五通道相位干涉仪测向的研究和实现
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摘要
被动无源测向定位在航海、航空、航天、电子战等领域具有十分重要的地位和作用，其主要优点是作用距离远、隐蔽性强。本文以测向系统的组成为基础，研究了单平台情况下利用到达方向、到达时间差、多普勒频率差、相位变化率等参数的测向方法、测向算法、测向精度和性能，并进行了计算机仿真，为无源测向系统的设计和实施提供了重要的理论基础和实验数据。对天线阵通道不一致进行校正是利用天线阵处理信号要解决的问题之一。本研究提出通过辅助信号源对通道增益和相位不一致性进行有源校正的方法。最后，在高速浮点数字信号处理器TMS320C6711系统上实现了五通道测向处理器有源校正和测向算法，达到了性能指标及实时实现。本文主要内容为：
第一章阐述了辐射源无源定位技术研究的历史背景、现状和意义。说明了该技术的研究具有极其重要的理论意义和军事、民用价值。
第二章概述了无线电通信测向原理，包括无线电测向系统组成和分类；无线电测向的主要性能指标；四种主要测向体制的工作原理和特点。
第三章对信道误差的校正问题进行讨论。分析了通道幅相误差产生原因，给出了多基线五元圆形天线模型下的幅相校正过程，在此基础上给出了四种幅相误差校正方法，分析了四种校正方法的特点。
第四章对相位干涉仪进行了较为详细和系统的研究，给出一维相位干涉仪的基本关系式，分析了五通道相位干涉仪测向定位算法及其性能指标，对解相位模糊问题进行了探讨，在CCSS中仿真了测向算法，仿真结果证明了算法的正确性。
第五章进行干涉仪测向系统设计。简述了TI公司的高速浮点数字信号处理器TMS320C6711的主要特点，介绍了其主要结构、软件的开发方法。最后，在TMS320C6711系统上实现了五通道测向处理系统，达到了性能指标及实时实现。
最后，总结了本文的工作，给出研究结果并提出了对辐射源测向问题进一步研究的建议。
Passive direction finding of emitter source has been playing an important role in navigation, aviation, aerospace and electronic warfare with its outstanding features such as longer range and better concealment. Based on the configure of direction finding, the location method, algorithm, accuracy and performance for multistations and single station are studied in this thesis, and the computer simulation results are given out. It is important of resolving the performance of antenna array. A technique to estimate and calibrate the performance is developed in this page. Lastly we realized algorithm of calibrate the performance and five channels phase interferometer on high speed float DSP TMS320C6711 and achieved the performance index and real time implementation. The main contents are as following:
The first chapter is a brief introduction to direction finding of its backgrounds, present states and importance.
The second chapter summarized the principle of radio-communication direction finding, include compose and classify of radio-communication direction finding; the main performance index of radio-communication direction finding; shows the principle and character of four main kinds of direction finding system.
The analysis of channel disaccord calibration discussed in Chapter 3. Analysis the cause of channel disaccord of gain and phase, give four methods of gain and phase calibration, computer simulation illustrate the that the methods are effective.
In the Chapter 4,the basic relation of phase interferometer of one dimension, two dimensions, and the measurement accuracy and the approach of solving the phase ambiguity in the phase interferometers have been discussed in detail. The equations of target position and its errors in the satellite-born phase interferometer have been also derived.
In the Chapter 5,we designed the interferometer direction finding system. It provides a brief overview of the background and major features of DSP, also describes the architecture of TMS320c671h software developing method. Lastly we realized the system.
Finally, an overview of author's work and the prospect of direction finding are presented.
第一章阐述了辐射源无源定位技术研究的历史背景、现状和意义。说明了该技术的研究具有极其重要的理论意义和军事、民用价值。
第二章概述了无线电通信测向原理，包括无线电测向系统组成和分类；无线电测向的主要性能指标；四种主要测向体制的工作原理和特点。
第三章对信道误差的校正问题进行讨论。分析了通道幅相误差产生原因，给出了多基线五元圆形天线模型下的幅相校正过程，在此基础上给出了四种幅相误差校正方法，分析了四种校正方法的特点。
第四章对相位干涉仪进行了较为详细和系统的研究，给出一维相位干涉仪的基本关系式，分析了五通道相位干涉仪测向定位算法及其性能指标，对解相位模糊问题进行了探讨，在CCSS中仿真了测向算法，仿真结果证明了算法的正确性。
第五章进行干涉仪测向系统设计。简述了TI公司的高速浮点数字信号处理器TMS320C6711的主要特点，介绍了其主要结构、软件的开发方法。最后，在TMS320C6711系统上实现了五通道测向处理系统，达到了性能指标及实时实现。
最后，总结了本文的工作，给出研究结果并提出了对辐射源测向问题进一步研究的建议。
Passive direction finding of emitter source has been playing an important role in navigation, aviation, aerospace and electronic warfare with its outstanding features such as longer range and better concealment. Based on the configure of direction finding, the location method, algorithm, accuracy and performance for multistations and single station are studied in this thesis, and the computer simulation results are given out. It is important of resolving the performance of antenna array. A technique to estimate and calibrate the performance is developed in this page. Lastly we realized algorithm of calibrate the performance and five channels phase interferometer on high speed float DSP TMS320C6711 and achieved the performance index and real time implementation. The main contents are as following:
The first chapter is a brief introduction to direction finding of its backgrounds, present states and importance.
The second chapter summarized the principle of radio-communication direction finding, include compose and classify of radio-communication direction finding; the main performance index of radio-communication direction finding; shows the principle and character of four main kinds of direction finding system.
The analysis of channel disaccord calibration discussed in Chapter 3. Analysis the cause of channel disaccord of gain and phase, give four methods of gain and phase calibration, computer simulation illustrate the that the methods are effective.
In the Chapter 4,the basic relation of phase interferometer of one dimension, two dimensions, and the measurement accuracy and the approach of solving the phase ambiguity in the phase interferometers have been discussed in detail. The equations of target position and its errors in the satellite-born phase interferometer have been also derived.
In the Chapter 5,we designed the interferometer direction finding system. It provides a brief overview of the background and major features of DSP, also describes the architecture of TMS320c671h software developing method. Lastly we realized the system.
Finally, an overview of author's work and the prospect of direction finding are presented.
引文
[1]W．D．斯坦利，数字信号处理，北京：科学出版社，1979年．
[2]张贤达，保铮，通信信号处理，北京：国防工业出版社，2000年．
[3]赵淑清，郑薇，随机信号分析，哈尔滨：哈尔滨工业大学出版社，1999年．
[4]陈亚勇等，MATLAB信号处理详解，北京：人民邮电出版社，2001年．
[5]庞伟正。高分辨测向算法对三种信号源测向精度及分辨率的分析与模拟。雷达与对抗，1996(4)：1～5．
[6]杜龙先。单信道相关干涉仪测向原理。中国无线电管理，2000．2(1)
[7]狄留卿。无线电通信侦察。中国人民解放军电子工程学院，1992
[8]袁孝康．空间电子侦察的几个问题[J]．航天电子对抗，1996；(3)：1—5
[9]李卿，二维数字化瞬时测向技术[J]，电子对抗，1982；(7)：58～75．
[10]袁孝康，相位干涉仪测向定位研究，上海航天，1999(3)1～7．
[11]Wertz J R，Larson W J．航天任务的分析与设计[M]．北京：航空工业出版社，1992．
[12]杨小牛，楼才义，徐建良，软件无线电原理与应用[M]，电子工业出版社，2001
[13]张贤达。现代信号处理。北京：清华大学出版社，1995
[14]吴湘淇，聂涛。数字信号处理技术及应用。北京：中国铁道出版社，1986。440～450
[15]肖先赐。高分辨测向技术——空间谱分析方法。电子对抗，1988(2)：9～15
[16]李全力，肖先赐。空间谱估计测向系统通道失配的单信号信源校正方法。电子学报，1991，19(2)：123～125
[17]孙仲康等。定位导航与制导。国防工业出版社，1987
[18]张贤达，保铮。非平稳信号分析与处理。北京：国防工业出版社，1999
[19]Andrew Bateman，Iain Paterson—Stephens。DSP算法、应用与设计。北京：机械工业出版社，2003
[20]陈鹏举。无线电通信测向和定位原理。中国人民解放军电子工程学院，1991
[21]钟子发。无线电通信测向。中国人民解放军电子工程学院，1988
[22]干涉仪式交会雷达技术译文。电讯技术，2002，42(1)
[23]万名坚，肖先赐。用信号子空间对测向阵元对测向阵元文治进行校准。电子科学学刊，1991，13(5)：461～467
[24]万名坚等。一种对相干信号源进行定位的特征投影算法。信号处理，1991，3
[25]任丽香 马淑芬 李方慧。TMS320C6000系列DSPs的原理与应用。北京：电子工业出版社，2000
[26]黄文梅，熊桂林，杨勇，信号分析与处理-MATLAB语言及应用，国防科技大学出版社，2000
[27]车晴，电子系统仿真与MATLAB，北京广播学院出版社，2000
[28]L．科恩，时-频分析：理论与应用，西安交通大学出版社，1998
[29]曹志刚，钱亚生，现代通信原理，清华大学出版社，1992
[30]罗利春，无线电侦察信号分析与处理，国防工业出版社，2003
[31]张海燕 李正文 许林。《五通道相位干涉仪测向算法及其在TMS320C6711上的实现》。电子技术应用，2003，29(12)，28～31
[32]Ross,Randall. W. Oscilation Design and Computer Simulation, Second Edition [M], Ailtanta; Noble Publishing, 1995,73-78.
[33]Ross. W. The Calibration of Four Aerial Adock Direction Finder[J]. Proc. IEEE. Tireless Section, 1939,14.
[34]International Telecommunication Union. Spectrum Monitoring Handbook. ITU 1995
[35]Godara, LC. Application of AntennaArrays to Mobile Communication. Part Ⅰ Proceedings of the IEEE, 1997, 85 (7)
[36]Weiss A J, Friedlander B. Eigenstructure method for Direction Finding with Sensor Gain and Phase Uncertainties. J. Circuits, System, Signal Processing, 1990, 9(3):271～300
[37]Gordon G. Simulation with Digital Computer. New Delhi:Prentic-Hall of India, 1979
[38]R. Schmidt. Multiple Emitter Location and Signal Parameters Estimation. IEEE Trans AP, Vol, 34, No. 3,276～280
[39]A. Pautarj, et al. Direction of Arrival Estimation by eigenstructure method with unknown sensor gain and phase. ICASSP, 1985:640～643
[40]Gardner W A. Measurement of Spectral Correlation Theory of Cyclostationary Time-Series. Signal Processing, 1986,11(1):13～36
[41]Gardner W A. Spectral Correlation of Modulated Signals:Pt.Ⅰ Analog Modulation. IEEE Trans. Com, 1987,35(6):584～589
[42]Gardner W A. Brown W A, Chen C K . Spectral Correlation of Modulated Signals: Pt. Ⅱ-Digital Modulation. IEEE Trans. Com, 1987,35(6):595～601
[43]TI company TMS320C62x/C67x Technical Brief, 1998
[44]TI company TMS320C62x/C67xCPU and Instruction Set Reerence Guide,1998
[2]张贤达，保铮，通信信号处理，北京：国防工业出版社，2000年．
[3]赵淑清，郑薇，随机信号分析，哈尔滨：哈尔滨工业大学出版社，1999年．
[4]陈亚勇等，MATLAB信号处理详解，北京：人民邮电出版社，2001年．
[5]庞伟正。高分辨测向算法对三种信号源测向精度及分辨率的分析与模拟。雷达与对抗，1996(4)：1～5．
[6]杜龙先。单信道相关干涉仪测向原理。中国无线电管理，2000．2(1)
[7]狄留卿。无线电通信侦察。中国人民解放军电子工程学院，1992
[8]袁孝康．空间电子侦察的几个问题[J]．航天电子对抗，1996；(3)：1—5
[9]李卿，二维数字化瞬时测向技术[J]，电子对抗，1982；(7)：58～75．
[10]袁孝康，相位干涉仪测向定位研究，上海航天，1999(3)1～7．
[11]Wertz J R，Larson W J．航天任务的分析与设计[M]．北京：航空工业出版社，1992．
[12]杨小牛，楼才义，徐建良，软件无线电原理与应用[M]，电子工业出版社，2001
[13]张贤达。现代信号处理。北京：清华大学出版社，1995
[14]吴湘淇，聂涛。数字信号处理技术及应用。北京：中国铁道出版社，1986。440～450
[15]肖先赐。高分辨测向技术——空间谱分析方法。电子对抗，1988(2)：9～15
[16]李全力，肖先赐。空间谱估计测向系统通道失配的单信号信源校正方法。电子学报，1991，19(2)：123～125
[17]孙仲康等。定位导航与制导。国防工业出版社，1987
[18]张贤达，保铮。非平稳信号分析与处理。北京：国防工业出版社，1999
[19]Andrew Bateman，Iain Paterson—Stephens。DSP算法、应用与设计。北京：机械工业出版社，2003
[20]陈鹏举。无线电通信测向和定位原理。中国人民解放军电子工程学院，1991
[21]钟子发。无线电通信测向。中国人民解放军电子工程学院，1988
[22]干涉仪式交会雷达技术译文。电讯技术，2002，42(1)
[23]万名坚，肖先赐。用信号子空间对测向阵元对测向阵元文治进行校准。电子科学学刊，1991，13(5)：461～467
[24]万名坚等。一种对相干信号源进行定位的特征投影算法。信号处理，1991，3
[25]任丽香 马淑芬 李方慧。TMS320C6000系列DSPs的原理与应用。北京：电子工业出版社，2000
[26]黄文梅，熊桂林，杨勇，信号分析与处理-MATLAB语言及应用，国防科技大学出版社，2000
[27]车晴，电子系统仿真与MATLAB，北京广播学院出版社，2000
[28]L．科恩，时-频分析：理论与应用，西安交通大学出版社，1998
[29]曹志刚，钱亚生，现代通信原理，清华大学出版社，1992
[30]罗利春，无线电侦察信号分析与处理，国防工业出版社，2003
[31]张海燕 李正文 许林。《五通道相位干涉仪测向算法及其在TMS320C6711上的实现》。电子技术应用，2003，29(12)，28～31
[32]Ross,Randall. W. Oscilation Design and Computer Simulation, Second Edition [M], Ailtanta; Noble Publishing, 1995,73-78.
[33]Ross. W. The Calibration of Four Aerial Adock Direction Finder[J]. Proc. IEEE. Tireless Section, 1939,14.
[34]International Telecommunication Union. Spectrum Monitoring Handbook. ITU 1995
[35]Godara, LC. Application of AntennaArrays to Mobile Communication. Part Ⅰ Proceedings of the IEEE, 1997, 85 (7)
[36]Weiss A J, Friedlander B. Eigenstructure method for Direction Finding with Sensor Gain and Phase Uncertainties. J. Circuits, System, Signal Processing, 1990, 9(3):271～300
[37]Gordon G. Simulation with Digital Computer. New Delhi:Prentic-Hall of India, 1979
[38]R. Schmidt. Multiple Emitter Location and Signal Parameters Estimation. IEEE Trans AP, Vol, 34, No. 3,276～280
[39]A. Pautarj, et al. Direction of Arrival Estimation by eigenstructure method with unknown sensor gain and phase. ICASSP, 1985:640～643
[40]Gardner W A. Measurement of Spectral Correlation Theory of Cyclostationary Time-Series. Signal Processing, 1986,11(1):13～36
[41]Gardner W A. Spectral Correlation of Modulated Signals:Pt.Ⅰ Analog Modulation. IEEE Trans. Com, 1987,35(6):584～589
[42]Gardner W A. Brown W A, Chen C K . Spectral Correlation of Modulated Signals: Pt. Ⅱ-Digital Modulation. IEEE Trans. Com, 1987,35(6):595～601
[43]TI company TMS320C62x/C67x Technical Brief, 1998
[44]TI company TMS320C62x/C67xCPU and Instruction Set Reerence Guide,1998