空间谱估计测向系统设计

摘要：空间谱估计测向是一种以多元天线阵结合现代数字信号处理为基础的新型测向技术。针对空间谱估计中的典型算法——MUSIC算法，在研究超分辨测向系统的构成、工作原理和硬件实现方案的基础上．提出了一种实现MU-SIC算法的并行处理方案。
关键词：空间谱估计；多元天线阵；MUSIC算法；超分辨测向；并行处理

1 引言
    随着电子技术的发展，电子对抗在武器系统中扮演着重要角色，电子对抗体系向多样化发展，诸如利用电子干扰设备直接干扰对方电子系统正常工作的电子对抗方法；利用武器弹药系统攻击对方电子设备。无论采用哪种方法赢得战场主动，其前提条件是要知道对方通讯设备、无线电通信以及其他发射无线电信号的电子设备的方位。此外，为了实施对多源(如多发引信、多台通信机或干扰机)的干扰，需有效利用我方干扰机的功率资源，确定发射源的方位，可采用转动接收天线的角度确定发射源方位。但这种方法存在测角精度和测量速度的矛盾，难以满足空间存在多个运动目标时，确定各目标方位的要求。而空间谱估计测向技术可实现对空域中多个目标的同时超分辨测向，因此，这里给出空间谱估计测向系统设计方案。

2 空间谱估计测向原理
    空间谱估计测向是一种以天线阵输出信号的空间相关特性为基础的超分辨谱估计方法。MUSIC算法是基于特征结构分析的空间谱估计方法，其测向原理引是根据矩阵特征分解理论，对阵列输出协方差矩阵进行特征分解，将信号空间分解为噪声子空间ENH和信号子空间EHS，利用噪声子空间ENH与阵列的方向矩阵的列矢量正交的性质，构造空间谱函数P(θ)并进行谱峰搜索，从而估计出波达方向信息。图1给出采用MUSIC算法进行空间谱估计技术仿真测得的信号源方向消息，其信号源方向分别为45°，30°，一18°，25°。根据图1 MUSIC算法仿真结果可以看出，该算法可精确确定信号源方向信息。

3 空间谱估计测向系统设计
    实现空间谱估计测向系统要具备物理支持(天线阵列和数字接收机)和软件系统支持。这两者是相辅相成的，其硬件的高性能、一致性使采样数据误差减小，从而充分表现谱估计软件的超分辨性能；谱估计算法的高速、高稳定性降低了硬件成本要求。
3．1 空间谱估计测向系统构成
    空间谱估计测向系统的基本构成框图如图2所示。由图可见，该测向系统由多元天线阵，多信道接收机，转换器和信号处理终端构成。要想使空间谱估计算法的优良性能在测向中得到很好体现，就需解决好相应组成部分的技术问题。

3．1．1 多元天线阵
    多元天线阵是对空间信号采集的传感器，各天线阵元接收到的信号幅度、相位与信号间的关系，以及信号到达方向有关。从原理上说，天线阵可以布置成任意形式，各天线阵元的特性也都不相同。在空间谱估计测向中，将具有相同特性的各阵元设为全向天线阵元，各阵元均匀等距地分布在一直线上，阵元间隔一般取为二分之一工作波长，这种阵通常称为均匀线阵。多元天线阵的各个阵元，要求机械定位精度高，各阵元的方向图要尽可能的保持一致，各阵元之间的互耦也要尽量小。
3．1．2 多信道接收机
    每一天线阵元的输出送至各自的接收机输入端。如N个天线阵元，就有N个完全相同的接收机。接收机将信号放大、变频到适合A／D转换的频率，从而输出中频信号。也可将A／D转换器和接收机集成一体，直接输出数字信号。为了完整保存各天线阵元接收的信号幅度和相位信息，一般采用I、Q通道方法，即在中放末级采用正交混频，将相位相差90°两路本振信号送到两个混频器，其输出的低通信号即为I和Q通道信号。I和Q通道各接一A／D转换器，其输出就是数字化的复信号的实部和虚部。各个阵元的接收机模型如图3所示。

    在通信侦察测向中，该接收机可采用多次变频的外差式接收机，雷达侦察测向时则是宽带微波数字式接收机。空间谱估计算法对各个通道的一致性要求较高，虽然可通过加校正源改善通道的一致性，但是在实际应用中还要求多信道接收机的各个通道尽可能保证一致性良好。
3．1．3 MD转换器
    每一路接收机的输出需经A／D转换变成数字信号。A／D转换器位数的选择应考虑信号的动态范围、量化噪声、对测向性能的影响，以及价格等因素．一般应不低于8位。
    除采用I、O通道保存信号幅度和相位信息外，也可采用数字正交通道。这时每路接收机的输出只需一个A／D转换器，不过采样频率应超过2倍信号带宽(常采用4倍信号带宽的采样频率)，再用数字方法形成信号的实部和虚部(数字式希尔伯特滤波器)。数据接收部分要求转换器的采样精度高，有效字长多，单位时间内的采样次数多。这样有利于捕获空间中出现的突发的、短暂的信号。
3．1．4 数字信号处理终端
    多路接收机经A／D转换后输出的数字信号同时送至数字信号终端进行处理，以实现对空间信号的数目、信号到达方向以及信号其他参数的估计。空间谱估计测向方法的优异性能主要通过优良的测向算法及其在信号处理终端上的实现。与幅度和相位比较等测向方法不同，空间谱估计测向方法需经较为复杂的计算才能得到待测信号的到达方向，因此性能优异的高效测向算法和高速数字信号处理终端就成为这种测向技术的核心。从原理上考虑，一台通用微机可用于信号处理终端。当要求测向过程实时或准时时，则应采用高速数字信号处理器完成信号处理终端的任务。
3．2 空间谱估计算法的硬件实现方案
    现代数字信号处理方案多采用FPGA和通用DSP的混合设计，即DSP+FPGA的设计方案。用FPGA设计协处理器处理大量、规则的计算，而利用DSP的灵活性处理复杂不规则的计算，从而使整个系统性能达到最优。
    对空间谱估计测向中的MUSIC算法分析可知，MUSIC算法可分为：求解协方差矩阵，对协方差矩阵特征分解和谱峰搜索。其中，求解协方差矩阵是一种包含大量而又规则计算的算法，且运算的数据直接从接收机的A／D转换器输出得到，可采用定点计算方式，适合采用FPGA实现。FPGA具有可编程和现场配置的特点，利用与器件相应的CAD软件，实现用户规定的各种特定功能，具有较高的灵活性。设计者可将其视为一个由若干与非门构成的阵列，各与非门之间通过一定的方式相连接，实现特定功能。
    实现协方差矩阵的特征分解可采用雅可比算法。该算法中。数据的动态范围很大，用定点计算会发生溢出，并且也无法满足精度要求，所以只能采用浮点计算；雅可比算法除包含大量的乘法、加法外，还有开方、除法等不太规则的计算。因此，用于实现特征分解的雅可比算法不宜采用FPGA实现，而应采用DSP实现。DSP类似于通用微处理器CPU，但又有其针对数字信号处理的特点。其与通用微处理器不同之处在于：采用哈佛结构，程序和数据分开存储；采用一系列措施保证数字信号的处理速度，如对FFT的专门优化。因此DSP数字信号处理能力大大优于通用微处理器，同时还具有通用微处理器系统灵活度高，计算可编程控制的特点，可适用于各种复杂的信号处理。
    因此，MUSIC算法的硬件实现可采用DSP+FPGA来实现，即定点计算和浮点计算混合的方案。FPGA实现求解协方差矩阵，可采用定点计算方法，然后把得出的数据送入DSP，将其定点转换为浮点，用浮点计算方式计算特征分解和谱峰搜索。
    求解协方差矩阵时有串行和并行两种方案。串行方案主要是以节省资源为优先考虑的一种方案，可用于那些对实时性要求不太严格的应用中；并行解决方案主要是以处理速度为优先考虑的一种方案，可用于那些对实时性要求较高的应用中。图4给出并行处理方案的原理框图。

    并行方案与串行方案的区别在于：并行方案使用多个并行相乘累加器进行计算。这样可有效提高整个系统的处理速度。并行处理的方案应当做到使各处理器的负载平衡，对于含8个阵元的测向系统，需要求出36个元素的值，因此可选用2，3，4，6，12，18，36个相乘累加器的不同的并行处理方案。显然相乘累加器越多，处理速度越快，但其成本也高。

4 结论
    在空间谱估计测向系统构成、工作原理、某些关键技术及硬件实现的基础上，介绍基于相关矩阵特征分解的MUSIC算法原理及其硬件实现方案。空间谱估计技术对雷达信号侦察测向的前景良好，具有研究价值。