五通道相位干涉仪测向算法及其在tms320c6711上的实现

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1、五通道相位干涉仪测向算法及其在TMS320C6711上的实现　摘 要:对实施被动无源测向定位的主要工具之一的相位干涉仪进行了较为详细和系统的研究，给出了一维相位干涉仪的基本关系式，分析了五通道相位干涉仪测向定位算法及其性能指标，对解相位模糊问题进行了探讨。最后，在高速浮点数字信号处理器TMS320C6711系统上实现了五通道相位干涉仪测向定位算法，达到了性能指标及实时实现。　　关键词:相位干涉仪 测向定位 相位模糊 定位误差 实时处理　　　　相位干涉仪测向技术广泛应用于天文、雷达、声纳等领域。将干涉仪原理用于无线电测向始于上世纪五十年代和六十年代，随着数字信号处理器的出现，通

2、过数字信号处理器来实现高精度实时测向成为可能。　　本文在对一维和二维相位干涉仪进行研究的基础上给出了五通道相位干涉仪的基本关系式，分析了测向精度，并对解相位模糊问题和信道校正问题进行了探讨。采用多基线五元圆形天线阵列为模型，由天线阵列接收到的信号求解出五元天线阵列的互相关信号，并由此提取测向所需的方位信息。本文以五通道相位干涉仪硬件实现为目标，采用高速浮点数字信号处理芯片TMS320C6711进行测向处理。1相位干涉仪测向原理1.1 一维相位干涉仪测向原理　　图1所示为一个最简单的一维双阵元干涉仪模型。图中，间隔为d(d称为基线)的两根天线A1和A2所接收的远场辐射信号之间的

3、相位差为:　　 　　式(1)中，λ为接收电磁波的波长。因此，只要测量出φ，就能算出辐射源的到达方向θ:　　1.2测向误差的分析　　在实际系统中，两根天线A1和A2接收的信号为:  　　其中，ni代表对应阵元i接收的噪声，两阵元的噪声统计相互独立，且与信号统计独立。两个阵元接收信号的互相关为:　　式中，E代表数学期望运算，“*”代表复共轭运算，Ps代表信号功率，相关以后噪声得到抑制。　　由(4)式有:　　式中，arccos表示反余弦函数，arg代表复数取幅角运算，区间为［-π，π］。k为整数，且满足:　　　　在(6)式中，当d/λ>0.5时，k的取值不唯一，θ有多个解，由此产生

4、测向模糊。对(5)式求导，有:   由(7)式可以得出以下结论:sinθ越大，即方位角与干涉仪法线方向的夹角越小，测向精度越高;反之，测向精度降低，直至测向无效。当θ=±90°(即信号从干涉仪法线方向入射)时，精度最高;θ=0°或180°(即信号从干涉仪基线方向入射)时，接收信号互相关的幅角arg(r21)反映不出方位角的变化，测向无效。但单基线干涉仪不能同时测量俯仰角和方位角，此时至少需要另一条独立基线的干涉仪对测得的数据联合求解。1.3二维干涉仪测向原理及去模糊处理1.3.1多基线五元圆形天线模型   五通道相位干涉仪采用宽口径、多基线的五元圆形天线阵，五边形的五个阵元均

5、匀分布在半径为R的圆上，五个阵源分别为1、2、3、4、5，如图2所示。天线阵平面与地面平行，测得的方位角θ为以天线到地面的垂足为原点，目标在地面上的方位角。测得的俯仰角φ对应于目标到原点的距离(俯仰角0°对应原点)。两个阵元接收信号之间的互相关为:         方位角θ和俯仰角φ的具体计算如下:    　　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数;arcsin代表反正弦函数。k1、k2为整数，且满足:　　　　在课题给定的条件下，最大俯仰角为60°。在俯仰角大于28°的情况下，可能出现模糊

6、。1.3.2去模糊处理　　为了消除测向模糊，采用多组基线测向，各组基线得出的解的交集即为真实方向。对于本文研究的多基线五元圆形天线阵，当有信号入射时，每组基线均可得到一组测量值。设为:　　(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)…　　以上五组值中，只有真实方向才会每次都出现。取五组值中数值最相近的一对角度，即可得到真实方向。2

7、测向算法的硬件调试及仿真　　由于需要对五通道输入信号做相关运算和角度运算，计算量大且多为浮点运算。这里采用TMS320C6711芯片为核心组成硬件系统数字信号处理单元，并在该硬件系统上完成了五通道相位干涉仪算法仿真研究。2.1TMS320C6711和TDS510USB-E的特点　　TMS320C6711是TI公司于1997年推出的DSP芯片。C6711片内有8个并行处理单元，分相同的两组，C6711的体系结构采用VLIW结构，单指令字长为32bit，8个指令组成一个指令包。芯片内部设置了专门的指令分配模