一种基于综合孔径辐射计的分布式数字干涉系统技术方案

本发明专利技术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，从而本发明专利技术简化了系统设计，优化了系统结构。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术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。
技术介绍
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2bits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。
技术实现思路
本专利技术的目的在于，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，本专利技术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。本专利技术简化了系统设计，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，本专利技术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芯片本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种基于综合孔径辐射计的分布式数字干涉系统，其特征在于，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。

【技术特征摘要】
1.一种基于综合孔径辐射计的分布式数字干涉系统，其特征在于，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。2.根据权利要求1所述的基于综合孔径辐射计的分布式数字干涉系统，其特征在于，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。3.根据权利要求1所述的基于综合孔径辐射计的分布式数字干涉系统，其特征在于，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。4.根据权利要求1所述的基于综合孔径辐射计的分布式数字干涉系统...

【专利技术属性】
技术研发人员：陆浩，刘浩，
申请(专利权)人：中国科学院国家空间科学中心，
类型：发明
国别省市：北京;11