專利名稱：快速實時空間譜估計超分辨測向裝置及方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及的是一種側(cè)向裝置，本發(fā)明還涉及一種側(cè)向方法。具體地說是一 種電磁波輻射源探測的裝置和方法。(二) 背景技術(shù)現(xiàn)有的對輻射源進行測向的裝置主要采用相位干涉儀原理，用比相體制進行 測向。比相體制的缺點是只能對單個信號進行測向，并且測向精度不夠高，在高 頻段還容易出現(xiàn)多值模糊。近來提出的空間譜估計方法能夠突破瑞利限制，實現(xiàn) 高精度的超分辨測向。但這種方法的計算量非常大，而導致它很難應(yīng)用于實時性 要求的場合。如何提高空間譜估計測向算法的速度以實現(xiàn)測向的實時性，是將該 技術(shù)應(yīng)用到工程實際的關(guān)鍵技術(shù)。(三) 發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明的目的在于提供一種快速實時、側(cè)向精度高的快速實時空間譜估計超 分辨測向裝置。本發(fā)明的目的還在于提供一種快速實時空間譜估計超分辨測向方 法。本發(fā)明的目的是這樣實現(xiàn)的本發(fā)明的快速實時空間譜估計超分辨測向裝置主要由一組DSP構(gòu)成的主從DSP并行信號處理模塊、由FPGA構(gòu)成的邏輯控制模塊和通信接口模塊三部分 組成；通信接口模塊從數(shù)字接收機接收各通道的采樣數(shù)據(jù)和把計算出的角度報送 給上位機；并行信號處理模塊中的主從DSP采用總線共享的緊耦合方式連接， DSP之間利用數(shù)據(jù)總線傳輸中間數(shù)據(jù)；DSP總線與邏輯控制模塊之間由數(shù)據(jù)、 地址和控制總線互聯(lián)?；诒景l(fā)明的快速實時空間譜估計超分辨測向裝置的側(cè)向方法為首先接收 數(shù)字接收機采樣的數(shù)據(jù)，對數(shù)據(jù)進行預(yù)處理，然后求出相關(guān)矩陣；對相關(guān)矩陣進 行特征分解，得出噪聲特征子空間，并利用特征值估計出輻射源的個數(shù)；然后用 不同入射角度對應(yīng)的方向?qū)蚴噶亢驮肼曁卣髯涌臻g計算出給定角度區(qū)域的空 間譜值；再對譜值進行譜峰搜索，得到的譜峰的位置對應(yīng)著輻射源的真實入射方向。為了提高運算速度，保證實時性，本發(fā)明的側(cè)向裝置及方法采用了以下技術(shù) 一是硬件結(jié)構(gòu)采用多片DSP總線共享的緊耦合方式，多片DSP并行處理。DSP 之間利用數(shù)據(jù)總線傳輸中間數(shù)據(jù)，實現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸零等待，保證高速實時運算。二 是譜峰搜索采用粗搜索和精搜索結(jié)合的方式。粗搜索以大步長在全區(qū)域內(nèi)找出峰 值點，精搜索在粗搜索找出的峰值點附近以小步長進行搜索，找出精確的峰值點。 這樣在保證了精度的同時，提高了實時性。三是對于給定的天線陣列結(jié)構(gòu)和一定 頻率的輻射源信號，計算空間譜值所需的導向矢量采用査表方式。DSP計算空間譜需要用到噪聲子空間和各角度的導向矢量。每次數(shù)據(jù)更新之后，噪聲子空間會 發(fā)生變化，但是導向矢量不變。由于計算導向矢量的運算量比較大，所需的時間非常長，所以系統(tǒng)上電復位后，DSP首先計算出所有大步長搜索所經(jīng)過的所有角 度的導向矢量，根據(jù)俯仰角和方位角做成一個二維的導向矢量表格，存放在DSP 的片上內(nèi)存里。這樣，當每次計算某一俯仰角和方位角所對應(yīng)的空間譜值時，先 根據(jù)俯仰角解析出在導向矢量表格中俯仰角度維的相對地址，然后根據(jù)方位角解 析出在導向矢量表格中方位角度維的相對地址，再將兩個相對地址相加，就得到 該方位角和俯仰角所對應(yīng)的導向矢量在導向矢量表格中的絕對地址，通過該絕對 地址直接査表調(diào)用導向矢量來計算空間譜值，而不用實時計算導向矢量，節(jié)省了 很多時間，極大提高了實時性。本發(fā)明能夠同時對多個輻射源進行快速精確測向，進而對其進行精確定位， 還可以根據(jù)需要對移動輻射源進行跟蹤、定位，或者裝在移動裝置上對輻射源進 行跟蹤、定位。同時還可用于船只的定位及海上搜救，民航機場雷達的探測和干 擾信號的測向等。(四)


圖1是本發(fā)明的快速實時空間譜估計超分辨測向裝置的原理框圖； 圖2是本發(fā)明的快速實時空間譜估計超分辨測向方法的流程圖。
具體實施方式
下面結(jié)合附圖舉例對本發(fā)明做更詳細地描述結(jié)合圖1，說本發(fā)明的快速實時空間譜估計超分辨測向裝置主要由四片DSP 構(gòu)成的主從DSP并行信號處理模塊、由FPGA構(gòu)成的邏輯控制模塊和通信接口模塊三部分組成。通信接口模塊完成從數(shù)字接收機接收各通道的采樣數(shù)據(jù)和把計 算出的角度報送給上位機。主從DSP并行信號處理模塊是信號處理器的核心模 塊，高速實時地完成全部的信號處理算法。算法主要是利用采樣數(shù)據(jù)中信號子空 間與噪聲子空間的正交性，在給定的角度區(qū)域內(nèi)形成尖銳的針狀空間譜，譜峰所 對應(yīng)的角度就是輻射源入射的角度。然后通過譜峰搜索找出區(qū)域內(nèi)的譜峰的位 置，也就能夠精確地估計出輻射源的方向。邏輯控制模塊完成中斷信號產(chǎn)生、標 志信號產(chǎn)生、數(shù)據(jù)緩沖和轉(zhuǎn)換、通信接口邏輯控制等功能。結(jié)合圖2，本發(fā)明的快速實時空間譜估計超分辨測向方法為系統(tǒng)上電之后， 處理器首先進行初始化。初始化完畢之后馬上計算導向矢量表格，將結(jié)果存放在 DSP的片上內(nèi)存。計算完導向矢量之后，處理器等待數(shù)字接收機在采樣結(jié)束后發(fā) 出的開始命令。 一旦有開始命令，處理器主DSP接收數(shù)字接收機采樣的數(shù)據(jù)并開始進入處理程序。該數(shù)據(jù)是由5個通道、100個采樣快拍構(gòu)成的5X100的矩 陣。處理器首先對數(shù)據(jù)矩陣進行相關(guān)處理得到5X5的相關(guān)矩陣。對相關(guān)矩陣進 行特征分解，得到特征值和特征向量。利用特征值通過信息論準則估計出輻射源 的個數(shù)。利用信源個數(shù)對特征向量進行劃分，分別得到信號特征向量和噪聲特征 向量。噪聲特征向量也就對應(yīng)噪聲特征子空間，主DSP通過數(shù)據(jù)總線將噪聲特 征向量送給各片從DSP。然后主從DSP都開始在各自的角度區(qū)域內(nèi)計算空間譜 值。計算譜值所需要用到的導向矢量通過查表方式到內(nèi)存里直接調(diào)用。整個區(qū)域 的空間譜值都計算完畢之后，各DSP用大步長在各自的角度區(qū)域內(nèi)進行譜峰粗 搜索。搜索完畢之后，從DSP將粗搜索得到的譜峰位置和譜峰值再送回主DSP 。 主DSP對所有的粗搜索譜峰進行比較，確定出輻射源信號入射所對應(yīng)的譜峰， 然后再在這些譜峰周圍用小步長進行精搜索。精搜索完畢就得到輻射源信號精確 的入射角度。然后再將角度上報給上位機。上報完成之后等待數(shù)字接收機的下一 個開始命令，再進入下一個處理過程。整個處理過程由于采用了共享總線的多片DSP并行處理的硬件結(jié)構(gòu)和高效 快速的軟件算法，能夠在很短時間內(nèi)計算出輻射源的入射角度，因此在具有很高 的測向精度的同時，還具有很強的實時性。
權(quán)利要求
1、一種快速實時空間譜估計超分辨測向裝置，其特征是主要由一組DSP構(gòu)成的主從DSP并行信號處理模塊、由FPGA構(gòu)成的邏輯控制模塊和通信接口模塊三部分組成；通信接口模塊從數(shù)字接收機接收各通道的采樣數(shù)據(jù)和把計算出的角度報送給上位機；并行信號處理模塊中的主從DSP采用總線共享的緊耦合方式連接，DSP之間利用數(shù)據(jù)總線傳輸中間數(shù)據(jù)；DSP總線與邏輯控制模塊之間由數(shù)據(jù)、地址和控制總線互聯(lián)。
2、 一種基于權(quán)利要求1的快速實時空間譜估計超分辨測向裝置的側(cè)向方 法其特征是首先接收數(shù)字接收機采樣的數(shù)據(jù)，對數(shù)據(jù)進行預(yù)處理，然后求 出相關(guān)矩陣；對相關(guān)矩陣進行特征分解，得出噪聲特征子空間，并利用特征值 估計出輻射源的個數(shù)；然后用不同入射角度對應(yīng)的方向?qū)蚴噶亢驮肼曁卣髯?空間計算出給定角度區(qū)域的空間譜值；再對譜值進行譜峰搜索，得到的譜峰的 位置對應(yīng)著輻射源的真實入射方向。
3、 根據(jù)權(quán)利要求2所述的基于權(quán)利要求1的快速實時空間譜估計超分辨測 向裝置的側(cè)向方法其特征是其具體步驟為首先進行初始化，初始化完畢 之后馬上計算導向矢量表格，將結(jié)果存放在DSP的片上內(nèi)存；計算完導向矢量 之后，等待數(shù)字接收機在采樣結(jié)束后發(fā)出的開始命令， 一旦有開始命令，主DSP 接收數(shù)字接收機采樣的數(shù)據(jù)并開始進入處理程序，該數(shù)據(jù)是由5個通道、100 個采樣快拍構(gòu)成的5X100的矩陣；處理器首先對數(shù)據(jù)矩陣進行相關(guān)處理得到5 X5的相關(guān)矩陣；對相關(guān)矩陣進行特征分解，得到特征值和特征向量；禾l」用特征值通過信息論準則估計出輻射源的個數(shù)；利用信源個數(shù)對特征向量進行劃分， 分別得到信號特征向量和噪聲特征向量；噪聲特征向量也就對應(yīng)噪聲特征子空間，主DSP通過數(shù)據(jù)總線將噪聲特征向量送給各片從DSP;然后主從DSP都 開始在各自的角度區(qū)域內(nèi)計算空間譜值；計算譜值所需要用到的導向矢量通過 査表方式到內(nèi)存里直接調(diào)用；整個區(qū)域的空間譜值都計算完畢之后，各DSP用 大步長在各自的角度區(qū)域內(nèi)進行譜峰粗搜索；搜索完畢之后，從DSP將粗搜索 得到的譜峰位置和譜峰值再送回主DSP;主DSP對所有的粗搜索譜峰進行比較， 確定出輻射源信號入射所對應(yīng)的譜峰，然后再在這些譜峰周圍用小步長進行精搜索；精搜索完畢就得到輻射源信號精確的入射角度；然后再將角度上報給上 位機；上報完成之后等待數(shù)字接收機的下一個開始命令，再進入下一個處理過 程。
全文摘要
本發(fā)明提供的是一種快速實時空間譜估計超分辨測向裝置及側(cè)向方法。主要由一組DSP構(gòu)成的主從DSP并行信號處理模塊、由FPGA構(gòu)成的邏輯控制模塊和通信接口模塊三部分組成；通信接口模塊從數(shù)字接收機接收各通道的采樣數(shù)據(jù)和把計算出的角度報送給上位機；并行信號處理模塊中的主從DSP采用總線共享的緊耦合方式連接，DSP之間利用數(shù)據(jù)總線傳輸中間數(shù)據(jù)；DSP總線與邏輯控制模塊之間由數(shù)據(jù)、地址和控制總線互聯(lián)。本發(fā)明能夠同時對多個輻射源進行快速精確測向，進而對其進行精確定位，還可以根據(jù)需要對移動輻射源進行跟蹤、定位，或者裝在移動裝置上對輻射源進行跟蹤、定位。同時還可用于船只的定位及海上搜救，民航機場雷達的探測和干擾信號的測向等。
文檔編號G01S3/00GK101403791SQ20081013746
公開日2009年4月8日 申請日期2008年11月6日 優(yōu)先權(quán)日2008年11月6日
發(fā)明者司錫才, 彭巧樂 申請人:哈爾濱工程大學