一种基于综合孔径辐射计的分布式数字干涉系统

摘要

本发明提供了一种基于综合孔径辐射计的分布式数字干涉系统，包括：若干个子阵模块、若干个阵间模块和数字分配汇聚中枢模块；所述的分布式数字干涉系统将辐射计接收机内的所有通道按设定的数量分配给各子阵模块，所述的子阵模块数字采集其所分配的各通道内的数据，并完成通道内的数据自相关和通道之间的数据互相关计算；所述的数字分配汇聚中枢模块将两两组合的子阵模块所采集的数字信号分配给各阵间模块，并接收子阵模块和阵间模块的数据相关计算结果；所述的阵间模块完成子阵模块之间的两两通道的数据互相关计算。利用上述系统将原本庞大的干涉相关计算拆分成多组子阵内相关和阵间相关计算，从而本发明简化了系统设计，优化了系统结构。

说明书

技术领域

本发明涉及综合孔径辐射计领域，具体涉及一种基于综合孔径辐射计的分布式数字干涉系统。

背景技术

微波遥感是利用某种传感器接受地理各种地物发射或者反射的微波信号，识别、分析目标物，提取目标物所需的信息。微波遥感起步晚于可见光和红外遥感，相对于可见光和红外遥感器而言，微波设备能全天候、全天时工作。而可见光遥感只能在白天工作，红外遥感虽可在夜晚工作，但不能穿透云雾。微波辐射计是一款被动式微波遥感设备，微波辐射计主要用于中小尺度天气现象监测，如暴风雨、闪电、强降雨、雾、冰冻及边界层紊流。对于短时间内生成或消散的中小尺度天气灾害，虽然只是地区性的，但部分事件危害性较大。在目前中尺度天气现象监测过程中，探空气球和天气雷达是常用的手段。

微波辐射计的被测信号为不相干噪声，无法应用有源SAR的成像机理，因此传统的单天线全功率微波辐射计的空间分辨率完全决定于接收天线的物理口径：在米波、分米波、甚至厘米波段，为实现较高的空间分辨力所需要的天线的物理孔径较大；在地球同步轨道上，由于距离地球36000Km，即使是毫米波辐射计为了达到极高的空间分辨力也需要很大孔径的天线。然而，天线尺寸大则重量也大，从而导致航天应用成本高,技术难度太大，而且更严重的问题是大孔径天线很难甚至无法实现机械扫描成像。

综合孔径辐射计采用干涉式成像技术，其为突破微波辐射计的空间分辨率瓶颈提供了有效的技术手段。干涉式合成孔径成像技术来源于射电天文领域，在20世纪50～60年代，天文学家们首先将其应用于提高射电天文望远镜的角分辨率,取得了很好的效果。从20世纪80年代开始，合成孔径的概念被引入到遥感领域，应用于对地观测。它的基本思想是采用空间频率域的测量代替传统辐射计对空间域的直接测量。具体来说就是利用具有不同基线长度和方向的干涉仪进行空间频率域的采样，然后再经过傅里叶变换获得空间图像。由于干涉仪中的单元天线可以被不同的基线共用多次且单元天线孔径很小，因此原来较大的天线物理孔径就可以被稀疏比极大的、散布的小单元天线阵列代替，同时无需机械扫描，便于星载实现。

干涉处理系统是整个综合孔径辐射计系统的核心，主要负责数字相关算法，积分等算法处理。早期的相关接收系统，由于没有满意的乘法电路，人们将来自两个单元天线的信号进行相加和放大后，利用平方律检波器来完成相关运算，相应采用的是互相关集中处理系统；然后，由于乘法电路的发展，又发展为分别处理结构系统；这些都是模拟相关系统。在60年代，人们又开始了数字相关处理技术的研究，迄今为止已经有不同的数字相关处理方案用于不同的场合，例如Napier等人研制的超大阵列望远镜采用了3电平的数字相关处理方案；北京天文台研制的密云综合射电望远镜采用2b its数字相关处理方案等。从采用的干涉处理系统来看，除了早期ESTAR系统以及空间中心的C波段综合孔径辐射计外，其它系统均采用了数字干涉技术。从模拟向数字发展是综合孔径辐射计系统的大势所趋。

干涉式数字处理系统首先利用模数转换器(ADC)将接收机输出的中频信号转化为数字信号。为了充分利用信号的带宽，获得更高的灵敏度，ADC的采样频率需要满足Nyquist采样定律，即ADC的采样频率为中频信号带宽的两倍。数字信号经过乘法累加运算即可获得相关值。随着大规模集成电路的发展,用超大规模FPGA芯片即可进行数字相关处理,利用单芯片实现多通道两两相关处理,可有效地减少干涉系统的体积、质量和功耗。

现有的数字干涉系统使用集成式设计和算法，包含多通道数字采样和大规模数字相关处理。在采集到n个通道的信号后，在数字相关单元完对所有通道信号两两之间做相关计算，但相关算法没有进一步拆分。这种集中化的处理方式使得数字后端系统极为庞大，从而增加了系统设计的难度，并随着通道数的增多更是呈现数量级的递增。同时，目前随着观测精度的需要而导致天线阵列的分布变化，在某些条件下，各个接收机单元间距较大，此时数字采样与数字相关集中式的处理方式会带来高速模拟信号路径过长的问题。为此，急需要研发一种可以将数字干涉系统拆分成多个子系统，实现模块化，以简化数字后端结构的设计方案。

发明内容

本发明的目的在于，为了解决现有的数字干涉系统使用集成式设计导致系统的运算复杂度高、结构庞大的技术问题，本发明提供了一种基于综合孔径辐射计的分布式数字干涉系统，利用该系统将数字相关单元模块化，每个模块灵活分布在系统结构中，以分布实现辐射计接收机内各通道的干涉相关运算。在已有系统上添加通道时，只需要增加相应模块，无需对系统重新设计。本发明简化了系统设计，优化了系统结构和分布，对综合孔径辐射计中多通道大规模数字干涉系统的灵活拓展提供了途径。

为实现上述目的，本发明提供的一种基于综合孔径辐射计的分布式数字干涉系统，包括：若干个子阵模块、若干个阵间模块和数字分配汇聚中枢模块；所述的分布式数字干涉系统将辐射计接收机内的所有通道按设定的数量分配给各子阵模块，所述的子阵模块数字采集其所分配的各通道内的数据，并完成通道内的数据自相关和通道之间的数据互相关计算；所述的数字分配汇聚中枢模块将两两组合的子阵模块所采集的数字信号分配给各阵间模块，并接收子阵模块和阵间模块的数据相关计算结果；所述的阵间模块完成子阵模块之间的两两通道的数据互相关计算。

作为上述技术方案的进一步改进，所述的子阵模块包括：A/D转换器和干涉相关计算模块；所述的A/D转换器对通道内的模拟信号进行采集和量化，将获取的数字信号输出至干涉相关计算模块，所述的干涉相关计算模块通过设置的若干个干涉相关单元对A/D转换器输出的数字信号进行相关计算，并将量化数字信号与相关计算结果发送至数字分配汇聚中枢模块；所述的数字分配汇聚中枢模块将量化数字信号与相关计算结果转发至阵间模块。

作为上述技术方案的进一步改进，所述的数字分配汇聚中枢模块包括：若干个发射器、若干个分发器和若干个接收器；每个发射器的输入端和输出端分别连接与其一一对应的子阵模块输出端和分发器输入端，用于将子阵模块的采样数据以单路发射至分发器；所述的分发器将与其对应的发射器的数据多路扇出至各接收器；每个接收器的输入端与两个分发器的输出端连接，每个接收器的输出端与其一一对应的阵间模块的输入端连接。

作为上述技术方案的进一步改进，所述的数字分配汇聚中枢模块采用并行数据传输方式或串行数据传输方式。

作为上述技术方案的进一步改进，所述的阵间模块通过数字分配汇聚中枢模块接收A/D转换器输出的数字信号后，对数字信号进行串并转换为多路数据，并通过设置的若干个干涉相关单元对多路数据进行相关计算。

作为上述技术方案的进一步改进，所述的A/D转换器对数字信号进行串并转换为多路输出至干涉相关计算模块；所述的干涉相关计算模块对数字信号进行二次量化及二次串并转换处理后发送至数字分配汇聚中枢模块，同时对二次量化及二次串并转换处理后的数字信号进行相关计算，并将相关计算结果发送至数字分配汇聚中枢模块。

作为上述技术方案的进一步改进，所述的A/D转换器采用EV8AQ160芯片实现数据采集、量化和串并转换，采样率为5Gb/s，量化位数为8bit，串并转换为1：8demux；输出时钟选择DDR，时钟速率为采样率的十六分之一。

作为上述技术方案的进一步改进，所述的干涉相关计算模块采用Kirtex7芯片实现二次量化和二次串并转换，量化位数为1bit，串并转换为1：2demux。

作为上述技术方案的进一步改进，所述的干涉相关计算模块采用Virtex6芯片实现数字信号的相关计算。

作为上述技术方案的进一步改进，所述的阵间模块采用Virtex6芯片实现数字信号的串并转换及相关计算。

本发明的一种基于综合孔径辐射计的分布式数字干涉系统优点在于：

本发明将数字干涉系统中的数字相关单元硬件模块化，且每个模块能够灵活分布在系统结构中。在已有系统上，添加通道做干涉只需要增加相应模块，避免了系统的重新设计。利用该分布式数字干涉系统将原本庞大的干涉相关计算拆分成多组子阵内相关和阵间相关计算，从而本发明简化了系统设计，优化了系统结构，对多通道大规模数字干涉系统的灵活拓展提供了有效途径。

附图说明

图1为本发明的一种基于综合孔径辐射计的分布式数字干涉系统整体设计结构示意图。

图2为本发明的子阵相关与阵间相关在相关算法中的分布示意图。

图3为本发明实施例中的数字分配汇聚中枢模块结构示意图。

图4为本发明实施例中的子阵模块的电路结构示意图。

图5为本发明实施例中的光纤分发线路结构示意图。

图6为本发明实施例中的阵间模块的电路结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明所述的一种基于综合孔径辐射计的分布式数字干涉系统进行详细说明。

综合孔径辐射计采用干涉式成像技术，所谓的干涉式成像技术需要完成接收机内所有通道中任意选择两个通道的相关。为此，本发明是将大规模数字相关运算分解到多个相关模块内分布计算，相关模块分两种：子阵模块和阵间模块。

如图1所示，本发明提供的一种基于综合孔径辐射计的分布式数字干涉系统，包括：若干个子阵模块、若干个阵间模块和数字分配汇聚中枢模块；所述的分布式数字干涉系统将辐射计接收机内的所有通道按设定的数量分配给各子阵模块，子阵模块完成阵列内所分配的各通道的数据数字采样，并完成设定通道内的数据自相关和数据互相关计算，所述的数字分配汇聚中枢模块将两两组合的子阵模块所采集的数字信号分配给各阵间模块，阵间模块完成子阵模块之间的两两通道的数据互相关计算。因为子阵模块只需要完成子阵内各通道的数据采样和相关计算，该子阵模块规模较小，结构上能够直接与接收机放置在一起，将接收机的输出端直接与子阵模块的数字采集端对接，使数字量化后的数据往后传递，避免长距离传递模拟信号所带来的弊端。如果需要在原有系统基础上增加通道数，则直接增加子阵模块和一定数量的阵间模块即可，不需要重新做系统设计，使已有的模块可以继续沿用。

具体来说，本发明的分布式数字干涉系统是将需要干涉相关的所有通道拆分成n组，每组含m个通道。每组通道划分至一个子阵模块，共形成n个子阵模块。每个子阵模块完成m个通道的数据采样，并完成通道间的数据互相关和通道内的数据自相关。每个阵间模块完成任意两个子阵模块通道间的数据互相关计算。阵间模块与子阵模块的数量相对应，为个。子阵模块与阵间模块的数据交互以及系统的整体数据传输，需要数字分配汇聚中枢模块完成。数字分配汇聚中枢模块负责将子阵模块采样后的数据分发给对应的阵间模块，并同时接收子阵模块与阵间模块的数据相关计算结果。

利用本发明的上述分布式数字干涉系统执行新的算法的理论基础是：将总相关拆分成两种干涉相关的和，变换过程参考下述公式的描述。在公式等号左边是全部n×m个通道间的数据互相关数及通道内数据自相关数，等号右边第一项表示以n个子阵模块，每个子阵模块完成m个通道间的数据互相关数为以及通道内数据自相关数为等号右边第二项中的表示任选两个子阵模块的组合数，任选的两个子阵模块之间的两两通道匹配后得到所有的数据互相关数为等号右边整个第二项表示完成所有子阵模块之间的数据互相关数总和，同时需要个干涉相关单元。这样就从数学上验证了分布式算法的可行性。

如图2所示，其举例说明了子阵相关与阵间相关在算法中的位置和比重。应用于但不仅限于图中示出的4m个通道，更多的通道是对此图的拓展。图2中横轴和纵轴均为通道分布轴线，横轴与纵轴的交叉点代表一个干涉相关单元。白色部分表示子阵相关，黑色方块表示阵间相关，由此图可知每个阵间模块承担的相关计算量大约是每个子阵模块相关计算量的两倍，当设置4个子阵模块时，需要同时设置6个阵间模块，以符合图中示出的计算分布结果。

另外，系统的数字分配汇聚中枢模块是实现相关分布思想的关键，完成数据由子阵模块到阵间模块的分发。主要有两种数据分发方式，一种是高速串行分发，另一种是高速并行分发。如图3所示，数字分配汇聚中枢模块由若干个发射器、若干个分发器、若干个接收器组成。

每个发射器的输入端和输出端分别连接与其一一对应的子阵模块输出端和分发器输入端，发射器将子阵模块的采样数据以单路发射至分发器，分发器将与其对应的发射器的数据多路扇出至各接收器。每个阵间模块均具备接收器，每个接收器的输入端与两个分发器的输出端连接，每个接收器的输出端与其一一对应的阵间模块的输入端连接，用于接收来自两个不同子阵模块的数据。发射器可以集成在子阵模块中，也可以独立在外。分发器可以集成在子阵模块中，也可以独立在外部，作为独立器件。

发射器、分发器、接收器可以采用串行方式，也可以采用并行总线的方式。串行方式是采用串行高速总线传递信号。串行方式有多种实现方法，例如：采用光纤技术，可采用光纤模块，由光纤发射器、光纤分发器、光纤接收器组成；采用RapidIO技术，该技术是一种基于数据包交换的互连体系结构，是为满足未来高性能嵌入式系统需求而设计的一种开放式互连技术标准，RapidIO支持芯片到芯片、板到板间的通讯。

并行数传的方式采用并行高速总线传递信号，例如并行PCI总线，传统PCI技术也采用类似于上述存储器接口的并行总线方式，如DSP的PCI接口，有32bits数据总线，最高时钟速度为66MHz。

实施例一：

本实施例给出了30个通道规模的干涉系统方案，每个通道具有5Gb/s采样率。所述的分布式数字干涉系统分为5个子阵模块和10个阵间模块，每个子阵模块分配6个通道，子阵模块完成6个通道内的数据自相关和通道间的数据互相关计算。阵间模块完成两个子阵模块之间的通道数据互相关计算。

子阵模块结构框图如图4所示，因为本实施例中采样率达到了5Gb/s，需要超高速ADC完成数据采集。在本实施例中，所述的子阵模块包括：A/D转换器和干涉相关计算模块；子阵模块中的数字采样采用e2v的EV8AQ160芯片完成。EV8AQ160具有高集成度和低功耗特点。每个EV8AQ160为8bit量化，量化后将获取的数字信号进行串并转换为1：8demux，输出时钟选择DDR，时钟速率为采样率的十六分之一。干涉相关计算模块采用Kirtex7系列芯片接收经串并转换后的数据并对数据进行二次量化，量化位数为1bit，再次量化以后将输入数据率做1：2的demux，这样采样率就极大降低了。考虑到芯片的管脚限制，一片Kirtex7对接两片EV8AQ160芯片。每片Kirtex7的输出为经过1：16的demux后的数据流，速率降为312.5Mb/s，采用LVDS差分电平，共占用16*2*2＝64个io口。3片Kirtex7将二次量化及二次串并转换处理后的数据输出至数字分配汇聚中枢模块中实现相关计算，并将相关计算结果发送至数字分配汇聚中枢模块。在本实施例中，所述的干涉相关计算模块采用Virtex6芯片完成6个通道内的数据自相关和通道间的数据互相关计算。所述的数字分配汇聚中枢模块将干涉相关计算模块输出的数字信号转发至阵间模块。

在子阵模块中，Virtex6接收312.5Mb/s速率下的数据无法直接进行相关计算，需要再次降速后进行相乘累加等相关计算。这样再次经过1：2的demux后，从采集开始共经过1：32的demux，数据率降为156.25Mb/s，随后的相关计算有32组数据并行进行。同一时刻下6组数据自相关需要6个干涉相关单元，6组数据互相关需要15个干涉相关单元，共21个干涉相关单元。所以在32组数据并行状态下，需要同时设置672个干涉相关单元。而每个干涉相关单元消耗8个slice，共需要5376个slice。由于Virtex6含有大于30000个slice，所以可以完成上述相关计算，并保存一定的slice余量。至此，子阵模块完成6个通道，每个通道为5Gbps采样率，由子阵模块向外发送的总数据量为5*6*1Gbps＝30Gbps。

如图5所示，在本实施例中，数据分配汇聚中枢模块采用光纤数传方式，由光纤发射器HTA8533、光纤分发器、光纤接收器HTA8534组成。光纤发射器HTA8533集成在子阵模块中，与Virtex6芯片中的HXT模块连接(如图4所示)，光纤发射器HTA8533将原始数据(A/D转换器输出的数字信号)按照串行方式通过光纤传递到子阵外面独立的光线分发器。所述的光线分发器采用光线PLC分路器，此光纤PLC分路器具备一分四功能，1路输入4路输出。分出的多路光纤两两接入阵间模块。阵间模块集成两个光纤接收器HTA8534(如图6所示)，完成光纤信号接收。阵间模块的光纤接收器HTA8534与Virtex6芯片中的HXT模块连接，将获得的信号发送给Virtex6。

光纤发射器HTA8533与光纤接收器HTA8534，典型传输速率约100Gbps，中心波长850nm，控制端CMOS兼容，采用VCSEL阵列，具有功耗小的特点。HTA8533作为发射端，HTA8534作为接收端。

由于赛灵思Virtex6HXT产品能以高达11.18Gbps的线速无缝连接至光纤模块，可满足此设计光纤传输应用的需求。此外，Virtex6HXT产品凭借其出色的抖动性能(11.18Gbps情况下随机抖动低于500fs rms)和信号完整性，避免了使用外部调节电路，提供了构建强大高速接口所需的裕量。

在阵间模块的Virtex6中，需要完成两个子阵模块所分配的各6个通道之间的数据干涉相关计算。利用HXT模块接收到光纤接收器HTA8534传递的信号以后，采用Virtex6对信号进行串并转换，完成1：32的demux。同样，在Virtex6中有32组数据并行进行相关计算。在同一时刻下，两个子阵模块间的相关需要36个干涉相关单元，所以在32组数据并行状态下，需要同时进行1152个干涉相关单元。每个干涉相关单元消耗8个slice，共需要9216个slice。Virtex6含有大于30000个slice，可以完成相关计算。

最后所应说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制。尽管参照实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，都不脱离本发明技术方案的精神和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。