CN112595731B - 一种用于高光谱微波辐射计的可配置数字谱仪 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于高光谱微波辐射计的可配置数字谱仪，所述可配置数字谱仪包括：高速AD模块、处理模块、通讯模块和设置于上位机的控制模块；处理模块通过FPGA实现，其中，高速AD模块，用于根据处理模块发送的采样命令，设置采样模式进行信号采样，并对被采信号进行模数转换后发送至处理模块；处理模块，用于接收并解析配置指令，发送采样命令至高速AD模块，并接收采样信号，根据配置指令，设置延时数量，完成采样信号的频分或时分处理并发送至通讯模块；通讯模块，用于将收到的配置指令发送至处理模块，并以一定速率将收到的数字信号发送至控制模块；控制模块，用于生成配置指令发送至通讯模块，并接收通讯模块发送的数字信号。

Description

一种用于高光谱微波辐射计的可配置数字谱仪

技术领域

本发明涉及被动遥感领域，尤其涉及一种用于高光谱微波辐射计的可配置数字谱仪。

背景技术

作为一种被动遥感器，星载、地基微波辐射计是观测大气的重要技术手段。不同频段的微波辐射计可以应用到不同的科学目标探测。微波辐射计可以测得大气温湿度廓线，其是影响全球气象与气候变化的重要参数。微波辐射计临边探测可以得到大气中痕量气体的现状，了解污染物的输送及其复杂性，对研究气候变化极其必要。微波高光谱概念在2011年由美国麻省理工林肯实验室提出，与常规的辐射计相比显著提高了温湿度廓线的反演精度和垂直分辨率。对于谱分析来说，系统带宽越宽则可以一次获取大气更完整的谱信息，例如50G～60G的氧气吸收谱就需要10GHz带宽的处理能力。同时系统谱分辨率越高则包含更多的细节信息。精细观测大气成分的分子谱线需要后端谱仪具备频谱分辨率高且带宽较宽的能力。高光谱辐射计将观测频段带宽划分为更细的子带，获取更详细谱信息。高光谱微波辐射计适应目前高精度、定量化、精细化遥感的发展趋势。

传统的谱分析采用模拟滤波器组方法。模拟滤波器组方法采用多个模拟滤波器。相比于模拟滤波器组，数字谱仪利用数字化技术，具有很高的机械稳定性、热稳定性和更高的频谱分辨率。其中，延时相关方法相对于FFT、数字滤波器方案具有更简洁的时序结构，有利于进一步的ASIC设计。相比于FFT，延时相关方法可以获得更多有效积分时间。

目前已有的模拟滤波器组的辐射计通道数都很有限。林肯实验室研制的高光谱微波大气探测仪，118.75GHz频段具有10GHz带宽，36个通道；183.31GHz频段具有10GHz带宽，16个通道。我国风云卫星中50～60GHz频段：早期4通道，中期7通道，目前12-13通道。北京航空航天大学研制的地基K波段高光谱微波辐射计频率范围18-26GHz，具有80通道。其采用滤波器组方案，第一级：通道切换/频段串行粗分；第二级：梳状滤波器组/通道并行细分。这种方案不适应星载辐射计快速扫描观测，且滤波器庞大，通道数提升空间也很有限。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术缺陷，提出了一种高光谱微波辐射计中可配置的数字谱仪。

本发明提出了一种用于高光谱微波辐射计的可配置数字谱仪，所述可配置数字谱仪包括：高速AD模块、处理模块、通讯模块和设置于上位机的控制模块；处理模块通过FPGA实现，其中，

所述高速AD模块，用于根据处理模块发送的采样命令，设置采样模式进行信号采样，并对被采信号进行模数转换后发送至处理模块；

所述处理模块，用于接收并解析配置指令，发送采样命令至高速AD模块，并接收模数转换后的采样信号，根据配置指令，设置延时数量，完成采样信号的频分或时分处理并发送至串口模块；

所述通讯模块，用于将收到的配置指令发送至处理模块，并以一定速率将收到的数字信号发送至控制模块；

所述控制模块，用于生成配置指令发送至通讯模块，还用于接收通讯模块发送的数字信号。

作为上述可配置数字谱仪的一种改进，所述配置指令包括包头和数据体；其中，

所述数据体包括：寄存器标识符、寄存器长度、延时相关参数标识符、延时相关参数、采样通道数标识符和采样通道数。

作为上述可配置数字谱仪的一种改进，所述处理模块包括：配置命令接收解析单元、信号接收分配单元、频分算法处理单元、直接延时相关处理单元、时分算法处理单元和采样命令发送单元；其中，

所述配置命令接收解析单元，用于接收并解析配置指令，根据寄存器标识符，获得寄存器长度A，根据延时相关参数标识符，获得延时相关参数k，根据采样通道数标识符，获得采样通道数c，将寄存器长度A、延时相关参数k和采样通道数c发送至信号接收分配单元；

所述信号接收分配单元，用于接收高速AD模块发送的采样信号，根据寄存器长度A、延时相关参数k和采样通道数c进行判断：如果延时相关参数k和采样通道数c均大于1，将采样信号、延时相关参数k和采样通道数c转发至频分算法处理单元；如果寄存器长度A和采样通道数c均等于1且延时相关参数k大于1，将采样信号和延时相关参数k转发至直接延时相关处理单元；如果寄存器长度A大于1且延时相关参数k大于1，将采样信号、寄存器长度A和延时相关参数k转发至时分算法处理单元；

所述频分算法处理单元，用于根据延时相关参数k和采样通道数c，在频域对采样信号进行并行滤波及延时相关处理，相乘累加得到处理后的数字信号发送至通讯模块；

所述直接延时相关处理单元，用于根据延时相关参数k，对采样信号在时域进行延时处理，相乘累加得到延时相关结果发送至通讯模块；

所述时分算法处理单元，用于根据寄存器长度A和延时相关参数k，对采样信号进行串并转换，在时域缓存进行延时处理，相乘累加得到处理后的数字信号发送至通讯模块；

所述采样命令发送单元，用于根据采样通道数c生成采样命令并发送至高速AD模块。

作为上述可配置数字谱仪的一种改进，所述频分算法处理单元的具体处理过程为：

根据采样通道数c，设置滤波器的个数为c，对采样信号进行并行滤波，得到c路滤波后的子带信号；

根据延时相关参数k，将c路信号的每一路的延时通道个数设置为k/c，每个延时通道的时长设置为ΔT，ΔT为一个采样时钟周期，对c路信号进行并行计算，得到处理后的数字信号并发送至串口模块。

作为上述可配置数字谱仪的一种改进，所述直接延时相关处理单元的具体处理过程为：

根据延时相关参数k，设置延时通道的个数为k，每个延时通道的时长设置为ΔT；

对每组延时数据与原始的采样信号进行相乘累加操作得到延时相关结果；

将延时相关结果发送至通讯模块。

作为上述可配置数字谱仪的一种改进，所述时分算法处理单元的具体处理过程为：

根据寄存器长度A，设置移位寄存器的长度为A，从而使得串并通道的个数为A；

对收到的采样信号进行数字串并转换得到A路信号；

对A路信号进行移位处理；

根据延时相关参数k，将移位后的A路信号的每一路的延时通道个数设置为k，每个延时通道的时长设置为ΔT，对A路信号进行并行计算，完成A*(k+1)组乘法与累加，得到处理后的数字信号并发送至通讯模块。

作为上述可配置数字谱仪的一种改进，所述高速AD模块的具体实现过程为：

根据收到的采样命令，得到采样通道数c，设置c路采样模式进行采样；

对采样信号进行模数转换并发送至处理模块。

作为上述可配置数字谱仪的一种改进，所述可配置数字谱仪还包括时钟模块，用于为高速AD模块提供采样时钟，并提供同步的时钟给处理模块

与现有技术相比，本发明的优势在于：

1、本发明提出一种可配置数字谱仪，通过上位机配置延时数量以控制频谱通道数；采用延时相关算法实现谱分析通道数量的配置，只需要增加延时模块，不需要重新改写整个单元；

2、本发明的可配置数字谱仪提供了频分、时分两种算法，更大提高谱仪带宽和频谱分辨率；

3、本发明的可配置数字谱仪具有流水线简洁结构，更适合芯片化设计，为满足星载低功耗提供了可行方案；

4、本发明的可配置数字谱仪可通过软件配置，设置采样通道数、串并转换长度，以适应频分、时分两种算法。

附图说明

图1是本发明实施例1的高光谱微波辐射计中可配置的数字谱仪的组成示意图；

图2是本发明实施例1的信号算法流程示意图；

图3是本发明实施例1的频分算法流程示意图；

图4是本发明实施例1的时分算法流程示意图；

图5是本发明实施例1的高光谱微波辐射计中可配置的数字谱仪的设计示例结构图；

图6是图5设计示例的FPGA内部数据流；

图7(a)是采用本发明的高光谱微波辐射计中可配置的数字谱仪，设置通道数为300的频谱图；

图7(b)是采用本发明的高光谱微波辐射计中可配置的数字谱仪，设置通道数为600的频谱图。

具体实施方式

高光谱微波辐射计与常规的辐射计相比可以显著提高大气温湿度廓线的反演精度和垂直分辨率。精细观测大气成分的分子谱线需要后端谱仪具备频谱分辨率高且宽带的能力。数字谱仪是高光谱微波辐射计的核心单元，采用数字信号处理技术，完成目标的频谱测量。本发明提出一种可配置的数字谱仪，基于延时相关计算的原理，具有灵活编程的体制，可实现对频谱通道数量实时在线编程。增加频谱通道数只需要增加延时模块，不需要重新设计整个单元。本发明提出频分、时分的算法，更大程度提高谱仪带宽和频谱分辨率。

下面结合附图和实施例对本发明的技术方案进行详细的说明。

实施例1

如图1所示，本发明的实施例1提出了一种用于高光谱微波辐射计的可配置数字谱仪，设计了一种修改延时模块的方法，可以通过增加延时数量来灵活的拓展频谱通道数，且不改变原有的计算结果和计算结构。

可配置数字谱仪包括：高速AD模块、处理模块、通讯模块和设置于上位机的控制模块；处理模块通过FPGA实现，其中，

所述高速AD模块，用于根据处理模块发送的采样命令，设置采样模式进行信号采样，并对采样信号进行模数转换并发送至处理模块；

所述处理模块，用于接收并解析控制模块发送的配置指令，发送采样命令至高速AD模块，并接收采样信号，根据配置指令，设置延时数量，完成采样信号的频分或时分处理并发送至通讯模块；具体包括：配置命令接收解析单元、信号接收分配单元、频分算法处理单元、直接延时相关处理单元、时分算法处理单元和采样命令发送单元；其中，

所述配置命令接收解析单元，用于接收并解析配置指令，根据寄存器标识符，获得寄存器长度A，根据延时相关参数标识符，获得延时相关参数k，根据采样通道数标识符，获得采样通道数c，将寄存器长度A、延时相关参数k和采样通道数c发送至信号接收分配单元；

所述信号接收分配单元，用于接收高速AD模块发送的采样信号，根据寄存器长度A、延时相关参数k和采样通道数c进行判断：如果延时相关参数k和采样通道数c均大于1，将采样信号、延时相关参数k和采样通道数c转发至频分算法处理单元；如果寄存器长度A和采样通道数c均等于1且延时相关参数k大于1，将采样信号和延时相关参数k转发至直接延时相关处理单元；如果寄存器长度A大于1且延时相关参数k大于1，将采样信号、寄存器长度A和延时相关参数k转发至时分算法处理单元；

所述频分算法处理单元，用于根据延时相关参数k和采样通道数c，对采样信号进行并行滤波，在频域进行延时处理，相乘累加得到处理后的数字信号发送至通讯模块；

所述直接延时相关处理单元，用于根据延时相关参数k，对采样信号在时域进行延时处理，相乘累加得到延时相关结果发送至通讯模块；

所述时分算法处理单元，用于根据寄存器长度A和延时相关参数k，对采样信号进行串并转换，在时域缓存进行延时处理，相乘累加得到处理后的数字信号发送至通讯模块；

所述采样命令发送单元，用于根据采样通道数c生成采样命令并发送至高速AD模块。

所述通讯模块，采用串口，用于将收到的配置指令发送至处理模块，并以一定速率将收到的数字信号发送至控制模块；

所述控制模块，用于生成配置指令发送至通讯模块，还用于接收通讯模块发送的数字信号。

相关计算频谱基本原理来源于维纳-辛钦-爱因斯坦定理，一个信号的功率谱密度就是该信号自相关函数的傅里叶变换。

S(ω)＝∫R(τ)e^-jωtdτ (1)

这里，S(ω)是功率谱，R(τ)是自相关函数。

其中，τ为延时长度，T为积分时间。对于离散数字系统，自相关函数离散表达式如下：

将理论公式实践到方案设计中，公式中的k参数的值决定了自相关函数离散值的数量，进而决定了频谱通道数，也就是本发明中提出的可配置的频谱通道数。本发明建立一种软件配置的系统结构，通过配置此参数可实现频谱通道数的控制，得到一种可配置的数字谱仪。

数字谱分析采用延时相关计算信号采样量化后的自相关函数，信号算法流程如图2所示。ΔT为一个采样时钟周期，一个ΔT代表信号经过一个延时，每组延时数据与原始数据进行相乘累加操作。整个过程可以得到与延时次数对应的累加结果，即延时相关结果。延时的次数，即ΔT的数量就是上述公式中的k。

本发明提出一种频分算法和一种时分算法，是直接延时相关计算的变化版。频分算法中首先将输入信号经滤波器在频谱上划分为c个通道。如图3所示，划分后的子频带再分别进行上述延时计算。这样每个子频通道ADC的采样率只需要是原先采样率的1/c，解除了单通道数字采样率的限制，适应于更大带宽的应用需求。每个通道采样后延时数是原先延时数k的1/c。

时分算法中信号采样后经过数字串并转换，完成在时域上的缓存，数据并行进入延时处理环节。如图4所示，为1/A串并转换的流程图。串并转换后的一串A路数据与缓存的上一串k路数据拼凑成一个(k+A)路数据。串并转换后工作时钟为采样时钟的1/A，在此时钟驱动下进行多路并行计算，完成A*(k+1)组乘法与累加。时分算法的优势是降低了后续数字延时计算的速度，缓解处理器的速度压力，用资源换速度。

以上算法数字部分主要由两个模块组成：高速AD模块与处理模块，高速AD模块完成模数转换，在处理模块中完成数字信号的延时及相关处理；处理模块可以是ARM、FPGA、CPU等。具备与高速AD模块的数据传输接口即可。

可配置的操作通过上位机下发指令到处理器，指令中包含延时的数量参数以及与频分、时分对应的参数。处理器接收到指令后，解析指令内容，提取出延时数量，进而更改算法中的延时数量，即可实现对通道数量的修改。同理，可以提取采样通道数参数，提取串并转换数量。这样就建立了一种修改的通讯链路。

具体设计示例如图5所示，基于高速A/D芯片EV8AQ160和XC7K325T完成数字谱仪的设计方案。EV8AQ160完成4.8Gsps的信号采样，XC7K325T完成数据接收和延时相关计算。

时钟模块同时具有板上晶振和外接输入两种参考时钟，外接时钟用于实现与其他系统之间的时钟同源。AD9520基于10MHz参考时钟产生2.4GHz的A/D采样时钟。同时，为板上晶振提供单独的供电电源，并由FPGA控制电源芯片的使能端。

XC7K325T通过外接SPI串口配置EV8AQ160工作模式，以完成发明中第一与第二种算法。EV8AQ160可配置为单路最高5Gsps采样、双路最高2.5Gsps采样和四路最高1.25Gsps采样三种模式。

实例中，当EV8AQ160配置为一路采样，实际采样率设置成4.8GHz，8bit量化。输出时钟采用DDR模式，即在时钟上升沿和下降沿传输数据。ADC内部对被采数据做1：8demux，所以输出数据速度600MHz，时钟速率300MHz。ADC采用双边沿采样，输入采样时钟为实际采样的一半即可，本发明实例中输入时钟为2.4GHz。ADC内置复位信号，用于触发多片ADC的同步。

当EV8AQ160配置为两路采样，实际采样率设置成2.4GHz，可以同时采样从滤波器出来的两路子频信号；当EV8AQ160配置为四路采样，实际采样率设置成1。2GHz，可以同时采样从滤波器出来的四路子频信号。这样就完成了2频分、4频分两种不同的应用实例。EV8AQ160的配置通过FPGA完成。

在XC7K325T中通过移位寄存器可以实现发明中第三种时分算法。通过寄存器缓存输入采样信号，再利用FPGA内中DSP资源和逻辑资源完成计算，采用流水线架构完成乘累加运算。实现方法是首先做串并转换，将时钟频率降下来，降频后在新时钟下，每隔一个新时钟周期将新的数补充到数据末尾，数据的前一组数据将舍弃。程序每一个新时钟周期进行一组乘法和加法运算，最后将累加好的数据打包送到通讯模块等待发送。FPGA内部数据流如图6所示。串并转换中移位寄存器的长度A决定了时分的比例。整个数据组长度是进行延时相关的数量k加A。本实例中串并转换长度A为1分32，延时通道数k为600。

本案例中通过串口返回指令控制其数据个数。每次刷新寄存器数量后，会自动开始设定接着的新的延时过程。

串口芯片为max3232，采用专有低压差发送器输出级，利用双电荷泵在3.0V至5.5V电源供电时能够实现真正的RS-232性能，器件仅需四个0.1uF的外部小尺寸电荷泵电容。max3232确保在120kbps数据速率，同时保持RS-232输出电平。

上位机发送指令格式举例为：EB 90 55 AA XX XX BB XX XX CC XX XX。其中EB90 55 AA为包头，FPGA根据包头识别指令。包头后“XX XX”两个字节为寄存器A长度，可以配置从0到65535个数值，满足此实例的应用。BB后面“XX XX”两个字节为延时相关数量k。CC后面“XX XX”两个字节为采样通道数c。满足更多数值配置的需求，可以通过修改指令中对应参数所占的字节数量。例如EB 90 55 AA XX XX XX BB XX XX XX CC XX XX XX。

为验证调节延时通道数的有效性，对实例做频谱测试。测试中输入一个20MHz的点频信号，按照公式1对串口接收到的延时相关数据做谱计算，得到信号的功率谱。分别设置不同的延时通道数，观察对应的频谱通道数。

如下图7(a)所示，将延时通道数设置为600，则频谱频点间隔是8；如下图7(b)所示当设置通道数为300的时候，频点间隔是16，说明延时通道数与频谱通道数符合本发明的对应关系，通过调节延时通道数量确实改变了对应的频谱通道数。

最后所应说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制。尽管参照实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，都不脱离本发明技术方案的精神和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (7)

1.一种用于高光谱微波辐射计的可配置数字谱仪，其特征在于，所述可配置数字谱仪包括：高速AD模块、处理模块、通讯模块和设置于上位机的控制模块；处理模块通过FPGA实现，其中，

所述高速AD模块，用于根据处理模块发送的采样命令，设置采样模式进行信号采样，并对被采信号进行模数转换后发送至处理模块；

所述处理模块，用于接收并解析配置指令，发送采样命令至高速AD模块，并接收模数转换后的采样信号，根据配置指令，设置延时数量，完成采样信号的频分或时分处理并发送至串口模块；

所述通讯模块，用于将收到的配置指令发送至处理模块，并以一定速率将收到的数字信号发送至控制模块；

所述控制模块，用于生成配置指令发送至通讯模块，还用于接收通讯模块发送的数字信号；

所述处理模块包括：配置命令接收解析单元、信号接收分配单元、频分算法处理单元、直接延时相关处理单元、时分算法处理单元和采样命令发送单元；其中，

所述配置命令接收解析单元，用于接收并解析配置指令，根据寄存器标识符，获得寄存器长度A，根据延时相关参数标识符，获得延时相关参数k，根据采样通道数标识符，获得采样通道数c，将寄存器长度A、延时相关参数k和采样通道数c发送至信号接收分配单元；

所述信号接收分配单元，用于接收高速AD模块发送的采样信号，根据寄存器长度A、延时相关参数k和采样通道数c进行判断：如果延时相关参数k和采样通道数c均大于1，将采样信号、延时相关参数k和采样通道数c转发至频分算法处理单元；如果寄存器长度A和采样通道数c均等于1且延时相关参数k大于1，将采样信号和延时相关参数k转发至直接延时相关处理单元；如果寄存器长度A大于1且延时相关参数k大于1，将采样信号、寄存器长度A和延时相关参数k转发至时分算法处理单元；

所述频分算法处理单元，用于根据延时相关参数k和采样通道数c，在频域对采样信号进行并行滤波及延时相关处理，相乘累加得到处理后的数字信号发送至通讯模块；

所述直接延时相关处理单元，用于根据延时相关参数k，对采样信号在时域进行延时处理，相乘累加得到延时相关结果发送至通讯模块；

所述时分算法处理单元，用于根据寄存器长度A和延时相关参数k，对采样信号进行串并转换，在时域缓存进行延时处理，相乘累加得到处理后的数字信号发送至通讯模块；

所述采样命令发送单元，用于根据采样通道数c生成采样命令并发送至高速AD模块。

2.根据权利要求1所述的用于高光谱微波辐射计的可配置数字谱仪，其特征在于，所述配置指令包括包头和数据体；其中，

所述数据体包括：寄存器标识符、寄存器长度、延时相关参数标识符、延时相关参数、采样通道数标识符和采样通道数。

3.根据权利要求1所述的用于高光谱微波辐射计的可配置数字谱仪，其特征在于，所述频分算法处理单元的具体处理过程为：

根据采样通道数c，设置滤波器的个数为c，对采样信号进行并行滤波，得到c路滤波后的子带信号；

根据延时相关参数k，将c路信号的每一路的延时通道个数设置为k/c，每个延时通道的时长设置为ΔT，ΔT为一个采样时钟周期，对c路信号进行并行计算，得到处理后的数字信号并发送至串口模块。

4.根据权利要求1所述的用于高光谱微波辐射计的可配置数字谱仪，其特征在于，所述直接延时相关处理单元的具体处理过程为：

根据延时相关参数k，设置延时通道的个数为k，每个延时通道的时长设置为ΔT；

对每组延时数据与原始的采样信号进行相乘累加操作得到延时相关结果；

将延时相关结果发送至通讯模块。

5.根据权利要求1所述的用于高光谱微波辐射计的可配置数字谱仪，其特征在于，所述时分算法处理单元的具体处理过程为：

根据寄存器长度A，设置移位寄存器的长度为A，从而使得串并通道的个数为A；

对收到的采样信号进行数字串并转换得到A路信号；

对A路信号进行移位处理；

根据延时相关参数k，将移位后的A路信号的每一路的延时通道个数设置为k，每个延时通道的时长设置为ΔT，对A路信号进行并行计算，完成A*(k+1)组乘法与累加，得到处理后的数字信号并发送至通讯模块。

6.根据权利要求1所述的用于高光谱微波辐射计的可配置数字谱仪，其特征在于，所述高速AD模块的具体实现过程为：

根据收到的采样命令，得到采样通道数c，设置c路采样模式进行采样；

对采样信号进行模数转换并发送至处理模块。

7.根据权利要求1所述的用于高光谱微波辐射计的可配置数字谱仪，其特征在于，所述可配置数字谱仪还包括时钟模块，用于为高速AD模块提供采样时钟，并提供同步的时钟给处理模块。

Images