CN105259536A - 一种基于l型天线阵列的相位干涉仪测向装置及解算方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及的是雷达接收机及其信号处理领域，特别涉及一种基于L型天线阵列的相位干涉仪测向装置及解算方法。一种基于L型天线阵列的相位干涉仪测向装置，其组成包括L型五元天线阵1、微波前端2、中频采样单元3和基带处理单元4，其中中频采样单元3包括了5个通道的中频采样模块，基带处理单元4包括了FPGA和DSP两个主要处理器。本发明中的基于L型天线阵列的相位干涉仪测向解算方法是利用了CORDIC算法矢量模式下的流水线结构并在FPGA内部实现测向解算，该方法大大减少了传统的基于数据查找表模式的测向解算对于存储器单元的占用，优化了系统硬件资源使用，同时流水线结构也保证了该测向装置的测向解算实时性。

Description

一种基于L型天线阵列的相位干涉仪测向装置及解算方法

技术领域

本发明涉及的是雷达接收机及其信号处理领域，特别涉及一种基于L型天线阵列的相位干涉仪测向装置及解算方法。

背景技术

在现有的测向体制中，相位干涉仪体制具有数据处理时间短、测向精度高、灵敏度高等优点，因而在许多军事和民用领域中有着重要的地位。在军事领域，可以用于对港口、机场、导弹发射场等重要军事目标的雷达通讯设备实行侦查与监测，针对性的电子干扰以及精确制导打击；而民用领域中，可以用于移动通信、天文观测、气象预测、灾害救援、无线电频谱管理等方面。

在相位干涉仪测向方面，文献《五通道相位干涉仪测向的研究和实现》主要针对均匀五元圆形天线阵的测向算法进行了仿真和硬件实现，《基于相位干涉仪测向算法的定位技术研究》主要针对最小二乘测向算法进行了仿真，《一种多基线相位干涉仪设计方法》主要介绍一维干涉仪系统的设计与仿真，均与本发明中相位干涉仪的硬件实现方式有别。专利《一种基于查表法的圆阵相位干涉仪宽带瞬时测向方法》是通过查表法来解决测向算法中计算量大的问题，专利《基于CORDIC算法的无线信号测向方法》是利用MVDR算法来进行信号测量，专利《一种扩展基线解模糊的相位干涉仪测向方法》和《一种基于虚拟基线的圆阵相位干涉仪二维测向方法》分别采用扩展基线法、虚拟基线法进行测向，均与本发明中的实现方式有别。

发明内容

本发明的目的是提供一种基于L型天线阵列的相位干涉仪测向装置，本发明的目的还在于提供一种基于L型天线阵列的相位干涉仪测向解算方法。

本发明的目的是这样实现的：

一种基于L型天线阵列的相位干涉仪测向装置，其组成包括L型五元天线阵1、微波前端2、中频采样单元3和基带处理单元4，其中中频采样单元3包括了5个通道的中频采样模块，基带处理单元4包括了FPGA和DSP两个主要处理器，L型五元天线阵1接收来自辐射源的射频平面波信号，分别以方位角和俯仰角的形式入射到微波前端2，微波前端2输出5个通道的中频信号到中频采样单元3中的5个通道的中频采样模块，5个通道的中频采样模块输出的数字量送到基带处理单元4中的FPGA处理器，FPGA处理器与DSP处理器之间通过地址线和数据线实现通信、控制与数字信号处理。

一种基于L型天线阵列的相位干涉仪测向解算方法，包括如下具体步骤：

步骤1：设置CORDIC算法模式选择，令参数值m＝1，即选择为矢量模式，反正弦函数迭代过程的初值设置为：x₀＝1/A_n，y₀＝0，z₀＝0，c₀＝c，其中A_n为畸变因子；

步骤2：输入数据x，y的长度取为16位二进制数，其中最高位是输入数据的符号位，剩下的位数作为数据位，在数据处理时用2¹⁵来表示系统的输入值1，按照公式θ＝arcsin(c)，其中θ为入射角，θ∈[-30°,+30°]，λ为入射平面波信号的波长，为鉴相器输出的相位差，L为基线的长度；

步骤3：迭代计算过程中使用的角度累加器采用4位十六进制数表示，θ跟z之间的换算关系可以表示成：z＝θ/π×2¹⁵；

步骤4：解算中增加前后处理模块，通过引入符号标志位sig来解决输入数据存在负值的问题；

步骤5：移位运算的位数将会随级数的增高而增加，依照第一级流水线的形式构造出完整的流水线结构，共用15级流水线；

步骤6：得到入射平面波信号角度信息，即θ等于第15级流水线结构输出的z_n。

本发明的有益效果在于：

本发明中的基于L型天线阵列的相位干涉仪测向解算方法是利用了CORDIC算法矢量模式下的流水线结构并在FPGA内部实现测向解算，该方法大大减少了传统的基于数据查找表模式的测向解算对于存储器单元的占用，优化了系统硬件资源使用，同时流水线结构也保证了该测向装置的测向解算实时性。

附图说明

图1本发明的装置组成框图；

图2本发明的天线阵元摆放图；

图3测向解算实现流程图；

图4本发明的解算实现原理框图。

具体实施方式

下面结合说明书附图详细说明本发明的具体实现方式。

基于L型天线阵列的相位干涉仪测向装置，其组成包括L型五元天线阵1、微波前端2、中频采样单元3和基带处理单元4。其中中频采样单元3包括了5个通道的中频采样模块，基带处理单元4包括了FPGA和DSP两个主要处理器。L型五元天线阵1接收来自辐射源的射频平面波信号，分别以方位角和俯仰角的形式入射到微波前端2，微波前端2输出5个通道的中频信号到中频采样单元3中的5个通道的中频采样模块，5个通道的中频采样模块输出的数字量送到基带处理单元4中的FPGA处理器，FPGA处理器与DSP处理器之间通过地址线和数据线实现通信、控制与数字信号处理。其中，L型天线阵中选取阵元1和阵元2组成方位面短基线L₁₂，选取阵元1和阵元3组成方位面长基线L₁₃，阵元1和阵元4组成俯仰面短基线L₁₄，阵元1和阵元5组成俯仰面长基线L₁₅。根据相位干涉仪测向原理，其相位法测角公式为：

其中，θ为入射角，λ为入射平面波信号的波长，为长短基线通道鉴相器输出的相位差，L为基线的长度。不同的通道基线长度L₁₂、L₁₃、L₁₄、L₁₅对应得到不同的通道鉴相器输出的相位差

由于测角公式是反正弦函数形式的，不利于直接进行硬件实现，所以引入了CORDIC算法的实现方式，降低硬件实现的代价。CORDIC算法采用一种迭代的方式进行计算，并且只涉及加减运算和移位操作，其结构易于硬件实现。

本发明基于L型天线阵列的相位干涉仪测向解算方法，包括：

步骤1：设置CORDIC算法模式选择，令参数值m＝1，即选择为矢量模式，反正弦函数迭代过程的初值设置为：x₀＝1/A_n，y₀＝0，z₀＝0，c₀＝c，其中A_n为畸变因子；

步骤2：输入数据x，y的长度取为16位二进制数，其中最高位是输入数据的符号位，剩下的位数作为数据位，在数据处理时用2¹⁵来表示系统的输入值1，按照公式θ＝arcsin(c)，其中其中θ∈[-30°,+30°]；

步骤3：迭代计算过程中使用的角度累加器采用4位十六进制数表示，θ跟z之间的换算关系可以表示成：z＝θ/π×2¹⁵；

步骤4：解算中增加前后处理模块，通过引入符号标志位sig来解决输入数据存在负值的问题；

步骤5：移位运算的位数将会随级数的增高而增加，依照第一级流水线的形式构造出完整的流水线结构，共用15级流水线。

步骤6：得到入射平面波信号角度信息，即θ等于第15级流水线结构输出的z_n。

结合图1，基于L型天线阵列的相位干涉仪测向装置，其组成包括L型五元天线阵1、微波前端2、中频采样单元3和基带处理单元4。其中中频采样单元3包括了5个通道的中频采样模块，基带处理单元4包括了FPGA和DSP两个主要处理器。L型五元天线阵1接收来自辐射源的射频平面波信号，分别以方位角和俯仰角的形式入射到微波前端2，微波前端2输出5个通道的中频信号到中频采样单元3中的5个通道的中频采样模块，5个通道的中频采样模块输出的数字量送到基带处理单元4中的FPGA处理器，FPGA处理器与DSP处理器之间通过地址线和数据线实现通信、控制与数字信号处理。

图2为L型天线阵列摆放位置，该L型天线阵由五个天线阵元组成，其中阵元1、2、3组成方位面两组基线L₁₂和L₁₃，阵元1、4、5组成俯仰面两组基线L₁₄和L₁₅。

图3为测向解算实现流程图，其解算方法在FPGA内部的具体实现过程如下：

步骤1：测角公式是一个反正弦函数，这时统一的CORDIC算法应该选择矢量模式，令参数值m＝1，则式中的y_n将逐渐接近于定值c，迭代关系式为：

$\left\{\begin{array}{c}{x}_{n+1}=x_n+S_n.y_n{.2}^{-n}\\ y_{n+1}=y_n-S_n.x_n{.2}^{-n}\\ z_{n+1}=z_n-S_n.arctan\left(2^{-n}\right)\end{array}\right.$

在n次迭代计算之后得到的输出结果是：

$\left\{\begin{array}{c}{x}_n=\sqrt{{(A_n\·x_0)}^2+c^2}\\ y_n=c\\ z_n=z_0+\arcsin \left(\frac{c}{A_n\·x_0}\right)\end{array}\right.$

式中A_n为畸变因子，当n→∞的时A_n趋近于1.647，可知，迭代过程的初值应当设为：x₀＝1/A_n，y₀＝0，z₀＝0，c₀＝c，可以计算得到arcsin(c)的角度；

步骤2：反正弦函数的值域在[-1,1]之间，将输入数据x，y的长度取为16位二进制数，其中，最高位是输入数据的符号位，剩下的位数作为小数位，由于采用浮点数的迭代计算过程需要耗费更多的硬件资源，不利于进行硬件实现，所以在数据处理时用2¹⁵来表示系统的输入值1，用定点计算来解决这个问题，当有待求的正弦值为0.0833时，应该把0.0833×2¹⁵所得的结果作为c值作为输入。将统一的CORDIC表达式与相位干涉仪的测角公式进行对比可知，当入射波的频率为2GHz时，输入值在相位差范围内系统的测角范围θ∈(-90°,90°)；当入射波频率为3GHz时，输入值相位差范围内的测角范围θ∈(-41.8°,41.8°)；而入射波频率达到4GHz时，输入值相位差范围内的测角范围θ∈[-30°,+30°]，阵元间距的取值能够保证在整个频段内对[-30°,30°]方向的入射无线电波进行测向；

步骤3：与输入数据处理相类似，迭代计算过程中使用的角度累加器采用4位十六进制数表示，θ跟z之间的换算关系可以表示成：z＝θ/π×2¹⁵，预先设定的旋转角计算公式为 ${\mathrm{\θ}}_n=\arctan \left(\frac{1}{2^n}\right);$

步骤4：模块中通过设置一个符号标志位sig来标定输入数据的符号，输入数据c的格式是经过变换的16位二进制数，其中最高位代表数据的符号，因此可以根据符号位进行正负的判断，当输入数据c为正值时，令符号标志位sig＝0，经过前处理模块后的输入值保持不变；当输入数据c为负值时，令符号标志位sig＝1，并通过中间寄存器将c的最高位变为0后输出与之相对的正值数据记为c_in；

步骤5：迭代计算部分采用流水线结构设计，由于y₀＝0，z₀＝0，故不再设置外置的y、z输入端，而是直接在内置的寄存器中赋给其初值：x₀＝1/A_n＝0.607529，乘上2¹⁵化为16位二进制数为0100110111000011；数据输入端为c_in，预先设定的角度值，第一次偏转的角度为45°，经过角度变换化为十六进制后用于模块的编程设计，随着流水线级数的增高，预设角度值越来越小，并不断趋近于最终角度，从而得到精度较高的输出数据。采用15级流水线结构，需要注意的是移位运算的位数将会随级数的增高而增加，最后的输出记为phase_out；

步骤6：读取前处理模块的输出标志位sig的值，如果sig的值为0，代表原数据为正值输入，可以将phase_out的输入值送给phase_real输出；若sig值为1，表示原输入为负值，则需要把输出正值数据转变为相对应的负值，通过中间寄存器phase_mid把输入数据的最高位变为1，变换后的数据通过输出端phase_real输出。CORDIC算法流水线结构将三角函数运算转化为加减、移位迭代运算，主要使用逻辑运算单元，降低了硬件实现过程的复杂性。流水线结构分为多级依次进行，每一级之间都是相互独立的运算单元。不同级数的运算单元中移位操作的位数也不相同，在进行第n次迭代运算时，x_n和y_n都需要向右移n位。在迭代运算的过程中输入的数值c要应用于S_n的判断中，需要输入的数值c不随迭代级数的变化而产生变化，因此通过设置一组寄存器，将输入值在流水线不同级之间传递下来；S_n的取值是取决于y_n和输入值c差值的符号位r_n[15]，r_n[15]＝0时代表y_n≥c，此时S_n的取值为1，否则S_n取值为-1。

图4为基于L型天线阵列的相位干涉仪测向装置的解算实现原理框图，该实现在FPGA内部完成，主要包括了前处理模块、运算模块、后处理模块。其中，前处理模块输入数据c的格式是经过变换的16位二进制数，其中最高位代表数据的符号，因此可以根据符号位进行正负的判断，当输入数据c为正值时，令符号输出标志位sig＝0，当输入数据c为负值时，令符号标志位sig＝1，并通过中间寄存器将c的最高位变为0后输出与之相对的正值数据记为c_in。在前端变换中通过标志位sig来标定输入数据的原始符号，并根据输入数据的特点将负值数据转化为相对应的正值数据用于运算模块的迭代计算，后端变换的任务就是要将运算模块的数据进行处理，得到测角范围的正确数据，具体的操作是：通过读取输出标志位sig的值，如果sig的值为0，代表原数据为正值输入，可以将phase_out的输入值送给phase_real输出；若sig值为1，表示原输入为负值，则需要把输出正值数据转变为相对应的负值，通过中间寄存器把输入数据的最高位变为1，变换后的数据通过输出端phase_real输出。

Claims (2)

1.一种基于L型天线阵列的相位干涉仪测向装置，其组成包括L型五元天线阵(1)、微波前端(2)、中频采样单元(3)和基带处理单元(4)，其特征在于：其中中频采样单元(3)包括了5个通道的中频采样模块，基带处理单元(4)包括了FPGA和DSP两个主要处理器，L型五元天线阵(1)接收来自辐射源的射频平面波信号，分别以方位角和俯仰角的形式入射到微波前端(2)，微波前端(2)输出5个通道的中频信号到中频采样单元(3)中的5个通道的中频采样模块，5个通道的中频采样模块输出的数字量送到基带处理单元(4)中的FPGA处理器，FPGA处理器与DSP处理器之间通过地址线和数据线实现通信、控制与数字信号处理。

2.一种基于L型天线阵列的相位干涉仪测向解算方法，其特征在于，包括如下具体步骤：

步骤1：设置CORDIC算法模式选择，令参数值m＝1，即选择为矢量模式，反正弦函数迭代过程的初值设置为：x₀＝1/A_n，y₀＝0，z₀＝0，c₀＝c，其中A_n为畸变因子；

步骤2：输入数据x，y的长度取为16位二进制数，其中最高位是输入数据的符号位，剩下的位数作为数据位，在数据处理时用2¹⁵来表示系统的输入值1，按照公式θ＝arcsin(c)，其中θ为入射角，θ∈[-30°,+30°]，λ为入射平面波信号的波长，为鉴相器输出的相位差，L为基线的长度；

步骤3：迭代计算过程中使用的角度累加器采用4位十六进制数表示，θ跟z之间的换算关系可以表示成：z＝θ/π×2¹⁵；

步骤4：解算中增加前后处理模块，通过引入符号标志位sig来解决输入数据存在负值的问题；

步骤5：移位运算的位数将会随级数的增高而增加，依照第一级流水线的形式构造出完整的流水线结构，共用15级流水线；

步骤6：得到入射平面波信号角度信息，即θ等于第15级流水线结构输出的z_n。