CN114509754B - 星载多通道gnss-s雷达海量数据在轨处理系统及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种星载多通道GNSS‑S雷达海量数据在轨处理系统及方法，系统包括：多通道阵列天线(10)，用于接收海面的多路导航卫星信号的散射信号(GNSS‑S信号)；数字接收模块(20)，用于对多路GNSS‑S信号进行处理，获得多路数字域GNSS‑S信号；FPGA模块(30)，用于对多路数字域GNSS‑S信号进行处理，获得舰船SAR图像切片与位置，进行星地传输。本发明具备大幅宽探测、实时性高、系统结构简单、热量分布均匀、在轨计算稳定性高等优势。

Description

星载多通道GNSS-S雷达海量数据在轨处理系统及方法
技术领域
本发明涉及一种星载多通道GNSS-S雷达海量数据在轨处理系统及方法。
背景技术
大范围海面舰船目标搜索探测与跟踪一直是科学研究的热点，而由于受海上云雨雾等天气影响，光学传感器难以发挥其高分辨率成像与识别的优势。但星载SAR系统则能够穿云透雾，实现全天时全天候对海观测，适合海面舰船目标的高分辨率成像与探测应用。然而，现有的星载SAR系统功耗较大，难以实现全轨道周期满占空比连续探测，因此亟待探索新体制雷达技术实现大范围海面舰船目标的连续探测。
对此，一些技术实现了利用导航卫星信号的反射信号(GNSS-R)进行海面风场探测，并实现了低轨卫星搭载试验。同时，也有一些技术在地基利用导航卫星信号的散射信号(GNSS-S)实现星发地收双站SAR成像，但受限于导航卫星信号的有效带宽，成像分辨率一般在10m以上，难以满足海面舰船目标识别的分辨率要求，但可以满足海面舰船目标检测与跟踪的分辨率要求。
并且，利用GNSS-S进行海面舰船目标探测时不需要主动发射信号，仅需接收导航卫星信号的散射信号即可实现舰船目标探测，因此具有低功耗的优势，相比于大功耗SAR，可以长时间工作，即更适合舰船目标长时间跟踪。此外，导航卫星信号具有全球覆盖优势，且海面任一空间均可同时接收到多颗导航卫星信号，具备多站联合探测优势。而星载GNSS-S雷达虽然可以利用多通道阵列天线实现大范围海面舰船目标探测，但回波数据率高达几百Gbps，难以直接传输到地面进行处理。因此，星载多通道GNSS-S雷达的海量数据在轨处理成为了大范围海面舰船目标连续探测的重要技术难题。
发明内容
本发明的目的在于提供一种星载多通道GNSS-S雷达海量数据在轨处理系统及方法。
为实现上述发明目的，本发明提供一种星载多通道GNSS-S雷达海量数据在轨处理系统及方法，系统包括：
多通道阵列天线，用于接收海面的多路导航卫星信号的散射信号(即GNSS-S信号)；
数字接收模块，用于对多路GNSS-S信号进行处理，获得多路数字域GNSS-S信号；
现场可编程门阵列(FPGA)模块，用于对多路数字域GNSS-S信号进行处理，获得舰船合成孔径雷达(SAR)图像切片与位置，进行星地传输。
根据本发明的一个方面，所述多通道阵列天线包括P个天线面阵，每个所述天线面阵均包括M×N个天线子阵，各所述天线子阵的规模与排布均一致，M为沿方位向的天线子阵个数，N为沿距离向的天线子阵个数；
天线工作频段为L波段，中心频率为1.19GHz或1.27GHz或1.57GHz，有效带宽大于40MHz，每个所述天线子阵的增益均大于10dB，带内增益平坦度优于(小于)1dB，天线的极化方式为左旋圆极化。
根据本发明的一个方面，所述数字接收模块包括：
M×N个数字接收组件，用于对微弱GNSS-S信号进行带通滤波、低噪声放大、混频、带通滤波、中频放大与采样量化，获得数字域GNSS-S信号；
时钟网络，用于为所述数字接收组件提供本振频率与模数转换器(ADC)采样时钟。
根据本发明的一个方面，所述数字接收组件包括：
第一带通滤波器，用于抑制带外频率信号；
低噪声放大器，用于对弱GNSS-S信号进行功率放大；
混频器，用于对GNSS-S信号进行下变频，获得中频GNSS-S信号；
第二带通滤波器，用于去除下变频后的带外信号；
中频放大器，用于对中频GNSS-S信号进行功率放大；
模数转换器，用于对中频GNSS-S信号进行采样量化，获得数字域GNSS-S信号；
每个所述数字接收组件对微弱GNSS-S信号的放大总增益大于90dB，模数转换器的采样率为60MSPS-120MSPS，量化位数为16位。
根据本发明的一个方面，所述时钟网络包括：
第一时钟源，用于产生所述混频器所需的本振频率与所述模数转换器所需的采样频率；
第一放大器，用于对本振频率信号进行放大；
第一功分网络，用于对本振频率信号进行功分，生成P个相同功率的本振频率信号；
第二功分网络，用于对本振频率信号进行二级功分，生成M×N个相同功率的本振频率信号；
第二放大器，用于对采样时钟信号进行功率放大；
第三功分网络，用于对采样时钟信号进行功分，生成P个采样时钟信号；
第四功分网络，用于对采样时钟信号进行二级功分，生成M×N个相同功率的采样时钟信号；
所述模数转换器的采样时钟为60MHz-120MHz，各个所述数字接收组件的采样时钟的时间同步精度优于(小于)500ps。
根据本发明的一个方面，所述FPGA模块包括：
P组现场可编程门阵列，安装在所述多通道阵列天线背面，用于对P组M×N路数字域GNSS-S信号进行分块式数字波束形成、多源GNSS-S信号匹配滤波、双站SAR成像、多源双站SAR图像融合、舰船目标检测与切片提取，获得舰船SAR图像切片与位置，所述现场可编程门阵列之间采用万兆光纤进行数据交互；
FPGA时钟网络，用于为P组所述现场可编程门阵列提供P个工作时钟，各工作时钟的时间同步精度优于(小于)250ps。
根据本发明的一个方面，所述现场可编程门阵列包括：
第一类现场可编程门阵列，用于对第p组所述数字接收模块输出的M×N路GNSS-S信号进行预处理，包括分块式DBF(数字波束形成)与匹配滤波，利用数字信号处理器(DSP)内核分别构成复数乘加器与互相关器进行快速运算，共含有K1片FPGA；
第二类现场可编程门阵列，用于对第q个波束区域的Q×J个GNSS-S信号进行双站SAR成像，包括低分辨率双站SAR成像与中高分辨率双站SAR成像，利用先入先出栈(FIFO)与随机存储器(RAM)对中间数据进行缓存，利用DSP内核实现各网格点时延计算、相位补偿计算与复数叠加，共含有K2片FPGA；
第三类现场可编程门阵列，用于对第q个波束区域的J幅SAR图像进行融合、目标检测、目标定位与切片提取，利用DSP内核实现非相参融合与目标检测，利用RAM对融合后的图像进行缓存，共含有K3片FPGA；
每组所述现场可编程门阵列内部采用多路高速串行口进行数据交互，每片FPGA外挂多片双倍数据率3型(DDR3)存储器进行数据缓存。
根据本发明的一个方面，所述FPGA时钟网络包括：
第二时钟源，用于产生频率为120MHz-240MHz的时钟；
第三放大器，用于对第二时钟源产生的时钟进行功率放大，放大增益为15dB-20dB；
第五功分网络，用于对放大后的时钟进行功分，为P组所述现场可编程门阵列提供工作时钟，各工作时钟的时间同步精度优于250ps。
星载多通道GNSS-S雷达海量数据在轨处理方法，包括以下步骤：
a、对多通道GNSS-S信号进行分块式DBF处理，获得Q个高信噪比GNSS-S信号；
b、对高信噪比GNSS-S信号进行匹配滤波处理，获得J个更高信噪比GNSS-S信号；
c、对Q个波束的J个GNSS-S信号进行双站SAR成像处理，采用低分辨率后向投影(BP)成像算法，成像分辨率为50-100m；
d、对每个波束的J幅双站SAR图像进行非相参融合处理；
e、对融合后SAR图像进行舰船目标检测与定位；
f、对舰船目标区域进行BP双站SAR成像，成像分辨率为10-15m，每个舰船目标区域获得J幅中高分辨率SAR图像；
g、对舰船目标区域的J幅SAR图像进行非相参融合处理；
h、对舰船目标进行重检测，并截取舰船目标切片信息。
根据本发明的一个方面，分块式数字波束形成(DBF)处理包括：
对每个天线面阵的M×N个通道信号进行第一级DBF处理，共含有P个DBF模块，每个DBF模块均同时输出Q个面阵级波束合成信号，记第p组的第m行、第n列的所述数字接收组件输出的回波信号为：
sp,m,n(t),p＝1,2,...,P；
其中,t为快时采样序列；
记第p个DBF模块输出的第q个波束对应的信号为sq,p(t)，则有：
Figure BDA0003568097520000061
其中，wq,p,m,n为不同波束对应的一级复数权值；
对第一级DBF输出的分块合成的信号进行全阵面合成，共含有1个DBF模块，记全阵面合成输出的第q个信号为sq(t),q＝1,2,...,Q,，则有：
Figure BDA0003568097520000062
其中，w'p为不同波束对应的二级复数权值；
步骤c与f中的双站SAR成像为：
对探测区域进行网格划分，计算各网格点的双站时延，每个网格点的大小均为dR1×dA1，与距离向分辨率δR的关系为dR1＝K1·δR，与方位向分辨率δA的关系为dA1＝K2·δA，对于低分辨率成像时，K1与K2取5-10，对于中高分辨率成像时，K1与K2取0.5-0.8，在第q个波束区域内，记第j颗导航卫星与低轨GNSS-S雷达形成的双站成像区域的各网格点时延为
Figure BDA0003568097520000063
τ与t分别为慢时道数与快时采样点数，τ1与τ2分别为方位向的网格点序号与距离向网格点序号；
对各个网格点的相位进行补偿以实现相参处理，在第q个波束区域内，记第j颗导航卫星与低轨GNSS-S雷达形成的双站成像区域的各网格点相位补偿值为
Figure BDA0003568097520000071
则有：
Figure BDA0003568097520000072
其中，λc为GNSS-S雷达信号的波长；
对成像区域的各网格点进行复数叠加实现双站BP SAR成像，在第q个波束区域内，记第j颗导航卫星与低轨GNSS-S雷达形成的双站SAR图像为Iq,j(τ1,τ2)；
对DBF与匹配滤波处理后的多道回波信号sq,j(τ,t)进行缓存；
对双站BP SAR成像的图像Iq,j(τ1,τ2)进行缓存；
步骤d与g中的多幅图像融合处理多源图像融合处理为，对第q个波束的J幅双站SAR图像Iq,j(τ1,τ2)进行非相参融合处理，获得融合后的SAR图像为Iq(τ1,τ2)，则有：
Figure BDA0003568097520000073
其中，
Figure BDA0003568097520000074
为非相参融合处理的权值。
根据本发明的构思，提出一种星载多通道GNSS-S雷达海量数据在轨处理系统与方法，星载多通道GNSS-S雷达利用多通道阵列天线实现大幅宽海面回波信号接收，峰值回波数据率超过100Gbps，并采用多组FPGA芯片构成海量数据在轨处理系统，安装在多通道阵列天线背面，形成数据获取与处理一体化系统。系统利用一个高稳时钟源同时驱动多组FPGA，多组FPGA之间采用万兆光纤进行数据交互，每组FPGA内部采用高速串行口进行数据交互，每片FPGA外挂多片DDR3存储器进行数据缓存。海量数据在轨处理系统主要完成多通道阵列天线的分块式数字波束形成、多源GNSS-S信号匹配滤波、双站SAR成像、多源双站SAR图像融合、舰船目标检测与切片提取等处理，获得舰船SAR图像切片与位置等信息进行星地传输。如此，本发明的星载多通道GNSS-S雷达海量数据在轨处理系统与方法具备大幅宽探测、实时性高、系统结构简单、热量分布均匀、在轨计算稳定性高等优势，能直接获得大范围海面舰船目标的SAR图像切片与位置信息，大幅提升海面舰船目标信息的时效性，具有较高的应用价值和广阔的市场应用前景。
根据本发明的一个方案，利用分块式数字波束形成方法对星载多通道GNSS-S雷达的多个GNSS-S信号进行分步数字波束形成，从而大幅降低了多组FPGA芯片之间的传输数据率，提高了海量数据在轨处理系统的稳定性。并利用多分辨率双站BP SAR成像与融合处理方法，提高海面舰船目标检测效率，降低FPGA资源消耗，简化海量数据在轨处理系统结构，降低在轨处理系统成本。且相比于集中处理方式，星载多通道GNSS-S雷达海量数据在轨处理系统与方法采用了多组FPGA进行分布式处理，具有实时性高、系统结构简单、热量分布均匀、在轨计算稳定性高等优势。还采用多分辨率成像与目标检测交叉处理方式，降低了计算复杂度，具有低成本优势。
附图说明
图1示意性表示本发明的一种实施方式的星载多通道GNSS-S雷达海量数据在轨处理系统的组成图；
图2示意性表示本发明的一种实施方式的数字接收组件与时钟网络的连接关系图；
图3示意性表示本发明的一种实施方式的在轨处理方法流程图；
图4示意性表示本发明的一种实施方式的多通道DBF的分块处理流程图；
图5示意性表示本发明的一种实施方式的双站SAR成像与多源图像融合处理流程图；
图6示意性表示本发明的一种实施方式的多组FPGA在轨处理系统组成图。
具体实施方式
为了更清楚地说明本发明实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对实施方式中所需要使用的附图作简单地介绍。显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施方式，对于本领域普通技术人员而言，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。
下面结合附图和具体实施方式对本发明作详细地描述，实施方式不能在此一一赘述，但本发明的实施方式并不因此限定于以下实施方式。
参见图1，本发明的星载多通道GNSS-S雷达海量数据在轨处理系统，利用导航卫星信号探测海面舰船目标，可应用于高分宽幅SAR成像，适用于天基分布式高分宽幅SAR系统关键技术研究，系统包括：多通道阵列天线10，用于接收海面的多路导航卫星信号的散射信号(即GNSS-S信号)，同时获得多路微弱GNSS-S信号；P组数字接收模块20，用于对多通道阵列天线10输出的多路微弱GNSS-S信号进行低噪声放大、带通滤波、混频与采样量化，获得多路数字域GNSS-S信号；FPGA模块30，用于对多路数字域GNSS-S信号进行分块式数字波束形成、多源GNSS-S信号匹配滤波、双站SAR成像、多源双站SAR图像融合、舰船目标检测与切片提取等在轨处理，获得舰船SAR图像切片与位置等信息，进行星地传输。其中，多通道阵列天线10包括P(2-8)个天线面阵，每个天线面阵均包括M×N个天线子阵，每个天线面阵的天线子阵规模与天线子阵排布一致，M为沿方位向的天线子阵个数，N为沿距离向的天线子阵个数。天线工作频段为L波段，中心频率取1.19GHz或1.27GHz或1.57GHz，有效带宽大于40MHz，每个天线子阵的增益均大于10dB，带内增益平坦度优于(小于)1dB，天线的极化方式为左旋圆极化，以降低导航卫星直射信号对GNSS-S信号的干扰。
参见图2，数字接收模块20包括：M×N个数字接收组件201，用于对微弱GNSS-S信号进行带通滤波、低噪声放大、混频、带通滤波、中频放大与采样量化，获得数字域GNSS-S信号；时钟网络202，用于为数字接收组件201提供本振频率与ADC采样时钟。数字接收组件201包括：第一带通滤波器2011，用于抑制带外频率信号；低噪声放大器2012，用于对弱GNSS-S信号进行功率放大；混频器2013，用于对GNSS-S信号进行下变频，获得中频GNSS-S信号；第二带通滤波器2014，用于去除下变频后的带外信号；中频放大器2015，用于对中频GNSS-S信号进行功率放大；模数转换器2016(ADC)，用于对中频GNSS-S信号进行采样量化，获得数字域GNSS-S信号。每个数字接收组件201对微弱GNSS-S信号的放大总增益大于90dB，每个数字接收组件201的ADC采样率为60MSPS-120MSPS，量化位数为16位。时钟网络202包括：第一时钟源2021(即时钟源1)，用于产生混频器2013所需的本振频率与ADC所需的采样频率；第一放大器2022，用于对本振频率信号进行放大；第一功分网络2023(A1)，用于对本振频率信号进行功分，生成P个相同功率的本振频率信号；第二功分网络2024(A2)，用于对本振频率信号进行二级功分，生成M×N个相同功率的本振频率信号；第二放大器2025，用于对采样时钟信号进行功率放大；第三功分网络2026(B1)，用于对采样时钟信号进行功分，生成P个采样时钟信号；第四功分网络2027(B2)，用于对采样时钟信号进行二级功分，生成M×N个相同功率的采样时钟信号。所有数字接收组件201的采样时钟被同一时钟源驱动，ADC的采样时钟的时钟源频率为60MHz-120MHz，各个数字接收组件201采样时钟的时间同步精度优于(小于)500ps。
参见图6，FPGA模块30包括：P组现场可编程门阵列501(FPGA)，构成海量数据在轨处理系统，安装在多通道阵列天线10背面，形成数据获取与处理一体化系统，用于对P组M×N路数字域GNSS-S信号进行分块式数字波束形成、多源GNSS-S信号匹配滤波、双站SAR成像、多源双站SAR图像融合、舰船目标检测与切片提取等在轨处理，获得舰船SAR图像切片与位置等信息进行星地传输；FPGA时钟网络601，用于产生P个相同的时钟信号，为P组现场可编程门阵列501提供P个工作时钟，各组现场可编程门阵列501工作时钟的时间同步精度优于(小于)250ps。(第p组)现场可编程门阵列501包括：第一类现场可编程门阵列5011，用于对第p组数字接收模块20输出的M×N路GNSS-S信号进行预处理，包括分块式DBF与匹配滤波等处理，利用FPGA的DSP内核分别构成复数乘加器与互相关器进行快速运算，共含有K1个FPGA；第二类现场可编程门阵列5012，用于对第q个波束区域的Q×J个GNSS-S信号进行双站SAR成像，包括低分辨率双站SAR成像与中高分辨率双站SAR成像，利用FPGA内部的FIFO与RAM对中间数据进行缓存，利用DSP内核对各网格点时延计算、相位补偿计算与复数叠加等运算，共含有K2个FPGA；第三类现场可编程门阵列5013，用于对第q个波束区域的J幅SAR图像(即多源双站SAR图像)进行融合、目标检测、目标定位与切片提取，利用FPGA内部DSP内核实现非相参融合与目标检测等运算，利用FPGA内部的RAM对融合后的图像进行缓存，共含有K3个FPGA。其中，各组现场可编程门阵列501之间采用万兆光纤进行数据交互，每组现场可编程门阵列501内部采用多路高速串行口进行数据交互，每片FPGA外挂多片DDR3存储器进行数据缓存。FPGA时钟网络601包括：第二时钟源6011(时钟源2)，用于产生高精度、高稳定度的时钟源，时钟源频率为120MHz-240MHz；第三放大器6012，用于对第二时钟源6011产生的时钟进行功率放大，放大增益为15dB-20dB；第五功分网络6013(功分网络C)，用于对放大后的时钟进行功分，输出P个相同的时钟源，为现场可编程门阵列501提供高时间同步精度的工作时钟，各工作时钟的时间同步精度优于250ps，且P组FPGA的工作时钟同时被另一时钟源驱动。
参见图3，本发明的星载多通道GNSS-S雷达海量数据在轨处理方法，包括：分块式DBF处理301，即对多通道阵列天线的P×M×N个数字域GNSS-S信号进行分块式DBF处理(即分成P块进行分步数字波束形成)，形成Q个高增益窄波束，从而对应获得Q个高信噪比GNSS-S信号，以降低每组FPGA之间的传输数据率；匹配滤波302，对多源(Q个)高信噪比GNSS-S信号进行匹配滤波处理，即利用J颗导航卫星信号作参考信号进行互相关运算，每个高信噪比GNSS-S信号可以获得J个独立的更高信噪比GNSS-S信号；低分辨率双站SAR成像303，即对Q个波束的J个GNSS-S信号进行双站SAR成像处理，采用低分辨率BP成像算法，获得Q×J幅低分辨率SAR图像，成像分辨率为50-100m；多源(SAR)图像融合304，即分别对每个波束(共Q个波束区域)的J幅低分辨率双站SAR图像进行非相参融合处理，获得Q幅高信杂比低分辨率SAR图像，以进一步提高SAR图像的信噪比；舰船目标检测与定位305，即分别对融合后的Q幅高信杂比SAR图像进行舰船目标检测与定位(或称位置估计)；目标区域中高分辨率双站SAR成像306，即对舰船目标区域进行中高分辨率BP双站SAR成像，成像分辨率为10-15m，每个舰船目标区域可以获得J幅中高分辨率SAR图像；多源(SAR)图像融合307，即对舰船目标区域的J幅SAR图像进行非相参融合，以提高目标轮廓信息；舰船目标检测与切片提取308，即对舰船目标进行重检测，并截取舰船目标切片信息，获得舰船目标的SAR图像切片与位置信息。
参见图4，分块式DBF处理(即多通道DBF的分块处理)包括：第一级DBF处理3011，即对每个天线面阵的M×N个通道信号进行第一级DBF处理，共含有P个DBF模块，每个DBF模块均同时输出Q个面阵级波束合成信号，记第p组的第m行、第n列的数字接收组件201输出的回波信号为：
sp,m,n(t),p＝1,2,...,P；
其中,t为快时采样序列；
记第p个DBF模块输出的第q个波束对应的信号为sq,p(t)，则有：
Figure BDA0003568097520000131
其中，wq,p,m,n为不同波束对应的一级复数权值；
第二级DBF处理3012，即对第一级DBF输出的分块合成的信号进行全阵面合成，共含有1个DBF模块，记全阵面合成输出的第q个信号为：sq(t),q＝1,2,...,Q,，则有：
Figure BDA0003568097520000132
其中，w'p为不同波束对应的二级复数权值。
如此，相比于集中式的DBF处理，本发明可以使各组FPGA之间的数据传输量降低L倍，即L＝M·N/Q。
参见图5，双站SAR成像与多源图像融合处理包括：计算各网格点的时延401，即对探测区域进行网格划分，计算各网格点的双站时延，每个网格点的大小均为dR1×dA1，与距离向分辨率δR的关系为dR1＝K1·δR，与方位向分辨率δA的关系为dA1＝K2·δA，对于低分辨率成像时，K1与K2取5-10，以提高在轨计算效率；对于中高分辨率成像时，K1与K2取0.5-0.8，以实现更高分辨率成像；在第q个波束区域内，记第j颗导航卫星与低轨GNSS-S雷达形成的双站成像区域的各网格点时延为
Figure BDA0003568097520000144
τ与t分别为慢时道数与快时采样点数，τ1与τ2分别为方位向的网格点序号与距离向网格点序号；计算各网格点的相位补偿402，即对各个网格点的相位进行补偿以实现相参处理，在第q个波束区域内，记第j颗导航卫星与低轨GNSS-S雷达形成的双站成像区域的各网格点相位补偿值为/>
Figure BDA0003568097520000141
则有：
Figure BDA0003568097520000142
其中，λc为GNSS-S雷达信号的波长；各网格点的复数叠加403，即对成像区域的各网格点进行复数叠加实现双站BP SAR成像，在第q个波束区域内，记第j颗导航卫星与低轨GNSS-S雷达形成的双站SAR图像为Iq,j(τ1,τ2)；数据缓存FIFO 404，即对DBF与匹配滤波处理后的多道回波信号sq,j(τ,t)进行缓存；成像结果缓存RAM 405，即对双站BP SAR成像的图像Iq,j(τ1,τ2)进行缓存；非相参融合处理406，即对第q个波束的J幅双站SAR图像Iq,j(τ1,τ2)进行非相参融合处理，获得融合后的SAR图像为Iq(τ1,τ2)，则有：
Figure BDA0003568097520000143
其中，
Figure BDA0003568097520000151
为非相参融合处理的权值。
本发明中，用于实现计算各网格点的时延401、计算各网格点的相位补偿402、各网格点的复数叠加403、数据缓存FIFO404、成像结果缓存RAM405的模块均有Q×J个，用于实现非相参融合处理406的模块含有Q个，各模块结构与计算任务相同。
综上所述，本发明的星载多通道GNSS-S雷达海量数据在轨处理系统与方法对星载多通道GNSS-S雷达的多个GNSS-S信号进行分步数字波束形成，大幅降低了多组FPGA芯片之间的传输数据率，提高了海量数据在轨处理系统的稳定性。同时，利用多分辨率双站BP成像与融合处理方法，提高海面舰船目标检测效率，降低FPGA资源消耗，简化海量数据在轨处理系统结构，降低在轨处理系统成本。
以上所述仅为本发明的一个实施方式而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。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，均应包括在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种星载多通道GNSS-S雷达海量数据在轨处理系统，其特征在于，包括：
多通道阵列天线(10)，用于接收海面的多路导航卫星信号的GNSS-S信号；
数字接收模块(20)，用于对多路GNSS-S信号进行处理，获得多路数字域GNSS-S信号；
FPGA模块(30)，用于对多路数字域GNSS-S信号进行处理，获得舰船SAR图像切片与位置，进行星地传输；
所述FPGA模块(30)包括：
P组现场可编程门阵列(501)，安装在所述多通道阵列天线(10)背面，用于对P组M×N路数字域GNSS-S信号进行分块式数字波束形成、多源GNSS-S信号匹配滤波、双站SAR成像、多源双站SAR图像融合、舰船目标检测与切片提取，获得舰船SAR图像切片与位置，所述现场可编程门阵列(501)之间采用万兆光纤进行数据交互；
FPGA时钟网络(601)，用于为P组所述现场可编程门阵列(501)提供P个工作时钟，各工作时钟的时间同步精度小于250ps。
2.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述多通道阵列天线(10)包括P个天线面阵，每个所述天线面阵均包括M×N个天线子阵，各所述天线子阵的规模与排布均一致，M为沿方位向的天线子阵个数，N为沿距离向的天线子阵个数；
天线工作频段为L波段，中心频率为1.19GHz或1.27GHz或1.57GHz，有效带宽大于40MHz，每个所述天线子阵的增益均大于10dB，带内增益平坦度小于1dB，天线的极化方式为左旋圆极化。
3.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述数字接收模块(20)包括：
M×N个数字接收组件(201)，用于对微弱GNSS-S信号进行带通滤波、低噪声放大、混频、带通滤波、中频放大与采样量化，获得数字域GNSS-S信号；
时钟网络(202)，用于为所述数字接收组件(201)提供本振频率与ADC采样时钟。
4.根据权利要求3所述的系统，其特征在于，所述数字接收组件(201)包括：
第一带通滤波器(2011)，用于抑制带外频率信号；
低噪声放大器(2012)，用于对弱GNSS-S信号进行功率放大；
混频器(2013)，用于对GNSS-S信号进行下变频，获得中频GNSS-S信号；
第二带通滤波器(2014)，用于去除下变频后的带外信号；
中频放大器(2015)，用于对中频GNSS-S信号进行功率放大；
模数转换器(2016)，用于对中频GNSS-S信号进行采样量化，获得数字域GNSS-S信号；
每个所述数字接收组件(201)对微弱GNSS-S信号的放大总增益大于90dB，模数转换器(2016)的采样率为60MSPS-120MSPS，量化位数为16位。
5.根据权利要求4所述的系统，其特征在于，所述时钟网络(202)包括：
第一时钟源(2021)，用于产生所述混频器(2013)所需的本振频率与所述模数转换器(2016)所需的采样频率；
第一放大器(2022)，用于对本振频率信号进行放大；
第一功分网络(2023)，用于对本振频率信号进行功分，生成P个相同功率的本振频率信号；
第二功分网络(2024)，用于对本振频率信号进行二级功分，生成M×N个相同功率的本振频率信号；
第二放大器(2025)，用于对采样时钟信号进行功率放大；
第三功分网络(2026)，用于对采样时钟信号进行功分，生成P个采样时钟信号；
第四功分网络(2027)，用于对采样时钟信号进行二级功分，生成M×N个相同功率的采样时钟信号；
所述模数转换器(2016)的采样时钟为60MHz-120MHz，各个所述数字接收组件(201)的采样时钟的时间同步精度小于500ps。
6.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述现场可编程门阵列(501)包括：
第一类现场可编程门阵列(5011)，用于对第p组所述数字接收模块(20)输出的M×N路GNSS-S信号进行预处理，包括分块式DBF与匹配滤波，利用DSP内核分别构成复数乘加器与互相关器进行快速运算，共含有K1片FPGA；
第二类现场可编程门阵列(5012)，用于对第q个波束区域的Q×J个GNSS-S信号进行双站SAR成像，包括低分辨率双站SAR成像与中高分辨率双站SAR成像，利用FIFO与RAM对中间数据进行缓存，利用DSP内核实现各网格点时延计算、相位补偿计算与复数叠加，共含有K2片FPGA；
第三类现场可编程门阵列(5013)，用于对第q个波束区域的J幅SAR图像进行融合、目标检测、目标定位与切片提取，利用DSP内核实现非相参融合与目标检测，利用RAM对融合后的图像进行缓存，共含有K3片FPGA；
每组所述现场可编程门阵列(501)内部采用多路高速串行口进行数据交互，每片FPGA外挂多片DDR3存储器进行数据缓存。
7.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述FPGA时钟网络(601)包括：
第二时钟源(6011)，用于产生频率为120MHz-240MHz的时钟；
第三放大器(6012)，用于对第二时钟源(6011)产生的时钟进行功率放大，放大增益为15dB-20dB；
第五功分网络(6013)，用于对放大后的时钟进行功分，为P组所述现场可编程门阵列(501)提供工作时钟，各工作时钟的时间同步精度优于250ps。
8.一种利用权利要求1-7中任一项所述的星载多通道GNSS-S雷达海量数据在轨处理系统的方法，包括以下步骤：
a、对多通道GNSS-S信号进行分块式DBF处理，获得Q个高信噪比GNSS-S信号；
b、对高信噪比GNSS-S信号进行匹配滤波处理，获得J个更高信噪比GNSS-S信号；
c、对Q个波束的J个GNSS-S信号进行双站SAR成像处理，采用低分辨率BP成像算法，成像分辨率为50-100m；
d、对每个波束的J幅双站SAR图像进行非相参融合处理；
e、对融合后SAR图像进行舰船目标检测与定位；
f、对舰船目标区域进行BP双站SAR成像，成像分辨率为10-15m，每个舰船目标区域获得J幅中高分辨率SAR图像；
g、对舰船目标区域的J幅SAR图像进行非相参融合处理；
h、对舰船目标进行重检测，并截取舰船目标切片信息。
9.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，分块式DBF处理包括：
对每个天线面阵的M×N个通道信号进行第一级DBF处理，共含有P个DBF模块，每个DBF模块均同时输出Q个面阵级波束合成信号，记第p组的第m行、第n列的所述数字接收组件(201)输出的回波信号为：
sp,m,n(t),p＝1,2,...,P；
其中,t为快时采样序列；
记第p个DBF模块输出的第q个波束对应的信号为sq,p(t)，则有：
Figure FDA0004039802510000051
其中，wq,p,m,n为不同波束对应的一级复数权值；
对第一级DBF输出的分块合成的信号进行全阵面合成，共含有1个DBF模块，记全阵面合成输出的第q个信号为sq(t),q＝1,2,...,Q，则有：
Figure FDA0004039802510000052
其中，w'p为不同波束对应的二级复数权值；
步骤c与f中的双站SAR成像为：
对探测区域进行网格划分，计算各网格点的双站时延，每个网格点的大小均为dR1×dA1，与距离向分辨率δR的关系为dR1＝K1·δR，与方位向分辨率δA的关系为dA1＝K2·δA，对于低分辨率成像时，K1与K2取5-10，对于中高分辨率成像时，K1与K2取0.5-0.8，在第q个波束区域内，记第j颗导航卫星与低轨GNSS-S雷达形成的双站成像区域的各网格点时延为
Figure FDA0004039802510000065
τ与t分别为慢时道数与快时采样点数，τ1与τ2分别为方位向的网格点序号与距离向网格点序号；
对各个网格点的相位进行补偿以实现相参处理，在第q个波束区域内，记第j颗导航卫星与低轨GNSS-S雷达形成的双站成像区域的各网格点相位补偿值为
Figure FDA0004039802510000061
则有：
Figure FDA0004039802510000062
其中，λc为GNSS-S雷达信号的波长；
对成像区域的各网格点进行复数叠加实现双站BP SAR成像，在第q个波束区域内，记第j颗导航卫星与低轨GNSS-S雷达形成的双站SAR图像为Iq,j(τ1,τ2)；
对DBF与匹配滤波处理后的多道回波信号sq,j(τ,t)进行缓存；
对双站BP SAR成像的图像Iq,j(τ1,τ2)进行缓存；
步骤d与g中的多幅图像融合处理为，对第q个波束的J幅双站SAR图像Iq,j(τ1,τ2)进行非相参融合处理，获得融合后的SAR图像为Iq(τ1,τ2)，则有：
Figure FDA0004039802510000063
其中，
Figure FDA0004039802510000064
为非相参融合处理的权值。/>
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