海洋環境要素探測儀采集處理器的設計與實現

馮劍鋒，王俐純，欒英宏，李丹，趙鋒

(上海航天電子技術研究所，上海 201109)

0 引言

輻射計作為一種被動微波遙感載荷，實現主要體制包括實孔徑體制、綜合孔徑體制、混合體制，通過全天候全天時的對陸地或海洋觀測，獲取水資源分布信息、海面溫度參數等海洋環境要素，為海洋資源探測以及近遠海海域防御提供重要數據支撐[1-2]。海洋環境要素探測儀作為微波輻射計的一種，在傳統輻射計的基礎上采用實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境要素探測精度同時，工程實現也相對容易。其中海洋環境要素探測儀通過對不同基線的干涉測量，得到一個等效大口徑天線所需的所有基線組合，并通過多頻多通道干涉接收處理技術得到可視度函數并進行反演成像，從而得到探測區域的溫度參數分布，為構建海洋環境探測提供重要數據支撐[3]。

目前，國內外的綜合孔徑輻射計，從工程實現層面分主要有模擬相關器和數字相關器2種。但隨著探測需求對輻射計的靈敏度越來越高的要求，探測處理信號的頻段也由L波段逐步覆蓋至太赫茲，信號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需求，只能借助大規模低功耗集成電路，采用高性能的FPGA(field programmable gate array)，實現高靈敏度輻射計的相關接收處理[3-6]?；诟呔群Ｑ蟓h境要素探測儀的大規模超寬帶信號處理需求，本文首先介紹了二元干涉測量原理，然后給出海洋環境要素微波探測儀多通道采集處理方法，重點介紹了所設計的探測儀采集處理單元軟硬件架構，并基于所研制的采集預處理器，通過接收機，采用信號源對多通道采集單元硬件平臺進行測試驗證，并給出試驗結果。結果表明，所設計的海洋環境要素探測儀采集處理器性能指標滿足任務需求，可有效地對寬帶高頻遙感信號進行相關處理，完成可視度函數的提取。

1 基本原理

1.1 二元干涉測量原理

干涉綜合孔徑輻射計測量的是不同天線接收信號的復相關值，歸一化的復相關值由相關度和相位差組成，這些復相關值就是所謂的可視度函數,對可視度函數進行FFT(fast Fourier transform)處理和算法校正，即可反演成像。對于綜合孔徑輻射計而言，其基本單元是二元干涉儀，一個最簡單的二元干涉儀由2個接收通道和1個復相關器組成，如圖1所示，它是用來接收來自目標輻射的電磁波并實現相干處理的裝置[4-12]。

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

二元干涉儀接收處理的基本過程為：天線單元1和天線單元2將接收的信號經放大混頻處理后，得到2路中頻信號。然后用數字信號處理平臺，對2路中頻信號進行采集和正交化下變頻處理，得到2路復數中頻信號，再對2路復數中頻信號進行相關處理，2路信號相乘得到的輸出即為可視度函數V(u,v)。

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

一個綜合孔徑輻射計系統有n個天線接收單元，就有n(n+1)/2個復數相關運算，也即有m=n(n+1)/2個(u,v)采樣點構成的可視度向量V=(V1,V2,V3,…,Vm)T，通過G矩陣求逆的反演算法，得到場景亮溫分布向量T,從而進行成像應用[6]。

1.2 采集及預處理

對于一個高性能輻射計，一般采用大規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路復數相關處理。通道數n的值為三位數，即系統有上萬個(u,v)高速采樣點處理需求，因此在工程實現時，采用單處理模塊已無法直接完成所有通道采集及相關運算，一般采用圖2所示的分布式分級處理方法進行實現，即射頻接收、高速AD采集預處理、數字相關處理分布式布局分級處理。其中AD采集預處理由分布在衛星載荷多個位置上的采集處理單元組成，實現多通道并行采集接收、正交下變頻及重量化處理；相關器則接收采集處理單元輸出的同頻多通道復數信號，采用干涉處理方式實現可視度函數提取[7-8]。由于相關器主要是對采集處理單元與處理的數字信號在數學上只作乘累加運算，只有運算量的處理，并不影響信號特性，因此綜合孔徑性能的好壞關鍵是高速采集及預處理。海洋環境要素探測儀在設計上采用此思路重點設計了多個多通道高速采集處理單元進行相關前的預處理，本文重點對探測儀采集處理單元的預處理設計進行說明。

圖2 大規模輻射計分布分級式采集相關處理Fig.2 Distributed and graded acquisition correlation processing on large scale radiometer

2 高速采集預處理單元設計與實現

海洋環境要素探測儀的采集處理由多臺8通道高速采集處理單元組成，如圖3所示。每一臺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高速信號處理模塊、高速數據發送模塊組成。

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，配電管理模塊負責接收外部12 V配電，通過DC/DC模組單機實現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，可并行實現8通道的寬帶信號接收和采集。同步控制模塊在同步觸發脈沖控制下，根據AD芯片輸出的鎖定信號，產生同步控制信號至FPGA，實現多通道同步接收。FPGA高速信號處理模塊則由1片XC7K410T的FPGA及外圍電路組成，實現復數零中頻變換。高速數據發送模塊則通過2片12 Lane的傳輸速率高達10.312 5 Gbps/Lane的高速光纖模塊，實現對8通道復數零中頻數據的組幀及傳輸，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

為實現海洋環境要素探測儀的280通道400 M帶寬信號并行采集及無損處理，本項目中每臺高速AD采集預處理單元采用帶通采樣處理方式，即ADC的采樣率設計為1.2 Gsps，FPGA的主處理時鐘為300 MHz,因此在數字信號處理時，FPGA采用多相處理架構對信號進行4路并行處理，每一路運行在300 MHz[13-15]。單通道FPGA信號處理模塊框圖如圖5所示。

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

3 試驗驗證

采用海洋環境要素探測儀接收鏈路，按照圖6搭建測試平臺，對采集處理單元從頻域、時域及干涉條紋測試幾個方面進行測試驗證。

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

測試時接收鏈路選用的為6.9 GHz接收機，為便于測試分析，信號源激勵為6.905 GHz的點頻信號，通過對FPGA的ILA抓取的1.2 Gsps的原始數據進行頻譜和相位一致性分析。

信號采集頻譜測試如圖7所示。

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

由于接收機輸出中心頻率為900 MHz,因此經過1.2 Gsps采樣后，信號頻率為295 MHz。另外通過計算采集信號與一理想正弦信號相關度，一方面進一步驗證AD采集性能，另一方面根據相關度最大點的值推算通道間的相位一致性，測試結果如圖8 所示。

圖8 采集信號與理想信號相關度Fig.8 Correlation between acquisition signal and ideal signal

根據測試相關度最大點所在的位置，換算相位度數。通過對功分器相位進行校準，最后計算得到通道間相位差最大為4.7°，相關度最小為0.999 9，滿足系統指標相位差優于5°，相關度大于0.999的要求。

由于采集預處理的性能直接關系到后端相關處理性能，為進一步驗證預處理性能，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，移相器步進為10°，移相度數從0到360°。將采集預處理單元光纖輸出的數據直接作復數相關處理，測試干涉條紋，干涉測試結果如圖9所示。

圖9 干涉條紋試驗測試Fig.9 Test of interferometric figure

測試結果表明，采集預處理后的數據進行復相關運算后可以很好地反映出干涉條紋，且相關度≥0.999,滿足系統指標0.999的要求，可直接輸出給后端相關器進行相關運算。

4 結束語

本文從高性能海洋環境要素探測需求出發，基于二元干涉測量原理，結合海洋環境要素探測儀系統工程實現方式，重點介紹了多通道采集處理單元的組成及實現方式，并在實驗室對多通道采集處理單元進行干涉測試驗證。試驗結果表明，所設計的多通道采集處理單元具有良好的相位一致性，能準確提取2路信號的相關度和相位差，可輔助高分辨率海洋環境要素探測儀準確提取可視度函數，為后續反演應用提供數據支撐。