相关干涉仪测向算法的FPGA设计实现

　　　　0　引言

　　干涉仪是比较成熟的测向方法,在电子对抗领域有非常广泛的应用,与其他传统测向方法相比具测向灵敏度高、准确度高和速度快的特点,但由于存在相位模糊、天线一致性差等技术难点,相关干涉仪方法采用相关计算的方法来解决这些问题,设计实现简单,但数据运算量比较大,而且测向精度越高,运算量越大,测向速度限制了其应用范围。随着FPGA技术的高速发展,通过FPGA来实现高速、高精度的相关干涉仪测向成为了可能,我们在这方面做了一些工作,用FPGA硬件初步设计实现了相应的功能。

　　1　相关干涉仪测向原理

　　干涉仪测向体制的原理是:依据无线电波在行进中,从不同方向来的电波到达测向天线阵时,各测向天线单元接收信号的相位不同,因而相互间的相位差也不同,通过测定来波的相位,就可以确定来波的方向。在传统干涉仪测向方法中,由于种种原因,如天线阵元之间互耦、天线之间或天线阵载体的响使波阵面发生畸变,使入射波相位和幅度的分布生失真,从而导致测向误差,很难完全消除这些畸变或失真。

　　“相关干涉仪测向”可以理解为:通过比较来波的相位分布与事先已存的各方位来波相位分布的相似性来得到来波方向的测向方法。由于已经将天线畸变和失真的影响存入了样本中,通过相关处理,实际上相当于弱化了畸变和失真对测向精度的不利影响。

　　由于不可能将频率范围内所有方向上的信号在测向天线阵上的相位分布都存入样本中,所以实际使用时,是按一定规律设点,同时在频率和方位上,建立样本群,在测向时,将所测得的数据与样本群进行插值处理和相关运算就可以获得来波信号的方向,频率间隔和方位间隔越小,测量的样本群数据就测控遥感与导航定位越多,测向的精确度也就越高。

　　2　设计实现

　　通过对相关干涉仪测向算法的分析可以发现:虽然运算量很大,但是算法本身比较简单,适合用FPGA来实现,在原有测向设备的基础上,设计实现了由FPGA硬件完成处理功能的高速测向系统。

　　2.1　硬件平台介绍

　　天线阵接收外界的无线电电波信号,经信道部分变频为中频信号,再由5路A/D进行同步采样,采样数据做FFT处理后,计算出信号的相位,最后进行相关干涉仪测向处理得到信号的方位角。测向系统组成如图1所示。

　　2.2　FPGA实现的主要功能

　　为了提高处理速度,从得到采样数据到完成方位角计算这一系列处理过程由多片FPGA完成,如图2所示。FPGA实现的主要功能包括:加窗、FFT处理、幅度/相位计算、相位补偿、相位差计算、“相关”处理等,计算方位角的“相关”处理过程如下: