一种高速多频双通道数据实时互相关实现方法及装置

1.本发明属于望远镜信息处理技术领域，特别涉及了一种高速多频双通道数据实时互相关实现方法和装置。

背景技术：

2.通常情况下，射电望远镜的口径面天线是抛物面。如果是理想抛物面，在焦点上有点源发射源，发射信号经过抛物面反射，到达口径平面上的波前相位值处处相等(因为从焦点到口径平面的光程距离相等)。然而现实情况下，天线面不是完全理想的抛物面，所以在口径平面上的相位也必然不相等，在信号源波长已知的情况下，通过检测这个相位差，理论上就可以确定天线面与理想抛物面之间的微小差别。在射电望远镜天线面板测量过程中，被测天线(主天线)口径往往比较庞大，一般在几米到几十米，同时为了取得相位差，要用一面口径较小的天线或者在被测天线上另加一路喇叭天线作为参考用来计算两路的相位差以反演得到天线的口面场相位分布并进一步得到其面形和误差分布。近场全息测量就是采用这种思路来测量射电望远镜面板面形的方法，如图1。近场全息测量中需要用到相位相关法测量天线的辐射方向图的振幅与相位(即矢量方向图)。
3.现有的近场全息测量发射源信号频率为单频，测量过程中易受到多径效应的影响，使得不同频率的测量结果不一致。可通过分别在不同频率进行全息测量得到的面形分布进行平均来修正多径效应的影响。由于需要进行多次测量，这个过程较长，在这个过程中天线面形可能因重力、温度以及风载等因素形变产生的系统误差未被排除,从而引入新的误差。因此，通过多频同时测量，一次性获得多个不同频率的主路信号和参考路信号，可以快速的测量被测天线的面板面形。然而，由于多频测量要一次性引入多个频率的信号，如何让这些信号相互之间不会干涉以及如何快速采集上传数据就需要进行研究。

技术实现要素：

4.针对上述问题，本发明提供了一种高速多频双通道数据实时互相关实现方法和装置。
5.为实现上述技术目的，本发明采取的技术方案为：
6.一种高速多频双通道数据实时互相关实现方法，包括以下步骤：
7.步骤一、信号发射端采用梳状谱信号作为信标源，经发射端双边带信号调制后，向外发出；
8.步骤二、参考天线和主天线的接收端接收发射端双边带频率信号后，分别将发射端双边带频率信号经各自的接收端双边带信号调制后，产生多频主路信号和参考路信号；
9.步骤三、将多频主路信号和参考路信号混频后得到中频信号，将两路中频信号转化生成数字量数据再进行fft互相关运算得到fft复数数据，
10.步骤四、对互相关运算进行高速数据采集：
11.设fft采样频率为fs，采样点数为ns，若积分时间为t,则帧数numacc的计算公式为
[0012][0013]
在开始做步骤三的fft互相关运算时，先判断fft采样累加次数是否达到numacc，
[0014]
如果没有达到的话，向内存m1写入互相关运算得到fft复数数据，当累计次数大于numacc时候向内存m2写入互相关运算得到fft复数数据，当向m1写数据的同时，设置读m2内存为使能，即将m2的数据读到先进先出的队列fifo中，反之在向m2写数据的时候，设置读m1内存为使能，即将m1的数据读到fifo中，使每一个时刻都有数据流向fifo，形成数据的乒乓传输方式；
[0015]
步骤五、将fifo中的数据采集上传。
[0016]
在其中的一些实施例中，步骤一中，梳状谱信号由matlab编程产生，采用labview编程，将梳状谱信号加载到中频if收发模块通过模拟输出口对外发出，中频if收发模块的固定采样频率为3.2ghz,其数据长度正好是梳状谱频率间隔的一个整周期。
[0017]
在其中的一些实施例中，梳状谱信号的频率间隔δf设置为fft频谱间隔的整数倍，即δf＝nfs/n，n为正整数，n为fft长度。
[0018]
在其中的一些实施例中，所述的梳状谱信号和发射端本振信号产生由发射端上边带信号和发射端下边带信号组成的发射端双边带信号，再向外发出；其中，
[0019]
梳状谱信号的频率为
[0020][0021]
其中nf为谱线数，
[0022]
则发射端射频信号的频率为：
[0023][0024]
其中f
lsb
为发射端下边带信号的频率，f
usb
为发射端上边带信号的频率，f
lo
为发射端本振信号的频率。
[0025]
在其中的一些实施例中，参考天线和主天线的接收端接收发射端双边带频率信号后，分别和接收端本振信号耦合，产生多频主路信号和参考路信号，其中，
[0026]
接收端本振信号频率为
[0027][0028]
参考天线和主天线的接收端接收中频信号的频率为
[0029][0030]
步骤三的具体方法为：
[0031]
在其中的一些实施例中，多频主路信号和参考路信号经过混频后得了到中频信号，再通过外部的模拟输入口接入到数据采集及实时fft数字相关系统中转化生成两路数字量数据，对两路数字量数据各自做傅里叶变换，后将傅里叶变换后的两路数字量数据做
乘法得到fft复数数据。
[0032]
高速多频双通道数据实时互相关实现装置，包括信号发射端、参考天线、主天线以及数据采集及实时fft数字相关系统，其中，所述的信号发射端用于发射特定频率的双边带频率信号，参考天线和主天线用于接收信号发射端发射的双边带频率信号，并将发射端双边带频率信号调制后，产生多频主路信号和参考路信号，实时fft数字相关系统用于对多频主路信号和参考路信号进行fft互相关运算并将数据储存。
[0033]
在其中的一些实施例中，所述的信号发射端包括梳状谱中频信号if发射端、发射端频率综合器、发射端集成发射模块、隔离器以及发射喇叭，所述的梳状谱中频信号if发射端发出的梳状谱信号和频率综合器发出的本振信号在发射端集成发射模块耦合，形成发射端双边带信号并经隔离器后，从发射喇叭向外发出。所述的参考天线和主天线均包括依次连接的接收喇叭、集成接收模块、信号衰减模块，低噪声放大模块和低通滤波模块，所述的接收喇叭用于接收发射端双边带信号，发射端双边带信号和接收端本振信号在集成接收模块耦合后，依次经信号衰减模块、低噪声放大模块、低通滤波模块的信号衰减、低噪声放大和低通滤波后，产生多频主路信号和参考路信号，并分别输入实时fft数字相关系统。
[0034]
在其中的一些实施例中，实时多频双通道数字相关系统包括多频信号采集与处理上位机软件，处理软件具体包括fft傅里叶变换模块，软件开辟的内存m1，m2及fifo功能模块，所述的多频信号采集与处理用于对多频主路信号和参考路信号转化生成两路数字量数据，对两路数字量数据各自做傅里叶变换，后将傅里叶变换后的两路数字量数据做乘法得到fft复数数据，所述的计算机上位机处理软件用于存储数字处理相关器计算后的数据。
[0035]
本发明的有益效果是：
[0036]
1、本发明采用梳状谱信号作为信标源，可以一次性发出多个频率的信号，通过参考天线和主天线的调制后，产生多频主路信号和参考路信号；然后对多频主路信号和参考路信号进行fft互相关运算得到fft复数数据，计算机能根据fft复数数据通过近场全息测量法测量得到多频扫描下的主天线面板面形误差数据，再通过对这些多频的数据取均值得到天线面板面形的平均值，采用这种方法极大减小了单频扫描下因多径效应导致的测量误差。
[0037]
2、本发明向内存m1写入互相关运算得到fft复数数据，当累计次数大于numacc时候向内存m2写入互相关运算得到fft复数数据，当向m1写数据的同时，设置读m2内存为使能，即将m2的数据读到先进先出的队列fifo中，反之在向m2写数据的时候，设置读m1内存为使能，即将m1的数据读到fifo中，使每一个时刻都有数据流向fifo，形成数据的乒乓传输方式达到数据流水线实时fft的功能，提高了数据的传输速度。
[0038]
3、不同于单频的全息测量，为了改善多径效应对全息测量的影响，本发明采用梳状谱多频信号作为全息测量的发射信号。具体地多频发射信号的产生方式通过对本振信号及谱线数和频率间隔的设置实现，详见图2所示。采用这种方式使得输入到喇叭端发射的信号为多频(固定间隔)的有规律的射频信号，另外在接收端设计多频信号接收电路(主接收路和参考接收路)对射频信号进行解调。采用这种带双边带的集成发射模块是实现多频发射的一种有效方式。
[0039]
4、本高速多频双通道数据实时互相关实现方法和装置大都采用模块化和参数化的设计思路。例如梳状谱的信号是由编程产生，其频率间隔及谱线数等都可通过编程实现，
对应的多频双通道数据采集和处理功能也是基于labview软件平台进行开发，系统的采样频率，全息测量扫描的频点数等都可以通过软件上的设置进行修改，这种结构设计极大的方便和满足了射电望远镜天线全息测量的多种实验参数要求。
附图说明
[0040]
图1是近场全息测量原理图；
[0041]
图2是信号发射端的结构示意图；
[0042]
图3是参考天线和主天线的接收端的结构示意图；
[0043]
图4是双通道多频同时互相关fft运算原理图；
[0044]
图5是采用pxie-5785收发模块进行fft和互相关计算的示意图；
[0045]
图6是互相关高速数据采集流程图；
[0046]
图7是多频同时数据处理流程图。
具体实施方式
[0047]
下面将结合本发明实施例中的附图,对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述,显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例,而不是全部的实施例。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前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
[0048]
应当理解,当在本说明书和所附权利要求书中使用时,术语“包括”和“包含”指示所描述特征、整体、步骤、操作、元素和/或组件的存在,但并不排除一个或多个其它特征、整体、步骤.操作、元素、组件和/或其集合的存在或添加。
[0049]
还应当理解,在此本发明说明书中所使用的术语仅仅是出于描述特定实施例的目的而并不意在限制本发明。如在本发明说明书和所附权利要求书中所使用的那样,除非上下文清楚地指明其它情况，否则单数形式的“一”、“一个”及“该”意在包括复数形式。
[0050]
实施例：
[0051]
本发明的目的实现了双通道大数据量高速的实时多频fft互相关运算。主要包括双通道数据采集，多频fft实时相关运算，数据拼接与抽取、以及大速率采集数据上传等功能。从实现的功能上可以分为多频同时发射部分；双通道多频同时接收部分；双通道多频同时互相关fft运算部分和双通道多频同时互相关高速数据采集四大部分。
[0052]
(1)多频同时发射
[0053]
信号发射端系统框图如图2：
[0054]
在信号发射端采用梳状谱信号作为信标源。梳状谱信号的频率范围为6.25mhz～1.2ghz(频率间隔6.25mhz)。梳状谱信号由matlab编程产生，程序运算生成数据文本(txt格式)。采用labview编程，将梳状谱信号加载到中频if收发模块通过模拟输出口对外发出，中频if收发模块的固定采样频率为3.2ghz,其数据长度正好是梳状谱频率间隔的一个整周期。
[0055]
梳状谱信号的频率间隔δf设置为fft频谱间隔的整数倍，即δf＝nfs/n，n为正整数，n为fft长度。
[0056]
信号发射端的本振频率为90ghz，由频踪再经过8倍频得到。梳状谱信号和发射端
本振信号在发射端集成发射模块作用下产生发射端双边带频率信号。上边带的频率为90ghz+m*6.25mhz(m＝1,2,3...192)共192条谱线数，下边带的频率为90ghz-m*6.25mhz。双边带信号再经过隔离器和衰减器通过发射喇叭对外发射，供射电望远镜面板上的主接收机和参考路接收机接收。
[0057]
(2)双通道多频同时接收
[0058]
双通道多频同时接收原理框图如图3。由于发射信标源采用双边带信号调制，为了保证双边信号经接收机前段得到的信号不发生重叠，接收机本振信号频率与发射源本振频率的选择需要经过计算，其方法为：
[0059]
发射基带信号的频率为
[0060]
梳状谱信号的频率为
[0061][0062]
其中nf为谱线数，
[0063]
则向外发出的发射端双边带信号的频率为：
[0064][0065]
其中f
lsb
为发射端下边带信号的频率，f
usb
为发射端上边带信号的频率，f
lo
为发射端本振信号的频率。
[0066]
参考天线和主天线的接收端接收发射端双边带频率信号后，分别和接收端本振信号耦合，产生多频主路信号和参考路信号，其中，
[0067]
接收端本振信号频率为
[0068][0069]
接收中频信号的频率为
[0070][0071]
发射频率与接收中频频率之间的对应关系如表
[0072][0073][0074]
在实际测量中，发射端的本振频率为90ghz，δf频率间隔为6.25mhz,谱线数n为192个。按照上述的参数得到发射端(发射到喇叭)的频率范围为88.8ghz～91.2ghz，符合发
射模块双边带发射的输入要求。
[0075]
参考天线和主天线的接收端接收发射端双边带频率信号后，分别将发射端双边带频率信号经信号衰减，低噪声放大，低通滤波等产生1.5625mhz+0.5*n*δf的多频主路信号和参考路信号，多频主路信号和参考路信号经过混频后得了到中频信号，再通过外部的模拟输入口接入到数据采集及实时fft数字相关系统中转化生成两路数字量数据，对两路数字量数据各自做傅里叶变换，后将傅里叶变换后的两路数字量数据做乘法得到fft复数数据。
[0076]
(3)双通道多频同时互相关fft运算
[0077]
fft数字相关系统的主控器从socket端口将两路模拟量数据读取进来经过前面的两路12位模拟数字信号转化生成两路数字量数据，对两路数字量数据各自做傅里叶变换，后将傅里叶变换后的两路数字量数据做乘法得到fft复数数据。相关机是信号处理的关键环节，相关机的数学原理是两个复数的相乘过程。即先做傅里叶变换，后做乘法。对于两路相关信号来说，需要分别对两路信号进行fft变换，解决这个问题最简单的方法是使用两个独立的fft内核。由数学定理可知时域卷积对应的是频域共轭相乘，对于以上信号的互相关的结果为y为时域卷积，ys为主路频域信号，y
r*
为参考路频域信号的共轭。这样的好处是处理避免了卷积过程，当取得了频域信号后对应相乘就可以，这样就可以节省很多资源和时间。
[0078]
例如两个复数x＝xr+jxi，y＝yr+jyi,其中xryr分别为xy的实部，xiyi分别为xy的虚部。他们的互相关运算为
[0079]
z＝xy*＝(xryr+xiyi)+j(xiyr-xryi)＝zr+jzi
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
式(5)
[0080]
其中y*为y的共轭，zr＝xryr+xiyi，zi＝xiyr-xryi
[0081]
根据以上的要求我们在数据采集及实时fft数字相关系统平台上进行了多频同时互相关的下位机软件的开发，开发环境为labview，硬件上的平台是基于内置fpga的pxie-5785中频收发模块。
[0082]
pxie-5785收发仪将模拟i/o和用户可编程的fpga结合起来。可在双通道模式下工作，速率达3.2gs/s，也可在单通道交错模式下工作，速率达6.4gs/s。pxie-5785收发仪采用fpga，并提供labview编程选项，可实现自定义算法和实时信号处理。
[0083]
如图5所示，主信号路和参考信号路通过pxie-5785收发模块的socket端口输入信号。在做fft运算时，我们采用了两个labview提供的专门用于计算快速傅里叶变换的fft ip核，分别实现主路和参考路的fft变换功能，将时域信号转化为频域信号，利用其计算得到输入信号的实部和虚部频谱信息。在计算互相关zr的过程中，也采用了乘法，加法和减法等自带的运算模块以实现算式(5)。下位机设计完成后编译通过生成lvbitx供labview上位机加载。
[0084]
(4)双通道多频同时互相关高速数据采集
[0085]
双通道多频同时互相关高速数据采集上位机程序采用labview环境利用图形化的控件编写。为了实时获得互相关的复数数据，在上位机图形编程中主要采用了以下一些流程，见图6。
[0086]
接收信号作fft变换时，采样频率为fs，采样点数为ns，若积分时间为t,则帧数(累加次数)numacc的计算公式为
[0087][0088]
本项目中采样频率fs＝3.2ghz，采样点数为ns＝4096，则fft分辨率0.78125mhz。一般情况下下，如果积分时间设置为50ms，则对于某一个接收频率需要累加的次数为39062次。在开始做fft时，先判断这个累加次数是否达到39062，如果没有达到的话，程序将向labview定义的vi-defined memory内存m1写入互相关后的实部和虚部数据。当大于累计次数时候向定义的内存m2写了互相关数据。当向m1写数据的同时，设置读m2内存为使能，即可以将m2的数据读到fifo(先进先出的队列)中。反之在向m2写数据的时候，设置读m1为内存，即可以将m1的数据读到fifo中。这样使得每一个时刻都由数据流向fifo，形成数据的乒乓传输方式，达到数据流水线实时fft的功能，提高了数据的传输速度。最后fifo中的数据统一由主机通道上传到主机端。在程序上位机端对多频同时数据的处理主要流程如图7：
[0089]
根据采样频率、采样点数和积分时间(提前在软件中设置)参数，计算需要累加的次数。达到累加次数后将互相关的累加复数除以累加次数获得互相关复数的平均实部和虚部值。然后对多频的复数进行抽取，抽取的间隔与接收的上下边带频率及fft的分辨率有关，具体的抽取方法如下：
[0090]
在本系统中，fft的采样频率为3.2ghz,采样点数为4096个点，则fft的间隔频率为0.78125mhz。即fft的频谱为0.78125m*n，为0.78125m的整数倍。
[0091]
另一方面，对于接收机来说其接收的频率为1.5625mhz+0.5*n*6.25mhz(频率间隔)即为1.5625mhz+3.125mhz*n。
[0092]
对比0.78125mhz*n和1.5625mhz+3.125mhz*n这两个频率序列，若得到1.5625mhz+3.125mhz*n频率序列需要将0.78125mhz*n序列从1.5625mhz开始，每隔四个频率点抽取一次得到接收机的频率点，即对0.78125mhz*n序列进行四抽一的操作，即可得到接收机频率点。
[0093]
再对四抽一操作之后各频率点的互相关复数进行操作，存盘和处理即可得出各谱线数下需要处理的互相关复数数据。
[0094]
以上仅是本发明的优选实施方式，本发明的保护范围并不仅局限于上述实施例，凡属于本发明思路下的技术方案均属于本发明的保护范围。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理前提下的若干改进和润饰，应视为本发明的保护范围。

技术特征：

1.高速多频双通道数据实时互相关实现方法，其特征是：包括以下步骤：步骤一、信号发射端采用梳状谱信号作为信标源，经发射端双边带信号调制后，向外发出；步骤二、参考天线和主天线的接收端接收发射端双边带频率信号后，分别将发射端双边带频率信号经各自的接收端双边带信号调制后，产生多频主路信号和参考路信号；步骤三、将多频主路信号和参考路信号混频后得到中频信号，将两路中频信号转化生成数字量数据再进行fft互相关运算得到fft复数数据，步骤四、对互相关运算进行高速数据采集：设fft采样频率为fs，采样点数为ns，若积分时间为t,则帧数numacc的计算公式为为了提高互相关数据向上位机(软件处理端)传输的速度，在labview软件编写上位机传输程序中开辟了两个内存m1和m2，在开始做步骤三的fft互相关运算时，先判断fft采样累加次数是否达到numacc，如果没有达到的话，向内存m1写入互相关运算得到fft复数数据，当累计次数大于numacc时候向内存m2写入互相关运算得到fft复数数据，当向m1写数据的同时，设置读m2内存为使能，即将m2的数据读到先进先出的队列fifo中，反之在向m2写数据的时候，设置读m1内存为使能，即将m1的数据读到fifo中，使每一个时刻都有数据流向fifo，形成数据的乒乓传输方式，步骤五、将fifo中的数据采集上传。2.根据权利要求1所述的高速多频双通道数据实时互相关实现方法，其特征是：步骤一中，梳状谱信号由matlab编程产生，然后采用labview编程，将梳状谱信号加载到中频if收发模块通过模拟输出口对外发出，中频if收发模块的固定采样频率为3.2ghz,其数据长度正好是梳状谱频率间隔的一个整周期。3.根据权利要求1所述的高速多频双通道数据实时互相关实现方法，其特征是：梳状谱信号的频率间隔δf设置为fft频谱间隔的整数倍，即δf＝nf
s
/n，n为正整数，n为fft长度。4.根据权利要求1所述的高速多频双通道数据实时互相关实现方法，其特征是：所述的梳状谱信号和发射端本振信号产生由发射端上边带信号和发射端下边带信号组成的发射端双边带信号，再向外发出；其中，梳状谱信号的频率为其中nf为谱线数，则向外发出的发射端双边带信号的频率为：其中f
lsb
为发射端下边带信号的频率，f
usb
为发射端上边带信号的频率，f
lo
为发射端本
振信号的频率。5.根据权利要求1所述的高速多频双通道数据实时互相关实现方法，其特征是：参考天线和主天线的接收端接收发射端双边带频率信号后，分别和接收端本振信号耦合，产生多频主路信号和参考路信号，其中，接收端本振信号频率为参考天线和主天线的接收端接收中频信号的频率为6.根据权利要求1所述的高速多频双通道数据实时互相关实现方法，其特征是：步骤三的具体方法为：多频主路信号和参考路信号经过混频后得了到中频信号，再通过外部的模拟输入口接入到数据采集及实时fft数字相关系统中转化生成两路数字量数据，对两路数字量数据各自做傅里叶变换，后将傅里叶变换后的两路数字量数据做乘法得到fft复数数据。7.高速多频双通道数据实时互相关实现装置，其特征是：包括信号发射端、参考天线、主天线以及数据采集及实时fft数字相关系统，其中，所述的信号发射端用于发射特定频率的发射端双边带频率信号，参考天线和主天线用于接收信号发射端发射的双边带频率信号，并将发射端双边带频率信号调制后，产生多频主路信号和参考路信号，实时fft数字相关系统用于对多频主路信号和参考路信号进行fft互相关运算并将数据储存。8.根据权利要求7所述的高速多频双通道数据实时互相关实现装置，其特征是：所述的信号发射端包括梳状谱中频信号if发射端、发射端频率综合器、发射端集成发射模块、隔离器以及发射喇叭，所述的梳状谱中频信号if发射端发出的梳状谱信号和发射端频率综合器发出的发射端本振信号在发射端集成发射模块耦合，形成的发射端双边带信号经隔离器后，从发射喇叭向外发出。9.根据权利要求7所述的高速多频双通道数据实时互相关实现装置，其特征是：所述的参考天线和主天线均包括依次连接的接收喇叭、集成接收模块、信号衰减模块，低噪声放大模块和低通滤波模块，所述的接收喇叭用于接收发射端双边带信号，发射端双边带信号和接收端本振信号在集成接收模块耦合后，依次经信号衰减模块、低噪声放大模块、低通滤波模块的信号衰减、低噪声放大和低通滤波后，产生多频主路信号和参考路信号，并分别输入实时fft数字相关系统。10.根据权利要求7所述的高速多频双通道数据实时互相关实现装置，其特征是：所述的实时多频双通道数字相关系统包括多频信号采集与处理上位机软件，处理软件具体包括fft傅里叶变换模块，软件开辟的内存m1，m2及fifo功能模块，所述的多频信号采集与处理用于对多频主路信号和参考路信号转化生成两路数字量数据，对两路数字量数据各自做傅里叶变换，后将傅里叶变换后的两路数字量数据做乘法得到fft复数数据，所述的计算机上位机处理软件用于存储数字处理相关器计算后的数据。

技术总结

本发明公开了一种高速多频双通道数据实时互相关实现方法及装置，包括以下步骤：步骤一、信号发射端向外发出梳状谱信号；步骤二、参考天线和主天线的接收端接收来自发射端的双边带频率信号后，分别将发射端双边带频率信号经各自的接收端双边带信号调制后，产生多频的主路信号和参考路信号；步骤三、将多频主路信号和参考路信号混频后进行FFT互相关运算得到FFT复数数据，步骤四、对互相关运算进行高速数据采集。本发明能实现双通道大数据量高速实时多频FFT互相关运算，包括双通道数据采集，多频FFT实时相关运算，数据拼接与抽取、以及大速率采集数据上传等功能，以实现对大型及高精度天线的面型准确评估。线的面型准确评估。线的面型准确评估。