CN101561282B - 基于fpga的脉冲星微弱信号检测系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于FPGA的脉冲星微弱信号检测系统，主要解决现有的脉冲星微弱信号检测方法实时性差、难以抑制噪声的问题。该系统主要包括X射线探测器、光子计数器、FPGA芯片和星载计算机。其中在FPGA芯片内部，由X射线输入接口模块接收X射线信号；离散方波变换模块对该X射线信号进行离散方波变换，获得离散方波谱；周期性判别模块通过离散方波谱判断X射线信号中有无周期性的脉冲星信号；周期计算模块通过离散方波谱计算脉冲星信号的周期长度；信号输出接口模块将X射线信号和周期长度值发送至星载计算机。本发明具有资源消耗较少，实时性强，能够抑制噪声的优点，适用于X射线脉冲星深空导航系统对脉冲星微弱信号的检测。

Description

基于FPGA的脉冲星微弱信号检测系统及方法

技术领域

本发明属于信号处理技术领域，特别涉及一种信号检测系统，用于在X射线脉冲星深空导航系统中检测X射线探测器接收到的信号中有无微弱的脉冲星信号。

技术背景

脉冲星最重要的特征是其辐射信号的周期性，被誉为自然界最稳定的时钟。利用该特性，美国国防部预研计划局于2004年提出了基于X射线源的自主导航验证计划。在基于脉冲星的定姿中，通过检测X射线探测器在某方向上接收信号的周期性，可判断该视线方向上有无脉冲星。若有，可根据累计脉冲轮廓辨识该脉冲星，并通过该颗脉冲星的辐射方向及X射线探测器和航天器姿态关系得出航天器姿态。在基于脉冲星的测速中，检测接收信号的周期性，并同预测模型比较，可得出接收信号的Doppler频移，继而得出航天器在该颗脉冲星辐射方向上的速度分量。综上所述，脉冲星周期性信号的准确、实时的检测对于基于X射线脉冲星导航具有非常重要的意义。

但是，脉冲星距太阳系非常遥远，航天器接收到的脉冲星信号极其微弱且湮没在噪声中，这要求周期性检测方法具有抑制噪声能力；同时，由于航天器难以保证X射线探测器长时间稳定在某一恒定的方向上，这要求周期性检测方法具有良好的实时性；另外，目前星载计算机的处理能力有限，周期性检测方法必须实现简单，最好可用FPGA实现。综上，脉冲星导航系统要求周期性检测方法具有实时性好、易于硬件实现、能够抑制噪声的特点。

目前，澳大利亚Parks天文台脉冲星巡天搜索中采用的周期性脉冲星信号检测方法为基于FFT方法。该方法首先记录射电望远镜在某一方向上的观测数据，然后截取一段记录，通过FFT计算其功率谱，检测其周期性。该方法需对长时间观测数据计算FFT，运算量大且难以进行实时地周期性检测。尽管Fourier变换已有了快速算法及硬件实现IP核，但仍需计算sin(x)和cos(x)等超越函数，这限制了该方法的实时性，而且Fourier变换本身没有抑制噪声能力，故该方法难以对低信噪比信号进行周期性检测。

发明内容

本发明的目的在于克服上述FFT方法的不足，提供一种实现简单、运算量小、实时性好的基于FPGA的脉冲星微弱信号检测系统及检测方法，以实现对噪声干扰的抑制，对脉冲星微弱信号进行实时检测。

为实现上述目的，本发明的检测系统包括X射线探测器、光子计数器、用于信号处理的FPGA芯片和星载计算机，其中用于信号处理的FPGA芯片包括：

X射线信号输入接口模块，用于接收并缓存光子计数器的输出数据，然后将数据依次串行传输给离散方波变换模块和信号输出接口模块；

离散方波变换模块，用于对接收X射线信号进行离散方波变换，将计算结果传输给周期性判别模块和周期计算模块；

周期性判别模块，用于根据信号的离散方波变换判断信号的周期性，若存在周期性，信号输出接口模块将X射线观测信号和周期计算模块计算得到的周期值通过数据端口发送至星载计算机，若不存在周期性，信号输出接口模块不输出数据；

周期计算模块，用于根据信号的离散方波变换计算信号的周期长度，将计算结果输出给信号输出接口模块；

信号输出接口模块，用于将X射线观测信号和周期计算模块计算得到的周期值通过数据端口发送至星载计算机。

所述的光子计数器与FPGA芯片之间通过并行数据接口连接。

所述的FPGA芯片与星载计算机之间通过星载计算机的端口连接。

所述的周期性判别模块通过离散方波谱的谱峰和次峰高度之比判断X射线信号是否存在周期性，若比值小于2，则认为不存在周期性，丢弃该段数据，重新处理新的X射线采样信号；若比值大于2，则认为存在周期性，该段信号为脉冲星信号。

所述的基于FPGA的脉冲星微弱信号检测方法，包括如下步骤：

(1)输入X射线的时域离散信号，并对该时域离散信号进行离散方波变换，得到离散方波谱；

(2)通过离散方波谱的谱峰高度判断X射线信号是否存在周期性，若不存在周期性，丢弃该段数据，重新输入新的X射线信号；如果存在周期性，则认为该段信号为脉冲星信号；

(3)根据离散方波谱的谱峰位置，计算脉冲星信号的周期长度，并将X射线信号输出给后续导航系统。

所述的在FPGA中对输入信号进行离散方波变换的步骤为：

(1)计算离散方波变换所需的变换矩阵，并将其保存；

(2)计算X射线观测信号的补码；

(3)通过保存的离散方波变换矩阵选择X射线观测信号的原始数据或其补码；

(4)将选择好的原始数据或其补码进行累加；

(5)当最后一个数据输入完毕1个时钟周期后，所有输入的数据累加完毕，累加结果即为离散方波变换的实部或虚部；

(6)将离散方波变换的实部和虚部分别进行平方运算；

(7)将平方后的实部和虚部相加，得到输入信号的离散方波谱。

所述的周期长度计算模块根据离散方波谱的谱峰位置，计算脉冲星信号的周期长度，按照如下公式计算：

$\hat{T}=\frac{N}{L-1}{T}_s$

式中，

为脉冲星信号的周期长度，N为输入X射线信号的采样点数，L为离散方波谱的谱峰位置，T_s为对X射线信号的采样频率。

所述的离散方波变换矩阵中的元素取0、+1或-1。

本发明与现有的基于FFT的脉冲星微弱信号检测系统相比具有的优点为：

(1)由于该脉冲星微弱信号检测系统采用FPGA芯片来实现对X射线观测信号的检测，故整个脉冲星微弱信号检测系统结构简单、实时性较好、可靠性高。

(2)由于在FPGA芯片中，采用离散方波变换来实现对X射线观测信号的周期性检测，故实现简单、所占用的FPGA资源较少。

(3)由于在离散方波变换中，变换矩阵中的元素仅取0、+1、-1，运算时不需要进行乘、除运算，故离散方波变换的实现简单。

(4)由于在离散方波变换中，噪声的方差与对X射线的采样频率成反比，所以该脉冲星微弱信号检测系统具有一定的抑制噪声的能力。

附图说明

图1是本发明的系统框图；

图2是本发明离散方波变换模块的结构示意图；

图3是本发明检测方法的流程图；

具体实施方式

参照图1，本发明由X射线探测器、光子计数器、FPGA芯片和星载计算机组成。其中，FPGA芯片采用Xilinx公司出品的Spartan3系列型号为XC3S2000的FPGA，但不局限于该型号。该FPGA芯片包括X射线信号输入接口模块、离散方波变换模块、周期性判别模块、周期计算模块和信号输出接口模块，其中离散方波变换模块的内部结构如图2所示，它由求补码模块和多路相同的信号处理支路构成。求补码模块随信号的输入，计算其补码，若输入信号的长度为N，则将信号与其补码分为相同的N/2+1路。对每一路信号进行处理的结构相同，均包括两路选择器、加法器、寄存器。两路选择器根据事先存入FPGA内部的离散方波变换矩阵的元素，对输入的信号和其补码进行选择，选择后的结果送至加法器。加法器的另一路输入为寄存器的输出，加法器将两路信号相加后，将结果发送至寄存器中。

X射线探测器，用于探测宇宙空间中的某个特定方向上的X射线。当X射线光子进入X射线探测器后，与其中的稀有气体发生碰撞，激发出自由电子，该自由电子在电场的作用下向某一方向运动，聚集在X射线探测器的底部。

光子计数器，根据X射线探测器产生的电子数目来确定在当前时段到达X射线探测器的X射线光子能量，并将该段时段的能量值通过并行数据接口发送至FPGA芯片中。

在FPGA芯片内部，X射线信号输入接口模块利用FIFO记录光子计数器的输出数据；当数据累积到一定长度后，离散方波变换模块对输入的信号进行离散方波变换，得到离散方波谱，并将其输出至周期计算模块和周期性判别模块。周期计算模块，根据离散方波谱的谱峰位置计算信号的周期长度，并将计算结果发送至信号输出接口模块。周期性判别模块，通过离散方波谱的谱峰和次峰高度之比判断X射线信号是否存在周期性，若比值小于2，则认为不存在周期性；若比值大于2，则认为存在周期性。将判别结果发送至信号输出接口模块。信号输出接口模块，根据周期性判别模块发送来的周期性判别结果执行，若X射线信号存在周期性，将来自信号输入接口模块的X射线信号和来自周期计算模块的周期长度值打包，按照传输协议发送至星载计算机中处理；若X射线信号不存在周期性，则不发送数据。

整个系统的传输关系为：X射线探测器将X射线光子转换成自由电子，光子计数器读取X射线探测器内的电子数目，将其换成数值形式发送到FPGA芯片。FPGA芯片内部，X射线信号输入接口模块接收并缓冲光子计数器发送来的数据，将其传输给离散方波变换模块。离散方波变换模块对接收信号进行离散方波变换，将离散方波谱发送给周期性判别模块和周期性计算模块。周期计算模块通过离散方波谱计算信号的周期长度，将其发送至信号输出接口模块。周期性判别模块通过离散方波谱判别信号的周期性，将判别结果发送至信号输出接口模块。信号输出接口模块根据周期性判别模块发送来的判别结果进行工作。所述的光子计数器与FPGA芯片之间通过并行数据接口连接。所述的FPGA芯片与星载计算机之间通过星载计算机的端口连接，该星载计算机接收检测出的X射线脉冲星信号和其周期长度，利用这些信息进行基于X射线脉冲星的航天器导航。

参照图3，本发明对脉冲星微弱信号的检测，包括如下步骤：

步骤1：输入X射线的时域离散信号，并对该时域离散信号进行离散方波变换，得到离散方波谱。

输入数据的端口采用DB25并行数据端口进行传输，但并不局限于该端口。

对时域离散信号进行离散方波变换，按如下步骤进行：

步骤1.1，计算离散方波变换所需的变换矩阵，该变换矩阵的实部R_S(k，n)和虚部I_S(k，n)的计算公式分别为：

$R_S(k,n)=\mathrm{sign}[\frac{N-1}{2}-(\mathrm{nk}+\frac{N}{4})\mathrm{mod}N],\left\{\begin{array}{c}k=1,...,N/2\\ n=0,...,N-1\end{array}\right.---\left(A\right)$

R_S(k，n)＝0，k＝0；n＝0，...，N-1(B)

$I_S(k,n)=\mathrm{sign}[\frac{N-1}{2}-\left(\mathrm{nk}\right)\mathrm{mod}N],\left\{\begin{array}{c}k=0,...,N/2\\ n=0,...,N-1\end{array}\right.---\left(C\right)$

其中，N为信号的长度，一般取2的幂次；k和n分别为离散方波变换矩阵的行号和列号，当k为非零时，变换矩阵的实部根据公式(A)计算，当k＝0时，变换矩阵的实部为零，如公式(B)所示，变换矩阵的虚部根据公式(C)计算；mod为取模运算；sign为符号函数，该符号函数的每一个元素均为0、+1或-1，即：

$\mathrm{sign}\left(x\right)=\left\{\begin{array}{cc}1,& x\&GreaterEqual;0\\ -1,& x<0\end{array}\right..$

例如，当N＝8时，离散方波变换的变换矩阵R_8×8 ^S和I_8×8 ^S分别为：

$R_{8\&times;8}^S=\left[\begin{array}{cccccccc}0& 0& 0& 0& 0& 0& 0& 0\\ +1& +1& -1& -1& -1& -1& +1& +1\\ +1& -1& -1& +1& +1& -1& -1& +1\\ +1& -1& +1& +1& -1& +1& -1& -1\\ +1& -1& +1& -1& +1& -1& +1& -1\end{array}\right]$

$I_{8\&times;8}^S=\left[\begin{array}{cccccccc}+1& +1& +1& +1& +1& +1& +1& +1\\ +1& +1& +1& +1& -1& -1& -1& -1\\ +1& +1& -1& -1& +1& +1& -1& -1\\ +1& +1& -1& +1& -1& -1& +1& -1\\ +1& -1& +1& -1& +1& -1& +1& -1\end{array}\right]$

将上述离散方波变换的计算结果保存备用；

步骤1.2，计算X射线观测信号的补码，计算方法为对X射线观测信号取反码后再加1；

步骤1.3，通过保存的离散方波变换矩阵选择X射线观测信号的原始数据或其补码，选择功能通过两路选择器实现，但并不局限于该方法；

步骤1.4，将选择好的原始数据或其补码进行累加，累加功能通过累加器实现，但并不局限于该方法；

步骤1.5，当最后一个数据输入完毕1个时钟周期后，所有输入的数据累加完毕，累加结果即为离散方波变换的实部或虚部；

步骤1.6，将离散方波变换的实部和虚部分别进行平方运算，平方功能通过Xilinx公司提供的乘法器IP核实现，但并不局限于该方法；

步骤1.7，将平方后的实部和虚部相加，得到输入信号的离散方波谱，相加运算通过加法器实现，但并不局限于该方法。

步骤2：通过离散方波谱的谱峰高度判断X射线信号是否存在周期性。计算谱峰高度和次峰高度之比，若比值大于2，即该段X射线信号的离散方波变换的谱峰较明显，则认为该段数据存在周期性，该X射线信号为含有噪声的脉冲星信号，可以用来进行航天器导航；若比值小于等于2，即该段X射线信号的离散方波变换的谱峰不太明显，则认为该段数据不存在周期性或周期性很弱，该X射线信号不是脉冲星信号。

步骤3：根据离散方波谱的谱峰位置和谱的长度计算脉冲星信号的周期长度，并将X射线信号和周期长度值输出给后续导航系统。

周期长度计算公式为：

$\hat{T}=\frac{N}{L-1}{T}_s$

式中，为脉冲星信号的周期长度，N为输入X射线信号的采样点数，L为离散方波谱的谱峰位置，T_s为对X射线信号的采样频率。为方便FPGA实现，N一般取2的幂次，乘法操作通过向右移位实现，除法操作通过FPGA内部自带的IP核实现。

Claims (6)

1.一种基于FPGA的脉冲星微弱信号检测系统，包括X射线探测器、光子计数器、用于信号处理的FPGA芯片和星载计算机，其特征在于FPGA芯片包括：

X射线信号输入接口模块，用于接收并缓存光子计数器的输出数据，然后将数据依次串行传输给离散方波变换模块和信号输出接口模块；

离散方波变换模块，用于对接收X射线信号进行离散方波变换，将计算结果传输给周期性判别模块和周期计算模块；

周期性判别模块，用于根据信号的离散方波变换判断信号的周期性，若存在周期性，信号输出接口模块将X射线信号和周期计算模块计算得到的周期值通过数据端口发送至星载计算机，若不存在周期性，信号输出接口模块不输出数据；

周期计算模块，用于根据信号的离散方波变换计算信号的周期长度，将计算结果输出给信号输出接口模块；

信号输出接口模块，用于将X射线信号和周期计算模块计算得到的周期值通过数据端口发送至星载计算机。

2.根据权利要求1所述的脉冲星微弱信号检测系统，其特征在于光子计数器与FPGA芯片之间通过并行数据接口连接。

3.根据权利要求1所述的脉冲星微弱信号检测系统，其特征在于FPGA芯片与星载计算机之间通过星载计算机的端口连接。

4.根据权利要求1所述的脉冲星微弱信号检测系统，其特征在于周期性判别模块通过离散方波谱的谱峰和次峰高度之比判断X射线信号是否存在周期性，若比值小于2，则认为不存在周期性，丢弃该段数据，重新处理新的X射线信号；若比值大于2，则认为存在周期性，该段信号为脉冲星信号。

5.一种基于FPGA的脉冲星微弱信号检测方法，包括如下步骤：

(1)输入X射线的时域离散信号，并对该时域离散信号进行如下离散方波变换，得到离散方波谱：

(1a)利用如下三个公式计算离散方波变换所需的变换矩阵，并将其保存：

$R_S(k,n)=\mathrm{sign}\&lsqb;\frac{N-1}{2}-(\mathrm{nk}+\frac{N}{4})\mathrm{mod}N\&rsqb;,\left\{\begin{array}{c}k=1,...,N/2\\ n=0,...,N-1\end{array}\right.---\left(A\right)$

R_S(k，n)＝0，k＝0；n＝0，...，N-1    (B)

$I_S(k,n)=\mathrm{sign}\&lsqb;\frac{N-1}{2}-\left(\mathrm{nk}\right)\mathrm{mod}N\&rsqb;,\left\{\begin{array}{c}k=0,...,N/2\\ n=0,...,N-1\end{array}\right.---\left(C\right)$

其中，N为X射线信号的长度，一般取2的幂次；k和n分别为离散方波变换矩阵的行号和列号，当k为非零时，变换矩阵的实部根据公式(A)计算，当k＝0时，变换矩阵的实部为零，如公式(B)所示，变换矩阵的虚部根据公式(C)计算；mod为取模运算；sign为符号函数，该符号函数的每一个元素均为0、+1或-1，即：

$\mathrm{sign}\left(x\right)=\left\{\begin{array}{cc}1,& x\&GreaterEqual;0\\ -1,& x<0\end{array}\right.;$

(1b)计算X射线信号的补码；

(1c)通过保存的离散方波变换矩阵选择X射线信号的原始数据或其补码；

(1d)将选择好的原始数据或其补码进行累加；

(1e)当最后一个数据输入完毕1个时钟周期后，所有输入的数据累加完毕，累加结果即为离散方波变换的实部或虚部；

(1f)将离散方波变换的实部和虚部分别进行平方运算；

(1g)将平方后的实部和虚部相加，得到输入信号的离散方波谱；

(2)通过离散方波谱的谱峰高度判断X射线信号是否存在周期性，若不存在周期性，丢弃该段数据，重新输入新的X射线信号；如果存在周期性，则认为该段信号为脉冲星信号；

(3)根据离散方波谱的谱峰位置，计算脉冲星信号的周期长度，并将X射线信号输出给后续导航系统。

6.根据权利要求5所述的脉冲星微弱信号检测方法，其中步骤(3)所述的根据离散方波谱的谱峰位置，计算脉冲星信号的周期长度，按照如下公式计算：

$\hat{T}=\frac{N}{L-1}\&CenterDot;T_s$

式中，为脉冲星信号的周期长度，N为输入X射线信号的采样点数，L为离散方波谱的谱峰位置，T_s为对X射线信号的采样频率。

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