一种基于FPGA实现的均匀圆阵相关干涉仪测向方法
本发明属于相关干涉仪测向领域，具体涉及一种基于fpga实现的均匀圆阵的相关干涉仪测向方法。
背景技术：
1、干涉仪测向技术基于信号处理和电磁场理论，利用信号传播时延引起的相位差来解算来波信号的入射方向。传统的相关干涉仪测向是通过搭建相关干涉仪测向系统完成来波信号入射角度计算。其搭建相关干涉仪测向系统如图1所示，包括来波信号接收端和数据处理计算单元；来波信号接收端由接收天线、射频模块、采样单元组成；接收天线单元通常为均匀圆阵列接收天线，用于接收空间中传播的来波信号并传输至射频模块；射频模块将收到的来波信号进行变频和放大得到模拟信号；采样单元用于对模拟信号进行ad采样并转换为数字信号。
2、(1)使用来波信号接收端采集不同频率、众多方向的电波建立标准数据库；
3、(2)对未知方向电波测向时，首先按照建立标准数据库的程序实时测得一个复数数组；
4、(3)通过相关函数进行比较运算，求得电波的到达方向。传统的相关函数公式为：
5、
6、式中，表示相位差样本数据库中的第k个元素；为正式测向入射信号相位差中的第k个元素。计算所得的相关系数f(θ,β)越大，表示和之间的相关度越大，即二者对应的角度越接近。
7、以八元均匀圆阵干涉仪的工作模型为例，在m＝8情况下，可得任意阵元m相较于原点的相位差为：
8、
9、故不同阵元m,n之间的相位差为：
10、
11、若存在两个来波信号，其方位角相同，但俯仰角不同，即角度值分别为(α,β1)和(α,β2)，用传统的相关函数表示为：
12、
13、其中为样本数据库中某个角度的相位差，为来波信号的相位差矢量，为来波信号的相位差的转置。根据式(3)可得：
14、
15、将式(6)代入式(4)中可得：
16、
17、由于俯仰角的变化范围为(0°，90°]，故因此
18、
19、根据式(7)、(8)可以发现，对于两个入射方位角相同，但俯仰角不同的来波信号，它们具有相同的相关函数值，故传统相关函数无法判断信号的俯仰信息。
20、此外，若圆阵天线阵列半径r＞λ/4，根据式(2)、(3)可知天线对相位差的范围将超过±π。即为：
21、|φm,n|max＞π,mn＝15,26,37,48 (9)
22、那么实测天线对相位差(φm,n)measured与真实天线对相位差(φm,n)real可能存在2π的相位模糊。即为：
23、(φm,n)measured＝(φm,n)real+2π×k (10)
24、此外，当相位差主值区间[0,2π]时，由于噪声干扰的影响，相位差在边界发生波动时，相关系数会发生跳变，这也会影响到测向性能。
25、因此，有必要研究一种新的基于均匀圆阵相关干涉仪测向方法，以提升入射波测向准确率。
技术实现思路
1、本发明的目的在于提供一种基于fpga实现的均匀圆阵的相关干涉仪测向方法，以解决现有相关干涉仪测向方法存在的相位模糊、边界跳变、无法分辨俯仰角等测向问题，并通过fpga提高运算的速度。
2、为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
3、一种基于fpga实现的均匀圆阵的相关干涉仪测向方法，包括以下步骤：
4、步骤s1、获取第一来波数据第二来波数据：第一来波数据为预先搭建的相关干涉仪测向系统的均匀圆阵天线阵列中预设目标角度范围的来波信号，第二来波数据为预先搭建的相关干涉仪测向系统的均匀圆阵天线阵列中预设目标角度范围内任一角度的来波信号；定义用于第一来波数据和第二来波数据进行比较运算的相关函数g(i)：
5、
6、式中分别为第二来波数据中第一、二、三、四最长基线组之间的相位差，分别为第一来波数据中第一、二、三、四最长基线组之间的相位差；
7、步骤s2、将第一来波数据作为样本数据库，对样本数据库中每个来波信号进行快速傅里叶变换(fft)，得到每个接收天线上的相位值，基于最长基线组合法对每个天线上的相位值作差，得到每个电磁波数据对应的最长基线相位矢量差，记为第一相位矢量差；将第一相位矢量差和第二来波数据进行格式转换后存储至fpga的rom中；
8、步骤s3、在fpga中，对接收到的各通道第二来波数据并行傅里叶变换后取反正切值，得到每个接收天线的相位；基于最长基线法做差相位，得到该角度下电磁波数据最长基线组的相位差矢量，并将其限制范围至[-π,π]，记为第二相位差矢量；
9、步骤s4、使用步骤s1定义的相关函数，计算第二相位差矢量与样本数据库中的每个第一相位差矢量之间的相关函数值；
10、步骤s5、选取出最大相关函数值，对应第一来波数据中的角度，将该角度作为第二来波数据的角度值，从而得到相关干涉测向角度数据。
11、进一步的，所述步骤s2中是将第一相位矢量差和任一角度的电磁波数据的格式转换为coe文件格式，存入fpga的rom。
12、更进一步的，所述步骤s2基于最长基线组合法作差，得到每个来波数据对应的最长基线相位差的方法如下：
13、八元均匀圆阵接收天线阵列中的八个天线沿顺时针方向依次为天线a1、天线a2……天线a8，将天线a1与天线a5的相位作差、天线a2与天线a6的相位作差、天线a3与天线a7的相位作差、天线a4和天线a8的相位做差，获得相位差矢量。
14、进一步的，所述步骤s3在fpga中，通过调用内置vivado软件中的ip核，实现对多通道输入的第二来波数据进行并行傅里叶变换，加快运算速度。
15、进一步的，所述搭建的相关干涉仪测向系统中阵列天线为八元均匀圆阵接收天线阵列。
16、进一步的，上述基于fpga的八元均匀圆阵相关干涉仪测向方法，还包括步骤s1之前搭建并调试相关干涉仪测向收发装置的步骤(1)搭建相关干涉仪测向收发装置：
17、所述相关干涉仪测向收发装置包括：
18、信号发射端，由信号源和发射天线组成，发射天线用于将信号源提供的电波信号发送至空间中；
19、信号接收端，由八元均匀圆阵接收天线阵列、接收机前端、上位机、单片机以及转台组成；八元均匀圆阵接收天线阵列设于转台上，用于接收空间中的来波信号并传输至接收机前端；接收机前端由射频模块和采样单元组成，射频模块用于对电波信号进行下变频处理得到模拟信号传输至采样单元，采样单元用于采样模拟信号并转换为数字信号；上位机根据需求控制转台转动。
20、(2)调试发射天线与八元均匀圆阵接收天线阵列位置，使其满足远场条件并保证八元均匀圆阵接收天线阵列正常接收信号。
21、fpga是硬件级别的并行计算平台，其内部逻辑门电路可以同时执行多个操作，在实现特定算法时，fpga可以通过并行硬件结构将算法映射为硬件电路，实现并行计算，从而大大提高执行速度，在fpga上设计流水线化结构，优化内部布局布线，能够以极低的延迟执行任务，从而获得更高的运算效率，此外fpga技术具有较好的可移植性和灵活性。基于此，本发明通过改进相关函数，并在fpga上设计流水线计算架构数据在每个时钟周期进行流动，挖掘了fpga强大的并行处理能力和灵活的硬件特性，提升了相关函数计算的执行速度，避免了相位模糊、边界跳变等问题。在此基础上，结合八元均匀圆阵的最长基线法进行测向，八个接收天线能提供丰富的相位信息，而最长基线法最大化的利用了这些相位信息，在追求高测向分辨能力、高测向精度的同时保证了测向速度。
技术特征：
1.一种基于fpga实现的均匀圆阵的相关干涉仪测向方法，其特征在于，包括以下步骤：
2.根据权利要求1所述的一种基于fpga实现的均匀圆阵的相关干涉仪测向方法，其特征在于：所述步骤s2中是将第一相位矢量差和第二来波数据的格式转换为coe文件格式，存入fpga的rom。
3.根据权利要求2所述的一种基于fpga实现的均匀圆阵的相关干涉仪测向方法，其特征在于：所述步骤s2基于最长基线组合法对每组天线对上的相位值作差，得到每个来波信号对应的最长基线相位矢量差的方法如下：
4.根据权利要求1所述的一种基于fpga实现的均匀圆阵的相关干涉仪测向方法，其特征在于：所述步骤s3在fpga中，通过调用内置vivado软件中的ip核，实现对多通道输入的来波数据进行并行傅里叶变换，加快运算速度。
5.根据权利要求1所述的一种基于fpga实现的均匀圆阵的相关干涉仪测向方法，其特征在于：所述搭建的相关干涉仪测向系统中阵列天线为八元均匀圆阵接收天线阵列。
6.根据权利要求1所述的一种基于fpga实现的均匀圆阵的相关干涉仪测向方法，还包括步骤s1之前搭建并调试相关干涉仪测向收发装置的步骤，具体的：
技术总结
本发明属于相关干涉仪测向领域，具体涉及一种基于FPGA实现的均匀圆阵的相关干涉仪测向方法，通过定义的相关函数避免了相位模糊、边界跳变等问题；采用FPGA运算改进后的相关函数，计算过程中采用流水线计算架构，数据在每个时钟周期进行流动，挖掘了FPGA强大的并行处理能力和灵活的硬件特性，提升了相关函数计算的执行速度。在此基础上，结合八元均匀圆阵的最长基线法进行测向，八个接收天线能提供丰富的相位信息，而最长基线法最大化的利用了这些相位信息，在追求高测向分辨能力、高测向精度的同时保证了测向速度。
技术研发人员：刘宇,董宇杰,易骏康,彭浩,杨涛,周翼鸿,包阳辉
受保护的技术使用者：电子科技大学
技术研发日：
技术公布日：2024/9/23