CN113866738B - 一种基于地波雷达的海态回波采集系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明提出一种基于地波雷达的海态回波采集系统及方法，包括数据上传和下发模块、数据分析处理模块、数据存储模块以及数据显示模块，通过链路层广播方式发送数据，通过抓包技术采集数据，根据地波雷达采集系统原理进行数据结构设计和信号处理；根据地波雷达数据链路设计，针对地波雷达数据时序性要求高，体量大，发送速率快等特点对系统进行架构，能够确保系统稳定高效运行；采用FIFO数据结构保证数据时序性输入，利用多线程模式进行信号处理，增加数据处理效率，提高出栈速度，通过这样的架构设计，系统便能够实现在操作系统资源紧张时系统缓存数据，在资源充足时再充分利用系统资源加速数据处理，达到动态利用系统资源的能力。

Description

一种基于地波雷达的海态回波采集系统及方法

技术领域

本发明属于地波雷达领域，涉及一种基于地波雷达的海态回波采集系统及 方法。

背景技术

高频地波雷达作为一种新兴的海洋环境监测技术，具有超视距、大范围、 全天候及低成本的特点，是200海里专属经济区的有效监测手段。各沿海发达 国家均进行了研发投入，并实施了多年的对比验证和应用示范。高频地波雷达 利用短波在海洋表面衰减小的特点，采用垂直极化天线辐射电波，能够超视距 探测海平面以下的飞机、船舶、冰山和导弹等目标，同时利用海洋表面对电磁 波的一阶散射和二阶散射，从雷达回波信息中提取风场、浪场和流场信息，实 现对海洋环境的实时监测。

目前采用抓包技术进行雷达数据采集，但当采样率成倍增长、采样需求多 样性要求更高时，系统面临无法及时采集、处理和存储数据的性能问题，导致 丢帧等错误。

因此，目前亟需一种针对地波雷达海态回波数据的采集系统及方法，能够 面对海量、高频的流式数据，根据时间线依次对数据进行采集、归类、处理和 存储。

发明内容

有鉴于此，本发明提供一种基于地波雷达的海态回波采集系统及方法，能 够针对地波雷达海态回波数据，同时进行面对多路通道的数据进行实时、顺序 的采集处理。

为达到上述目的，本发明的技术方案为：

一种基于地波雷达的海态回波采集系统，地波雷达接收天线接收到雷达回 波信号，通过A/D转换后被雷达接收机FPGA程序接收，经过信号处理，并向 外发送数据包，海态回波采集系统包括数据上传和下发模块、数据分析处理模 块、数据存储模块以及数据显示模块。

数据上传和下发模块包括一台可连接网络的主机，用于抓取链路层回波信 号，送入数据分析处理模块。

数据分析处理模块，按照雷达接收机通信协议对链路层回波信号进行解析、 分类得到回波数据和频谱数据送入数据存储模块。

数据存储模块设有通道数据缓冲区、噪声数据缓冲区、采样数据表、采样 参数表和频谱监测数据表。

通道数据缓冲区，用于接收回波数据并进行缓存，从而为数据分析处理模 块提供回波数据。

噪声数据缓冲区，用于接收频谱数据，并在噪声数据缓冲队列内进行缓存， 为数据分析处理模块提供频谱数据。

采样数据表，用于存储各通道各距离元处的复数信号值，通过参数索引与 采样参数表关联。

采样参数表，用于记录采样参数，采样参数包括采样起止时间、采样帧数、 扫频周期、扫频点数和扫频带宽；通过参数索引与采样数据表建立关联。

频谱监测数据表，用于记录频谱监测数据，频谱监测数据包括频谱数据采 样时间和各距离元处的复数信号值。

数据显示模块，用于对通道数据缓冲区内数据进行回波数据显示，对采样 数据表内数据进行多普勒显示，对采样参数表中数据进行雷达状态显示，对频 谱检测数据表中数据进行噪声统计显示，对噪声数据缓冲区中数据进行噪声频 谱显示。

进一步的，数据上传和下发模块包括一台可连接网络的主机，用于抓取链 路层回波信号，具体方法为：主机通过抓包技术抓取链路层回波数据。

进一步的，海态回波采集系统中各模块工作在同一局域网下。

进一步的，针对任一的海态回波采集系统，采集方法包括如下步骤：

地波雷达的发射天线向外辐射经调制、放大后的电磁信号，接收天线接收 到由海面散射回来的雷达回波信号，通过A/D转换后被雷达接收机FPGA程序 接收，经过信号处理，并向外发送数据包。

工作在同一局域网下的海态回波采集系统抓取链路层回波数据，在数据上 传和下发模块内按照接收机通信协议对链路层回波数据进行解析，其中回波数 据和频谱数据类型进入不同的处理流程。

针对回波数据进行解析，发射信号周期为T_p，发射脉冲计数为q，采样率为 一帧回波数据包的个数为n，连续采样n个回波数据包即为接收机完整一帧 海态回波数据：

海态回波采集系统采集到完整一帧回波数据后，通过FIFO模式对回波数据 进行缓存处理。

数据分析处理模块采用多线程模式设计，线程数与通道数量进行绑定，每 个线程单独负责一个通道的回波数据处理，从缓存内取出回波数据后分别在通 道线程内对回波数据进行分析处理。

在各个通道对应的线程内先对回波数据的每个点对应的幅度进行处理。

然后，利用傅立叶变换将处理后的回波数据从时域变换为频域，从原始回 波信号中分离出距离谱，再通过绘制折线图实时刷新距离谱图形。

待所有回波数据计算完成以后将完整一帧的回波数据按照通道1、通道 2、…、通道i的顺序存储，形成采样数据表；通道内的回波数据按照距离元1、 距离元2、…、距离元j顺序存储到采样数据表中。

在每个通道每个距离元连续累计1024帧回波数据后，进行第二次傅立叶变 换，再通过绘制色阶图生成多普勒谱由数据显示模块进行多普勒显示。

在一个扫频周期内，在数据分析处理模块中将一帧频谱数据分为8个小包， 每个小包128个字节，在采样发射间歇期发送到噪声数据缓冲区。

针对噪声数据缓冲区内的频谱数据，数据显示模块通过绘制折线图实时刷 新频谱图形，频谱图形为频谱数据在每个采样点的幅值显示。

针对地波雷达接收机，基于地波雷达的海态回波采集系统提供接收机控制 和波形参数下发功能。

进一步的，利用傅立叶变换将处理后的频谱数据从时域变换为频域，具体 方法为：

其中，t为时间，f(t)为t的周期函数，e为自然底数，ω为角速度，F(ω)为 频域函数。

有益效果：本发明通过链路层广播方式发送数据，通过抓包技术采集数据， 根据地波雷达采集系统原理进行数据结构设计和信号处理。本发明根据地波雷 达数据链路设计，针对地波雷达数据时序性要求高，体量大，发送速率快等特 点对系统进行架构，能够确保系统稳定高效运行。本发明系统采用FIFO数据结 构保证数据时序性输入，利用多线程模式进行信号处理，增加数据处理效率， 提高出栈速度，通过这样的架构设计，系统便能够实现在操作系统资源紧张时 系统缓存数据，在资源充足时再充分利用系统资源加速数据处理，达到动态利 用系统资源的能力。

附图说明

图1为一种基于地波雷达的海态回波采集系统架构图。

图2为FIFO存储结构示意图。

图3为链路层数据I/O示意图。

图4为距离谱数据结构示意图。

图5为多普勒谱数据结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图并举实施例，对本发明进行详细描述。

如图1所示，本发明提供一种基于地波雷达的海态回波数据采集系统，利 用地波雷达接收天线接收到雷达回波信号，通过A/D转换后被雷达接收机FPGA 程序接收，经过信号处理，并向外发送数据包。海态回波采集系统包括数据上 传和下发模块、数据分析处理模块、数据存储模块以及数据显示模块。本发明 实施例中，海态回波采集系统中各模块工作在同一局域网下。

其中，数据上传和下发模块包括一台可连接网络的主机，用于抓取链路层 回波数据，送入数据分析处理模块。

数据分析处理模块，按照雷达接收机通信协议对链路层回波信号进行解析、 分类得到回波数据和频谱数据送入数据存储模块。本发明实施例中，主机通过 抓包技术抓取链路层回波数据。

数据存储模块设有通道数据缓冲区、噪声数据缓冲区、采样数据表、采样 参数表和频谱监测数据表。

通道数据缓冲区，用于接收回波数据并进行缓存，从而为数据分析处理模 块提供回波数据。

噪声数据缓冲区，用于接收频谱数据，并在噪声数据缓冲队列内进行缓存， 为数据分析处理模块提供频谱数据。

采样数据表，用于存储各通道各距离元处的复数信号值，通过参数索引与 采样参数表关联。

采样参数表，用于记录采样参数。采样参数包括采样起止时间、采样帧数、 扫频周期、扫频点数和扫频带宽。通过参数索引，与采样数据表建立关联。

频谱监测数据表，用于记录频谱监测数据，频谱监测数据包括频谱数据采 样时间和各距离元处的复数信号值。

数据显示模块，用于对通道数据缓冲区内数据进行回波数据显示，对采样 数据表内数据进行多普勒显示，对采样参数表中数据进行雷达状态显示，对频 谱检测数据表中数据进行噪声统计显示，对噪声数据缓冲区中数据进行噪声频 谱显示。

针对上述系统，本发明提出一种基于地波雷达的海态回波采集方法，其特 点是稳定、高效、丢帧率小，同时能够根据计算机性能情况智能、合理调度系 统资源，具体步骤如下：

地波雷达的发射天线向外辐射经调制、放大后的电磁信号，接收天线接收 到由海面散射回来的雷达回波信号，通过A/D转换后被雷达接收机FPGA程序 接收，经过信号处理，并向外发送数据包。

工作在同一局域网下的海态回波采集系统抓取链路层回波数据，在数据上 传和下发模块内按照接收机通信协议对链路层回波数据进行解析，其中回波数 据和频谱数据类型进入不同的处理流程。图3为链路层数据I/O示意图。

针对回波数据进行解析，发射信号周期为T_p，发射脉冲计数为q，采样率为 一帧回波数据包的个数为n，连续采样n个频回波数据包即为接收机完整一 帧海态回波数据。

系统采集到完整一帧海态回波数据后，通过FIFO模式对回波数据进行缓存 处理，避免系统资源紧张或者下游环节数据处理不及时造成数据丢包的问题。 图2为FIFO存储结构示意图。

数据分析处理模块采用多线程模式设计，线程数与通道数量进行绑定，每 个线程单独负责一个通道的数据处理，从缓存内取出数据后分别在通道线程内 对数据进行分析处理，加快FIFO出栈速度，提高数据处理性能。

在各个通道对应的线程内先对回波数据的每个点对应的幅度进行过窗处 理，主要是为了时域信号能够更好地满足傅立叶变换的周期性要求，减小泄漏。 系统采用海明窗，以获取更好地主瓣分辨率，减小旁瓣拖尾。

其中，ω_n为第n个点的对应幅度，N为频谱数据的个数。

信号过窗后，利用傅立叶变换将信号从时域变换为频域，从原始回波信号 中分离出距离谱，再通过绘制折线图实时刷新距离谱图形，即回波数据的距离 显示。图4为距离谱数据结构示意图。

其中，t为时间，f(t)为t的周期函数，e为自然底数，w为角速度。

待所有通道数据计算完成以后将完整一帧数据按照通道1、通道2…通道i， 通道内数据按照距离元1、距离元2…距离元j顺序存储到数据库中。

利用傅立叶变换将处理后的回波数据从时域变换为频域，从原始回波信号 中分离出距离谱，再通过绘制折线图实时刷新距离谱图形。根据傅立叶变换特 点，每个通道每个距离元连续累计1024帧数据后，进行第二次傅立叶变换。设 通道数为i，距离元数为j，则需进行1024×i×j次傅立叶变换，再通过绘制色 阶图生成多普勒谱。根据接收机波形参数设计，1帧数据周期为T_p×q，则生成 一组多普勒图形需花费1024×T_p×q毫秒。图5为多普勒谱数据结构示意图。

待所有回波数据计算完成以后将完整一帧的回波数据按照通道1、通道 2、…、通道i的顺序存储，形成采样数据表；通道内的回波数据按照距离元1、 距离元2、…、距离元j顺序存储到采样数据表中。

在每个通道每个距离元连续累计1024帧回波数据后，进行第二次傅立叶变 换，再通过绘制色阶图生成多普勒谱由数据显示模块进行多普勒显示。

在一个扫频周期内，在数据分析处理模块中将一帧频谱数据分为8个小包， 每个小包128个字节，在采样发射间歇期发送到噪声数据缓冲区。

针对噪声数据缓冲区内的频谱数据，数据显示模块通过绘制折线图实时刷 新频谱图形，频谱图形为频谱数据在每个采样点的幅值显示。本发明实施例中， 根据FPGA通信协议，一个扫频周期内将一帧频谱数据分为8个小包，每个小 包128个字节，在采样发射间歇期进行发送，系统接收到数据后进行拼包，再 通过绘制折线图实时刷新频谱图形。

针对地波雷达接收机，海态回波采集系统提供接收机控制和波形参数下发 功能。

下面举一个实施例，对本发明进行进一步的阐述。

首先，根据波形设计要求配置波形参数并下发给地波雷达接收机，系统开 始运行，命令为：

plosmar00012a1b2c3d4e5a05328f5c28f05c281132713431161a8004c4b400170a3d70a3d74e200048efe000010a300003a98000305730d4004dd1e

其中，plosmar00012为源地址，a1b2c3d4e5为帧头，其余为数据部分。

然后，接收机调制波形后通过发射机发射电磁波打到海洋表面，接收天线 接收到海态回波后通过FPGA程序接收并进行信号处理，再将数据以广播形式 发送到链路层，回波数据为：

ffffffffffffplosmar00012a1b1c1d1e1f1c911b361e09be0dea31782fdd6beb9eea31 bd59e9bd7236cbc90c801491cf3436ec1e331a9257b4d2a54e121d82ceabd01025678

其中，ffffffffffff为目的地址，全f表示以广播形式发送，局域网内所有计算 机都会接收到数据，plosmar00012为源地址，a1b1c1d1e1f1为帧头，01025678 为帧尾，其余为数据部分。

接着，系统采集到数据后，按照数据协议进行解析和组织，累计采集一帧 数据后加入FIFO栈结构，出栈采用多线程按照地波雷达原理同时进行数据处理， 先过窗再进行傅立叶变换，实时刷新距离谱、频谱，待所有通道完成计算后存 储回波数据到数据库。

最后，累计采集1024帧数据后，对回波数据进行第二次傅立叶变换，绘制 多普勒谱；对频谱数据进行统计，绘制频谱统计图形。

综上所述，以上仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保 护范围。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等， 均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种基于地波雷达的海态回波采集系统，其特征在于，地波雷达接收天线接收到雷达回波信号，通过A/D转换后被雷达接收机FPGA程序接收，经过信号处理，并向外发送数据包，所述海态回波采集系统包括数据上传和下发模块、数据分析处理模块、数据存储模块以及数据显示模块；

所述数据上传和下发模块包括一台可连接网络的主机，用于抓取链路层回波信号，送入所述数据分析处理模块；

所述数据分析处理模块，按照雷达接收机通信协议对所述链路层回波信号进行解析、分类得到回波数据和频谱数据送入所述数据存储模块；

所述数据存储模块设有通道数据缓冲区、噪声数据缓冲区、采样数据表、采样参数表和频谱监测数据表；

所述通道数据缓冲区，用于接收回波数据并进行缓存，从而为数据分析处理模块提供回波数据；

所述噪声数据缓冲区，用于接收频谱数据，并在噪声数据缓冲队列内进行缓存，为数据分析处理模块提供频谱数据；

所述采样数据表，用于存储各通道各距离元处的复数信号值，通过参数索引与采样参数表关联；

所述采样参数表，用于记录采样参数，所述采样参数包括采样起止时间、采样帧数、扫频周期、扫频点数和扫频带宽；通过参数索引与采样数据表建立关联；

所述频谱监测数据表，用于记录频谱监测数据，所述频谱监测数据包括频谱数据采样时间和各距离元处的复数信号值；

所述数据显示模块，用于对通道数据缓冲区内数据进行回波数据显示，对采样数据表内数据进行多普勒显示，对采样参数表中数据进行雷达状态显示，对频谱检测数据表中数据进行噪声统计显示，对噪声数据缓冲区中数据进行噪声频谱显示。

2.如权利要求1所述的系统，其特征在于，所述数据上传和下发模块包括一台可连接网络的主机，用于抓取链路层回波信号，具体方法为：主机通过抓包技术抓取链路层回波数据。

3.如权利要求2所述的系统，其特征在于，所述海态回波采集系统中各模块工作在同一局域网下。

4.一种基于地波雷达的海态回波采集方法，其特征在于，针对如权利要求1-3任一所述的海态回波采集系统，采集方法包括如下步骤：

地波雷达的发射天线向外辐射经调制、放大后的电磁信号，接收天线接收到由海面散射回来的雷达回波信号，通过A/D转换后被雷达接收机FPGA程序接收，经过信号处理，并向外发送数据包；

工作在同一局域网下的海态回波采集系统抓取链路层回波数据，在数据上传和下发模块内按照接收机通信协议对链路层回波数据进行解析，其中回波数据和频谱数据类型进入不同的处理流程；

针对回波数据进行解析，发射信号周期为T_p，发射脉冲计数为q，采样率为一帧回波数据包的个数为n，连续采样n个回波数据包即为接收机完整一帧海态回波数据：

海态回波采集系统采集到完整一帧回波数据后，通过FIFO模式对回波数据进行缓存处理；

数据分析处理模块采用多线程模式设计，线程数与通道数量进行绑定，每个线程单独负责一个通道的回波数据处理，从缓存内取出回波数据后分别在通道线程内对回波数据进行分析处理；

在各个通道对应的线程内先对回波数据的每个点对应的幅度进行处理；

然后，利用傅立叶变换将处理后的回波数据从时域变换为频域，从原始回波信号中分离出距离谱，再通过绘制折线图实时刷新距离谱图形；

待所有回波数据计算完成以后将完整一帧的回波数据按照通道1、通道2、…、通道i的顺序存储，形成采样数据表；通道内的回波数据按照距离元1、距离元2、…、距离元j顺序存储到采样数据表中；

在每个通道每个距离元连续累计1024帧回波数据后，进行第二次傅立叶变换，再通过绘制色阶图生成多普勒谱由数据显示模块进行多普勒显示；

在一个扫频周期内，在数据分析处理模块中将一帧频谱数据分为8个小包，每个小包128个字节，在采样发射间歇期发送到噪声数据缓冲区；

针对噪声数据缓冲区内的频谱数据，数据显示模块通过绘制折线图实时刷新频谱图形，所述频谱图形为频谱数据在每个采样点的幅值显示；

针对地波雷达接收机，所述基于地波雷达的海态回波采集系统提供接收机控制和波形参数下发功能。

5.如权利要求4所述的方法，其特征在于，所述利用傅立叶变换将处理后的频谱数据从时域变换为频域，具体方法为：

其中，t为时间，f(t)为t的周期函数，e为自然底数，ω为角速度，F(ω)为频域函数。