CN106788505B - 一种辐射计宽带信号的处理方法 - Google Patents

Abstract

一种辐射计宽带信号的处理方法，步骤为：(1)从辐射计的天线接收射频信号，将射频信号下变频为中频信号；(2)利用A/D转换器对中频信号进行带通采样；(3)根据采样率、信号带宽设计各个细分频段的滤波器，并把生成的滤波器系数存储在FPGA中；(4)利用各个细分频段的滤波器对其对应的细分频段的信号进行滤波处理，各个细分频段的处理过程完全相同，各个细分频段的滤波数据进行自相关运算，并进行累加，得到该细分频段的能量。本发明方法通过以资源换时间的数字滤波方式，能够实时完成高速AD数据的多通道滤波，一方面省去了大量的硬件资源，另一方面可以提高运算的速率，满足信息的快速处理需求。

Description

一种辐射计宽带信号的处理方法

技术领域

本发明属于空间微波遥感技术领域，涉及一种辐射计信号的处理方法。

背景技术

辐射计探测目标的亮温度是频率的函数。传统的微波辐射计一般是全功率型的，天线接收的信号经过放大、滤波、检波和再放大后，以电压的形式输出。通过对微波辐射计的输出电压进行温度绝对定标，即建立输出电压与天线视在温度的关系之后，就可确定天线视在温度，也就可以确定所观测目标的亮温度。

常规的微波辐射计通常为一个窄带系统，观测物体在频率通道内的平均亮温即可。对于某些特定的应用来说，需要在一个宽谱段范围内观测不同频率通道内的对应亮温，与此同时，由于大气中某些特定气体的谱线很窄，例如临边探测设备中探测等温层中的水蒸气，就需要事先进行高分辨率的频段分析，从而产生了对高分辨率微波频段分析的需求。

目前实现微波辐射计信号分频段处理的方法可以分为两大类，传统辐射计处理方法和频域FFT处理方法。

传统辐射计处理方法是目前较通用的处理技术，如中国电子科技集团公司第二十二研究所提出的专利号为CN201410772640.4的专利所公开的一种宽频带辐射信号多通道并行输出测量方法及其系统，该宽带辐射计首先接收目标辐射的宽带电磁信号，叠加上噪声后，进行信号放大；将放大后的信号与本振信号进行混频，然后进行变频后再次放大；再次放大后的信号进行等功率划分，得到多路信号，对多路信号中的每一路进行放大、变频；最后将功率信号转变为电压信号，经检波、视频放大后输出。该种方式的不足之处在于：一是信号传输路径长，信噪比降低；二是传输路径上放大器、功分器、变频器等器件较多，产品质量较重。

频域FFT处理是基于目前高速模数转换器件的基础上，把采集到的数字信号送到FPGA，在FPGA内部用傅立叶变换的IP核把时域信号变换为频域信号，得到不同频段的能量。如张江漫在2016年《太赫兹科学与电子信息学报》上发表的论文《K波段谱分析技术的微波辐射计方案设计》中所提出的方法。该方法有以下不足之处：一是只针对接收单一频段进行了FFT方法的阐述，未针对接收宽频段信号用FFT进行频谱细分的方法进行说明；二是运用FPGA的IP核进行FFT受限于FPGA的运算速率，对高速AD而言，无法满足要求。

发明内容

本发明解决的技术问题是：克服现有技术的不足，提供了一种辐射计宽带信号的处理方法，可以对高速AD采集的宽带信号通过滤波器进行多通道频段细分处理。

本发明的技术解决方案是：一种辐射计宽带信号的处理方法，包括如下步骤：

(1)从辐射计的天线接收射频信号，将射频信号下变频为中频信号；

(2)利用A/D转换器对中频信号进行带通采样；

(3)根据采样率、信号带宽设计各个细分频段的滤波器，并确定各滤波器系数存储在FPGA中，滤波器的系数为n阶，n为正整数；所述的细分频段为信号带宽的一个子集；

(4)利用各个细分频段的滤波器对其对应的细分频段的信号进行滤波处理，各个细分频段的处理过程完全相同，包括：

(41)在FPGA的第一个时钟时，接收到第一组m个AD采集数据D1，D2……Dm，把该组数据存放在FPGA中的寄存器组1中(R1，R2……Rm)；m为A/D转换器的采样速率相对于FPGA时钟处理速率的倍数，m为正整数；

在FPGA的第二个时钟时，接收到第二组m个A/D转换器采集数据D(m+1)，D(m+2)……D(2m)，把该组数据存放在寄存器组2中(R(m+1)，R(m+2)……R(2m))；

(42)在FPGA的第二时钟时，把数据[D1,D2，……Dn]与n阶滤波器系数[F1,F2,……Fn]对应相乘并累加作为滤波后的第一个点；把[D2,D3，……D(n+1)]与滤波器系数[F1,F2,……Fn]对应相乘并累加作为滤波后的第二个点；依次类推，把[D(2m-n+1),D(2m-n+2)，……D(2m)]与滤波器系数[F1,F2,……Fn]对应相乘并累加作为滤波后的第m个点；

(43)在FPGA的第三个时钟时，接收到第三组m个A/D转换器采集数据，把该组数据存放在寄存器组2中，同时把寄存器组2中的数据转存到寄存器组1中；

(44)重复步骤(41)～步骤(43)的过程，直至执行完FPGA的第K个时钟周期；

(45)把所有的Km个数据进行自相关运算，并进行累加，得到该细分频段的能量，

本发明与现有技术相比的优点在于：本发明方法针对高速AD采集到的数字信号，通过以资源换时间的数字滤波方式，能够实时完成高速AD数据的多通道滤波，得到各细分频段的信号，在此基础上通过自相关的方式得到各细分频段的能量，一方面省去了大量的硬件资源，另一方面可以提高运算的速率，满足信息的快速处理需求。

附图说明

图1为本发明方法的原理示意图。

具体实施方式

如图1所示，为本发明方法的原理示意图，主要步骤如下：

(1)从辐射计的天线接收射频信号，将射频信号下变频为中频信号；

(2)利用A/D转换器对中频信号进行带通采样，通道的采样率需要满足奈奎斯特采样定理；

(3)根据采样率、信号带宽设计各个细分频段的滤波器，并把生成的滤波器系数存放在FPGA中；

例如，中频信号的带宽为300M～600M，三个细分频段为330M～380M，430M～480M，530M～580M，具体根据系统设计要求确定细分频段。

数字FIR滤波器设计方法属于成熟技术，而且本发明中对FIR滤波器系数无条件限制。

(4)利用滤波器对其对应的细分频段的信号进行滤波处理。

此处假设AD的采样速率是FPGA时钟处理速率的m倍，滤波器的系数为n阶，m和n均为正整数。

(41)在FPGA的第一个时钟时，接收到第一组m个AD采集数据D1，D2……Dm，把该组数据存放在FPGA中的寄存器组1中(R1，R2……Rm)；

在FPGA的第二个时钟时，接收到第二组m个AD采集数据D(m+1)，D(m+2)……D(2m)，把该组数据存放在寄存器组2中(R(m+1)，R(m+2)……R(2m))；

在FPGA的第三个时钟时，接收到第三组m个AD采集数据，把该组数据存放在寄存器组2中，同时把寄存器组2中的数据转存到寄存器组1中；

依次类推……，用寄存器组2中的数据替换寄存器组1中的数据，同时将新接收的数据存入寄存器组2中。

(42)在FPGA的第二时钟时，把数据[D1,D2，……Dn]与滤波器系数[F1,F2,……Fn]对应相乘并累加作为滤波后的第一个点，即

DF1＝D1*F1+D2*F2………Dn*Fn；

把[D2,D3，……D(n+1)]与滤波器系数[F1,F2,……Fn]对应相乘并累加作为滤波后的第二个点；

依次类推，

把[D(2m-n+1),D(2m-n+2)，……D(2m)]与滤波器系数[F1,F2,……Fn]对应相乘并累加作为滤波后的第m个点；

(43)在第三个时钟周期，把新接收的数据存在寄存器组2中，把寄存器组2中的数据转存到寄存器组1中，重复步骤(42)，得到新的一组滤波后的数据。

(5)在一个时钟周期的时间里，AD输入m个点，m个点经过各个细分频段滤波器进行滤波，每个滤波器得到m个滤波后的数据DF(m)，经过K个时钟周期(积分时间)后，得到有Km个滤波后的数据。

在每个细分频段内，把所有的Km个数据进行自相关运算，并进行累加，得到该频段的能量。

本发明说明书中未作详细描述的内容属本领域技术人员的公知技术。

Claims (1)

1.一种辐射计宽带信号的处理方法，其特征在于包括如下步骤：

(1)从辐射计的天线接收射频信号，将射频信号下变频为中频信号；

(2)利用A/D转换器对中频信号进行带通采样；

(3)根据采样率、信号带宽设计各个细分频段的滤波器，并确定各滤波器系数存储在FPGA中，滤波器的系数为n阶，n为正整数；所述的细分频段为信号带宽的一个子集；

(4)利用各个细分频段的滤波器对其对应的细分频段的信号进行滤波处理，各个细分频段的处理过程完全相同，包括：

(41)在FPGA的第一个时钟时，接收到第一组m个AD采集数据D1，D2……Dm，把该组数据存放在FPGA中的寄存器组1中(R1，R2……Rm)；m为A/D转换器的采样速率相对于FPGA时钟处理速率的倍数，m为正整数；

在FPGA的第二个时钟时，接收到第二组m个A/D转换器采集数据D(m+1)，D(m+2)……D(2m)，把该组数据存放在寄存器组2中(R(m+1)，R(m+2)……R(2m))；

(42)在FPGA的第二时钟时，把数据[D1,D2，……Dn]与n阶滤波器系数[F1,F2,……Fn]对应相乘并累加作为滤波后的第一个点；把[D2,D3，……D(n+1)]与滤波器系数[F1,F2,……Fn]对应相乘并累加作为滤波后的第二个点；依次类推，把[D(2m-n+1),D(2m-n+2)，……D(2m)]与滤波器系数[F1,F2,……Fn]对应相乘并累加作为滤波后的第m个点；

(43)在FPGA的第三个时钟时，接收到第三组m个A/D转换器采集数据，把该组数据存放在寄存器组2中，同时把寄存器组2中的数据转存到寄存器组1中；

(44)重复步骤(41)～步骤(43)的过程，直至执行完FPGA的第K个时钟周期；

(45)把所有的Km个数据进行自相关运算，并进行累加，得到该细分频段的能量，

DF(i)为滤波后的第i个点。