同入射波频率和俯仰角，pij只与方位角和天线位置有关，它反映的是各阵元间的固有位置关系。为简化样本相位差的计算方式，可按等间隔方位角和不同天线将pij构造为N×（M-1）项的查表P，如表1所示。
表1 查表P_天线对__方位角 A2-A1 A3-A1 Aj-A1 AM-A1_______________α1__________________p12______p_13______p_1j__________________________p1M______α2 __p22________p__23______p__2j_________________________p2M_______________αi_________________pi2______pi____3______pi____j_____________________________piM______αN___________________________________________________________________pN2__pN3__pNj_pNM_________
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