海洋環(huán)境要素探測(cè)儀采集處理器的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

馮劍鋒，王俐純，欒英宏，李丹，趙鋒

(上海航天電子技術(shù)研究所，上海 201109)

0 引言

輻射計(jì)作為一種被動(dòng)微波遙感載荷，實(shí)現(xiàn)主要體制包括實(shí)孔徑體制、綜合孔徑體制、混合體制，通過(guò)全天候全天時(shí)的對(duì)陸地或海洋觀測(cè)，獲取水資源分布信息、海面溫度參數(shù)等海洋環(huán)境要素，為海洋資源探測(cè)以及近遠(yuǎn)海海域防御提供重要數(shù)據(jù)支撐[1-2]。海洋環(huán)境要素探測(cè)儀作為微波輻射計(jì)的一種，在傳統(tǒng)輻射計(jì)的基礎(chǔ)上采用實(shí)孔徑和綜合孔徑混合體制的方式，滿足高空間分辨率、高靈敏度和高海洋環(huán)境要素探測(cè)精度同時(shí)，工程實(shí)現(xiàn)也相對(duì)容易。其中海洋環(huán)境要素探測(cè)儀通過(guò)對(duì)不同基線的干涉測(cè)量，得到一個(gè)等效大口徑天線所需的所有基線組合，并通過(guò)多頻多通道干涉接收處理技術(shù)得到可視度函數(shù)并進(jìn)行反演成像，從而得到探測(cè)區(qū)域的溫度參數(shù)分布，為構(gòu)建海洋環(huán)境探測(cè)提供重要數(shù)據(jù)支撐[3]。

目前，國(guó)內(nèi)外的綜合孔徑輻射計(jì)，從工程實(shí)現(xiàn)層面分主要有模擬相關(guān)器和數(shù)字相關(guān)器2種。但隨著探測(cè)需求對(duì)輻射計(jì)的靈敏度越來(lái)越高的要求，探測(cè)處理信號(hào)的頻段也由L波段逐步覆蓋至太赫茲，信號(hào)帶寬由幾兆高至幾百兆甚至幾GHz，采用模擬乘法器已滿足不了系統(tǒng)需求，只能借助大規(guī)模低功耗集成電路，采用高性能的FPGA(field programmable gate array)，實(shí)現(xiàn)高靈敏度輻射計(jì)的相關(guān)接收處理[3-6]?；诟呔群Ｑ蟓h(huán)境要素探測(cè)儀的大規(guī)模超寬帶信號(hào)處理需求，本文首先介紹了二元干涉測(cè)量原理，然后給出海洋環(huán)境要素微波探測(cè)儀多通道采集處理方法，重點(diǎn)介紹了所設(shè)計(jì)的探測(cè)儀采集處理單元軟硬件架構(gòu)，并基于所研制的采集預(yù)處理器，通過(guò)接收機(jī)，采用信號(hào)源對(duì)多通道采集單元硬件平臺(tái)進(jìn)行測(cè)試驗(yàn)證，并給出試驗(yàn)結(jié)果。結(jié)果表明，所設(shè)計(jì)的海洋環(huán)境要素探測(cè)儀采集處理器性能指標(biāo)滿足任務(wù)需求，可有效地對(duì)寬帶高頻遙感信號(hào)進(jìn)行相關(guān)處理，完成可視度函數(shù)的提取。

1 基本原理

1.1 二元干涉測(cè)量原理

干涉綜合孔徑輻射計(jì)測(cè)量的是不同天線接收信號(hào)的復(fù)相關(guān)值，歸一化的復(fù)相關(guān)值由相關(guān)度和相位差組成，這些復(fù)相關(guān)值就是所謂的可視度函數(shù),對(duì)可視度函數(shù)進(jìn)行FFT(fast Fourier transform)處理和算法校正，即可反演成像。對(duì)于綜合孔徑輻射計(jì)而言，其基本單元是二元干涉儀，一個(gè)最簡(jiǎn)單的二元干涉儀由2個(gè)接收通道和1個(gè)復(fù)相關(guān)器組成，如圖1所示，它是用來(lái)接收來(lái)自目標(biāo)輻射的電磁波并實(shí)現(xiàn)相干處理的裝置[4-12]。

圖1 二元干涉測(cè)量原理圖Fig.1 Schematic diagram of binary interferometry

二元干涉儀接收處理的基本過(guò)程為：天線單元1和天線單元2將接收的信號(hào)經(jīng)放大混頻處理后，得到2路中頻信號(hào)。然后用數(shù)字信號(hào)處理平臺(tái)，對(duì)2路中頻信號(hào)進(jìn)行采集和正交化下變頻處理，得到2路復(fù)數(shù)中頻信號(hào)，再對(duì)2路復(fù)數(shù)中頻信號(hào)進(jìn)行相關(guān)處理，2路信號(hào)相乘得到的輸出即為可視度函數(shù)V(u,v)。

式中：ξ=sinθcosφ,η=sinθsinφ為方向余弦坐標(biāo)；u=(x1-x2)/λ；v=(y1-y2)/λ。

一個(gè)綜合孔徑輻射計(jì)系統(tǒng)有n個(gè)天線接收單元，就有n(n+1)/2個(gè)復(fù)數(shù)相關(guān)運(yùn)算，也即有m=n(n+1)/2個(gè)(u,v)采樣點(diǎn)構(gòu)成的可視度向量V=(V1,V2,V3,…,Vm)T，通過(guò)G矩陣求逆的反演算法，得到場(chǎng)景亮溫分布向量T,從而進(jìn)行成像應(yīng)用[6]。

1.2 采集及預(yù)處理

對(duì)于一個(gè)高性能輻射計(jì)，一般采用大規(guī)模接收陣列等效大孔徑天線，若接收通道為n，則有n通道采集及n(n+1)/2路復(fù)數(shù)相關(guān)處理。通道數(shù)n的值為三位數(shù)，即系統(tǒng)有上萬(wàn)個(gè)(u,v)高速采樣點(diǎn)處理需求，因此在工程實(shí)現(xiàn)時(shí)，采用單處理模塊已無(wú)法直接完成所有通道采集及相關(guān)運(yùn)算，一般采用圖2所示的分布式分級(jí)處理方法進(jìn)行實(shí)現(xiàn)，即射頻接收、高速AD采集預(yù)處理、數(shù)字相關(guān)處理分布式布局分級(jí)處理。其中AD采集預(yù)處理由分布在衛(wèi)星載荷多個(gè)位置上的采集處理單元組成，實(shí)現(xiàn)多通道并行采集接收、正交下變頻及重量化處理；相關(guān)器則接收采集處理單元輸出的同頻多通道復(fù)數(shù)信號(hào)，采用干涉處理方式實(shí)現(xiàn)可視度函數(shù)提取[7-8]。由于相關(guān)器主要是對(duì)采集處理單元與處理的數(shù)字信號(hào)在數(shù)學(xué)上只作乘累加運(yùn)算，只有運(yùn)算量的處理，并不影響信號(hào)特性，因此綜合孔徑性能的好壞關(guān)鍵是高速采集及預(yù)處理。海洋環(huán)境要素探測(cè)儀在設(shè)計(jì)上采用此思路重點(diǎn)設(shè)計(jì)了多個(gè)多通道高速采集處理單元進(jìn)行相關(guān)前的預(yù)處理，本文重點(diǎn)對(duì)探測(cè)儀采集處理單元的預(yù)處理設(shè)計(jì)進(jìn)行說(shuō)明。

圖2 大規(guī)模輻射計(jì)分布分級(jí)式采集相關(guān)處理Fig.2 Distributed and graded acquisition correlation processing on large scale radiometer

2 高速采集預(yù)處理單元設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

海洋環(huán)境要素探測(cè)儀的采集處理由多臺(tái)8通道高速采集處理單元組成，如圖3所示。每一臺(tái)高速采集處理單元主要包含配電管理模塊、同步控制模塊、AD并行采集接收模塊、FPGA高速信號(hào)處理模塊、高速數(shù)據(jù)發(fā)送模塊組成。

圖3 8通道采集處理單元組成框圖Fig.3 Block diagram of 8 channel module

其中，配電管理模塊負(fù)責(zé)接收外部12 V配電，通過(guò)DC/DC模組單機(jī)實(shí)現(xiàn)2次配電。AD并行采集接收模塊則由2片EV10AQ190組成，單通道最高支持1.25 Gsps采樣，可并行實(shí)現(xiàn)8通道的寬帶信號(hào)接收和采集。同步控制模塊在同步觸發(fā)脈沖控制下，根據(jù)AD芯片輸出的鎖定信號(hào)，產(chǎn)生同步控制信號(hào)至FPGA，實(shí)現(xiàn)多通道同步接收。FPGA高速信號(hào)處理模塊則由1片XC7K410T的FPGA及外圍電路組成，實(shí)現(xiàn)復(fù)數(shù)零中頻變換。高速數(shù)據(jù)發(fā)送模塊則通過(guò)2片12 Lane的傳輸速率高達(dá)10.312 5 Gbps/Lane的高速光纖模塊，實(shí)現(xiàn)對(duì)8通道復(fù)數(shù)零中頻數(shù)據(jù)的組幀及傳輸，采集處理單元組成如圖4所示。

圖4 8通道采集處理單元硬件Fig.4 8 channel acquisition and processing hardware unit

為實(shí)現(xiàn)海洋環(huán)境要素探測(cè)儀的280通道400 M帶寬信號(hào)并行采集及無(wú)損處理，本項(xiàng)目中每臺(tái)高速AD采集預(yù)處理單元采用帶通采樣處理方式，即ADC的采樣率設(shè)計(jì)為1.2 Gsps，F(xiàn)PGA的主處理時(shí)鐘為300 MHz,因此在數(shù)字信號(hào)處理時(shí)，F(xiàn)PGA采用多相處理架構(gòu)對(duì)信號(hào)進(jìn)行4路并行處理，每一路運(yùn)行在300 MHz[13-15]。單通道FPGA信號(hào)處理模塊框圖如圖5所示。

圖5 單通道FPGA信號(hào)處理模塊組成框圖Fig.5 Block diagram of single-channel FPGA signal processing module

3 試驗(yàn)驗(yàn)證

采用海洋環(huán)境要素探測(cè)儀接收鏈路，按照?qǐng)D6搭建測(cè)試平臺(tái)，對(duì)采集處理單元從頻域、時(shí)域及干涉條紋測(cè)試幾個(gè)方面進(jìn)行測(cè)試驗(yàn)證。

圖6 采集單元測(cè)試原理框圖Fig.6 Principle test block diagram of acquisition unit

測(cè)試時(shí)接收鏈路選用的為6.9 GHz接收機(jī)，為便于測(cè)試分析，信號(hào)源激勵(lì)為6.905 GHz的點(diǎn)頻信號(hào)，通過(guò)對(duì)FPGA的ILA抓取的1.2 Gsps的原始數(shù)據(jù)進(jìn)行頻譜和相位一致性分析。

信號(hào)采集頻譜測(cè)試如圖7所示。

圖7 8通道AD采集信號(hào)頻譜Fig.7 Spectrum of 8 channel AD acquisition signal

由于接收機(jī)輸出中心頻率為900 MHz,因此經(jīng)過(guò)1.2 Gsps采樣后，信號(hào)頻率為295 MHz。另外通過(guò)計(jì)算采集信號(hào)與一理想正弦信號(hào)相關(guān)度，一方面進(jìn)一步驗(yàn)證AD采集性能，另一方面根據(jù)相關(guān)度最大點(diǎn)的值推算通道間的相位一致性，測(cè)試結(jié)果如圖8 所示。

圖8 采集信號(hào)與理想信號(hào)相關(guān)度Fig.8 Correlation between acquisition signal and ideal signal

根據(jù)測(cè)試相關(guān)度最大點(diǎn)所在的位置，換算相位度數(shù)。通過(guò)對(duì)功分器相位進(jìn)行校準(zhǔn)，最后計(jì)算得到通道間相位差最大為4.7°，相關(guān)度最小為0.999 9，滿足系統(tǒng)指標(biāo)相位差優(yōu)于5°，相關(guān)度大于0.999的要求。

由于采集預(yù)處理的性能直接關(guān)系到后端相關(guān)處理性能，為進(jìn)一步驗(yàn)證預(yù)處理性能，如圖6所示，采用移相器改變其中一通道的相位變化模擬干涉條件，移相器步進(jìn)為10°，移相度數(shù)從0到360°。將采集預(yù)處理單元光纖輸出的數(shù)據(jù)直接作復(fù)數(shù)相關(guān)處理，測(cè)試干涉條紋，干涉測(cè)試結(jié)果如圖9所示。

圖9 干涉條紋試驗(yàn)測(cè)試Fig.9 Test of interferometric figure

測(cè)試結(jié)果表明，采集預(yù)處理后的數(shù)據(jù)進(jìn)行復(fù)相關(guān)運(yùn)算后可以很好地反映出干涉條紋，且相關(guān)度≥0.999,滿足系統(tǒng)指標(biāo)0.999的要求，可直接輸出給后端相關(guān)器進(jìn)行相關(guān)運(yùn)算。

4 結(jié)束語(yǔ)

本文從高性能海洋環(huán)境要素探測(cè)需求出發(fā)，基于二元干涉測(cè)量原理，結(jié)合海洋環(huán)境要素探測(cè)儀系統(tǒng)工程實(shí)現(xiàn)方式，重點(diǎn)介紹了多通道采集處理單元的組成及實(shí)現(xiàn)方式，并在實(shí)驗(yàn)室對(duì)多通道采集處理單元進(jìn)行干涉測(cè)試驗(yàn)證。試驗(yàn)結(jié)果表明，所設(shè)計(jì)的多通道采集處理單元具有良好的相位一致性，能準(zhǔn)確提取2路信號(hào)的相關(guān)度和相位差，可輔助高分辨率海洋環(huán)境要素探測(cè)儀準(zhǔn)確提取可視度函數(shù)，為后續(xù)反演應(yīng)用提供數(shù)據(jù)支撐。