CN113189408A - 一种可快速扩展实现超大规模运算的相关方阵处理系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种可快速扩展实现超大规模运算的相关方阵处理系统，包括射频信号接收模块、多通道高速采集模块、相关方阵处理模块、相关方阵控制模块和反演应用处理模块。本发明的优点在于可基于通用硬件平台的处理能力，采用一种运算均衡数据共享的相关矩阵处理架构，硬件快速复制，积木式扩展成可完成超大规模的互相关运算处理的相关方阵，从而满足高灵敏度综合孔径辐射计的超大规模数字信号相关处理成像需求。

Description

一种可快速扩展实现超大规模运算的相关方阵处理系统

技术领域

本发明涉及相关方阵处理架构领域，特别涉及一种可快速扩展实现超大规模运算的相关方阵处理系统。

背景技术

综合孔径微波辐射计是一种将大孔径的天线等效稀疏成若干个小孔径的天线，通过对不同天线基线的干涉测量得到的相关结果进行反演处理实现观测区域的环境要素探测的遥感探测系统。综合孔径的基本单元实二元干涉仪，即通过相关器来实现所有天线单元之间的干涉测量即复相关运算。伴随着高空间分辨率和高灵敏度的探测需求，天线的尺寸和重量也变得越来越大，采用大规模阵列稀疏的方式等效减小超大天线尺寸和重量的综合孔径微波探测技术越来越被工程采纳，而大规模的天线阵列带来的超大规模的通道间信号两两相关运算处理则成为综合孔径辐射计工程中的重难点。基于当前硬件集成电路研制基础，任何一款嵌入式平台其硬件信号处理能力为有限的，如何基于当前硬件研制条件，快速搭建信号处理系统，实现大规模通道间数据共享及超大规模的两两相关运算处理需求是综合孔径辐射计首要解决的问题。

发明内容

为了克服现有技术中的不足，本发明提供一种可快速扩展实现超大规模运算的相关方阵处理系统，基于通用的硬件平台，采用积木式快速复制扩展，通过相关矩阵方阵实现综合孔径辐射计大规模天线阵列各通道信号间的二元干涉相关处理，提取可视度函数，进而实现反演应用。

为了达到上述发明目的，解决其技术问题所采用的技术方案如下：

一种可快速扩展实现超大规模运算的相关方阵处理系统，包括射频信号接收模块、多通道高速采集模块、相关方阵处理模块、相关方阵控制模块和反演应用处理模块，其中：

所述射频信号接收模块由多个馈源接收处理单元组成，用以通过所述馈源接收处理单元完成空间辐射信号的接收并转换成模拟的电信号；

所述多通道高速采集模块由多个高速采集单元组成，并与所述射频信号接收模块通过射频电缆连接，用以负责将所述射频信号接收模块输出的模拟信号通过ADC转换电路转换成数字信号并通过数字下变频和低通滤波成为复数零中频信号；

所述相关方阵处理模块由n*n个相关处理单元组成，并与所述多通道高速采集模块和相关方阵控制模块连接，用于根据所述相关方阵控制模块的遥控指令，采用数据共享方式完成所有通道间的数据两两互相关和通道的自相关；

所述相关方阵控制模块与所述相关方阵处理模块和反演应用处理模块连接，用于根据系统工作时序下发遥控指令至所述相关方阵处理模块，并对所述相关方阵处理模块输出的相关矩阵矢量值接收和组帧输出至所述反演应用处理模块；

所述反演应用处理模块通过反演算法处理获得高灵敏度的反演结果。

进一步的，所述射频信号接收模块由多个馈源接收处理单元组成，每一个所述馈源接收处理单元负责接收空间微波信号并转换成模拟中频信号，每一个所述馈源接收处理单元采取集中式或分布式布局。

进一步的，所述多通道高速采集模块由多片高速ADC转换电路、FPGA集成电路和外围数字电路组成，所述高速ADC转换电路用以实现模数转换，所述FPGA集成电路用以实现对每一通道的数字信号的接收、数字下变频并重量化或压缩成系统所需的低比特复数零中频数据，并将复数零中频数据传输至所述相关方阵处理模块。

进一步的，所述相关方阵处理模块由n的平方个相关处理器组成，n的值由每一个相关处理器的处理能力及系统总的处理需求决定；每一个相关处理器的硬件组成一致，均由高速光纤接口电路、FPGA集成电路和外围数字电路组成，每一个相关处理器接收相应通道数量的复数零中频数据，并完成所接收的所有通道数据的两两互相关及自相关，最后将各自的相关结果组包通过通信接口发送至所述相关方阵控制模块。

进一步的，所述相关方阵处理模块为实现所有通道间的数据两两相关，每一个相关处理器之间不需要数据交互，只需要多通道高速采集模块将所处理的复数零中频数据复制成多份同时分发到不同的相关处理器。

进一步的，所述相关方阵控制模块发送相关积分时间、积分起始指令给所述相关方阵处理模块的各相关处理器，同时接收各相关处理器输出的相关值数据包并拼成遥感相关数据包，并通过通信接口发送至所述反演应用处理模块。

进一步的，所述反演应用处理模块根据几何关系及反演模型对遥感相关数据包进行算法处理，获得应用参数，实现反演应用。

进一步的，所述射频接收模块、多通道高速采集模块和相关方阵处理模块各自内部硬件组成一致。

本发明由于采用以上技术方案，使之与现有技术相比，具有以下的优点和积极效果：

本发明一种可快速扩展实现超大规模运算的相关方阵处理系统，基于通用硬件平台处理能力和系统信号处理需求，采用一种运算均衡的相关方阵处理架构，硬件快速复制，积木式扩展成可完成超大规模的互相关运算处理的相关方阵，从而满足高灵敏度综合孔径辐射计的超大规模数字信号相关处理成像需求。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单的介绍。显而易见，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。附图中：

图1为本发明的可大规模扩展的相关处理方阵原理图；

图2为本发明的高速采集单元和数字相关器的连接关系；

图3为本发明的高速采集模块分组及信号处理图；

图4为本发明的相关方阵组内通道相关运算分解图；

图5为本发明的相关方阵组间通道相关运算分解图；

图6为本发明的2通道复数相关处理原理图。

具体实施方式

以下将结合本发明的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整的描述和讨论，显然，这里所描述的仅仅是本发明的一部分实例，并不是全部的实例，基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明的保护范围。

如图1-6所示，本实施例公开了一种可快速扩展实现超大规模运算的相关方阵处理系统，包括射频信号接收模块、多通道高速采集模块、相关方阵处理模块、相关方阵控制模块和反演应用处理模块，系统重量化比特数包括但不限于1bit，相关方阵的大小为n*n，n的值包括但不限于3，其中：

所述射频信号接收模块由多个馈源接收处理单元组成，用以通过所述馈源接收处理单元完成空间辐射信号的接收并转换成模拟的电信号，具体的，通过多个馈源接收处理单元对应接收不同位置天线接收的遥感信号进行模拟信号放大、滤波、下变频等信号处理，形成模拟中频信号；

所述多通道高速采集模块由多个高速采集单元组成，并与所述射频信号接收模块通过射频电缆连接，用以负责将所述射频信号接收模块输出的模拟信号通过ADC转换电路转换成数字信号并通过数字下变频和低通滤波成为复数零中频信号；

所述相关方阵处理模块基于硬件平台处理能力，由n*n个相关处理单元组成，并与所述多通道高速采集模块和相关方阵控制模块连接，用于根据所述相关方阵控制模块的遥控指令，采用特定的数据共享方式完成所有通道间的数据两两互相关和通道的自相关；

所述相关方阵控制模块与所述相关方阵处理模块和反演应用处理模块连接，用于根据系统工作时序下发遥控指令至所述相关方阵处理模块，并对所述相关方阵处理模块输出的相关矩阵矢量值接收和组帧输出至所述反演应用处理模块；

所述反演应用处理模块通过反演算法处理获得高灵敏度的反演结果。

进一步的，所述射频信号接收模块由多个馈源接收处理单元组成，每一个所述馈源接收处理单元负责接收空间微波信号并转换成模拟中频信号，每一个所述馈源接收处理单元采取集中式或分布式布局。

进一步的，所述多通道高速采集模块由多片高速ADC转换电路、FPGA集成电路和外围数字电路组成，所述高速ADC转换电路用以实现模数转换，所述FPGA集成电路用以实现对每一通道的数字信号的接收、数字下变频、低通滤波、并重量化或压缩成系统所需的低比特(1bit)复数零中频数据，并通过包括但不限于光纤接口将复数零中频数据传输至所述相关方阵处理模块。

本实施例中，多通道高速采集模块由多台高速采集单元组成，每一台高速采集单元具备i通道并行采集处理能力。通过多个多通道高速采集单元同步对所有射频信号接收模块输出的模拟中频信号进行ADC采样、数字正交下变频、低通滤波、重量化成1bit的复数零中频信号，并将本单元的i通道复数零中频数据进行数据组成一个数据帧，同时复制多份发送。考虑到后级模块需要实现所有通道间的两两相关，根据相关阵列的单个相关器相关通道处理能力为k，将所有高速采集单元分成n组，每一组共j台高速采集单元，每一组总的通道数为i*j,且i*j≤k,每一个高速采集单元需要对本单元的复数零中频数据帧通过2n-1个通信接口并行发送至相关方阵处理模块。

进一步的，所述多通道高速采集模块的数量可以和射频接收处理模块的数量不相同，足以完成对所有通道的射频信号完成采集和接收处理即可，两模块之间通过射频电缆连接。

进一步的，所述相关方阵处理模块由n的平方个相关处理器组成，n的值由每一个相关处理器的处理能力及系统总的处理需求决定；每一个相关处理器的硬件组成一致，均由高速包括但不限于光纤接口电路、FPGA集成电路和外围数字电路组成。每一个相关处理器的相关通道处理能力取决于FPGA的硬件资源大小和被处理信号带宽，每一个相关处理器接收相应通道数量的复数零中频数据，并完成所接收的所有通道数据的两两互相关及自相关，最后将各自的相关结果组包通过包括但不限于LVDS通信接口发送至所述相关方阵控制模块。

本实施例中，所述相关方阵处理模块一定为n*n个硬件相同的相关器组成，对于任何一个相关器，硬件确定后，对于系统确定的信号带宽和速率需求，其最大相关信号处理能力就固定。本实例中采用超大规模的FPGA作为相关器核心处理平台，对于400M带宽的遥感信号，单相关器最大处理能力k可达150路，采用n＝3即3*3的相关方阵时，最大可对450个天线馈源信号进行二元干涉处理，n越大，最大处理能力越强，不同的系统需求，只需选取合适的n值即可。每一台相关器根据积分时间、积分起始等相关遥控指令完成二元干涉处理，并将各自的相关处理结果组帧输出，具体的信号处理内容分3类，第1类为组内相关，共n组，每一组共有k*(k-1)/2+k＝k*(k+1)/2路复数相关运算，第2类为n*(n-1)/2组低高组间相关，每一组共有k*(k+1)/2路复数相关运算，第3类为n*(n-1)/2组高低组间相关，每一组共有k*(k-1)/2路复数相关运算，三类总共n*k*(k+1)/2+n*(n-1)/2*k*(k+1)/2+n*(n-1)/2*k*(k-1)/2＝n*k*(n*k+1)/2路复数相关运算。

具体的，每一个相关处理器的最大信号相关处理能力为对k个通道进行k*(k+1)/2个复数相关运算处理，k的值取决于相关处理器的FPGA资源和遥感信号的带宽，相关方阵的处理能力为k*n个通道共k*n*(k*n+1)/2路复数相关运算。为便于描述，将相关矩阵方阵里的n*n个相关器按照矩阵方式表示成1_1、1_2……1_n；2_1、2-2、……2_n；……n_1、n_2……n_n；多通道高速采集模块的高速采集单元也被分成n组，用1、2……n来表示，每一组的高速采集采集单元总的通道数不超过k。相关方阵里的每一个相关器的具体的信号处理内容如下：

1)、矩阵对角线上标号为n-n类共n个相关器只需接收每一组高速采集单元输出的k个通道的数据，并根据相关遥控指令并行完成这一组k个通道数据的自相关及互相关，共k*(k+1)/2路复数相关运算和相关值的组帧。

2)、矩阵对角线左下方的n*(n-1)/2个相关器需接收任意两组高速采集单元各自输出的k通道数据，并根据相关遥控指令并行完成这2组高速采集单元共2k个通道的共k*(k+1)/2互相关运算和相关值的组帧。

3)、矩阵对角线右上方的n*(n-1)/2个相关器需接收任意两组高速采集单元各自输出的k通道数据，并根据相关遥控指令并行完成这2组高速采集单元共2k个通道的共k*(k-1)/2互相关运算和相关值的组帧。

进一步的，所述相关方阵处理模块为实现所有通道间的数据两两相关，每一个相关处理器之间不需要数据交互，只需要多通道高速采集模块将所处理的复数零中频数据复制成多份同时分发到不同的相关处理器即可。

进一步的，为灵活满足不同遥感应用背景需求，所述相关方阵控制模块一方面发送包括但不限于相关积分时间、积分起始等指令给所述相关方阵处理模块的各相关处理器，同时接收各相关处理器输出的相关值数据包并拼成遥感相关数据包，并通过包括但不限于LVDS通信接口发送至所述反演应用处理模块。

进一步的，所述反演应用处理模块接收遥感数据包，根据几何关系及反演模型对遥感相关数据包进行反演算法处理，获得观测区域的探测要素，实现反演应用。

进一步的，所述射频接收模块、多通道高速采集模块和相关方阵处理模块各自内部硬件组成一致，系统拓扑结构单一，对于大规模及超大规模通道处理需求，各模块可快速复制扩展，积木式搭建。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。

Claims (8)

1.一种可快速扩展实现超大规模运算的相关方阵处理系统，其特征在于，包括射频信号接收模块、多通道高速采集模块、相关方阵处理模块、相关方阵控制模块和反演应用处理模块，其中：

所述射频信号接收模块由多个馈源接收处理单元组成，用以通过所述馈源接收处理单元完成空间辐射信号的接收并转换成模拟的电信号；

所述多通道高速采集模块由多个高速采集单元组成，并与所述射频信号接收模块通过射频电缆连接，用以负责将所述射频信号接收模块输出的模拟信号通过ADC转换电路转换成数字信号并通过数字下变频和低通滤波成为复数零中频信号；

所述相关方阵处理模块由n*n个相关处理单元组成，并与所述多通道高速采集模块和相关方阵控制模块连接，用于根据所述相关方阵控制模块的遥控指令，采用数据共享方式完成所有通道间的数据两两互相关和通道的自相关；

所述相关方阵控制模块与所述相关方阵处理模块和反演应用处理模块连接，用于根据系统工作时序下发遥控指令至所述相关方阵处理模块，并对所述相关方阵处理模块输出的相关矩阵矢量值接收和组帧输出至所述反演应用处理模块；

所述反演应用处理模块通过反演算法处理获得高灵敏度的反演结果。

2.根据权利要求1所述的一种可快速扩展实现超大规模运算的相关方阵处理系统，其特征在于，所述射频信号接收模块由多个馈源接收处理单元组成，每一个所述馈源接收处理单元负责接收空间微波信号并转换成模拟中频信号，每一个所述馈源接收处理单元采取集中式或分布式布局。

3.根据权利要求1所述的一种可快速扩展实现超大规模运算的相关方阵处理系统，其特征在于，所述多通道高速采集模块由多片高速ADC转换电路、FPGA集成电路和外围数字电路组成，所述高速ADC转换电路用以实现模数转换，所述FPGA集成电路用以实现对每一通道的数字信号的接收、数字下变频并重量化或压缩成系统所需的低比特复数零中频数据，并将复数零中频数据传输至所述相关方阵处理模块。

4.根据权利要求1所述的一种可快速扩展实现超大规模运算的相关方阵处理系统，其特征在于，所述相关方阵处理模块由n的平方个相关处理器组成，n的值由每一个相关处理器的处理能力及系统总的处理需求决定；每一个相关处理器的硬件组成一致，均由高速光纤接口电路、FPGA集成电路和外围数字电路组成，每一个相关处理器接收相应通道数量的复数零中频数据，并完成所接收的所有通道数据的两两互相关及自相关，最后将各自的相关结果组包通过通信接口发送至所述相关方阵控制模块。

5.根据权利要求4所述的一种可快速扩展实现超大规模运算的相关方阵处理系统，其特征在于，所述相关方阵处理模块为实现所有通道间的数据两两相关，每一个相关处理器之间不需要数据交互，只需要多通道高速采集模块将所处理的复数零中频数据复制成多份同时分发到不同的相关处理器。

6.根据权利要求4所述的一种可快速扩展实现超大规模运算的相关方阵处理系统，其特征在于，所述相关方阵控制模块发送相关积分时间、积分起始指令给所述相关方阵处理模块的各相关处理器，同时接收各相关处理器输出的相关值数据包并拼成遥感相关数据包，并通过通信接口发送至所述反演应用处理模块。

7.根据权利要求6所述的一种可快速扩展实现超大规模运算的相关方阵处理系统，其特征在于，所述反演应用处理模块根据几何关系及反演模型对遥感相关数据包进行算法处理，获得应用参数，实现反演应用。

8.根据权利要求1所述的一种可快速扩展实现超大规模运算的相关方阵处理系统，其特征在于，所述射频接收模块、多通道高速采集模块和相关方阵处理模块各自内部硬件组成一致。

Images