空間譜估計測向系統(tǒng)設計

摘要：空間譜估計測向是一種以多元天線陣結合現(xiàn)代數(shù)字信號處理為基礎的新型測向技術。針對空間譜估計中的典型算法――MUSIC算法，在研究超分辨測向系統(tǒng)的構成、工作原理和硬件實現(xiàn)方案的基礎上．提出了一種實現(xiàn)MU-SIC算法的并行處理方案。
關鍵詞：空間譜估計；多元天線陣；MUSIC算法；超分辨測向；并行處理

1 引言
隨著電子技術的發(fā)展，電子對抗在武器系統(tǒng)中扮演著重要角色，電子對抗體系向多樣化發(fā)展，諸如利用電子干擾設備直接干擾對方電子系統(tǒng)正常工作的電子對抗方法；利用武器彈藥系統(tǒng)攻擊對方電子設備。無論采用哪種方法贏得戰(zhàn)場主動，其前提條件是要知道對方通訊設備、無線電通信以及其他發(fā)射無線電信號的電子設備的方位。此外，為了實施對多源(如多發(fā)引信、多臺通信機或干擾機)的干擾，需有效利用我方干擾機的功率資源，確定發(fā)射源的方位，可采用轉動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運動目標時，確定各目標方位的要求。而空間譜估計測向技術可實現(xiàn)對空域中多個目標的同時超分辨測向，因此，這里給出空間譜估計測向系統(tǒng)設計方案。

2 空間譜估計測向原理
空間譜估計測向是一種以天線陣輸出信號的空間相關特性為基礎的超分辨譜估計方法。MUSIC算法是基于特征結構分析的空間譜估計方法，其測向原理引是根據(jù)矩陣特征分解理論，對陣列輸出協(xié)方差矩陣進行特征分解，將信號空間分解為噪聲子空間ENH和信號子空間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，構造空間譜函數(shù)P(θ)并進行譜峰搜索，從而估計出波達方向信息。圖1給出采用MUSIC算法進行空間譜估計技術仿真測得的信號源方向消息，其信號源方向分別為45°，30°，一18°，25°。根據(jù)圖1 MUSIC算法仿真結果可以看出，該算法可精確確定信號源方向信息。

3 空間譜估計測向系統(tǒng)設計
實現(xiàn)空間譜估計測向系統(tǒng)要具備物理支持(天線陣列和數(shù)字接收機)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)譜估計軟件的超分辨性能；譜估計算法的高速、高穩(wěn)定性降低了硬件成本要求。
3．1 空間譜估計測向系統(tǒng)構成
空間譜估計測向系統(tǒng)的基本構成框圖如圖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，轉換器和信號處理終端構成。要想使空間譜估計算法的優(yōu)良性能在測向中得到很好體現(xiàn)，就需解決好相應組成部分的技術問題。

3．1．1 多元天線陣
多元天線陣是對空間信號采集的傳感器，各天線陣元接收到的信號幅度、相位與信號間的關系，以及信號到達方向有關。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。在空間譜估計測向中，將具有相同特性的各陣元設為全向天線陣元，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。多元天線陣的各個陣元，要求機械定位精度高，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
每一天線陣元的輸出送至各自的接收機輸入端。如N個天線陣元，就有N個完全相同的接收機。接收機將信號放大、變頻到適合A／D轉換的頻率，從而輸出中頻信號。也可將A／D轉換器和接收機集成一體，直接輸出數(shù)字信號。為了完整保存各天線陣元接收的信號幅度和相位信息，一般采用I、Q通道方法，即在中放末級采用正交混頻，將相位相差90°兩路本振信號送到兩個混頻器，其輸出的低通信號即為I和Q通道信號。I和Q通道各接一A／D轉換器，其輸出就是數(shù)字化的復信號的實部和虛部。各個陣元的接收機模型如圖3所示。