一种基于fpga的天气雷达信号处理装置的制造方法
【专利摘要】本实用新型公开了一种基于FPGA的天气雷达信号处理装置，包括信号处理模块和硬件定时及接口模块，所述信号处理模块包括数模转换模块、FPGA电路、数据打包模块、传输电路和控制接口，所述硬件定时及接口模块包括命令解析模块、定时电路、光耦隔离电路和外围接口电路；本实用新型一种基于FPGA的天气雷达信号处理装置以FPGA硬件为处理核心的天气雷达信号处理器，由FPGA硬件代替传统天气雷达信号处理器中的可编程信号处理器(DSP)或PC平台完成天气雷达信号处理算法及软件控制等功能，可解决因由DSP或PC平台而带来的硬件设计复杂、易出故障、软件调试及升级更新难、小型化、便携式等诸多问题。
【专利说明】
一种基于FPGA的天气雷达信号处理装置
技术领域
[0001]本实用新型涉及一种天气信号处理装置，尤其涉及一种基于FPGA的天气雷达信号处理装置。
【背景技术】
[0002]多普勒天气雷达是目前监测灾害性天气过程的重要手段之一，在航空航天、军事保障、气象灾害等领域得到广泛应用。其中雷达信号处理器是多普勒天气雷达的核心部件，是衡量整个多普勒天气雷达系统性能指标和信息提取的关键部件之一。此外，随着对气象灾害监测新需求的不断发展，多普勒天气雷达的承载平台由主流的地基平台，逐步发展到机载、星载平台。新平台的发展将对天气雷达信号处理器的稳定性、可靠性等性能提出了更高的要求。
[0003]目前一种多普勒天气雷达信号处理器采用可编程信号处理器板(DSP)、硬件信号处理器板及定时接口板等硬件构成，可编程信号处理器板由单个或多个DSP处理器组成，协调完成天气雷达信号的杂波滤除、谱参数估计及处理数据输出；硬件信号处理板完成雷达发射机、接收机定时信号的产生、天线数据接口、以及各种触发、控制信号的产生。定时接口板则完成雷达发射机、接收机、天线接口的接口电平的匹配以及电路隔离等。
[0004]随着计算机处理速度及总线技术的发展，上述基于可编程信号处理器板(DSP)的信号处理器向基于PC平台的算法处理方向发展，即由PC机和数据采集板两个硬件代替基于DSP处理器的可编程处理器板;数据采集板完成天气雷达回波信号I/Q数据、雷达命令和状态的传输，天气雷达杂波滤波、谱参数估计、数据传输则由计算机处理器完成。
[0005]上述处理方法存在下述缺点:
[0006]1、为达到多普勒天气雷达算法处理要求，可编程信号处理板一般由多个DSP处理器构成，加上必要的数据存储器、时序控制、信号接口、总线接口芯片，使硬件系统设计复杂，研发周期长、成本高。可编程信号处理器受DSP芯片的处理速度和板上资源限制，无法满足算法的不断更新升级需要;而信号处理器芯片受厂家芯片发展限制，目前DSP芯片速度相对较慢。更换整个处理板将导致系统成本、升级周期、软件重新适应等诸多问题，因此，将会导致硬件升级难；
[0007]2、基于可编程信号处理板的算法软件，不仅包含算法处理软件、还包括各种底层硬件驱动，软件开发难度大，对开发人员要求较高。且依赖于DSP处理器类型，目前很多厂家DSP处理器代码无法兼容，相互移植较为困难，导致处理器变更后，软件升级麻烦，难度大。
[0008]3、过分依赖于计算机，在星载或机载或小型化或便携式雷达等情况下，其对体积、功耗等要求很高，而无法使用计算机的情况下，因此，基于PC平台的处理器则无法使用。
[0009]4、可编程信号处理板中和基于PC平台处理器的算法处理由软件实现，易受外界干扰，容易出现处理器死机、程序跑飞等故障，导致整个信号处理器无法工作或者错误工作，必须靠系统复位才能重新启动工作。【实用新型内容】
[0010]本实用新型的目的就在于为了解决上述问题而提供一种基于FPGA的天气雷达信号处理装置。
[0011 ]本实用新型通过以下技术方案来实现上述目的:
[0012]一种基于FPGA的天气雷达信号处理装置，包括信号处理模块和硬件定时及接口模块:
[0013]所述信号处理模块包括数模转换模块、FPGA电路、数据打包模块、传输电路和控制接口，所述数模转换电路的输入端与数字接收机的信号端连接，所述数模转换电路的输出端与所述FPGA电路的输入端连接，所述FPGA电路的输出端与所述数据打包模块的输入端连接，所述数据打包模块的输出端通过所述传输电路输出基数据；
[0014]所述硬件定时及接口模块包括命令解析模块、定时电路、光耦隔离电路和外围接口电路，所述命令解析模块通过所述控制接口与所述FPGA电路的信号端连接，所述命令解析模块的信号端与所述定时电路的信号端连接，所述定时电路通过所述光耦隔离电路与所述外围接口电路连接，所述外围接口电路分别与所述数字接收机、发射机和天线连接。
[0015]具体地，所述FPGA电路包括用于数字下变频处理的FPGAl芯片和用于天气雷达信号处理的FPGA2芯片，所述FPGAI芯片的输入端与所述数模转换器的输出端连接，所述FPGAl芯片的I /Q数据输出端与所述FPGA2芯片的数据输入端连接，所述FPGA2芯片的基数据输出端与所述数据打包模块的输入端连接。
[0016]进一步，所述信号处理模块还包括时钟电路和数据缓存电路，所述时钟电路的时钟信号输出端与所述数模转换电路的时钟信号输入端连接，所述数据缓存电路的信号端与所述FPGA2芯片的缓存信号端连接。
[0017 ]具体地，所述传输电路包括光纤传输电路和网络传输电路。
[0018]具体地，所述定时电路包括接收机定时电路、发射机定时电路和天线接口电路。
[0019]优选地，所述信号处理模块和所述硬件定时及接口模块均设置在由铝材金属构成的屏蔽盒内。
[0020]本实用新型的有益效果在于:
[0021]本实用新型一种基于FPGA的天气雷达信号处理装置以FPGA硬件为处理核心的天气雷达信号处理器，由FPGA硬件代替传统天气雷达信号处理器中的可编程信号处理器(DSP)或PC平台完成天气雷达信号处理算法及软件控制等功能，可解决因由DSP或PC平台而带来的硬件设计复杂、易出故障、软件调试及升级更新难、小型化、便携式等诸多问题，使其具有以下优点:
[0022]1、用FPGA硬件实现天气雷达信号处理算法，可把数字中频和信号处理器两个硬件模块合二为一，结构紧凑，更适合于对体积要求严格的领域；
[0023]2、由FPGA硬件实现天气雷达信号处理算法，不依赖于PC机平台，使信号处理器为独立模块，供电条件简单，更适合便携式、航空、航天等领域的应用；
[0024]3、由FPGA硬件实现天气雷达信号处理算法，相对DSP或PC处理器，系统稳定性、可靠性更高，不易出现处理器死机、程序跑飞等程序故障。
[0025]4、由FPGA硬件实现天气雷达信号处理算法，其HDL程序代码，不依赖于具体的FPGA厂家和型号，程序代码移植、升级更新更容易。
[0026]5、由FPGA硬件实现天气雷达信号处理算法，其硬件设计相对简单，FPGA芯片发展速度较快，硬件更新相对更容易；
【附图说明】
[0027]图1是本实用新型所述一种基于FPGA的天气雷达信号处理装置的结构框图；
[0028]图2是本实用新型所述FPGA电路的工作流程图。
【具体实施方式】
[0029]下面结合附图对本实用新型作进一步说明:
[0030]如图1所示，本实用新型一种基于FPGA的天气雷达信号处理装置，包括信号处理模块和硬件定时及接口模块，信号处理模块和硬件定时及接口模块均设置在由铝材金属构成的屏蔽盒内。
[0031]信号处理模块包括数模转换模块、FPGA电路、数据打包模块、传输电路、控制接口、时钟电路和数据缓存电路，数模转换电路的输入端与数字接收机的信号端连接，数模转换电路的输出端与FPGA电路的输入端连接，FPGA电路的输出端与数据打包模块的输入端连接，数据打包模块的输出端通过传输电路输出基数据，时钟电路的时钟信号输出端与数模转换电路的时钟信号输入端连接，数据缓存电路的信号端与FPGA2芯片的缓存信号端连接，FPGA电路包括用于数字下变频处理的FPGAl芯片和用于天气雷达信号处理的FPGA2芯片，FPGAl芯片的输入端与数模转换器的输出端连接，FPGAl芯片的I/Q数据输出端与FPGA2芯片的数据输入端连接，FPGA2芯片的基数据输出端与数据打包模块的输入端连接，传输电路包括光纤传输电路和网络传输电路。
[0032]硬件定时及接口模块包括命令解析模块、定时电路、光耦隔离电路和外围接口电路，命令解析模块通过控制接口与FPGA电路的信号端连接，命令解析模块的信号端与定时电路的信号端连接，定时电路通过光耦隔离电路与外围接口电路连接，外围接口电路分别与数字接收机、发射机和天线连接，定时电路包括接收机定时电路、发射机定时电路和天线接口电路。
[0033]本实用新型一种基于FPGA的天气雷达信号处理装置的工作原理如下:
[0034]信号处理器模块由模数转换A/D电路、时钟电路、FPGA电路、网络传输电路、光纤传输电路、接口电路、数据缓存电路、电源电路等主要硬件电路组成。由铝材金属做屏蔽盒，对外提供SMA头、网络RJ-45、光纤插件，DB9P，DB25S插件作为信号接口。
[0035]硬件定时及接口模块核心为FPGA芯片，外围接低压差分芯片、5V差分芯片、RS232接口、TTL、LVTTL接口及光耦隔离电路等硬件电路。由铝材金属做屏蔽盒，对外提供DB9P，DB25S，DB62S等插件作为信号接口。
[0036]模数转换电路由两路16位高性能A/D转换芯片，由时钟电路提供高性能时钟，其中一路A/D芯片负责模拟中频到数字中频的变换，并将16位数字信号送FPGA，另一路负责发射机样本信号的采样，转换结果也送FPGA;
[0037]FPGA电路为核心处理电路，包括两块大容量FPGA芯片及对应的配置芯片，FPGAl芯片负责数字下变频算法处理，脉冲压缩算法可选择有或者无，由外部信号控制，最终输出I/Q数据到FPGA2芯片;FPGA2芯片负责天气雷达主要信号处理算法处理，包括基本杂波滤除、谱参数估计及处理流程控制、基数据打包等，最终输出一定格式的基数据；另外FPGA2芯片还负责与硬件定时及接口之间的参数接收与发送，命令控制等；网络接口和光纤接口，可以根据用户需要选择；网络传输主电路为TCP/IP硬件协议芯片，只需要FPGA配置，即可完成TCP/IP协议包的打包与传输。
[0038]硬件定时及接口模块核心为FPGA芯片，主要负责信号处理参数接收，发射机、接收机及天线各个状态的接收与发送，以及根据参数产生各种控制时序。外围接口及光耦隔离等硬件电路，负责与发射机、接收机及天线的电平接口，并通过光耦进行信号隔离，减少干扰。
[0039]FPGA电路的工作流程如图2所示，由A/D芯片转换的中频信号直接送到FPGAl芯片，在FPGAl芯片中，根据中频信号频率生成正弦和余弦本振信号，由本振信号与A/D信号进行混频转换成正交I/Q两路输出，然后分别进行抗混叠滤波，滤掉混频后的高频信号，保留低频信号输出，其中抗混叠滤波包含CIC滤波和多级FIR滤波器;然后再根据信号带宽，对信号进行抽取得到匹配信号带宽的数据率输出。脉冲压缩算法处理为可选算法模块，由用户根据需要决定，脉冲压缩算法主要为匹配滤波算法，外加一定窗函数加权;匹配滤波系数由A/D采集的发射样本信号，最终FPGAl芯片输出基带I/Q数据。
[0040]I/Q数据输出到FPGA2芯片后，由FPGA2芯片完成天气雷达算法处理，主要包括杂波滤除、强度、平均速度及谱宽计算等，其中杂波滤波主要采用无限冲击响应(IIR)椭圆滤波器，根据滤波凹口位置不同，滤波器系数不同，系数由存储器保存，使用直接从存储器调出。杂波滤除后，I/Q数据一路经过数字视频积分(DVIP)处理得到回波强度，距离平均根据雷达距离库长决定，并根据雷达常数和噪声基底计算反射率因子Z，平均速度及谱宽计算方法可在时域脉冲对处理法(PPP)和频域快速傅立叶处理法(FFT)两种之间可选，算法完成成输出平均径向速度及谱宽，按距离库输出。
[0041]数据打包模块的雷达相关数据包包括数据头和基数据，数据头包含数据标记符，天线俯仰角、方位角，噪声电平，脉冲重复频率，总距离库数，信号处理模式等;基数据主要是反射率因子、平均径向速度及速度谱宽，按照距离库的先后顺序排列，当是网络接口输出，该数据包嵌入TCP/IP协议中，以标准TCP/IP协议的数据包输出；当光纤接口输出时，无其他协议输出，数据包主要通过数据头标记符识别每个数据包的开始和结束。
[0042]使用FPGA硬件代替DSP或PC处理器作为天气雷达信号处理核心，实现杂波滤除、谱处理等关键天气雷达信号处理算法；
[0043]把现有的数字中频模块和信号处理器模块合成一块硬件模块，结构简单，一块FPGA硬件实现数字下变频算法和脉冲压缩算法，另一块FPGA芯片实现天气雷达杂波滤除、谱处理算法；
[0044]天气雷达基数据(强度、速度及谱宽)，以一定数据协议，通过TCP/IP网络或光纤接口输出，适合便携或小体积要求的领域应用；
[0045]把雷达硬件定时器和接口硬件模块合二为一，由一块FPGA接收信号处理器参数和命令控制，负责产生各种天气雷达控制时序，并接收各种天气雷达状态，发往信号处理器模块;外围各种接口芯片负责各种电平变换及隔离保护。
[0046]本实用新型的技术方案不限于上述具体实施例的限制，凡是根据本实用新型的技术方案做出的技术变形，均落入本实用新型的保护范围之内。
【主权项】
1.一种基于FPGA的天气雷达信号处理装置，其特征在于:包括信号处理模块和硬件定时及接口模块: 所述信号处理模块包括数模转换模块、FPGA电路、数据打包模块、传输电路和控制接口，所述数模转换电路的输入端与数字接收机的信号端连接，所述数模转换电路的输出端与所述FPGA电路的输入端连接，所述FPGA电路的输出端与所述数据打包模块的输入端连接，所述数据打包模块的输出端通过所述传输电路输出基数据； 所述硬件定时及接口模块包括命令解析模块、定时电路、光耦隔离电路和外围接口电路，所述命令解析模块通过所述控制接口与所述FPGA电路的信号端连接，所述命令解析模块的信号端与所述定时电路的信号端连接，所述定时电路通过所述光耦隔离电路与所述外围接口电路连接，所述外围接口电路分别与所述数字接收机、发射机和天线连接。2.根据权利要求1所述的一种基于FPGA的天气雷达信号处理装置，其特征在于:所述FPGA电路包括用于数字下变频处理的FPGAl芯片和用于天气雷达信号处理的FPGA2芯片，所述FPGAI芯片的输入端与所述数模转换器的输出端连接，所述FPGAI芯片的I /Q数据输出端与所述FPGA2芯片的数据输入端连接，所述FPGA2芯片的基数据输出端与所述数据打包模块的输入端连接。3.根据权利要求2所述的一种基于FPGA的天气雷达信号处理装置，其特征在于:所述信号处理模块还包括时钟电路和数据缓存电路，所述时钟电路的时钟信号输出端与所述数模转换电路的时钟信号输入端连接，所述数据缓存电路的信号端与所述FPGA2芯片的缓存信号端连接。4.根据权利要求2所述的一种基于FPGA的天气雷达信号处理装置，其特征在于:所述传输电路包括光纤传输电路和网络传输电路。5.根据权利要求1所述的一种基于FPGA的天气雷达信号处理装置，其特征在于:所述定时电路包括接收机定时电路、发射机定时电路和天线接口电路。6.根据权利要求1所述的一种基于FPGA的天气雷达信号处理装置，其特征在于:所述信号处理模块和所述硬件定时及接口模块均设置在由铝材金属构成的屏蔽盒内。
【文档编号】G01S13/95GK205507073SQ201620254977
【公开日】2016年8月24日
【申请日】2016年3月30日
【发明人】李学华, 侯小宇, 王传志
【申请人】成都信息工程大学