相位干涉儀測向算法及其在TMS320C6711上的實現(xiàn)

對實施被動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)?熏對解相位模糊問題進(jìn)行了探討。最后，在高速浮點數(shù)字信號處理器TMS320C6711系統(tǒng)上實現(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)及實時實現(xiàn)。
??? 關(guān)鍵詞：相位干涉儀 測向定位 相位模糊 定位誤差 實時處理
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)字信號處理器的出現(xiàn)，通過數(shù)字信號處理器來實現(xiàn)高精度實時測向成為可能。
本文在對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列為模型，由天線陣列接收到的信號求解出五元天線陣列的互相關(guān)信號，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現(xiàn)為目標(biāo)，采用高速浮點數(shù)字信號處理芯片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所示為一個最簡單的一維雙陣元干涉儀模型。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)場輻射信號之間的相位差為：
?φ＝（４πｄ／λ）ｃｏｓθ??? （１）
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：
θ＝ａｒｃｃｏｓ（φλ／４πｄ）?? （２）
１．２ 測向誤差的分析
在實際系統(tǒng)中，兩根天線Ａ１和Ａ２接收的信號為：
ｘｉ（ｔ）＝ｓ（ｔ）ｅｘｐ[(－１)ｊｊ２πd/λｃｏｓθ]＋ｎｉ(ｔ),ｉ＝１,２ （３）
其中,ｎｉ代表對應(yīng)陣元ｉ接收的噪聲，兩陣元的噪聲統(tǒng)計相互獨立，且與信號統(tǒng)計獨立。

??? 兩個陣元接收信號的互相關(guān)為：
ｒ＝Ｅ{ｘ１(ｔ)ｘ２*(ｔ)}＝Ｐｓｅｘｐ(ｊ４πd/λｃｏｓθ)?? （４）
式中，Ｅ代表數(shù)學(xué)期望運算，“*”代表復(fù)共軛運算，Ｐｓ代表信號功率，相關(guān)以后噪聲得到抑制。
由（４）式有：
θ＝ａｒｃｃｏｓ[(λ/4πd)ａｒｇ(ｒ２１)＋kλ/2d??? （５）
式中，ａｒｃｃｏｓ表示反余弦函數(shù)，ａｒｇ代表復(fù)數(shù)取幅角運算，區(qū)間為[－π，π]。ｋ為整數(shù)，且滿足：
－2d/λ－arg(r21)/2π≤ｋ≤2d/λ－arg(r21)/2π??? （６）
在（６）式中，當(dāng)ｄ／λ＞０．５時，ｋ的取值不唯一，θ有多個解，由此產(chǎn)生測向模糊。
對（５）式求導(dǎo)，有：
|Δθ|＝λ/4πd|sinθ|Δａｒｇ(ｒ２１)??? （７）
由（７）式可以得出以下結(jié)論：ｓｉｎθ越大，即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°（即信號從干涉儀法線方向入射）時，精度最高；θ＝０°或１８０°（即信號從干涉儀基線方向入射）時, 接收信號互相關(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測量俯仰角和方位角，此時至少需要另一條獨立基線的干涉儀對測得的數(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，五邊形的五個陣元均勻分布在半徑為Ｒ的圓上，五個陣源分別為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，目標(biāo)在地面上的方位角。測得的俯仰角φ對應(yīng)于目標(biāo)到原點的距離（俯仰角０°對應(yīng)原點）。