CN103267968A - 一种气象雷达信号处理控制装置和控制方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种气象雷达信号处理控制装置和控制方法,包括雷达视频信号采集模块、时钟采样模块、FPGA处理器、电机驱动控制电路、步进电机驱动器、千兆以太网通信模块,其中雷达视频信号采集模块包括差分运算放大器和ADC高速信号采集器,所述差分运算放大器、时钟采样模块分别与ADC高速信号采集器连接;所述ADC高速信号采集器与FPGA处理器连接。本发明能够对便携式雷达信号进行实时信号处理、雷达天线方位俯仰实时控制和角度反馈信息监控、GPS全球卫星定位、与外部上位机进行数据的高速数据的相互传输、雷达工作方式的实时控制,满足对雷达的基本设置和控制的要求,具有结构简单、稳定可靠、功能齐全、操作方便的优点。
Description
技术领域
本发明涉及一种X波段气象雷达信号处理和雷达控制装置,尤其涉及一种气象雷达视频信号处理和雷达基本工作模式控制装置,用于便携式X波段气象雷达信号高速数据采集和信号算法处理、雷达基本操作控制、雷达与计算机之间相互数据的高速传输。
背景技术
年来随着我国气象事业的不断发展,气象雷达在云雨监测过程中起到非常重要的作用,而便携式气象雷达可以实现对方圆100KM内的云雨进行实时监控,在实时天气监控、抗洪救灾和人工影响天气方面发挥着重大的作用。并具有测量精度高、雷达站移动方便(雷达气象车)、稳定性好、操作简单等特点。现已在县级城市和移动观测部门中得到广泛应用。
目前,多数气象雷达都是对其回波信号的中频进行采样来计算目标距离、移动速度和回波强度等信息,从而导致处理方式复杂、难度较大并且多数为固定站点不具有便携式特点。且现有技术中是通过运放先进性信号反转将负电平转化为正电平再进行信号幅度调整,也就是经过两次运放,这样也加大了引入噪声的可能性,并且采用的是单端输入输出方式并不能有效的抑制共模干扰。
发明内容
本发明所要解决的技术问题在于克服现有技术的不足,提供一种能够对便携式雷达信号进行实时信号处理、雷达天线方位俯仰实时控制和角度反馈信息监控、GPS全球卫星定位、与计算机进行数据的高速数据的相互传输、雷达工作方式的实时控制的装置。
本发明具体采用以下技术方案解决上述技术问题:
一种气象雷达信号处理控制装置,包括雷达视频信号采集模块、时钟采样模块、FPGA处理器、电机驱动控制电路、步进电机驱动器、千兆以太网通信模块,其中雷达视频信号采集模块、FPGA处理器、千兆以太网通信模块依次连接,所述千兆以太网通信模块与外部上位机连接;所述时钟采样模块、电机驱动控制电路的一端分别与FPGA处理器连接;所述电机驱动控制电路的另一端与步进电机驱动器连接;所述步进电机驱动器与外部雷达天线连接;所述雷达视频信号采集模块包括差分运算放大器和ADC高速信号采集器,所述差分运算放大器、时钟采样模块分别与ADC高速信号采集器连接;所述ADC高速信号采集器与FPGA处理器连接。
作为本发明的一种优选技术方案:所述时钟采样模块包括依次连接的有源晶振、射频变压器、时钟分配器,其中时钟分配器分别与所述ADC高速信号采集器、FPGA处理器连接;所述有源晶振的系统时钟经射频变压器转化为差分信号后输入到时钟分配器,所述时钟分配器输出两路差分信号,一路作为ADC高速信号采集器的采样时钟、另一路作为FPGA处理器的系统时钟。
作为本发明的一种优选技术方案:所述差分运算放大器的差分输出信号的峰峰值为2V。
作为本发明的一种优选技术方案:还包括GPS全球卫星定位模块,所述GPS全球卫星定位模块与FPGA处理器连接;通过GPS全球卫星定位模块进行定位后将定位数据传输至FPGA处理器,FPGA处理器接收到雷达站点的定位信息并通过千兆以太网通信模块送至外部上位机进行显示。
作为本发明的一种优选技术方案:所述有源晶振的频率为100MHz。
作为本发明的一种优选技术方案:所述ADC高速信号采集器的型号为14位的AD9246高速采集器。
作为本发明的一种优选技术方案:所述差分运算放大器的型号为AD8138的差分运算放大器。
作为本发明的一种优选技术方案:所述千兆以太网通信模块与外部上位机通过UDP协议实现两者之间相互数据的传递。
一种上述气象雷达信号处理控制装置的控制方法,包括以下步骤:
步骤1,将外部电平范围在0至-4V的雷达视频信号输入至差分运算放大器;
步骤2,差分运算放大器将单端输入的雷达视频信号转化为差分信号,并且将其运放倍数调整为1/2使差分输出信号的峰峰值为2V,然后将调整后的差分信号输出至ADC高速采集器;
步骤3,ADC高速信号采集器在采样时钟的作用下对接收到的差分信号进行实时采样,将其转化为数字信号后输出至FPGA处理器;
步骤4,FPGA处理器在雷达触发脉冲的上升沿开始接收,FPGA处理器将接收到的数字信号进行处理,并将信号处理结果通过千兆以太网通信模块送给外部上位机进行数据处理;
步骤5,所述FPGA处理器同时接收外部上位机对雷达天线的方位俯仰的控制指令,并通过电机驱动控制电路来驱动步进电机驱动器,实现对雷达天线的控制;
步骤6,所述雷达天线的方位和俯仰信息反馈至FPGA处理器,并经过FPGA处理器处理后将该雷达天线的方位和俯仰信息发送至外部上位机实时显示天线的位置状态。
本装置的基本工作原理是:接收到的气象雷达视频信号首先经过运算放大器并使其由单端视频信号转化为差分信号输出且使其差分信号幅度在ADC高速信号采集器输入的电压范围内,ADC高速信号采集器在采样时钟的作用下对接收到的差分信号进行实时采样将其转化为数字信号然后输出至FPGA处理器,FPGA处理器在雷达触发脉冲的上升沿开始接收ADC高速信号采集器的数字信号、将接收到的数字信号进行信号格式转化、径向积累、低通滤波、信号抽取等信号处理算法并将信号处理结果通过千兆以太网通信模块送给外部上位机进行进一步数据处理。ADC高速信号采集器采样时钟和FPGA处理器系统时钟由100MHz有源晶振通过时钟分配器以差分形式分别送至ADC高速信号采集器和FPGA处理器,即ADC高速信号采集器和FPGA处理器是在同一时钟作用下进行,这样保证了系统的同步性。FPGA处理器通过千兆以太网同时接收外部上位机的雷达控制指令指令并通过电机驱动控制电路的Buffer芯片来驱动步进电机驱动器实现对雷达天线的转速、转动时间、转动方向、扫描方式的控制,方位俯仰编码信息解码电路同时接收来自方位编码器、俯仰编码器的方位和俯仰信息并经过FPGA处理器处理后送给上位机来实时显示天线的位置状态。处理GPS全球卫星定位模块的定位数据并得到雷达站点的经度、纬度等定位信息并通过千兆以太网送至外部上位机来显示当前经纬度信息。
本发明在FPGA处理器的控制下可以实现对雷达视频信号的高速数据采集与信号处理并将信号处理结果通过千兆以太网的UDP协议送至计算机、与计算机的相互通信、对雷达天线方位和俯仰的控制及实时显示、对雷达的基本控制、GPS全球卫星定位等。本装置采用正负电源给运放供电,同时采用差分运放的方式将接收单端负电平转化成差分信号输出且进行差分信号的反转时正负输出端的差值转化为正电平并且调整为0~2V范围送给ADC进行采集,即调整差分输出信号的峰峰值为2V,这样通过差分方式可以抑制共模干扰,大大提高信号质量。同时ADC采用14位高速100MHz采样,与现有12位的20-40MHz的采样相比大大提高了采样精度,有效的提高信号的信噪比,同时对测量的目标的距离精度更加精确。因此本发明不需要速度信息,只需要对其视频回波信号进行高速信号采集,只需提取强度和距离信息即可。因此其特点为结构相对简单、功能齐全、性能可靠、移动方便等。
附图说明
图1为本发明的一种气象雷达信号处理控制装置和控制方法的结构框图。
图2为本发明的一种气象雷达信号处理控制装置和控制方法的硬件结构示意图。
图3为本发明的一种气象雷达信号处理控制装置和控制方法的信号处理流程图。
图4为本发明的一种气象雷达信号处理控制装置和控制方法的雷达控制流程图。
具体实施方式
如图1所示,本发明设计了一种气象雷达信号处理控制装置,包括雷达视频信号采集模块、时钟采样模块、FPGA处理器、电机驱动控制电路、步进电机驱动器、千兆以太网通信模块,其中雷达视频信号采集模块、FPGA处理器、千兆以太网通信模块依次连接,所述千兆以太网通信模块与外部上位机连接;所述时钟采样模块、电机驱动控制电路的一端分别与FPGA处理器连接;所述电机驱动控制电路的另一端与步进电机驱动器连接;所述步进电机驱动器与外部雷达天线连接;所述雷达视频信号采集模块包括差分运算放大器和ADC高速信号采集器,所述差分运算放大器、时钟采样模块分别与ADC高速信号采集器连接;所述ADC高速信号采集器与FPGA处理器连接;所述外部电平范围在0至-4V的雷达视频信号输入至差分运算放大器,差分运算放大器将单端输入的雷达视频信号转化为差分信号,并且将其运放倍数调整为1/2使差分输出信号的峰峰值为2V,然后将调整后的差分信号输出至ADC高速采集器;ADC高速信号采集器在采样时钟的作用下对接收到的差分信号进行实时采样将其转化为数字信号后输出至FPGA处理器,FPGA处理器在雷达触发脉冲的上升沿开始接收,ADC高速信号采集器的数字信号并将接收到的数字信号进行处理并将信号处理结果通过千兆以太网通信模块送给外部上位机进行数据处理;所述FPGA处理器同时接收外部上位机对雷达天线的方位俯仰的控制指令并通过电机驱动控制电路来驱动步进电机驱动器实现对雷达天线的控制,所述雷达天线的方位和俯仰信息反馈至FPGA处理器并经过FPGA处理器处理后将该雷达天线的方位和俯仰信息发送至外部上位机实时显示天线的位置状态。
时钟采样模块包括依次连接的有源晶振、射频变压器、时钟分配器,其中时钟分配器分别与所述ADC高速信号采集器、FPGA处理器连接;所述有源晶振的系统时钟经射频变压器转化为差分信号后输入到时钟分配器,所述时钟分配器输出两路差分信号,一路作为ADC高速信号采集器的采样时钟、另一路作为FPGA处理器的系统时钟。装置还包括GPS全球卫星定位模块,所述GPS全球卫星定位模块与FPGA处理器连接;通过GPS全球卫星定位模块进行定位后将定位数据传输至FPGA处理器,FPGA处理器接收到雷达站点的定位信息并通过千兆以太网通信模块送至外部上位机进行显示。
本发明的气象雷达信号处理和雷达控制装置,结构如图2所示,包括FPGA处理器为Virtex-4 FX 12 Mini Module模块、ADC高速信号采集器为14位的AD9246、差分运算放大器AD8138、RS485差分收发器ADM3485、GPS全球卫星定位模块GS-89M-J、时钟分配器为MC100LEV310、电机驱动控制器为74HCT245、RS232串行接口收发器、稳压电源供电电路。
本发明的工作过程如图2、图3、图4所示,具体为:
(1)、首先,差分运算放大器将单端输入的雷达视频信号转化为差分信号,并且将其运放倍数调整为1/2使差分输出信号的峰峰值为2V,然后将调整后的差分信号输出至ADC高速采集器;ADC高速信号采集器AD9246对输入的模拟信号在100MHz采样时钟的采样下转化为数字信号并通过14位数据线传输至FPGA处理器进行处理。FPGA处理器首先在触发脉冲的上升沿开始对接收到的ADC高速信号采集器的二进制补码数据进行接收并将其转化为二进制无符号数,同时根据雷达不同的显示量程进行信号的径向累计,显示量程如30KM、60KM、120KM等,不同的量程显示距离累计数有所不同。将径向积累结果以固定的点数临时存储在FPGA处理器中的FIFO核中等待数据发送,数据的发送过程是在脉冲重复周期内完成的,也就是说在下次脉冲到来时刻就要完成数据的发送,最后FPGA处理器以固定的数据格式将FIFO中的数据通过千兆网口发送至上位机中进行进一步的数据处理和雷达界面的显示。
(2)、FPGA处理器通过串口接收并处理来自GPS的全球卫星定位数据,并将处理后的数据通过千兆以太网接口送给上位机进行雷达站位置的显示和处理。
(3)、100MHz的有源晶振的系统时钟首先经射频变压器使将其转化为差分信号,然后输入到时钟分配器MC100LEV310输出两路差分信号,一路作为ADC高速信号采集器AD9246的采样时钟、另一路作为FPGA处理器的系统时钟。
(4)、FPGA处理器通过千兆以太网口接收来自外部上位机的对雷达天线的方位、俯仰的控制。包括雷达天线转速、转动时间、转动方向,天线扫描方式如:PPI扫描、RHI扫描等多种扫描方式。FPGA处理器将接收到的控制数据通过VHDL编程实现的控制算法产生步进脉冲信号、使能信号和方向控制信号并通过与FPGA处理器相连接的电机驱动控制器Buffer芯片74HCT245来驱动步进电机驱动器来控制电机,从而使雷达按照我们的要求进行旋转。
(5)、FPGA处理器接收来自上位机的对雷达的控制信息雷达脉宽选择、脉冲重复周期选择、雷达收发机开/关选择、触发脉冲的开/关选择信号进行处理并通过与之相连接的驱动器ADM3485转化成RS485信号实现对雷达的各种控制。同时FPGA处理器通过另一路ADM3485接收来自收发机的反馈信息来实时监控收发机的当前状态。
(6)、FPGA处理器同时接收来自光电编码器的对方位和俯仰电机的编码信号,并将该信号解析为方位和俯仰的角度信息;FPGA处理器通过DS90LV32接收来自方位和俯仰电机的角度编码信息,并将接收的差分信号转化为单端输入到FPGA处理器中,FPGA处理器同时将接收到的信号通过译码算法解析出方位角度和俯仰角度且通过千兆网口送至上位机进行显示和处理。
(7)、整个装置采用+5V供电系统,通过线性稳压器LT1764分别产生+3.3V、+2.5V和+1.2V电源供FPGA模块使用,+5V通过MC34063产生-12V电压并通过LT1964将-12V转化为-5V供运放AD8138使用。通过AMS1117和LT1963分别产生+1.8V和+2.5V电压供高速采集器AD9246来使用。其他器件的供电分别使用+5V和之前生成的+3.3V供电即可。
因此本发明的气象雷达信号采集处理和雷达控制装置能满足对雷达视频信号处理和与计算机高速通信的技术要求,又满足对雷达的基本设置和控制的要求,具有结构简单、稳定可靠、功能齐全、操作方便的优点,非常适合于便携式气象雷达的信号处理、天线和雷达控制和与上位机通信部分的实现。
Claims (9)
1.一种气象雷达信号处理控制装置,包括雷达视频信号采集模块、时钟采样模块、FPGA处理器、电机驱动控制电路、步进电机驱动器、千兆以太网通信模块,其中雷达视频信号采集模块、FPGA处理器、千兆以太网通信模块依次连接,所述千兆以太网通信模块与外部上位机连接;所述时钟采样模块、电机驱动控制电路的一端分别与FPGA处理器连接;所述电机驱动控制电路的另一端与步进电机驱动器连接;所述步进电机驱动器与外部雷达天线连接;其特征在于:所述雷达视频信号采集模块包括差分运算放大器和ADC高速信号采集器,所述差分运算放大器、时钟采样模块分别与ADC高速信号采集器连接;所述ADC高速信号采集器与FPGA处理器连接。
2.根据权利要求1所述的一种气象雷达信号处理控制装置,其特征在于:所述时钟采样模块包括依次连接的有源晶振、射频变压器、时钟分配器,其中时钟分配器分别与所述ADC高速信号采集器、FPGA处理器连接;所述有源晶振的系统时钟经射频变压器转化为差分信号后输入到时钟分配器,所述时钟分配器输出两路差分信号,一路作为ADC高速信号采集器的采样时钟、另一路作为FPGA处理器的系统时钟。
3.根据权利要求1所述的一种气象雷达信号处理控制装置,其特征在于:所述差分运算放大器的差分输出信号的峰峰值为2V。
4.根据权利要求1所述的一种气象雷达信号处理控制装置,其特征在于:还包括GPS全球卫星定位模块,所述GPS全球卫星定位模块与FPGA处理器连接;通过GPS全球卫星定位模块进行定位后将定位数据传输至FPGA处理器,FPGA处理器接收到雷达站点的定位信息并通过千兆以太网通信模块送至外部上位机进行显示。
5.根据权利要求2所述的一种气象雷达信号处理控制装置,其特征在于:所述有源晶振的频率为100MHz。
6.根据权利要求1所述的一种气象雷达信号处理控制装置,其特征在于:所述ADC高速信号采集器的型号为14位的AD9246高速采集器。
7.根据权利要求1所述的一种气象雷达信号处理控制装置,其特征在于:所述差分运算放大器的型号为AD8138的差分运算放大器。
8. 根据权利要求1所述的一种气象雷达信号处理控制装置,其特征在于:所述千兆以太网通信模块与外部上位机通过UDP协议实现两者之间相互数据的传递。
9.一种基于权利要求1所述的一种气象雷达信号处理控制装置的控制方法,包括以下步骤:
步骤1,将外部电平范围在0至-4V的雷达视频信号输入至差分运算放大器;
步骤2,差分运算放大器将单端输入的雷达视频信号转化为差分信号,并且将其运放倍数调整为1/2使差分输出信号的峰峰值为2V,然后将调整后的差分信号输出至ADC高速采集器;
步骤3,ADC高速信号采集器在采样时钟的作用下对接收到的差分信号进行实时采样,将其转化为数字信号后输出至FPGA处理器;
步骤4,FPGA处理器在雷达触发脉冲的上升沿开始接收,FPGA处理器将接收到的数字信号进行处理,并将信号处理结果通过千兆以太网通信模块送给外部上位机进行数据处理;
步骤5,所述FPGA处理器同时接收外部上位机对雷达天线的方位俯仰的控制指令,并通过电机驱动控制电路来驱动步进电机驱动器,实现对雷达天线的控制;
步骤6,所述雷达天线的方位和俯仰信息反馈至FPGA处理器,并经过FPGA处理器处理后将该雷达天线的方位和俯仰信息发送至外部上位机实时显示天线的位置状态。
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Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
C06 | Publication | ||
PB01 | Publication | ||
C10 | Entry into substantive examination | ||
SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
C04 | Withdrawal of patent application after publication (patent law 2001) | ||
WW01 | Invention patent application withdrawn after publication |
Application publication date: 20130828 |