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。