[发明专利]防止探地雷达数据采集系统中数据溢出的方法

摘要

针对探地雷达数据采集系统中数据实时采样率高(8GSamples/s)而传输和存储速度慢所引起的数据溢出丢失问题，本发明提出一个防止数据溢出的技术方法，方法包括：1.数字转换器ADC采集模式配置，包括多缓冲区同步采集并读取模式(SARM)和序列采集模式(SAM)；2.多线程并行处理，不同线程分配完成数据采集与存储任务；3.临界区控制，通过互斥信号量确保不同线程对数字化仪内存的互斥访问；4.先进先出数据队列结构，确保采集数据的有序传输与存储；5.固态硬盘的使用可提高数据存储效率。本发明将计算机技术与电子信息技术耦合在一起，解决了探地雷达数据采集系统中的数据溢出问题，成功实现了数据的实时采集与存储。

主权项

一种防止探地雷达数据采集系统中因采样和存储速度不匹配导致数据溢出的方法，其特征在于，在雷达数据采集和存储过程中，根据任务的不同依次采用不同的技术来提高数据传输和存储的速度，进而防止探地雷达数据采集系统中的数据溢出；所述数据采集和写入过程包括以下步骤：1)数字转换器ADC采集模式配置及雷达反射信号的采集：设探地雷达系统有N个通道(即有N对天线，相互独立的发射并接受反射信号)，N个通道的雷达反射信号根据不同的时间延迟依次通过数字转换器ADC，经过ADC采样、读取、传输和存储过程后还原出每个波形，从而实现雷达反射信号的采集，其中ADC的采样速率为8GSamples/s；为实现了雷达反射信号数据采集的连续性和完整性，ADC配置两种采集模式并在ADC工作时同时运行：多缓冲区同步采集并读取模式SARM和序列采集模式SAM，以提高雷达采样数据传输的速度；在该SARM模式下ADC内存被分成若干个循环缓冲区单元(单元个数取值范围为2‑1000，多个循环缓冲区单元同时进行数据采集和数据导出，当某一个循环缓冲区单元内的数据被读取并导出时，其它任一个空置循环缓冲区单元采集数据；在单个的循环缓冲区单元内部以SAM模式运行，对连续接收的雷达反射信号进行采集，以避免造成数据丢失；2)头文件数据的采集：探地雷达数据采集包括雷达反射信号的采集和头文件数据的采集，以满足后期数据处理和解译的需要；头文件数据包括时间戳信息数据、测量轮编码器数据和通道标签数据，其分别记录的是雷达反射信号采集的时刻点信息、距离信息和雷达数据的通道信息；3)多线程并行处理：为加快雷达反射信号数据和头文件数据的采集、传输和存储速度，采用M个线程来完成探地雷达数据采集系统中不同的雷达反射信号和头文件数据采集与写入任务(M值为计算机CPU的个数，一 般为4‑8个)，其中，P个线程来完成雷达反射信号的采集任务和头文件数据的添加合并任务，Q个线程来完成头文件数据的采集任务，R个线程来完成数据块的写入任务(即将该数据存储到计算机硬盘中)；P+Q+R＝M；各个线程在数据采集和写入过程中各自都以循环形式相互独立工作；具体包括：31)头文件数据组生成：Q个线程分别完成头文件三种数据的采集任务，其中时间戳信息数据由计算机CPU计算得出，测量轮编码器数据由一个测量轮编码器及一个QSB‑M采集设备采集，通道标签数据由线程可编程门阵列FPGA生成并通过一个QSB‑M采集设备进行采集；建立一个数据组，将这三种采集后的数据按照各自的数据类型保存在该数据组内，待P个线程来调用；此数据组内数据循环更新，且不受P个线程的影响；32)ADC内存数据读取的临界区段控制：ADC内存是一个共用资源，它在同一时间内只允许一个线程对数字化仪内存进行访问并读取数据；临界区段包括线程开始进入ADC内存并读取数据，一直到退出ADC内存的整个过程；P个线程中，当一个线程进入临界区段时，其他P‑1个线程则被挂起，当该线程退出临界区段时，其他P‑1个挂起线程中的任一个线程随机进入临界区，与此同时，退出临界区段的线程开始调用当前数据组中的头文件数据并添加合并到该线程读取的雷达反射信号中，然后再等待进入该临界区段，以此过程循环往复进行；这一机制可加快ADC内存数据读取的速度并避免因数据读取速度慢而引起的数据堵塞溢出问题；33)先进先出数据队列结构：在计算机内存中建立一个数据队列缓冲区，将P个线程读取的数据块依照读取时间按照先进先出的顺序存储在该缓冲区中；P个线程最新读取的数据块总是放在队列的尾部，而R个线程总是从队列头部来读取数据块，当某一个数据块被R个线程中的任一线程读取并存 储到计算机硬盘中后，该数据块立刻从该队列中删除，从而确保了队列的规模在可控范围内并加快了写入速度并避免数据写入速度慢引起的数据堵塞溢出问题；为了更进一步加快数据存储的速度，在R个线程完成数据块的写入任务时，将数据块直接写入到固态硬盘中。相对于传统硬盘，固态硬盘的使用大大提高了写入速度(比如传统硬盘写入速度为60Mb/s，而固态硬盘的写入速度可以达到140Mb/s)。