CN105699981B - 一种测量云层高度和厚度的硬件和软件配合方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种测量云层高度和厚度的硬件和软件配合方法通过发射高速激光脉冲序列的自动发射和自动采集，将采集到的离散数据存储在FPGA中，并提供嵌入式处理器来处理；本发明采用高速FPGA发射脉冲和数据采集，比其他硬件系统速度更快，更加节省片外资源，本发明还采用根据曲率分段以及快速小波滤波的方法，比应用单一数值计算方法的实时性更好，灵活更高，有效提高了测量精度；与现有技术相比，基于高速FPGA的云层高度及厚度测量仪的特点是速度快，处理系能强，单片集成，无需多余的外围芯片，便于实现SOPC和分块移植，可用于连续、无线及远程测量，在气象、民用和交通等各个领域有着广泛的应用。
Description
技术领域
本发明属于气象检测技术领域，涉及一种测量云层高度和厚度的硬件和软件配合方法，尤其涉及一种基于高速FPGA特性并采用极其陡峭的脉冲上升沿和全光路数据采集的硬件方法和根据曲率分段以及快速小波滤波的提高云层高度的测量精度的软件方法。
背景技术
云层高度和厚度测量是应用光学原理和电子传感器及处理技术，利用高能脉冲发射和接收时间差的关系进而测算距离而建立起来的一类分析方法。基于高速FPGA的云层高度及厚度测量仪的特点是速度快，处理系能强，单片集成，无需多余的外围芯片，便于实现SOPC和分块移植，可用于连续、无线及远程测量，在气象、民用和交通等各个领域有着广泛的应用。
在云层高度和厚度测量仪器的实测过程中，由于激光的传输速度极快并且大气环境干扰和后向反射信号微弱，使采集数据中存在一定噪声，同时由于高速A/D转换、数据采集等原因，测量仪实测数据中必定会存在异常值，从而降低测量精度。因此，提出一种适合测量云层高度及厚度的高速硬件采集方案和数据平滑处理方法是提高仪器测量精度的必要手段。
目前，对于仪器的硬件处理方案是基于TDC时间处理芯片的时间测量方案；测量数据的平滑处理主要采用数值计算方法，如利用加权平均滑动及偏最小二乘法建立多元线性回归模型，从而提高检测精度的方法。但该两种方法一个是不便于留下原始的高频信号，另一个是将多个测量点代入模型进行计算以减少外部因素的影响，不适合云层高度及厚度测量仪器使用。
在云层高度及厚度测量理中，一般情况是使用时间数字转换芯片(TDC)。应用TDC时间数字转换的方法，简单的依赖TDC芯片的转换，很难观测干扰和云层的反射情况，且依赖于TDC时间芯片。
发明内容
针对现有技术中的不足之处，本发明提供一种测量云层高度和厚度的硬件和软件配合方法，利用高速FPGA的对高频脉冲的高精度采集特性以及根据曲率分段以及快速小波滤波的方法进行处理。
为解决上述技术问题，本发明采用以下技术方案：一种测量云层高度和厚度的硬件装置，其特征是，包括FPGA，所述FPGA分别连接激光驱动模块、信号接收模块、信号转换模块、液晶显示模块和片外闪存模块，所述激光驱动模块连接激光发射器，所述激光发射器为905nm激光发射器，所述信号接收模块包括PIN光电传感器、ADC模块和信号调理模块，所述PIN光电传感器连接宽带电压调理模块，所述宽带电压调理模块连接ADC模块，所述信号转换模块包括max232电平转换模块及与其通信的上位机，液晶显示模块为LCD12864液晶显示模块，所述FPGA内部集成了IP core，所述IP core包括系统架构互联总线、nios ii处理器、ADC控制接口、DMA控制接口、激光脉冲控制接口、片上sram1、片上sram2、avalon-mm三态桥接口、RS-232接口、LCD接口和avalon-mm总线，所述max232电平转换模块连接RS-232接口，所述ADC模块连接ADC控制接口，所述激光驱动模块连接激光脉冲控制接口，所述LCD12864液晶显示模块连接LCD接口，所述片外闪存模块连接三态桥接口。
硬件装置发射高速激光脉冲序列的自动发射和自动采集，将采集到的离散数据存储在FPGA中，并提供嵌入式处理器来处理，其特征是，包括如下步骤：
S01，将由高速FPGA数据采集器采集到的多组真实数据，通过平均的方法得到的处于脉冲段的数据向量R0[X0,X1…Xn]作为参考向量(一帧选取n+1个数据)，以测量时间为X轴，测量数据为Y轴，将样本拟合成平面曲线S1；
S02，定义平面曲线S1中曲率为Kt(Kt0≤Kt≤Kt1)的曲线段为基线段(其中Kt0，Kt1定义了基线段的曲率范围)，曲率为Kf(Kf0≤Kf≤Kf1)的曲线段为脉冲段(其中Kf0，Kf1定义了脉冲段的曲率范围)；
S03，实际测量中，将使用高速FPGA采集器测得的数据R[X0,X1…Xg](一次后向反射总共采集g个数据)拟合为平面曲线S2；
S04，基于曲线的曲率为平面曲线S2分段；
S05，对于属于非脉冲线段的S2的曲线段R′[X0,X1…Xn]，直接舍弃，取属于脉冲段的平面曲线S2的曲线段R″[X0,X1…Xn]，使用快速小波除噪法进行处理，最后逆变换得到脉冲回波信号，从而消除测量数中的噪声和异常值；
S06，将分好段的脉冲段的平面曲线S2的曲线段R″分帧后分别与参考向量R0进行灰色关联分析；
S07，将灰色关联系数大小进行冒泡排序，求出系数最大的序列，取该序列的第一个点，并求出该点占整个序列的位置，由此算出脉冲的往返时间，最终根据公式s＝0.5*v*t，算出云层的高度。其中，s是云层的高度，v是光速，t是光脉冲往返的时间。
S08，若云层有一定厚度，并且有多层云，则在一次回波接收中可以得到几次距离较近且信号较弱的脉冲上升前沿，通过该脉冲上升前沿，将相邻两层云之间的高度值相减，即可得到云层的厚度，重复以上步骤，即可得到第二层，第三层等等若干的云层厚度。
进一步的，步骤S04包括以下步骤：在曲线S2上选取n个测量点，计算其曲率K[K 0，K1…Kn]，将K分别和Kt，Kf对比，若K∈Kt，那么该测量点属于基线段，若K∈Kf，则该测量点属于脉冲段。
进一步的，步骤S05所述小波除噪法选取db4，深度为3层的变换，去除d1,d2,d3中的高频。
进一步的，步骤S05所述小波除噪法中分解算法的表达式为：f(t)＝∑ncm+1，nφm+1，l(t)，重构算法的表达式为：f(t)＝∑ncm，kφm，k(k)+∑ndm，kφm，t(t)，
其中，φm，k是尺度函数，c是小波滤波器滤波系数，c0＝0.4829629131445341，c1＝0.8365163037378079，c2＝0.2241438680420134，c3＝-0.1294095225512604，n是一维信号的离散点的长度。
进一步的，步骤S06所述灰色关联分析包括灰色关联系数和关联度，灰色关联系数的其表达式为：
其中，分辨系数ρ＝0.5，Δ(min)为两级最小差，Δ(max)为两级最大差，Δxi(k)为各比较数列Xi曲线上的每一个点与参考数列X0曲线上的每一个点的绝对差值。
进一步的，步骤S07中取序列第一个点X0为回脉冲回波开始点。
本发明所达到的有益效果：本发明所述一种测量云层高度和厚度的硬件和软件配合方法，得到了预设的采集数据，基本消除了噪声和异常值，提高了云层高度及厚度的数据测量精度，本发明采用高速FPGA发射脉冲和数据采集，比其他硬件系统速度更快，更加节省片外资源；本发明还采用数据分段平滑的方法，比应用单一数值计算方法的实时性更好，灵活更高，有效提高了测量精度；与现有技术相比，基于高速FPGA的云层高度及厚度测量仪的特点是速度快，处理系能强，单片集成，无需多余的外围芯片，便于实现SOPC和分块移植，可用于连续、无线及远程测量，在气象、民用和交通等各个领域有着广泛的应用。
附图说明
图1为本发明的硬件框图。
图2为本发明的软件流程图。
图3为本发明实施方式中分段前的数据拟合平面曲线S2示意图；
图4为本发明实施方式中分段后某一脉冲上升段经快速小波处理前后的示意图；
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步描述。以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，而不能以此来限制本发明的保护范围。
如图1所示，一种测量云层高度和厚度的硬件装置，其特征是，包括FPGA，所述FPGA分别连接激光驱动模块、信号接收模块、信号转换模块、液晶显示模块和片外闪存模块，所述激光驱动模块连接激光发射器，所述激光发射器为905nm激光发射器，所述信号接收模块包括PIN光电传感器、ADC模块和宽带信号调理模块，所述PIN光电传感器连接宽带电压调理模块，所述宽带电压调理模块连接ADC模块，所述信号转换模块包括max232电平转换模块及与其通信的上位机，液晶显示模块为LCD12864液晶显示模块，所述FPGA内部集成了IPcore，所述IP core包括系统架构互联总线、nios ii处理器、ADC控制接口、DMA控制接口、激光脉冲控制接口、片上sram1、片上sram2、avalon-mm三态桥接口、RS-232接口、LCD接口和avalon-mm总线，所述max232电平转换模块连接RS-232接口，所述ADC模块连接ADC控制接口，所述激光驱动模块连接激光脉冲控制接口，所述LCD12864液晶显示模块连接LCD接口，所述片外闪存模块连接三态桥接口。
激光头驱动模块：使用Altera高速FPGA-Cyclone iv发射具有陡峭脉冲前沿驱动905nm激光发射器发射高频激光。
宽带电压调理模块：滤除干扰杂波，将传感器感受到的电压信号调理到ADC模块可识别的范围。
ADC模块：用于信号数据采集。
LCD12864液晶显示模块：用于结果显示。
max232电平转换模块：用于与上位机通讯。
FPGA：处理单元，用于信号传输存储以及处理分析。
一种测量云高的装置和电路，得到了预设的采集数据，基本消除了噪声和异常值，提高了云层高度的数据测量精度。
如图2所示，硬件装置发射高速激光脉冲序列的自动发射和自动采集，将采集到的离散数据存储在FPGA中，并提供嵌入式处理器来处理，其特征是，包括如下步骤：
S01，将由高速FPGA数据采集器采集到的多组真实数据，通过平均的方法得到的处于脉冲段的数据向量R0[X0,X1…Xn]作为参考向量(一帧选取n+1个数据)，以测量时间为X轴，测量数据为Y轴，将样本拟合成平面曲线S1；
S02，定义平面曲线S1中曲率为Kt(Kt0≤Kt≤Kt1)的曲线段为基线段(其中Kt0，Kt1定义了基线段的曲率范围)，曲率为Kf(Kf0≤Kf≤Kf1)的曲线段为脉冲段(其中Kf0，Kf1定义了脉冲段的曲率范围)；
S03，实际测量中，将使用高速FPGA采集器测得的数据R[X0,X1…Xg](一次后向反射总共采集g个数据)拟合为平面曲线S2；
S04，基于曲线的曲率为平面曲线S2分段，包括以下步骤：在曲线S2上选取n个测量点，计算其曲率K[K0,K1…Kn]，将K分别和Kt，Kf对比，若K∈Kt，那么该测量点属于基线段，若K∈Kf，则该测量点属于脉冲段。
S05，对于属于非脉冲线段的S2的曲线段R′[X0,X1…Xn]，直接舍弃，取属于脉冲段的平面曲线S2的曲线段R″[X0,X1…Xn]，使用快速小波除噪法进行处理，最后逆变换得到脉冲回波信号，从而消除测量数中的噪声和异常值，所述小波除噪法选取db4，深度为3层的变换，去除d1,d2,d3中的高频；所述小波除噪法中分解算法的表达式为：f(t)＝∑ncm+1，nφm+1，l(t)，重构算法的表达式为：f(t)＝∑ncm+1，nφm+1，l(t)+∑ndm，kφm，k(t)，
其中，φm，k是尺度函数，c是小波滤波器(滤波系数)c0＝0.4829629131445341，c1＝0.8365163037378079，c2＝0.2241438680420134，c3＝-0.1294095225512604，n是一维信号的离散点的长度；
S06，将分好段的脉冲段的平面曲线S2的曲线段R″分帧后分别与参考向量R0进行灰色关联分析；所述灰色关联分析包括灰色关联系数和关联度，灰色关联系数的其表达式为：
其中，分辨系数ρ＝0.5，Δ(min)两级最小差，Δ(max)是两级最大差，Δxi(k)为各比较数列Xi曲线上的每一个点与参考数列X0曲线上的每一个点的绝对差值；
S07，将灰色关联系数大小进行冒泡排序，求出系数最大的序列，取该序列的第一个点，并求出该点占整个序列的位置，由此算出脉冲的往返时间，最终根据公式s＝0.5*v*t，算出云层的高度。其中，s是云层的高度，v是光速，t是光脉冲往返的时间。
S08，若云层有一定厚度，并且有多层云，则在一次回波接收中可以得到几次距离较近且信号较弱的脉冲上升前沿，将相邻两层云之间的高度值相减，即可得到云层的厚度，针对该脉冲上升前沿，重复以上步骤，即可得到第二层，第三层等等的云层厚度。
如图3所示，分段前的数据拟合平面曲线S2示意图，图示的横坐标是时间单位是us，纵坐标是电压值单位是V。可以根据曲率将数据分段，其中K1，K2，K3分辨示意该平面曲线不同分段的曲率。
如图4所示，分段后某一脉冲上升段经快速小波处理前后的示意图，图示的横坐标是时间单位是ns，纵坐标是电压值单位是V。波动的曲线是原始的数据曲线，平滑曲线是快速小波处理后的曲线，处理后的曲线可以滤除了由于白噪声带来的干扰而不影响反射目标所包含的信息细节。
一种测量云层高度和厚度的硬件和软件配合方法，得到了预设的采集数据，基本消除了噪声和异常值，提高了云层高度及厚度的数据测量精度。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变形，这些改进和变形也应视为本发明的保护范围。
Claims (9)
1.一种测量云层高度和厚度的硬件装置，其特征是，包括FPGA，所述FPGA分别连接激光驱动模块、信号接收模块、信号转换模块、液晶显示模块和片外闪存模块，所述激光驱动模块连接激光发射器，所述信号接收模块包括PIN光电传感器、ADC模块和信号调理模块，所述PIN光电传感器连接信号调理模块，所述信号调理模块连接ADC模块，所述信号转换模块包括max232电平转换模块及与其通信的上位机，所述FPGA内部集成了IP core，所述IP core包括系统架构互联总线、nios ii处理器、ADC控制接口、DMA控制接口、激光脉冲控制接口、片上sram1、片上sram2、avalon-mm 三态桥接口、RS-232接口、LCD 接口和avalon-mm总线，所述max232电平转换模块连接RS-232接口，所述ADC模块连接ADC控制接口，所述激光驱动模块连接激光脉冲控制接口，所述液晶显示模块连接LCD 接口，所述片外闪存模块连接avalon-mm三态桥接口。
2.根据权利要求1所述的一种测量云层高度和厚度的硬件装置，其特征是，所述激光发射器为905nm激光发射器。
3.根据权利要求1所述的一种测量云层高度和厚度的硬件装置，其特征是，所述液晶显示模块为LCD12864液晶显示模块。
4.一种测量云层高度的硬件和软件配合方法，如权利要求1至3所述的任一硬件装置发射高速激光脉冲序列的自动发射和自动采集，将采集到的离散数据存储在FPGA中，并提供嵌入式处理器来处理，其特征是，包括如下步骤：
S01，将由高速FPGA数据采集器采集到的多组真实数据，通过平均的方法得到的处于脉冲段的数据向量R0作为参考向量，以测量时间为X 轴，测量数据为Y 轴，将样本拟合成平面曲线S1；
S02，定义平面曲线S1中曲率为K t的曲线段为基线段，曲率为Kf 的曲线段为脉冲段；
S03，实际测量中，将使用高速FPGA采集器测得的数据R拟合为平面曲线S2；
S04，基于曲线的曲率为平面曲线S2分段；
S05，对于属于非脉冲线段的S2的曲线段R′，直接舍弃，取属于脉冲段的平面曲线S2的曲线段R″，使用快速小波除噪法进行处理，最后逆变换得到脉冲回波信号，从而消除测量数中的噪声和异常值；
S06，将分好段的脉冲段的平面曲线S2的曲线段R″分帧后分别与参考向量R0进行灰色关联分析；
S07，将灰色关联系数大小进行冒泡排序，求出系数最大的序列，取该序列的第一个点，并求出该点占整个序列的位置，由此算出脉冲的往返时间，最终根据公式，算出第一层云的高度，其中，s是云层的高度，v是光速，t是光脉冲往返的时间；
S08，若云层有一定厚度，并且有多层云，则在一次回波接收中可以得到几次距离较近且信号较弱的脉冲上升前沿，通过该脉冲上升前沿，将相邻两层云之间的高度值相减，即可得到云层的厚度，重复以上步骤，即可得到若干云层厚度。
5.根据权利要求4所述的一种测量云层高度的硬件和软件配合方法，其特征是，步骤S04包括以下内容：在曲线S2上选取n+1 个测量点，计算其曲率K，将K 分别和Kt，Kf对比，若K∈ Kt，那么该测量点属于基线段，若K ∈ Kf，则该测量点属于脉冲段。
6.根据权利要求4所述的一种测量云层高度的硬件和软件配合方法，其特征是，步骤S05所述小波除噪法选取db4，深度为3层的变换，去除d1,d2,d3中的高频。
7.根据权利要求6所述的一种测量云层高度的硬件和软件配合方法，其特征是，步骤S05所述小波除噪法中分解算法的表达式为：，重构算法的表达式为：，
其中，是尺度函数，c是小波滤波器滤波系数，c0=0.4829629131445341，c1=0.8365163037378079，c2=0.2241438680420134，c3=-0.1294095225512604，n是一维信号的离散点的长度。
8.根据权利要求4所述的一种测量云层高度的硬件和软件配合方法，其特征是，步骤S06所述灰色关联分析包括灰色关联系数和关联度，灰色关联系数的其表达式为：，其中，分辨系数ρ=0.5，Δ(min)为两级最小差，Δ(max)为两级最大差，Δxi(k)为各比较数列Xi曲线上的每一个点与参考数列X0曲线上的每一个点的绝对差值。
9.根据权利要求4所述的一种测量云层高度的硬件和软件配合方法，其特征是，步骤S07中取序列第一个点X0为回脉冲回波开始点。
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|---|---|---|---|---|
| CN107389972B (zh) * | 2017-07-18 | 2020-05-22 | 北京华电天仁电力控制技术有限公司 | 一种用于锅炉管道风粉流动参数在线测量的分析仪 |
| CN111649703A (zh) * | 2019-10-05 | 2020-09-11 | 邓涛 | 基于参数解析的厚度辨识装置 |
Citations (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| DE2726999A1 (de) * | 1977-06-15 | 1978-12-21 | Impulsphysik Gmbh | Verfahren zur wolkenhoehenmessung und langlebiger augensicherer wolkenhoehenmesser nach dem laufzeitprinzip |
| CN102646272A (zh) * | 2012-02-23 | 2012-08-22 | 南京信息工程大学 | 基于局部方差和加权相结合的小波气象卫星云图融合方法 |
-
2016
- 2016-02-03 CN CN201610077546.6A patent/CN105699981B/zh active Active
Patent Citations (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| DE2726999A1 (de) * | 1977-06-15 | 1978-12-21 | Impulsphysik Gmbh | Verfahren zur wolkenhoehenmessung und langlebiger augensicherer wolkenhoehenmesser nach dem laufzeitprinzip |
| CN102646272A (zh) * | 2012-02-23 | 2012-08-22 | 南京信息工程大学 | 基于局部方差和加权相结合的小波气象卫星云图融合方法 |
Non-Patent Citations (5)
| Title |
|---|
| 一种半导体激光云高仪时序控制和信号处理方案;何俊峰 等;《光电工程》;20110630;第38卷(第6期);第24-29页 * |
| 基于ＦＰＧＡ的ＰＣＩｅ总线接口的ＤＭＡ传输设计;李木国 等;《计算机测量与控制》;20130131;第21卷(第1期);第233-235，249页 * |
| 基于ＦＰＧＡ的激光雪深测量系统的设计;虞敏 等;《电子测量技术》;20120531;第35卷(第5期);第114-117,131页 * |
| 基于时间转换数字技术的激光测距仪设计;唐慧强 等;《计算机测量与控制》;20141130;第22卷(第11期);第3831,3832,3836页 * |
| 大气探测高技术及应用研究进展;郄秀书 等;《大气科学》;20080731;第32卷(第4期);第867-881页 * |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| CN105699981A (zh) | 2016-06-22 |
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Application publication date: 20160622 Assignee: Fujian hefuyun Information Technology Co.,Ltd. Assignor: Nanjing University of Information Science and Technology Contract record no.: X2023980051730 Denomination of invention: A hardware and software coordination method for measuring cloud height and thickness Granted publication date: 20180202 License type: Common License Record date: 20231212 |
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