一种无人机被动微波辐射测量的快速存储方法

1.本发明涉及信息存储技术领域，具体为一种无人机被动微波辐射测量的快速存储方法。


背景技术：

2.微波辐射计是工作于微波波段的高灵敏度宽带噪声接收机，能够在较强的背景噪声中提取微弱的微波辐射信号的变化量，其主要处理地物目标辐射的高斯白噪声。无人机载微波辐射计具有空间分辨率高、操作方便、实时性强、成本低等优点，可以进行地块尺度的亮温观测，为土壤水分监测及积雪观测的模型反演及卫星的地面验证提供数据支持，填补了星载辐射计的低分辨率(～25km)无法满足中小尺度应用的空白，解决了地基辐射计观测范围小、移动性差且易受到地形限制的缺陷。
3.微波辐射计的探测灵敏度与接收机带宽和积分时间有关，带宽和积分时间的乘积越大，灵敏度越高。但在实际的设计当中却存在方方面面的限制，例如国际电线联盟对各个频段的用途划分规定导致微波辐射计的带宽不能太大，特别是l、s这些用途较多的频段；而无人机载数据的最重要优势之一就是时空分辨率较高，这也导致积分时间不会太长。高速采集可以使无人机载微波辐射计获取更高时空分辨率的微波遥感数据，并有助于射频干扰的检测与抑制。针对于快速变化的地物目标，为保证数据质量，实现干扰检测与抑制，必须减少积分时间，提高采样频率，但由此带来的大量数据也使得在线传输无法实现。


技术实现要素：

4.本发明的目的在于提供一种无人机被动微波辐射测量的快速存储方法，以解决上述背景技术中提出的高采样率导致无法分配大量连续的时间进行数据存储，而传统存储方法无法满足多任务框架下数据快速存储的问题。
5.为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：一种无人机被动微波辐射测量的快速存储方法，包括以下步骤：步骤一，搭建硬件体系；步骤二，数据采集；步骤三，数据预处理及编码；步骤四，数据存储；
6.其中在上述步骤一中，首先搭建无人机被动微波辐射测量装置的硬件体系，硬件体系具体包括天线、匹配负载、射频开关、第一低噪声放大器、带通滤波器、第二低噪声放大器、混频电路、中频放大器、可变增益放大器、平方律检波器、视频放大器、ad采样单元、微控制单元mcu、温度测量单元、sd存储器、da控制电路和gps模块。
7.其中在上述步骤二中，具体包括以下步骤：
8.2.1通过天线测量目标物体亮度温度，获得目标物体的亮度温度信号；
9.2.2通过温度测量单元测量测量匹配负载及内部各器件温度，获得匹配负载及内部各器件的温度信号；
10.2.3通过gps模块获取无人机的飞行姿态信息，获得gps信号，其中，飞行姿态信息包括时间、经纬度、高层、航向角和航速；
11.其中在上述步骤三中，具体包括以下步骤：
12.3.1将步骤2.1中所获取的目标物体的亮度温度信号经过混频、放大、检波和ad采样后，通过spi接口传输至微控制单元mcu中，由微控制单元mcu进行预处理及编码；
13.3.2将步骤2.2中所获取的匹配负载及内部各器件的温度信号经由spi接口传输至微控制单元mcu中，由微控制单元mcu进行预处理及编码；
14.3.3将步骤2.3中所获取的gps信号经过电平转换后，将ttl电平转换为rs232标准电平，与微控制单元mcu的串口连接进行通信，其数据格式采用nmea0183协议，由微控制单元mcu进行预处理及编码；
15.其中在上述步骤四中，微控制单元mcu采用基于定时器触发的sd双重轮询写入方式(dual polling storage method，dpsm)，将步骤三中预处理及编码后的数据写入sd存储器中，实现数据存储。
16.优选的，所述步骤一中，微控制单元mcu电性连接有ad采样单元、da控制电路、温度测量单元、sd存储器、gps模块和射频开关，射频开关电性连接有天线、匹配负载和第一低噪声放大器，第一低噪声放大器电性连接有带通滤波器，带通滤波器电性连接有第二低噪声放大器，第二低噪声放大器电性连接有混频电路，混频电路电性连接有本振和中频放大器，中频放大器电性连接有可变增益放大器，且可变增益放大器电性连接于da控制电路，可变增益放大器电性连接有平方律检波器，平方律检波器电性连接有视频放大器，且视频放大器电性连接于ad采样单元。
17.优选的，所述sd存储器通过安全数字输入和输出(sdio)接口与mcu相连接，sd存储器采用直接内存访问(dma)模式。
18.优选的，所述微控制单元mcu采用stm32f103zet6芯片，ad采样单元采用ad7866芯片，da控制电路采用max532芯片，gps模块采用neo-m8n模块，温度测量单元采用ds18b20温度传感器。
19.优选的，所述步骤四中，数据存储的步骤包括设置块大小、获取sd存储器状态、设置写入地址、选择并启用设备模式和等待卡编程完成，定义前四个步骤为过程1，定义等待卡编程完成为过程2，定义写状态标志(wsf)和写完成标志(wff)，定义结构(i，j)中的i和j分别表示wsf和wff的值，此处以状态(4，4)代表写入状态标志位为4，写入完成标志位为4，则微控制单元mcu基于定时器触发的sd双重轮询写入方式的数据存储流程为：
20.4.1主程序轮询写入状态标志位，判断是否完成上次写入操作，若未完成则说明这次写入超时，返回“存储失败”并初始化，标志位清零；若完成则直接初始化，标志位清零；
21.4.2等待数据采集准备就绪，完成编码，并将wsf置1，开始存储；
22.4.3在主程序中无限循环运行时，程序会不停的进入定时器中断，即定时器运行至一定次数时，定时器中断更新标志位会置1，然后进入定时器中断；每次进入中断都会轮询写入状态标志位是否置位，若置位，此时状态为(1，0)，进行4.4；若没有置位，则等待下次进入定时器中断，此定时器中断阈值设定为ad采集单元的频率；
23.4.4写入状态标志位立刻自增，进行数据块1过程1操作；当该过程完成时，写入完成标志位自增并进入下一操作，此时状态为(2，1)；
24.4.5当标志位判断位(2，1)时，进行数据块1过程2写入并在此轮询写入完成标志位，判断是否完成该块写入，若完成则写入完成标志位自增，进入4.6，此时状态为(2，2)；否
则直接跳出中断等待下一次轮询；
25.4.6针对于数据块2写入过程，重复上述过程1及过程2的操作，完成写入标志位状态为(3，4)；
26.4.7轮询标志位，等待上述过程全部完成，写入状态标志位自增，此时状态为(4，4)，至此，全部写入过程完成，回到4.1。
27.优选的，所述等待卡编程完成的底层逻辑采用轮询查询标志位结构，具体为：在第一次轮询中，主函数作为服务器，在整个采样周期的一个时间间隔后发送查询标志位的请求，以判断写入过程是否完成；在第二次轮询中，定时器中断被用作服务器，它在采样周期的一个时间间隔后发送查询标志位的请求，以确定存储过程的进度，并检查卡状态以确定卡编程步骤是否完。
28.与现有技术相比，本发明的有益效果是：本发明采用多任务框架下基于定时器触发的sd双重轮询写入方式，通过采用分时处理技术和轮询结构，实现了无人机载微波辐射计不间断采集要求下的稳定、可靠和高速sd存储，解决了无人机无源微波辐射测量连续采集期间的数据存储问题，可以在不影响无人机载辐射计正常采样任务的情况下，大幅降低存储占用的时间，保证了地面数据的空间连续性，有利于后续的数据处理和图像拼接，该方法具有良好的可移植性，除无人机辐射计外，还可用于提高多任务框架下的数据存储效率。
附图说明
29.图1为本发明的方法流程图；
30.图2为本发明的硬件体系框图；
31.图3为本发明的sdio接口示意图；
32.图4为本发明的gps模块解析流程图；
33.图5为快速采集任务下的三种存储方式时序图；
34.图6为本发明的存储逻辑流程图。
具体实施方式
35.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，所描述的实施例仅仅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。
36.请参阅图1-6，本发明提供的一种实施例：一种无人机被动微波辐射测量的快速存储方法，包括以下步骤：步骤一，搭建硬件体系；步骤二，数据采集；步骤三，数据预处理及编码；步骤四，数据存储；
37.其中在上述步骤一中，首先搭建无人机被动微波辐射测量装置的硬件体系，硬件体系具体包括天线、匹配负载、射频开关、第一低噪声放大器、带通滤波器、第二低噪声放大器、混频电路、中频放大器、可变增益放大器、平方律检波器、视频放大器、ad采样单元、微控制单元mcu、温度测量单元、sd存储器、da控制电路和gps模块，微控制单元mcu电性连接有ad采样单元、da控制电路、温度测量单元、sd存储器、gps模块和射频开关，射频开关电性连接有天线、匹配负载和第一低噪声放大器，第一低噪声放大器电性连接有带通滤波器，带通滤
波器电性连接有第二低噪声放大器，第二低噪声放大器电性连接有混频电路，混频电路电性连接有本振和中频放大器，中频放大器电性连接有可变增益放大器，且可变增益放大器电性连接于da控制电路，可变增益放大器电性连接有平方律检波器，平方律检波器电性连接有视频放大器，且视频放大器电性连接于ad采样单元；其中，sd存储器通过安全数字输入和输出(sdio)接口与mcu相连接，sd存储器采用直接内存访问(dma)模式；微控制单元mcu采用stm32f103zet6芯片，ad采样单元采用ad7866芯片，da控制电路采用max532芯片，gps模块采用neo-m8n模块，温度测量单元采用ds18b20温度传感器；
38.其中在上述步骤二中，具体包括以下步骤：
39.2.1通过天线测量目标物体亮度温度，获得目标物体的亮度温度信号；
40.2.2通过温度测量单元测量测量匹配负载及内部各器件温度，获得匹配负载及内部各器件的温度信号；
41.2.3通过gps模块获取无人机的飞行姿态信息，获得gps信号，其中，飞行姿态信息包括时间、经纬度、高层、航向角和航速；
42.其中在上述步骤三中，具体包括以下步骤：
43.3.1将步骤2.1中所获取的目标物体的亮度温度信号经过混频、放大、检波和ad采样后，通过spi接口传输至微控制单元mcu中，由微控制单元mcu进行预处理及编码；
44.3.2将步骤2.2中所获取的匹配负载及内部各器件的温度信号经由spi接口传输至微控制单元mcu中，由微控制单元mcu进行预处理及编码；
45.3.3将步骤2.3中所获取的gps信号经过电平转换后，将ttl电平转换为rs232标准电平，与微控制单元mcu的串口连接进行通信，其数据格式采用nmea0183协议，由微控制单元mcu进行预处理及编码；
46.其中在上述步骤四中，微控制单元mcu采用基于定时器触发的sd双重轮询写入方式(dual polling storage method，dpsm)，将步骤三中预处理及编码后的数据写入sd存储器中，实现数据存储，数据存储的步骤包括设置块大小、获取sd存储器状态、设置写入地址、选择并启用设备模式和等待卡编程完成，等待卡编程完成的底层逻辑采用轮询查询标志位结构，具体为：在第一次轮询中，主函数作为服务器，在整个采样周期的一个时间间隔后发送查询标志位的请求，以判断写入过程是否完成；在第二次轮询中，定时器中断被用作服务器，它在采样周期的一个时间间隔后发送查询标志位的请求，以确定存储过程的进度，并检查卡状态以确定卡编程步骤是否完；定义前四个步骤为过程1，定义等待卡编程完成为过程2，定义写状态标志(wsf)和写完成标志(wff)，定义结构(i，j)中的i和j分别表示wsf和wff的值，此处以状态(4，4)代表写入状态标志位为4，写入完成标志位为4，则微控制单元mcu基于定时器触发的sd双重轮询写入方式的数据存储流程为：
47.4.1主程序轮询写入状态标志位，判断是否完成上次写入操作，若未完成则说明这次写入超时，返回“存储失败”并初始化，标志位清零；若完成则直接初始化，标志位清零；
48.4.2等待数据采集准备就绪，完成编码，并将wsf置1，开始存储；
49.4.3在主程序中无限循环运行时，程序会不停的进入定时器中断，即定时器运行至一定次数时，定时器中断更新标志位会置1，然后进入定时器中断；每次进入中断都会轮询写入状态标志位是否置位，若置位，此时状态为(1，0)，进行4.4；若没有置位，则等待下次进入定时器中断，此定时器中断阈值设定为ad采集单元的频率；
50.4.4写入状态标志位立刻自增，进行数据块1过程1操作；当该过程完成时，写入完成标志位自增并进入下一操作，此时状态为(2，1)；
51.4.5当标志位判断位(2，1)时，进行数据块1过程2写入并在此轮询写入完成标志位，判断是否完成该块写入，若完成则写入完成标志位自增，进入4.6，此时状态为(2，2)；否则直接跳出中断等待下一次轮询；
52.4.6针对于数据块2写入过程，重复上述过程1及过程2的操作，完成写入标志位状态为(3，4)；
53.4.7轮询标志位，等待上述过程全部完成，写入状态标志位自增，此时状态为(4，4)，至此，全部写入过程完成，回到4.1。
54.采用上述实施例中提供的方法，分别与在主程序中进行存储(采用main function storage method，mfsm)和在优先级更高的中断中进行存储(采用interrupt triggered storage method，itsm)进行实验对比，结果如下表：
[0055][0056][0057]
基于上述，本发明的优点在于，本发明提出的基于定时器触发的sd双重轮询写入方式(dpsm)采用分时处理技术，将处理器的运行时间划分为短时间段，合理安排采样任务、数据处理任务、数据编码任务和数据存储任务的时间，充分利用资源，提高了资源利用率；同时，将web解决方案轮询结构的思想应用到程序中，借助dma设备模式，将单核单线程的mcu模拟为多线程，相较于在主程序中进行存储和在优先级更高的中断中进行存储，存储过程不会延迟整个采样周期，总时间消耗减少了90-95％，卡编程步骤的时间消耗减少了93-99％，这大大节省了存储占用的时序；将该方法应用于无人机微波辐射计，可以确保辐射计尽可能在时间上进行等间隔高频采样，并实时存储，保证了地面数据的空间连续性，有利于后续的数据处理和图像拼接；并且该存储方法具有良好的可移植性，除无人机辐射计外，还可用于提高多任务框架下的数据存储效率。
[0058]
对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。因此，无论
从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内。不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。