海洋环境要素探测仪采集处理器的设计与实现

冯剑锋，王俐纯，栾英宏，李丹，赵锋

(上海航天电子技术研究所，上海 201109)

0 引言

辐射计作为一种被动微波遥感载荷，实现主要体制包括实孔径体制、综合孔径体制、混合体制，通过全天候全天时的对陆地或海洋观测，获取水资源分布信息、海面温度参数等海洋环境要素，为海洋资源探测以及近远海海域防御提供重要数据支撑[1-2]。海洋环境要素探测仪作为微波辐射计的一种，在传统辐射计的基础上采用实孔径和综合孔径混合体制的方式，满足高空间分辨率、高灵敏度和高海洋环境要素探测精度同时，工程实现也相对容易。其中海洋环境要素探测仪通过对不同基线的干涉测量，得到一个等效大口径天线所需的所有基线组合，并通过多频多通道干涉接收处理技术得到可视度函数并进行反演成像，从而得到探测区域的温度参数分布，为构建海洋环境探测提供重要数据支撑[3]。

目前，国内外的综合孔径辐射计，从工程实现层面分主要有模拟相关器和数字相关器2种。但随着探测需求对辐射计的灵敏度越来越高的要求，探测处理信号的频段也由L波段逐步覆盖至太赫兹，信号带宽由几兆高至几百兆甚至几GHz，采用模拟乘法器已满足不了系统需求，只能借助大规模低功耗集成电路，采用高性能的FPGA(field programmable gate array)，实现高灵敏度辐射计的相关接收处理[3-6]。基于高精度海洋环境要素探测仪的大规模超宽带信号处理需求，本文首先介绍了二元干涉测量原理，然后给出海洋环境要素微波探测仪多通道采集处理方法，重点介绍了所设计的探测仪采集处理单元软硬件架构，并基于所研制的采集预处理器，通过接收机，采用信号源对多通道采集单元硬件平台进行测试验证，并给出试验结果。结果表明，所设计的海洋环境要素探测仪采集处理器性能指标满足任务需求，可有效地对宽带高频遥感信号进行相关处理，完成可视度函数的提取。

1 基本原理

1.1 二元干涉测量原理

干涉综合孔径辐射计测量的是不同天线接收信号的复相关值，归一化的复相关值由相关度和相位差组成，这些复相关值就是所谓的可视度函数,对可视度函数进行FFT(fast Fourier transform)处理和算法校正，即可反演成像。对于综合孔径辐射计而言，其基本单元是二元干涉仪，一个最简单的二元干涉仪由2个接收通道和1个复相关器组成，如图1所示，它是用来接收来自目标辐射的电磁波并实现相干处理的装置[4-12]。

图1 二元干涉测量原理图Fig.1 Schematic diagram of binary interferometry

二元干涉仪接收处理的基本过程为：天线单元1和天线单元2将接收的信号经放大混频处理后，得到2路中频信号。然后用数字信号处理平台，对2路中频信号进行采集和正交化下变频处理，得到2路复数中频信号，再对2路复数中频信号进行相关处理，2路信号相乘得到的输出即为可视度函数V(u,v)。

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

一个综合孔径辐射计系统有n个天线接收单元，就有n(n+1)/2个复数相关运算，也即有m=n(n+1)/2个(u,v)采样点构成的可视度向量V=(V1,V2,V3,…,Vm)T，通过G矩阵求逆的反演算法，得到场景亮温分布向量T,从而进行成像应用[6]。

1.2 采集及预处理

对于一个高性能辐射计，一般采用大规模接收阵列等效大孔径天线，若接收通道为n，则有n通道采集及n(n+1)/2路复数相关处理。通道数n的值为三位数，即系统有上万个(u,v)高速采样点处理需求，因此在工程实现时，采用单处理模块已无法直接完成所有通道采集及相关运算，一般采用图2所示的分布式分级处理方法进行实现，即射频接收、高速AD采集预处理、数字相关处理分布式布局分级处理。其中AD采集预处理由分布在卫星载荷多个位置上的采集处理单元组成，实现多通道并行采集接收、正交下变频及重量化处理；相关器则接收采集处理单元输出的同频多通道复数信号，采用干涉处理方式实现可视度函数提取[7-8]。由于相关器主要是对采集处理单元与处理的数字信号在数学上只作乘累加运算，只有运算量的处理，并不影响信号特性，因此综合孔径性能的好坏关键是高速采集及预处理。海洋环境要素探测仪在设计上采用此思路重点设计了多个多通道高速采集处理单元进行相关前的预处理，本文重点对探测仪采集处理单元的预处理设计进行说明。

图2 大规模辐射计分布分级式采集相关处理Fig.2 Distributed and graded acquisition correlation processing on large scale radiometer

2 高速采集预处理单元设计与实现

海洋环境要素探测仪的采集处理由多台8通道高速采集处理单元组成，如图3所示。每一台高速采集处理单元主要包含配电管理模块、同步控制模块、AD并行采集接收模块、FPGA高速信号处理模块、高速数据发送模块组成。

图3 8通道采集处理单元组成框图Fig.3 Block diagram of 8 channel module

其中，配电管理模块负责接收外部12 V配电，通过DC/DC模组单机实现2次配电。AD并行采集接收模块则由2片EV10AQ190组成，单通道最高支持1.25 Gsps采样，可并行实现8通道的宽带信号接收和采集。同步控制模块在同步触发脉冲控制下，根据AD芯片输出的锁定信号，产生同步控制信号至FPGA，实现多通道同步接收。FPGA高速信号处理模块则由1片XC7K410T的FPGA及外围电路组成，实现复数零中频变换。高速数据发送模块则通过2片12 Lane的传输速率高达10.312 5 Gbps/Lane的高速光纤模块，实现对8通道复数零中频数据的组帧及传输，采集处理单元组成如图4所示。

图4 8通道采集处理单元硬件Fig.4 8 channel acquisition and processing hardware unit

为实现海洋环境要素探测仪的280通道400 M带宽信号并行采集及无损处理，本项目中每台高速AD采集预处理单元采用带通采样处理方式，即ADC的采样率设计为1.2 Gsps，FPGA的主处理时钟为300 MHz,因此在数字信号处理时，FPGA采用多相处理架构对信号进行4路并行处理，每一路运行在300 MHz[13-15]。单通道FPGA信号处理模块框图如图5所示。

图5 单通道FPGA信号处理模块组成框图Fig.5 Block diagram of single-channel FPGA signal processing module

3 试验验证

采用海洋环境要素探测仪接收链路，按照图6搭建测试平台，对采集处理单元从频域、时域及干涉条纹测试几个方面进行测试验证。

图6 采集单元测试原理框图Fig.6 Principle test block diagram of acquisition unit

测试时接收链路选用的为6.9 GHz接收机，为便于测试分析，信号源激励为6.905 GHz的点频信号，通过对FPGA的ILA抓取的1.2 Gsps的原始数据进行频谱和相位一致性分析。

信号采集频谱测试如图7所示。

图7 8通道AD采集信号频谱Fig.7 Spectrum of 8 channel AD acquisition signal

由于接收机输出中心频率为900 MHz,因此经过1.2 Gsps采样后，信号频率为295 MHz。另外通过计算采集信号与一理想正弦信号相关度，一方面进一步验证AD采集性能，另一方面根据相关度最大点的值推算通道间的相位一致性，测试结果如图8 所示。

图8 采集信号与理想信号相关度Fig.8 Correlation between acquisition signal and ideal signal

根据测试相关度最大点所在的位置，换算相位度数。通过对功分器相位进行校准，最后计算得到通道间相位差最大为4.7°，相关度最小为0.999 9，满足系统指标相位差优于5°，相关度大于0.999的要求。

由于采集预处理的性能直接关系到后端相关处理性能，为进一步验证预处理性能，如图6所示，采用移相器改变其中一通道的相位变化模拟干涉条件，移相器步进为10°，移相度数从0到360°。将采集预处理单元光纤输出的数据直接作复数相关处理，测试干涉条纹，干涉测试结果如图9所示。

图9 干涉条纹试验测试Fig.9 Test of interferometric figure

测试结果表明，采集预处理后的数据进行复相关运算后可以很好地反映出干涉条纹，且相关度≥0.999,满足系统指标0.999的要求，可直接输出给后端相关器进行相关运算。

4 结束语

本文从高性能海洋环境要素探测需求出发，基于二元干涉测量原理，结合海洋环境要素探测仪系统工程实现方式，重点介绍了多通道采集处理单元的组成及实现方式，并在实验室对多通道采集处理单元进行干涉测试验证。试验结果表明，所设计的多通道采集处理单元具有良好的相位一致性，能准确提取2路信号的相关度和相位差，可辅助高分辨率海洋环境要素探测仪准确提取可视度函数，为后续反演应用提供数据支撑。