CN111314010B - 一种多通道延时可调的fx相关器及其实现方法 - Google Patents

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Abstract

本公开公开了一种多通道延时可调的FX相关器及其实现方法，包括n通道射电信号依次经信号输入阵列模块和AD采集阵列模块进行预处理，并输出到FPGA模块中；FPGA模块包括延时补偿子模块和频域互相关子模块，延时补偿子模块接收预处理后的n通道射电信号，以一路通道射电信号为基准，将其余n‑1通道射电信号对应的互功率谱进行傅里叶逆变换得到互相关函数，取其峰值对应的延时下发到各路通道中；频域互相关子模块对完成延时补偿的n通道射电信号计算得到互功率谱，并进行存储。利用FPGA的并行运算优势，在对多个通道数据采集的同时完成对延时的补偿和互相关的计算，减小了上位机的通信压力和运算压力，并满足了对于实时性的要求。

Description

一种多通道延时可调的FX相关器及其实现方法
技术领域
本公开涉及射电天文中综合孔径技术领域，特别是涉及一种多通道延时可调的FX相关器及其实现方法。
背景技术
本部分的陈述仅仅是提供了与本公开相关的背景技术信息，不必然构成在先技术。
在射电天文领域，利用无线电技术接收、测量和分析天体发出的射电波是研究天体的一种重要手段。传统单孔径射电望远镜由于衍射效应，分辨率受到天线孔径的限制，大口径的天线加工极为困难，难以满足分辨率不断提高的需求。
综合孔径射电望远镜是利用干涉式成像技术，对天体目标的空间频率谱进行测量。天体目标的空间频率谱与亮温图像实际上是一对傅里叶变换对，得到天体的空间频率谱，经过合适的反演就能得到天体的亮温图像。空间频率谱的坐标用(u-v)来表示，其图像也被称为u-v平面图像。在该坐标点上的值称为可见度函数。在空间频率域进行测量，就是要对u-v平面中的采样网格上的每一个可见度函数进行逐一测量，而每一个可见度函数的测量对应着一对天线的相关运算。对于阵列中天线数量为N的综合孔径射电望远镜，所要进行的复相关量达到N(N-1)/2，尽管经过稀疏的天线阵列单元数不是很多，但是其交叉相关的数量将很大。
相关器分为模拟相关器和数字相关器。传统的模拟复相关器由功分器单元、复相关器单元和积分视放单元组成，并依靠功分器、乘法器、放大器等模拟电路实现。当***阵元数增加时，基线数量呈几何级数增加，所以阵元数量较多时，模拟相关需要占用的体积、质量和功耗都是惊人的，***的复杂性极大地增加。因此，采用数字处理的方法进行相关处理是很重要的技术趋势。
在综合孔径技术中，信号的完整传递，特别是信号的相位传递是非常重要的，射电信号的同一波阵面到达各天线的时间不同，从而导致了相位差异，必须在成图之前通过延时补偿实现各通道信号的相位同步。
而发明人发现现有的针对综合孔径射电望远镜的技术中，至少存在数据采集和处理过程中通信压力大，运算时间长，计算资源多的问题。即，现有的多通道数字相关器多采用的是采集和处理分开进行的方式，在对数据进行采集时，会面对传输和存储两方面的压力，对通信部分提出了很高的要求；在后续数据处理时也会使用很多计算机资源，数据处理速度不理想，对于实时性要求，普通的计算机无法达到运算速度的要求。采集处理分立式相关器在数据处理时要对延时进行补偿，导致需要对数据进行两次互相关运算，增大了计算量。
发明内容
为了解决上述问题，本公开提出了一种多通道延时可调的FX相关器及其实现方法，利用FPGA的并行运算优势，在对多个通道数据采集的同时完成对延时的补偿和互相关的计算，减小了上位机的通信压力和运算压力，并满足了对于实时性的要求。
为了实现上述目的，本公开采用如下技术方案：
第一方面，本公开提供一种多通道延时可调的FX相关器，包括：信号输入阵列模块、AD采集阵列模块和FPGA模块；
n通道射电信号依次经信号输入阵列模块和AD采集阵列模块进行预处理，并输出到FPGA模块中；
所述FPGA模块包括延时补偿子模块和频域互相关子模块，所述延时补偿子模块接收预处理后的n通道射电信号，以一路通道射电信号为基准，将其余n-1通道射电信号对应的互功率谱进行傅里叶逆变换得到互相关函数，取其峰值对应的延时下发到各路通道中；
所述频域互相关子模块，对完成延时补偿的n通道射电信号计算得到互功率谱，并进行存储。
第二方面，本公开提供一种多通道延时可调的FX相关器实现方法，包括：
将接收的n通道射电信号依次经信号输入阵列模块和AD采集阵列模块进行预处理，并输出到FPGA模块中；
FPGA模块中的延时补偿子模块接收预处理后的n通道射电信号，以一路通道射电信号为基准，将其余n-1通道射电信号对应的互功率谱进行傅里叶逆变换得到互相关函数，取其峰值对应的延时下发到各路通道中；
FPGA模块中的频域互相关子模块，对完成延时补偿的n通道射电信号计算得到互功率谱，并进行存储。
与现有技术相比，本公开的有益效果为：
针对综合孔径射电望远镜数据采集和处理过程中通信压力大，运算时间长，需要计算资源多的问题，本公开利用FPGA的并行运算优势，在对多个通道数据采集的同时完成对延时的补偿和互相关的计算，减小了上位机的通信压力和运算压力，并满足了对于实时性的要求。
延时相关器运算量远大于FX相关器、适应性较差，而且延时相关器以基线为单元模块化，对于额外的天线单元，延时相关器需要完全重建，而本公开的FX相关器以天线通道为单元模块化，添加天线单元，不需要对相关器完全重建。
附图说明
构成本公开的一部分的说明书附图用来提供对本公开的进一步理解，本公开的示意性实施例及其说明用于解释本公开，并不构成对本公开的不当限定。
图1为本公开实施例1提供的整体结构图；
图2为本公开实施例2提供的方法流程示意图。
具体实施方式：
下面结合附图与实施例对本公开做进一步说明。
应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本公开提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本公开所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。
需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本公开的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。
实施例1
数字相关器分为延时相关器和FX相关器。延时相关器与FX相关器运算次数之比nLAG/nFX≈Nna/(2log2N+na)，其中N为运算点数，na为天线的数量，经过简单计算便可得知，延时相关器的运算量远大于FX相关器；延时相关器适应性较差，延时相关器以基线为单元模块化，FX相关器以天线通道为单元模块化，在进行设计时FX相关器更容易扩展，假如要添加一个额外天线单元，延时相关器需要对设计完全重建，而FX相关器却不需要。
所以，在本实施例中，提出了一种基于FPGA的多通道延时可调的FX相关器，利用FPGA的并行运算优势，在对多个通道数据采集的同时完成对延时的补偿和互相关的计算，可以同时对多通道信号实施采集和处理，减小了上位机的通信压力和运算压力，并满足了对于实时性的要求。
如图1所示，本实施例提供的一种多通道延时可调的FX相关器包括了信号输入阵列、AD采集阵列、延时补偿模块、频域互相关模块以及上位机部分；
信号输入阵列包含天线阵列和模拟前端部分，天线阵列接收微弱的射电信号，并由模拟前端将其转化为高信噪比的中频信号；
AD采集阵列将上述中频模拟信号转换为数字信号，采用JESD204B高速数据传输协议传输到FPGA板卡中等待处理；
延时补偿模块用于补偿不同天线接收到的射电信号的延时，由于射电信号同一波阵面到达各天线的时间不同，所以产生了相位上的误差。根据维纳-辛钦定理，两信号的互功率谱与其互相关函数为一对傅里叶变换对，而互相关函数是一个关于延时的函数，故可通过计算得到的互功率谱来对其产生的延时进行反推，之后进行补偿。
延时补偿的过程如下：默认延迟补偿设置为0；假设有n通道信号输入阵列，傅里叶变换点数为N，以一路通道的信号为基准，把其余通道的信号与其计算的互功率谱(共有n-1组)上传到上位机；继而进行逆傅里叶变换，得到互相关函数，取其峰值对应的延时下发到各路通道，完成对延时的补偿；
其中，延时补偿的最小单元为采样频率的倒数，例如采样频率为1.25GHz时，最小延时补偿单元为0.8ns；实现了只需少量计算便可完成所述延时补偿过程。
频域互相关模块是整个***的核心部分。将已完成延时补偿的输入数据先通过Hanning窗，目的是减少频谱泄漏；之后对每路信号进行快速傅里叶变换转换成频谱，将各频率下的复幅度进行共轭相乘，得到互功率谱。在本实例中，假设天线数目为m，那么同时进行共轭相乘的组数为m(m-1)/2。
FPGA与上位机之间的通信采用PCIE协议。上位机部分的作用有如下三点，一是接收FPGA计算得到的互功率谱；二是对延时的计算并下发；三是把得到的互功率谱存盘。
其中，在存盘时进行判断，如果延时都调整为零，即各通道信号的相位都对齐时才进行存盘，否则继续进行相位补偿。
实施例2
如图2所示，本实施例提供一种多通道延时可调的FX相关器实现方法，包括：
将接收的n通道射电信号依次经信号输入阵列模块和AD采集阵列模块进行预处理，并输出到FPGA模块中；
FPGA模块中的延时补偿子模块接收预处理后的n通道射电信号，以一路通道射电信号为基准，将其余n-1通道射电信号对应的互功率谱进行傅里叶逆变换得到互相关函数，取其峰值对应的延时下发到各路通道中；
FPGA模块中的频域互相关子模块，对完成延时补偿的n通道射电信号计算得到互功率谱，并进行存储。
本实施例针对综合孔径射电望远镜数据采集和处理过程中通信压力大，运算时间长，需要计算资源多的问题，利用FPGA的并行运算优势，在对多个通道数据采集的同时完成对延时的补偿和互相关的计算，减小了上位机的通信压力和运算压力，并满足了对于实时性的要求。
以上仅为本公开的优选实施例而已，并不用于限制本公开，对于本领域的技术人员来说，本公开可以有各种更改和变化。凡在本公开的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本公开的保护范围之内。
上述虽然结合附图对本公开的具体实施方式进行了描述，但并非对本公开保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本公开的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本公开的保护范围以内。

Claims (9)

1.一种多通道延时可调的FX相关器，其特征在于，包括：信号输入阵列模块、AD采集阵列模块和FPGA模块；
n通道射电信号依次经信号输入阵列模块和AD采集阵列模块进行预处理，并输出到FPGA模块中；
所述FPGA模块包括延时补偿子模块和频域互相关子模块，所述延时补偿子模块接收预处理后的n通道射电信号，以一路通道射电信号为基准，将其余n-1通道射电信号对应的互功率谱进行傅里叶逆变换得到互相关函数，取其峰值对应的延时下发到各路通道中；
所述频域互相关子模块对完成延时补偿的n通道射电信号计算得到互功率谱，并进行存储；
所述频域互相关子模块对完成延时补偿的n通道射电信号进行加窗，对加窗后的n通道射电信号进行快速傅里叶变换转换成频谱，将各频率下的复幅度进行共轭相乘，得到互功率谱；
所述FX相关器以天线通道为单元进行模块化，添加天线单元，不需对相关器完全重建，即信号输入阵列模块中的天线阵列子模块接收n通道射电信号。
2.如权利要求1所述的一种多通道延时可调的FX相关器，其特征在于，所述信号输入阵列模块还包括模拟前端子模块，由模拟前端子模块将其转化为高信噪比的中频信号。
3.如权利要求1所述的一种多通道延时可调的FX相关器，其特征在于，所述AD采集阵列模块对经过信号输入阵列模块处理后的射电信号进行模数转换，将得到的数字信号采用数据传输协议传输到FPGA模块。
4.如权利要求1所述的一种多通道延时可调的FX相关器，其特征在于，所述延时补偿的最小单元为采样频率的倒数。
5.如权利要求1所述的一种多通道延时可调的FX相关器，其特征在于，所述对完成延时补偿的n通道射电信号进行加窗，减少频谱泄漏。
6.如权利要求1所述的一种多通道延时可调的FX相关器，其特征在于，以天线数目为m，则同时进行共轭相乘的组数为m(m-1)/2。
7.如权利要求5所述的一种多通道延时可调的FX相关器，其特征在于，所述加窗采用Hanning窗。
8.如权利要求1所述的一种多通道延时可调的FX相关器，其特征在于，在对互功率谱进行存储时对延时补偿进行判断，若延时补偿调整为零，即n通道射电信号的相位均对齐，进行存盘；否则继续进行延时补偿。
9.一种多通道延时可调的FX相关器实现方法，其特征在于，包括：
将接收的n通道射电信号依次经信号输入阵列模块和AD采集阵列模块进行预处理，并输出到FPGA模块中；
FPGA模块中的延时补偿子模块接收预处理后的n通道射电信号，以一路通道射电信号为基准，将其余n-1通道射电信号对应的互功率谱进行傅里叶逆变换得到互相关函数，取其峰值对应的延时下发到各路通道中；
FPGA模块中的频域互相关子模块，对完成延时补偿的n通道射电信号计算得到互功率谱，并进行存储；
所述频域互相关子模块对完成延时补偿的n通道射电信号进行加窗，对加窗后的n通道射电信号进行快速傅里叶变换转换成频谱，将各频率下的复幅度进行共轭相乘，得到互功率谱；
所述FX相关器以天线通道为单元进行模块化，添加天线单元，不需对相关器完全重建，即信号输入阵列模块中的天线阵列子模块接收n通道射电信号。
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