一种数字相关器以及数字全极化微波辐射计制造技术

本发明专利技术涉及一种数字相关器，包括：采样模块、多路复用模块、相关计算模块、同步采样时钟模块以及同步控制模块；其中，所述采样模块采用采样率等于或高于5GHz的模数转换器实现，所述多路复用模块、相关计算模块以及同步控制模块在一主频高于400MHz的FPGA芯片上实现；采样模块中的不同采样单元对外部输入信号分别做高速采样，得到两路数字信号，所述两路数字信号经多路复用模块做多路复用后输入所述的相关计算模块，所述相关计算模块对输入的数字信号做降速和相关计算；同步采样时钟模块用于确保到达采样模块中不同采样单元的采样时钟的相位一致，同步控制模块用于控制采样模块中不同采样单元间的同步工作。

【技术实现步骤摘要】
一种数字相关器以及数字全极化微波辐射计
本专利技术涉及微波辐射领域，特别涉及一种数字相关器以及数字全极化微波辐射计。
技术介绍
全极化微波辐射计在传统微波辐射计的基础上，进一步提取了观测目标的Stokes极化信息，是国际上19世纪90年代中后期才发展起来的一种新型的微波遥感器，也是美国、欧洲等国家和地区的研究热点。全极化微波辐射计在短时间内获得全球大面积风场结果的同时还可以获得大气云水含量、水汽含量和海表温度等参数，对于海洋和气候研究相当的有利，同时有利于提高大气和海洋预报模式的准确性。全极化微波辐射计中数据处理的核心部件数字相关器的研究，对我国制造自己的全极化微波辐射计有重要的意义。修正的Stokes矢量中的元素以亮温K作为单位，如下式所示：式中λ是波长，η是介质阻抗，κB是Boltzmann常数。参数Tv和Th，是垂直和水平极化的亮温，他们的和就是全辐射亮温；其它两个参数T3和T4包含了辐射场极化特性的信息；Ev，Eh是垂直和水平极化的电场强度。数字全极化微波辐射计是指采用数字计算方法求得stokes参数的全极化微波辐射计。图1是数字全极化微波辐射计接收机的系统结构框图，包括：双极化天线、超外差接收机、正交检波器和高速数字相关器；其中超外差接收机对双极化天线接收到的水平极化和垂直极化两路信号进行放大、滤波；经放大、滤波后的两路信号还在两个信道的超外差接收机中通过与本振混频，变成中频信号；正交检波器将中频信号解调成完全正交的一对I、Q信号，两路接收信道对应四路正交信号；这四路正交信号在所述高速数字相关器中经过组合相关，就可以得到所要测量的四个极化亮温。数字相关器处理带宽的能力受限于ADC采样率和高速数据降速技术。目前，Ka波段及以上的全极化微波辐射计中的中频信号需要后接正交解调器(即图1中的正交检波器)，将信号带宽降低到中频的一半，以适应数字相关器的采样率，但同时正交解调器所实现的正交变换也会把噪声引入数字相关器的输入，从而产生不希望的相关偏移。带有本振的正交解调器具有很高的噪声温度，会对下变频噪声产生很大的贡献。为减少正交解调器带来的误差，全极化微波辐射计接收机在硬件实现时本振和中频端口需要实现很高的隔离，本振和90°变换器实现较高的隔离。这样可以减小中频输出端的下变频本振热噪声，但同时也加大了微波电路的难度和成本，这是目前亟待解决的技术问题。为了解决这一技术问题，本领域技术人员采用如下方式解决：提高数字相关器的采样率、降低数据速率，采用数字正交变换方法获取正交信号避免模拟方法的噪声干扰，进一步并完成相关计算。在现有技术中实现数字相关器的方式有两种。第一种是用电子电路完成数字相关计算，即通过乘法单元、累加单元和数控单元搭建系统，例如NASA的PSR数字微波辐射计，它采用3阶量化即2位相关，带宽为1GHz。该技术的缺陷在于：电子电路搭建整体系统体积庞大，功耗超过百瓦，且采样率受后续组合电路的限制较大。第二种是采用FPGA完成数字相关计算。随着集成电路的高速发展，通过FPGA完成相关计算和数据控制已经非常成熟。目前国内外研制出多种数字相关器，例如NASA研制的HSCC高速数字相关器(带宽500MHz，2位量化)，该数字相关器应用在国际GEM工程中，或基于FPGA对C波段信号经过混频放大后的信号作处理的数字相关器(带宽200MHz，采用8位量化)。现有技术中所实现的上述数字相关器其带宽都局限在2GHz以内，而Ka波段以上的全极化微波辐射计的中频带宽都等于或高于2GHz，现有技术中的数字相关器无法满足此类全极化微波辐射计的需要。随着全极化微波辐射计前端中频带宽的增加，宽带数字相关器的研制十分必要。
技术实现思路
本专利技术的目的在于克服现有技术中的数字相关器无法满足中频带宽较高的全极化微波辐射计的需要，从而提供一种能直接采集2GHz或2GHz以上的带宽信号的数字相关器。为了实现上述目的，本专利技术提供了一种数字相关器，包括：采样模块、多路复用模块、相关计算模块、同步采样时钟模块以及同步控制模块；其中，所述采样模块采用采样率等于或高于5GHz的模数转换器实现，所述多路复用模块、相关计算模块以及同步控制模块在一主频高于400MHz的FPGA芯片上实现；所述采样模块中的不同采样单元对外部输入信号分别做高速采样，得到两路数字信号，所述两路数字信号经多路复用模块做多路复用后输入所述的相关计算模块，所述相关计算模块对输入的数字信号做降速和相关计算；同步采样时钟模块用于确保到达采样模块中不同采样单元的采样时钟的相位一致，同步控制模块用于控制采样模块中不同采样单元间的同步工作。上述技术方案中，所述采样模块包括两个采样单元，每一采样单元为一模数转换器，两个模数转换器分别连接到所述FPGA芯片并由所述同步采样时钟模块对两个模数转换器的采样时间进行同步控制。上述技术方案中，所述模数转换器采用型号为EV8AQ160的模数转换器。上述技术方案中，所述同步采样时钟模块采用锁相环ADF4360-7和AD9514实现。上述技术方案中，所述同步控制模块通过FPGA内部的时序电路同步触发采样模块中模数转换器的复位管脚，使其同步工作；所述同步控制模块通过FPGA内部的时序电路同步触发AD9514复位管脚，确保输出时钟的同步。上述技术方案中，所述多路复用模块实现至少一次多路复用操作；在每一次多路复用操作中，利用FPGA内部的高速寄存器，采用缓存技术对输入信号进行1：2的多路复用，并完成对输入时钟的二分频处理，得到分频时钟，所述分频时钟对应多路复用的信号。上述技术方案中，所述相关计算模块所完成的相关计算包括两路信号的实时自相关和互相关计算；所述相关计算模块包括正交器、乘法器、加法器和累加器；所述正交器针对多路复用模块的输出信号产生对应的正交信号，变化后的两对正交信号按照公式(1)分别通过乘法器做有符号的相乘运算，然后在加法器相加，最后通过累加器做积分；式中λ是波长，η是介质阻抗，κB是Boltzmann常数；参数Tv和Th是垂直和水平极化的亮温，参数T3和T4包含了辐射场极化特性的信息；Ev，Eh是垂直和水平极化的电场强度。上述技术方案中，所述正交器通过采用希尔伯特变化或数字正交本振相乘滤波实现针对多路复用模块的输出信号产生对应的正交信号。上述技术方案中，所述FPGA芯片采用Vertex5系列芯片实现。本专利技术还提供了一种数字全极化微波辐射计，包括双极化天线、超外差接收机和所述的数字相关器；所述双极化天线接收到水平极化和垂直极化的两路信号，所接收到的两路信号在所述超外差接收机中放大、滤波以及混频，得到两路信号，所述两路信号在所述数字相关器中首先由采样模块中的不同采样单元分别做高速采样，得到两路数字中频信号，所述两路数字中频信号经多路复用模块做多路复用后输入所述的相关计算模块，所述相关计算模块对输入的数字中频信号做降速和相关计算，得到所要测量的四个极化亮温；同步采样时钟模块用于确保到达采样模块中不同采样单元的采样时钟的相位一致，同步控制模块用于控制采样模块中不同采样单元间的同步工作。本专利技术的优点在于：本专利技术的数字全极化微波辐射计可以实现速度高达5GHz的双通道采样，直接采集2GHz或2GHz以上的带宽信号；本专利技术的数字全极化微波辐射计无需正交解调器，在本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种数字相关器，其特征在于，包括：采样模块、多路复用模块、相关计算模块、同步采样时钟模块以及同步控制模块；其中，所述采样模块采用采样率等于或高于5GHz的模数转换器实现，所述多路复用模块、相关计算模块以及同步控制模块在一主频高于400MHz的FPGA芯片上实现；所述采样模块中的不同采样单元对外部输入信号分别做高速采样，得到两路数字信号，所述两路数字信号经多路复用模块做多路复用后输入所述的相关计算模块，所述相关计算模块对输入的数字信号做降速和相关计算；同步采样时钟模块用于确保到达采样模块中不同采样单元的采样时钟的相位一致，同步控制模块用于控制采样模块中不同采样单元间的同步工作。

【技术特征摘要】
1.一种数字相关器，其特征在于，包括：采样模块、多路复用模块、相关计算模块、同步采样时钟模块以及同步控制模块；其中，所述采样模块采用采样率等于或高于5GHz的模数转换器实现，所述多路复用模块、相关计算模块以及同步控制模块在一主频高于400MHz的FPGA芯片上实现；所述采样模块中的不同采样单元对外部输入信号分别做高速采样，得到两路数字中频信号，所述两路数字中频信号经多路复用模块做多路复用后输入所述的相关计算模块，所述相关计算模块对输入的数字中频信号做降速和相关计算；同步采样时钟模块用于确保到达采样模块中不同采样单元的采样时钟的相位一致，同步控制模块用于控制采样模块中不同采样单元间的同步工作。2.根据权利要求1所述的数字相关器，其特征在于，所述采样模块包括两个采样单元，每一采样单元为一模数转换器，两个模数转换器分别连接到所述FPGA芯片并由所述同步采样时钟模块对两个模数转换器的采样时间进行同步控制。3.根据权利要求1所述的数字相关器，其特征在于，所述模数转换器采用型号为EV8AQ160的模数转换器。4.根据权利要求1所述的数字相关器，其特征在于，所述同步采样时钟模块采用锁相环ADF4360-7和AD9514实现。5.根据权利要求1所述的数字相关器，其特征在于，所述同步控制模块通过FPGA内部的时序电路同步触发采样模块中模数转换器的复位管脚，使其同步工作；所述同步控制模块通过FPGA内部的时序电路同步触发AD9514复位管脚，确保输出时钟的同步。6.根据权利要求1所述的数字相关器，其特征在于，所述多路复用模块实现至少一次多路复用操作；在每一次多路复用操作中，利用FPGA内部的高速寄存器，采用缓存技术对输入信号进行1：2的多路复用，并完成对输入时钟的二分频处理，得到分频时钟，所述分频时钟对应多路复用的信号。7.根据权利要...

【专利技术属性】
技术研发人员：陆浩，王振占，李斌，刘璟怡，董帅，
申请(专利权)人：中国科学院空间科学与应用研究中心，
类型：发明
国别省市：