本发明属于电子侦查领域，具体涉及一种基于fpga实现的极化敏感阵列music测向系统。
背景技术：
1、近代以来，由于军事和民用的迫切需求，波达方向(doa)估计发展十分迅速，是战术和战略应用中许多电子战的主要组成部分。多重信号分类算法(music)作为经典的doa估计算法，具有精度高、分辨力高和普遍的阵列适用性等优点。与传统music算法相比，极化敏感阵列的music算法是将普通阵元用极化敏感阵元代替之后，并将极化敏感阵元按照特定的顺序在空间中排列，具有更高的抗干扰能力、抗角模糊能力、更强的信号检测能力。music算法的计算量较大，且包含大量的非线性运算，运算非常复杂。极化敏感阵列music的计算复杂度更是进一步加大，但是目前一般应用场景下，大多采用dsp进行多核运算实现，处理速度局限在毫秒级，仍然无法满足doa估计的实时性要求。因此，在低功耗、轻重量限制及小型化要求下，现有系统的处理速度难以满足实际应用的需要。
技术实现思路
1、本发明的目的是为了提高doa估计的实时性，而提出的一种基于fpga实现的极化敏感阵列music测向方法。
2、本发明为解决上述技术问题所采取的技术方案是：一种基于fpga实现的极化敏感阵列music测向系统，所述系统包括协方差矩阵计算单元、协方差矩阵实数化单元、雅可比分解单元、空间谱计算单元、空间谱搜索单元、极化参数估计单元；
3、所述协方差矩阵计算单元用于对极化敏感阵列采集的iq信号数据进行自相关计算，得到协方差矩阵
4、所述协方差矩阵实数化单元用于根据协方差矩阵的上三角元素计算实数化协方差矩阵
5、所述雅可比分解单元包括雅可比分组模块、查找表模块、旋转角计算模块和矩阵旋转模块；
6、所述雅可比分组模块用于将实数化协方差矩阵拆分为2m-1组矩阵，且每组矩阵内包括m个维度为2×2的矩阵；
7、所述旋转角计算模块用于为每个2×2的矩阵计算旋转角；
8、所述查找表模块用于存储数据，根据每个2×2矩阵的旋转角从查找表模块中查找数据；
9、所述矩阵旋转模块用于根据查找到的数据得到每个2×2矩阵的旋转矩阵，再根据旋转矩阵获得实数化协方差矩阵的特征值和特征向量矩阵；
10、所述空间谱计算单元包括导向矢量缓存模块和空间谱计算模块；
11、导向矢量缓存模块用于按方位角、俯仰角缓存经过实数化的导向矢量；
12、空间谱计算模块用于根据实数化协方差矩阵的特征值和特征向量矩阵构成噪声子空间矩阵从导向矢量缓存模块提取导向矢量后，根据导向矢量和噪声子空间矩阵输出空间谱矩阵与空间谱值；
13、空间谱搜索单元包括极值点缓存模块、极值点比较模块和矩阵比较模块；
14、所述矩阵比较模块用于根据雅可比分解单元输出的空间谱值构造空间谱值矩阵；
15、所述极值点比较模块的个数为n，n个极值点比较模块用于对空间谱值矩阵的某一行内的元素进行并行搜索，得到该行内的极值点；
16、所述极值点缓存模块用于存储先获得的极值点对应的空间谱值和位置，并将后续获得的极值点对应的空间谱值与已经存储的极值点对应的空间谱值进行比较，来不断更新极值点缓存模块内存储的数据，极值点缓存模块内最终存储的位置即为目标doa估计结果；
17、所述极化参数估计单元用于根据极值点缓存模块内存储的最终数据计算极化参数。
18、进一步地，所述协方差矩阵计算单元的工作过程为：
19、
20、其中，xl为极化敏感阵列在第l个快拍接收的iq信号数据向量，l＝1,2,...,l，l是快拍总数，上角标h表示共轭转置；
21、
22、其中，x1l,x2l,…,xml是向量xl中的第1个，第2个，…，第m个数据，是向量xlh中的第1个，第2个，…，第m个数据，m是极化敏感阵列中极化敏感阵元的个数；
23、为矩阵xlxlh中的每个上三角元素分别构造一个复数乘法模块，利用构造的复数乘法模块对xlxlh中的各个上三角元素进行并行计算；
24、利用构造的复数乘法模块依次对进行计算后，再利用累加器对计算结果进行累加，得到协方差矩阵
25、进一步地，所述实数化协方差矩阵为：
26、
27、其中，矩阵和为：
28、
29、
30、矩阵的各个上三角元素值分别为协方差矩阵对应位置上元素的实部，矩阵的各个上三角元素值分别为协方差矩阵对应位置上元素的虚部。
31、进一步地，所述雅可比分解单元的工作过程为：
32、步骤一、利用构造的两个查找表模块存储数据，其中，一个查找表模块用于存储地址k以及数据sin(1/2arc tan(2k))，另一个查找表模块用于存储地址k以及数据cos(1/2arc tan(2k))；
33、步骤二、利用雅可比分组模块对实数化协方差矩阵进行拆分，拆分方式为：
34、将实数化协方差矩阵整理为：
35、
36、第一组内的矩阵的获得方式为：
37、a2m-1,2m-1是实数化协方差矩阵中第2m-1行第2m-1列的元素，a2m-1,2m是实数化协方差矩阵中第2m-1行第2m列的元素，a2m,2m-1是实数化协方差矩阵中第2m行第2m-1列的元素，a2m,2m是实数化协方差矩阵中第2m行第2m列的元素；
38、第二组内的矩阵的获得方式为：
39、对第一组内矩阵的元素的下标进行替换，替换方式为：对于下标1不需要替换，将下标2m替换为2(m+1)，将下标2m替换为2m-1，将下标2m-1替换为2(m-1)-1，将下标3替换为2，得到替换后的矩阵；
40、同理，依次对第二组内的矩阵、第三组内的矩阵、…、第2m-2组矩阵中的元素进行替换，共得到2m-1组矩阵；
41、步骤三、对于获得的任意一个维度为2×2的矩阵，根据该矩阵计算出地址后，根据地址从查找表模块中查找到数据，即获得旋转角；再根据旋转角计算旋转矩阵g1，并根据旋转矩阵g1对该矩阵进行更新；
42、同理，对每个维度为2×2的矩阵分别进行更新；
43、步骤四、采用步骤二的方法对步骤三更新后的矩阵进行拆分，并采用步骤三的方法对拆分后的矩阵进行处理以再次获得更新后的矩阵，以此类推，直至最后一次迭代更新后的矩阵收敛于对角阵，对角阵上的各元素即为实数化协方差矩阵的特征值；
44、将各次迭代拆分出来的各元素均位于同一位置的维度为2×2的矩阵作为一组，将该组矩阵所对应的旋转矩阵进行累乘，得到累乘结果，同理，分别得到每组矩阵对应的累乘结果，各组矩阵所对应的累乘结果共同组成特征向量矩阵。
45、进一步地，所述步骤三中，对于获得的任意一个维度为2×2的矩阵，根据该矩阵计算出地址后，根据地址从查找表模块中查找到数据的具体过程为：
46、对于矩阵首先通过减法器计算a2m,2m-a2m-1,2m-1的结果d；再通过除法器计算a2m-1,2m/d的结果e，并将e转化为16位有符号定点数f，最后根据f从查找表模块中查找到数据sin(1/2arc tan(2f))和cos(1/2arc tan(2f))，将sin(1/2arc tan(2f))和cos(1/2arc tan(2f))分别记为sinθ和cosθ。
47、进一步地，所述根据旋转角计算旋转矩阵g1，并根据旋转矩阵g1对该矩阵进行更新；具体为：
48、旋转矩阵g1为则旋转矩阵g1的转置为
49、矩阵对应的更新后矩阵为：
50、
51、进一步地，所述空间谱计算单元的工作过程为：
52、按照从小到大的顺序对实数化协方差矩阵的特征值进行排列，再从特征向量矩阵中选取出排在前8位的特征值所对应的特征向量，利用选取出的特征向量构成噪声子空间矩阵
53、对于导向矢量缓存模块中的任意一个导向矢量通过乘法器计算得到一个2×2的空间谱矩阵；再计算出该空间谱矩阵的空间谱行列式的值，再对空间谱行列式的值取绝对值，得到空间谱值；
54、其中，θ为方位角，φ为俯仰角；
55、同理，遍历导向矢量缓存模块中的每个导向矢量，分别得到每个导向矢量对应的空间谱矩阵与空间谱值。
56、进一步地，所述n个极值点比较模块的工作过程为：
57、步骤1、初始化空间谱值矩阵的行数k＝1；
58、步骤2、对于第k行内的任意一个元素，将该元素作为搜索点，分别确定出与搜索点邻的8个元素；
59、同理，分别以第k行内的每个元素为搜索点，确定出与每个搜索点相邻的8个元素；
60、步骤3、对于第k行内的每个搜索点，均利用对应的极值点比较模块将搜索点与相邻的8个元素进行比较，若搜索点的值小于所有相邻元素的值，则认为搜索点为极值点，否则搜索点不为极值点；
61、步骤4、判断k是否小于n；
62、若k小于n，则令k＝k+1，继续遍历空间谱值矩阵的下一行；
63、若k等于n，则结束，获得空间谱值矩阵中的全部极值点。
64、进一步地，所述极值点缓存模块的工作过程为：
65、按照获得各极值点的先后顺序，将先获得的极值点对应的空间谱值和位置存储到极值点缓存模块内，直至极值点缓存模块内存满；
66、对于后续到来的极值点，将到来的极值点的空间谱值与极值点缓存模块内的最大空间谱值进行比较，若到来的极值点的空间谱值比极值点缓存模块内最大的空间谱值小，则利用到来的极值点的空间谱值和位置替换极值点缓存模块内最大的空间谱值和最大的空间谱值对应的位置，即对极值点缓存模块内的数据进行更新；
67、同理，对后续到来的每个极值点分别进行比较，得到极值点缓存模块内的最终数据。
68、更进一步地，所述极化参数估计单元包括多个极化参数估计模块，且极化参数估计模块的个数与极值点缓存模块中存储的空间谱值个数相等；
69、对于极值点缓存模块中最终存储的任意一个空间谱值，获取该空间谱值在空间谱计算模块中所对应的空间谱矩阵，将获取的空间谱矩阵记为
70、利用各个极化参数估计模块对获取的各个空间谱矩阵分别进行处理，得到每个极化参数估计模块输出的极化参数；
71、极化参数计算方法为：
72、对于空间谱矩阵i是虚数单位，计算出再根据λ计算极化参数x1和x2：
73、
74、其中，norm[·]代表求范数。
75、本发明的有益效果是：
76、本发明方法通过在满足doa估计精度要求的情况下优化计算步骤，同时采用多模块并行来提高算法整体的运算效率，使用模块复用节约jacobi分解所占用的硬件资源，最终在当前硬件条件下，提升了doa的计算效率，缩短了计算时间，达到了对极化敏感阵列music算法实时性的要求。
1.一种基于fpga实现的极化敏感阵列music测向系统，其特征在于，所述系统包括协方差矩阵计算单元、协方差矩阵实数化单元、雅可比分解单元、空间谱计算单元、空间谱搜索单元、极化参数估计单元；
2.根据权利要求1所述的一种基于fpga实现的极化敏感阵列music测向系统，其特征在于，所述协方差矩阵计算单元的工作过程为：
3.根据权利要求2所述的一种基于fpga实现的极化敏感阵列music测向系统，其特征在于，所述实数化协方差矩阵为：
4.根据权利要求3所述的一种基于fpga实现的极化敏感阵列music测向系统，其特征在于，所述雅可比分解单元的工作过程为：
5.根据权利要求4所述的一种基于fpga实现的极化敏感阵列music测向系统，其特征在于，所述步骤三中，对于获得的任意一个维度为2×2的矩阵，根据该矩阵计算出地址后，根据地址从查找表模块中查找到数据的具体过程为：
6.根据权利要求5所述的一种基于fpga实现的极化敏感阵列music测向系统，其特征在于，所述根据旋转角计算旋转矩阵g1，并根据旋转矩阵g1对该矩阵进行更新；具体为：
7.根据权利要求6所述的一种基于fpga实现的极化敏感阵列music测向系统，其特征在于，所述空间谱计算单元的工作过程为：
8.根据权利要求7所述的一种基于fpga实现的极化敏感阵列music测向系统，其特征在于，所述n个极值点比较模块的工作过程为：
9.根据权利要求8所述的一种基于fpga实现的极化敏感阵列music测向系统，其特征在于，所述极值点缓存模块的工作过程为：
10.根据权利要求9所述的一种基于fpga实现的极化敏感阵列music测向系统，其特征在于，所述极化参数估计单元包括多个极化参数估计模块，且极化参数估计模块的个数与极值点缓存模块中存储的空间谱值个数相等；
