[发明专利]一种基于L型天线阵列的相位干涉仪测向装置及解算方法

权利要求书

1.一种基于L型天线阵列的相位干涉仪测向装置，其组成包括L型五元天线阵(1)、微波前端(2)、中频采样单元(3)和基带处理单元(4)，其特征在于：其中中频采样单元(3)包括了5个通道的中频采样模块，基带处理单元(4)包括了FPGA和DSP两个主要处理器，L型五元天线阵(1)接收来自辐射源的射频平面波信号，分别以方位角和俯仰角的形式入射到微波前端(2)，微波前端(2)输出5个通道的中频信号到中频采样单元(3)中的5个通道的中频采样模块，5个通道的中频采样模块输出的数字量送到基带处理单元(4)中的FPGA处理器，FPGA处理器与DSP处理器之间通过地址线和数据线实现通信、控制与数字信号处理；FPGA内部的具体实现过程如下：

步骤1：测角公式是一个反正弦函数，这时统一的CORDIC算法应该选择矢量模式，令参数值m＝1，则式中的yn将逐渐接近于定值c，迭代关系式为：

x n + 1 = x n + S n · y n · 2 - n y n + 1 = y n - S n · x n · 2 - n z n + 1 = z n - S n · a r c t a n ( 2 - n ) ]]>

在n次迭代计算之后得到的输出结果是：

x n = ( A n · x 0 ) 2 + c 2 y n = c z n = z 0 + a r c s i n ( c A n · x 0 ) ]]>

式中An为畸变因子，当n→∞的时An趋近于1.647，可知，迭代过程的初值应当设为：x0＝1/An，y0＝0，z0＝0，c0＝c，可以计算得到arcsin(c)的角度；

步骤2：反正弦函数的值域在[-1,1]之间，将输入数据x，y的长度取为16位二进制数，其中，最高位是输入数据的符号位，剩下的位数作为小数位，由于采用浮点数的迭代计算过程需要耗费更多的硬件资源，不利于进行硬件实现，所以在数据处理时用215来表示系统的输入值1，用定点计算来解决这个问题，当有待求的正弦值为0.0833时，应该把0.0833×215所得的结果作为c值作为输入；将统一的CORDIC表达式与相位干涉仪的测角公式进行对比可知，当入射波的频率为2GHz时，输入值c＝φ/π，在相位差范围内系统的测角范围θ∈(-90°,90°)；当入射波频率为3GHz时，输入值c＝2φ/3π，相位差范围内的测角范围θ∈(-41.8°,41.8°)；而入射波频率达到4GHz时，输入值c＝φ/2π，相位差范围内的测角范围θ∈[-30°,+30°]，阵元间距的取值能够保证在整个频段内对[-30°,30°]方向的入射无线电波进行测向；

步骤3：与输入数据处理相类似，迭代计算过程中使用的角度累加器采用4位十六进制数表示，θ跟z之间的换算关系可以表示成：z＝θ/π×215，预先设定的旋转角计算公式为

步骤4：模块中通过设置一个符号标志位sig来标定输入数据的符号，输入数据c的格式是经过变换的16位二进制数，其中最高位代表数据的符号，因此可以根据符号位进行正负的判断，当输入数据c为正值时，令符号标志位sig＝0，经过前处理模块后的输入值保持不变；当输入数据c为负值时，令符号标志位sig＝1，并通过中间寄存器将c的最高位变为0后输出与之相对的正值数据记为c_in；

步骤5：迭代计算部分采用流水线结构设计，由于y0＝0，z0＝0，故不再设置外置的y、z输入端，而是直接在内置的寄存器中赋给其初值：x0＝1/An＝0.607529，乘上215化为16位二进制数为0100110111000011；数据输入端为c_in，预先设定的角度值，第一次偏转的角度为45°，经过角度变换化为十六进制后用于模块的编程设计，随着流水线级数的增高，预设角度值越来越小，并不断趋近于最终角度，从而得到精度较高的输出数据；采用15级流水线结构，需要注意的是移位运算的位数将会随级数的增高而增加，最后的输出记为phase_out；

步骤6：读取前处理模块的输出标志位sig的值，如果sig的值为0，代表原数据为正值输入，可以将phase_out的输入值送给phase_real输出；若sig值为1，表示原输入为负值，则需要把输出正值数据转变为相对应的负值，通过中间寄存器phase_mid把输入数据的最高位变为1，变换后的数据通过输出端phase_real输出；CORDIC算法流水线结构将三角函数运算转化为加减、移位迭代运算，主要使用逻辑运算单元，降低了硬件实现过程的复杂性；流水线结构分为多级依次进行，每一级之间都是相互独立的运算单元；不同级数的运算单元中移位操作的位数也不相同，在进行第n次迭代运算时，xn和yn都需要向右移n位；在迭代运算的过程中输入的数值c要应用于Sn的判断中，需要输入的数值c不随迭代级数的变化而产生变化，因此通过设置一组寄存器，将输入值在流水线不同级之间传递下来；如图5中所示，Sn的取值是取决于yn和输入值c差值的符号位rn[15]，rn[15]＝0时代表yn≥c，此时Sn的取值为1，否则Sn取值为-1。