CN108508440A - 一种基于综合孔径的分布式实时成像系统 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于综合孔径的分布式实时成像系统，包括数据采集处理模块和N个接收通道，所述N个接收通道包括N个射频前端模块和N个中频处理模块；所述N个射频前端模块为分布式，所述N个射频前端模块，用于自由布阵，接收目标场景的辐射信号，并输出一级中频信号；所述中频处理模块，用于接收一级中频信号，经过变频输出二级中频信号，并为射频前端模块提供本振信号；所述数据采集处理模块，用于对二级中频信号进行采集量化，获得数字信号，利用数字信号得到目标场景的亮温分布。本发明可根据需求自由布阵，提高了系统的适用性，并能够实时处理大量数据的相关计算，提升系统的计算性能和实用性。

Description

一种基于综合孔径的分布式实时成像系统
技术领域
本发明属于微波遥感及探测技术领域，更具体地，涉及一种基于综合孔径的分布式实时成像系统。
背景技术
辐射计利用目标本身发射或反射的电磁信号，分析并识别目标，提取所需信息。上世纪五十年代提出的综合孔径技术基于干涉测量思想，可以将多个小口径天线阵列等效为一个大口径天线，能够克服天线加工的困难，大大提高辐射计的分辨率，使其获得了更加广泛的应用。综合孔径技术简单来说就是利用两两天线所形成的基线对观测场景实现空间频率域测量，而不同的阵列形式会导致辐射计系统的性能不同，现有的辐射计系统在设计时都固定了阵列形式，面对不同的应用需求需要重新研制，另外，综合孔径系统目前主要应用于微波遥感领域，因此对实时性的要求不高。随着技术的不断发展，当面对隐匿物品检测或人体安检等应用时，需要系统能够实时产生亮温图像。
由此可见，现有技术存在面对不同的应用需求需要重新研制、难以实时成像的技术问题。
发明内容
针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种基于综合孔径的分布式实时成像系统，由此解决现有技术存在面对不同的应用需求需要重新研制、难以实时成像的技术问题。
为实现上述目的，本发明提供了一种基于综合孔径的分布式实时成像系统，包括数据采集处理模块和N个接收通道，所述N个接收通道包括N 个射频前端模块和N个中频处理模块；
所述N个射频前端模块为分布式，所述N个射频前端模块，用于自由布阵，接收目标场景的辐射信号，并输出一级中频信号；
所述中频处理模块，用于接收一级中频信号，经过变频输出二级中频信号，并为射频前端模块提供本振信号；
所述数据采集处理模块，用于对二级中频信号进行采集量化，获得数字信号，利用数字信号得到目标场景的亮温分布。
进一步地，N个射频前端模块自由布阵为线形阵列、Y形阵列、六边形阵列或者圆形阵列。
进一步地，本振信号用于使得N个射频前端模块并行接收目标场景的辐射信号。
进一步地，数据采集处理模块包括单板机、采集卡和信号处理板，
所述单板机，用于对高速采集卡和信号处理板进行加载调试控制；
所述采集卡，用于对二级中频信号进行采集量化，获得数字信号；
所述信号处理板，用于存储数字信号，并对数字信号进行复相关运算，得到可见度数据，在单板机的控制下对可见度数据进行反演算法得到目标场景的亮温分布。
进一步地，单板机采用I7处理器CPU、数据接口卡、光纤接口、USB3.0 接口、VGA接口和GbE接口。
进一步地，数据接口卡为XMC的多路光纤子卡或者PCIe接口卡。
进一步地，采集卡采用标准接口VITA57FMC和EV10AQ190高速AD。
进一步地，信号处理板采用Xilinx Virtex-7 FPGA、两组2GB 64-bit DDR3的SDRAM，一组512MB8-bit DDR3的SDRAM，所述信号处理板的前面板有USB-UART接口。
总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，能够取得下列有益效果：
(1)本发明提供了一种基于综合孔径的分布式实时成像系统，利用若干个分布式射频前端模块，针对不同应用需求，实现灵活组阵。数据采集处理模块可实时处理通道输出数据，获得目标场景的亮温图像，使得辐射计系统的应用更加广泛。在已有系统的基础上，可以直接添加射频前端模块进行扩展，提升系统的性能，而高速数字采集处理系统也设计成可扩展结构，避免系统的重新设计，对于多通道大规模的辐射计成像系统的拓展提供了便利。
(2)本发明中光纤接口的数据传输带宽可达到300MB/s，PCIe接口数据传输速度可达到1GB/s，FMC工作在带FPGA处理器的载板上，FMC接口有多达400个管脚，每个管脚可支持到10Gbps的传输率。且无需要复杂的协议支持，系统升级和维护也只需要更换FMC子卡，无需更换成本较高的主处理板，降低了成本。EV10AQ190高速AD实现4通道1.2GSPS 4bit 采集，进而使得数据采集处理模块可以实时成像。
附图说明
图1是本发明实施例提供的辐射计通道整体结构；
图2是本发明实施例提供的单个射频前端模块与天线相连接的示意图；
图3(a)是本发明实施例提供的线形阵列示意图；
图3(b)是本发明实施例提供的六边形阵列示意图；
图3(c)是本发明实施例提供的Y形阵列示意图；
图4是本发明实施例提供的数据采集处理模块的示意图；
图5是本发明实施例提供的复相关处理流程图；
图6(a)是本发明实施例提供的射频前端模块自由布阵为Y形阵列的示意图；
图6(b)是本发明实施例提供的Y形阵列排布示意图；
图6(c)是本发明实施例提供的Y形阵列对应UV分布示意图；
图7(a)是本发明实施例提供的射频前端模块自由布阵为六边形阵列的示意图；
图7(b)是本发明实施例提供的六边形阵列排布示意图；
图7(c)是本发明实施例提供的六边形阵列对应UV分布示意图；
图8(a)是本发明实施例提供的噪声源实物图；
图8(b)是本发明实施例提供的噪声源的Y形阵成像结果；
图8(c)是本发明实施例提供的噪声源的六边形成像结果；
图9(a)是本发明实施例提供的电暖器实物图；
图9(b)是本发明实施例提供的电暖器的Y形阵成像结果；
图9(c)是本发明实施例提供的电暖器的六边形成像结果。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。
一种基于综合孔径的分布式实时成像系统，包括数据采集处理模块和N 个接收通道，如图1所示，辐射计通道为接收通道，所述N个接收通道包括N个射频前端模块和N个中频处理模块；
所述N个射频前端模块为分布式，所述N个射频前端模块，用于自由布阵，如图2所示，射频前端模块与天线连接接收目标场景的辐射信号，并输出一级中频信号；
所述中频处理模块，用于接收一级中频信号，经过变频输出二级中频信号，并为射频前端模块提供本振信号；
所述数据采集处理模块，用于对二级中频信号进行采集量化，获得数字信号，利用数字信号得到目标场景的亮温分布。
进一步地，N个射频前端模块自由布阵为线形阵列、Y形阵列、六边形阵列或者圆形阵列。图3(a)是本发明实施例提供的线形阵列示意图；图3(b)是本发明实施例提供的六边形阵列示意图；图3(c)是本发明实施例提供的Y形阵列示意图。
进一步地，本振信号用于使得N个射频前端模块并行接收目标场景的辐射信号。
如图4所示，数据采集处理模块包括单板机、采集卡和信号处理板，
所述单板机，用于对高速采集卡和信号处理板进行加载调试控制；
所述采集卡，用于对二级中频信号进行采集量化，获得数字信号；
如图5所示，所述信号处理板，用于存储数字信号，并对数字信号进行复相关运算，得到可见度数据，在单板机的控制下对可见度数据进行反演算法得到目标场景的亮温分布。复相关运算为对数字信号同时进行延时和希尔伯特变换得到复信号，在复信号之间进行互相关运算。
单板机采用I7处理器CPU，带有丰富的接口，还配置XMC的多路光纤子卡或者PCIe接口卡，以向其他服务器的数据转存提供光纤接口，其数据传输带宽可达到300MB/s，PCIe接口数据传输速度可达到1GB/s，另外单板机还配置USB3.0接口、VGA、GbE等接口。
采集卡采用标准接口VITA57FMC。FMC模块工作在带FPGA处理器的载板上，FMC接口有多达400个管脚，每个管脚可支持到10Gbps的传输率。且无需要复杂的协议支持，系统升级和维护也只需要更换FMC子卡，无需更换成本较高的主处理板，降低了成本。采集卡采用成熟的 EV10AQ190高速AD，每片实现4通道1.2GSPS 4bit采集，模拟信号输入带宽为3GHz。采集的数据并行传输到FPGA。
信号处理板采用Xilinx Virtex-7FPGA，配置两组2GB 64-bit DDR3的SDRAM，一组512MB8-bit DDR3的SDRAM。其前面板有USB-UART接口。支持3个HPCFMC，每个FMC接口包括80对LVDS，用来实现高速并行级联。
数据由采集板通过VPX背板集中传输到最后一个信号处理板 VPF7113进行互相关运算。系统按照5槽设计，第一个槽位与其他四个槽位之间为×4连接，用于系统的管理控制。其他第一个槽位与最后一个槽位为×8连接，最后一个槽位用于数据的融合处理。模拟信号经过TLT126子卡实现A/D后的数据，通过FMC接口传输到信号处理板VPF7113的FPGA中，再通过背板把数据传输到最后一个信号处理板VPF7113上进行数据相关运算。
图6(a)是本发明实施例提供的射频前端模块自由布阵为Y形阵列的示意图，图6(b)是本发明实施例提供的Y形阵列排布示意图，图6(c) 是本发明实施例提供的Y形阵列对应UV分布示意图；图7(a)是本发明实施例提供的射频前端模块自由布阵为六边形阵列的示意图，图7(b)是本发明实施例提供的六边形阵列排布示意图，图7(c)是本发明实施例提供的六边形阵列对应UV分布示意图。本系统基本参数说明如下：
表1
中心频率f0 94GHz
阵元数目N 24
带宽B 400MHz
积分时间τ 100ms
天线温度TA 290K
接收机噪声温度TR 520K
其中，中心频率指的是射频信号进入前端的频段；目前一共有24个前端，后续可根据需求进一步扩充；高速数字采集系统的输入信号为 0.7GHz-1.1GHz，带宽400MHz；积分时间可调，本实例中设置为100ms；天线温度为290K，根据噪声系数得到接收机噪声温度为520K；本实例均为规则阵列，因此可以直接采用傅里叶反演方法得到图像，后续可以根据具体阵列形式来确定合适的反演方法。
点源成像：可以将噪声源可看作点源，实物图和成像结果见图8(a)、8 (b)和8(c)，其中图8(a)为94GHz的噪声源，其超噪比为23dB，图8(b) 和图8(c)分别为Y行阵和六边形阵的点源反演结果，图8(b)中点源周围是星形延拓，与图6(c)中uv覆盖轮廓相同；图8(c)中点源周围是六边形延拓，与图7(c)中uv覆盖轮廓相同，两种阵列的点源反演图像均达到仿真图像效果。
展源成像：可以将电暖器看作展源，实物图和成像结果见图9(a)、9 (b)和9(c)，其中图9(a)为电暖器实物图，图9(b)和图9(c)分别为Y形阵和六边形阵的展源反演结果；电暖器的反演图像均表现出圆环特征，与其实际温度分布相同，而对比图9(b)和图9(c)可以看出，Y形阵的无混叠视场更大，图9(c)的周围出现了混叠图像，这也与两种阵列形式的排布有关，后续可根据具体需求来确定合适的阵列排布形式。
根据实验结果，可以说明本发明提出的一种基于综合孔径的分布式实时成像系统可以根据需求来设计不同阵列，提高了系统的适用性，并能够实时处理大量数据的相关计算，提升系统的计算性能，实时获得目标的成像结果，有利的证实了本发明的创新性与实用性。
本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种基于综合孔径的分布式实时成像系统，其特征在于，包括数据采集处理模块和N个接收通道，所述N个接收通道包括N个射频前端模块和N个中频处理模块；
所述N个射频前端模块为分布式，所述N个射频前端模块，用于自由布阵，接收目标场景的辐射信号，并输出一级中频信号；
所述中频处理模块，用于接收一级中频信号，经过变频输出二级中频信号，并为射频前端模块提供本振信号；
所述数据采集处理模块，用于对二级中频信号进行采集量化，获得数字信号，利用数字信号得到目标场景的亮温分布。
2.如权利要求1所述的一种基于综合孔径的分布式实时成像系统，其特征在于，所述N个射频前端模块自由布阵为线形阵列、Y形阵列、六边形阵列或者圆形阵列。
3.如权利要求1或2所述的一种基于综合孔径的分布式实时成像系统，其特征在于，所述本振信号用于使得N个射频前端模块并行接收目标场景的辐射信号。
4.如权利要求1或2所述的一种基于综合孔径的分布式实时成像系统，其特征在于，所述数据采集处理模块包括单板机、采集卡和信号处理板，
所述单板机，用于对高速采集卡和信号处理板进行加载调试控制；
所述采集卡，用于对二级中频信号进行采集量化，获得数字信号；
所述信号处理板，用于存储数字信号，并对数字信号进行复相关运算，得到可见度数据，在单板机的控制下对可见度数据进行反演算法得到目标场景的亮温分布。
5.如权利要求4所述的一种基于综合孔径的分布式实时成像系统，其特征在于，所述单板机采用I7处理器CPU、数据接口卡、光纤接口、USB3.0接口、VGA接口和GbE接口。
6.如权利要求5所述的一种基于综合孔径的分布式实时成像系统，其特征在于，所述数据接口卡为XMC的多路光纤子卡或者PCIe接口卡。
7.如权利要求4所述的一种基于综合孔径的分布式实时成像系统，其特征在于，所述采集卡采用标准接口VITA57FMC和EV10AQ190高速AD。
8.如权利要求4所述的一种基于综合孔径的分布式实时成像系统，其特征在于，所述信号处理板采用Xilinx Virtex-7 FPGA、两组2GB 64-bit DDR3的SDRAM，一组512MB8-bitDDR3的SDRAM，所述信号处理板的前面板有USB-UART接口。
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