空間譜估計(jì)測向系統(tǒng)設(shè)計(jì)

摘要：空間譜估計(jì)測向是一種以多元天線陣結(jié)合現(xiàn)代數(shù)字信號(hào)處理為基礎(chǔ)的新型測向技術(shù)。針對(duì)空間譜估計(jì)中的典型算法――MUSIC算法，在研究超分辨測向系統(tǒng)的構(gòu)成、工作原理和硬件實(shí)現(xiàn)方案的基礎(chǔ)上．提出了一種實(shí)現(xiàn)MU-SIC算法的并行處理方案。
關(guān)鍵詞：空間譜估計(jì)；多元天線陣；MUSIC算法；超分辨測向；并行處理

1 引言
隨著電子技術(shù)的發(fā)展，電子對(duì)抗在武器系統(tǒng)中扮演著重要角色，電子對(duì)抗體系向多樣化發(fā)展，諸如利用電子干擾設(shè)備直接干擾對(duì)方電子系統(tǒng)正常工作的電子對(duì)抗方法；利用武器彈藥系統(tǒng)攻擊對(duì)方電子設(shè)備。無論采用哪種方法贏得戰(zhàn)場主動(dòng)，其前提條件是要知道對(duì)方通訊設(shè)備、無線電通信以及其他發(fā)射無線電信號(hào)的電子設(shè)備的方位。此外，為了實(shí)施對(duì)多源(如多發(fā)引信、多臺(tái)通信機(jī)或干擾機(jī))的干擾，需有效利用我方干擾機(jī)的功率資源，確定發(fā)射源的方位，可采用轉(zhuǎn)動(dòng)接收天線的角度確定發(fā)射源方位。但這種方法存在測角精度和測量速度的矛盾，難以滿足空間存在多個(gè)運(yùn)動(dòng)目標(biāo)時(shí)，確定各目標(biāo)方位的要求。而空間譜估計(jì)測向技術(shù)可實(shí)現(xiàn)對(duì)空域中多個(gè)目標(biāo)的同時(shí)超分辨測向，因此，這里給出空間譜估計(jì)測向系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案。

2 空間譜估計(jì)測向原理
空間譜估計(jì)測向是一種以天線陣輸出信號(hào)的空間相關(guān)特性為基礎(chǔ)的超分辨譜估計(jì)方法。MUSIC算法是基于特征結(jié)構(gòu)分析的空間譜估計(jì)方法，其測向原理引是根據(jù)矩陣特征分解理論，對(duì)陣列輸出協(xié)方差矩陣進(jìn)行特征分解，將信號(hào)空間分解為噪聲子空間ENH和信號(hào)子空間EHS，利用噪聲子空間ENH與陣列的方向矩陣的列矢量正交的性質(zhì)，構(gòu)造空間譜函數(shù)P(θ)并進(jìn)行譜峰搜索，從而估計(jì)出波達(dá)方向信息。圖1給出采用MUSIC算法進(jìn)行空間譜估計(jì)技術(shù)仿真測得的信號(hào)源方向消息，其信號(hào)源方向分別為45°，30°，一18°，25°。根據(jù)圖1 MUSIC算法仿真結(jié)果可以看出，該算法可精確確定信號(hào)源方向信息。

3 空間譜估計(jì)測向系統(tǒng)設(shè)計(jì)
實(shí)現(xiàn)空間譜估計(jì)測向系統(tǒng)要具備物理支持(天線陣列和數(shù)字接收機(jī))和軟件系統(tǒng)支持。這兩者是相輔相成的，其硬件的高性能、一致性使采樣數(shù)據(jù)誤差減小，從而充分表現(xiàn)譜估計(jì)軟件的超分辨性能；譜估計(jì)算法的高速、高穩(wěn)定性降低了硬件成本要求。
3．1 空間譜估計(jì)測向系統(tǒng)構(gòu)成
空間譜估計(jì)測向系統(tǒng)的基本構(gòu)成框圖如圖2所示。由圖可見，該測向系統(tǒng)由多元天線陣，多信道接收機(jī)，轉(zhuǎn)換器和信號(hào)處理終端構(gòu)成。要想使空間譜估計(jì)算法的優(yōu)良性能在測向中得到很好體現(xiàn)，就需解決好相應(yīng)組成部分的技術(shù)問題。

3．1．1 多元天線陣
多元天線陣是對(duì)空間信號(hào)采集的傳感器，各天線陣元接收到的信號(hào)幅度、相位與信號(hào)間的關(guān)系，以及信號(hào)到達(dá)方向有關(guān)。從原理上說，天線陣可以布置成任意形式，各天線陣元的特性也都不相同。在空間譜估計(jì)測向中，將具有相同特性的各陣元設(shè)為全向天線陣元，各陣元均勻等距地分布在一直線上，陣元間隔一般取為二分之一工作波長，這種陣通常稱為均勻線陣。多元天線陣的各個(gè)陣元，要求機(jī)械定位精度高，各陣元的方向圖要盡可能的保持一致，各陣元之間的互耦也要盡量小。
3．1．2 多信道接收機(jī)
每一天線陣元的輸出送至各自的接收機(jī)輸入端。如N個(gè)天線陣元，就有N個(gè)完全相同的接收機(jī)。接收機(jī)將信號(hào)放大、變頻到適合A／D轉(zhuǎn)換的頻率，從而輸出中頻信號(hào)。也可將A／D轉(zhuǎn)換器和接收機(jī)集成一體，直接輸出數(shù)字信號(hào)。為了完整保存各天線陣元接收的信號(hào)幅度和相位信息，一般采用I、Q通道方法，即在中放末級(jí)采用正交混頻，將相位相差90°兩路本振信號(hào)送到兩個(gè)混頻器，其輸出的低通信號(hào)即為I和Q通道信號(hào)。I和Q通道各接一A／D轉(zhuǎn)換器，其輸出就是數(shù)字化的復(fù)信號(hào)的實(shí)部和虛部。各個(gè)陣元的接收機(jī)模型如圖3所示。