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，通过数字信号处理器来实现高精度实时测向成为可能。
1相位干涉仪测向原理
1.1一维相位干涉仪测向原理
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。
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，由此产生测向模糊。
对(5)式求导，有:
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)。
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。
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测向算法的硬件调试及仿真
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块，可以将每个256bits指令包同时分配到8个处理单元，并由8个单元同时运行。芯片内部时钟频率可以达到150MHz，芯片最大处理能力可达到1200MIPS。
TDS510USB-E是以TMS320C6000为核心的硬件调试系统。仿真器为USB2.0接口设备。
2.2测向处理器硬件设计
测向处理器硬件框图如图3所示。
数字下变频单元输入5通道接收机接收的信号，并去掉载波的零中频I、Q信号(5通道共10路I、Q信号)。
FPGA包括数字下变频单元、时分多路数据接口、DSP的EMIF接口控制及双口RAM控制四大模块。
双口RAM存储测向处理所需数据，考虑到DSP中测向算法所需要的内存容量，因此其不少于10K。
2.3测向算法软件的实现
CCS是TI的集成性DSPs软件开发工具。在一个开放式的插件结构下，CCS内部集成了C6000代码产生工具、软件模拟器、实时基础软件DSP/BIOS等软件工具。在CCS下，开发者可以对软件进行编辑、编译、调试、代码性能测试和项目管理等所有工作。选择C语言作为应用程序的设计，是因为C6000中采用优化ANSIC编译器，它的输入是C语言源代码，输出为TMS320汇编代码。即将符合ANSI标准的C代码转换为目标DSPs的汇编代码，一般的算法可采用C代码实时实现。
五通道干涉仪测向算法软件流程图如图4所示。
2.4五通道相位干涉仪算法的硬件调试及仿真结果
在透彻分析五通道相位干涉仪算法原理的基础上，依据软件工程的原则规范，采用C语言设计出了五通道相位干涉仪算法的软件，然后在PC机上用C6711的C编译器编译、汇编、链接了软件的C源代码，最后将软件加载到目标板上进行运行、调试。
五通道送入TMS320C6711的数据由科学计算语言Matlab6.2在WINDOWS2000操作平台上仿真得出，即采用模拟QPSK信号，调制速率为9600bps，噪声是Matlab6.2内部函数randn产生的高斯白噪声，并用Hilbert变换将其变换为复噪声。
采样信号长度:512点
信噪比:5dB、10dB
仿真频点:1800MHz
2.4.2硬件调试结果
表1、表2、表3分别列出了几种情况下待测俯仰角和方位角与CCS中得到的俯仰角和方位角的对比。其中，phai、theta分别表示待测俯仰角与方位角，phai测量值和theta测量值是由运行CCS2.1中的测向程序得到的。
运行结果表明，五通道相位干涉仪测向信号处理的硬件实现是可行的。当俯仰角大于28°时，用前面所述的去模糊方法，可以完全消除由于模糊带来的角度不确定问题。当仿真数据中不加入噪声时，该硬件系统的输出结果与真实值基本吻合。信噪比对测向性能的影响较大。
参考文献
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