CN107132517B - 低空监视雷达通用气象通道信号处理装置及其处理方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及低空监视雷达领域，特别涉及一种低空监视雷达通用气象通道信号处理装置及其处理方法。本发明包括FPGA控制模块、PC104计算机模块、存储模块、配置模块以及电源转换模块，所述FPGA控制模块分别与PC104计算机模块、配置模块、存储模块之间相连接，所述FPGA控制模块通过电源转换模块与IO接口相连，所述IO接口分别与FPGA控制模块、PC104计算机模块之间双向通信连接，所述PC104计算机模块分别与网络接口、外部设备接口之间双向通信连接。PC104计算机模块作为设备通信管理单元，提高了本发明的可移植性和通用性，本发明设备量小、成本低、并且性能稳定可靠，解决了在低空雷达上实现目标监视与气象探测兼顾的问题，实现一机两用，具有良好的社会效应和经济效益。

Description

低空监视雷达通用气象通道信号处理装置及其处理方法
技术领域
本发明涉及低空监视雷达领域，特别涉及一种低空监视雷达通用气象通道信号处理装置及其处理方法。
背景技术
随着现代科技的不断发展，雷达技术已经普遍应用于气象领域。气象雷达也从传统的强度监测雷达发展为脉冲多普勒天气雷达。与此同时，随着低空空域逐渐开放，各种低空、超低空飞行任务日益增多，由天气原因引发的各类空中交通安全问题逐渐得到人们的重视。
低空监视雷达需要对扫描空域中的目标飞行器进行监视或跟踪，为此需要抑制与被监视目标无关的各种杂波，包括地杂波、尤其是气象杂波等干扰；而气象雷达的主要任务是抑制与气象回波无关的杂波包括飞行器，提取出云雨通过电磁波所带回的各种气象参数，从而为气象预报提供较为准确的参考。两者处理对象的侧重点不同甚至是矛盾的，处理方法也不尽相同。在低空监视雷达上引入气象探测功能，是低空监视雷达的发展方向。
但是现行的低空空域监视技术和设备严重落后，许多中小型民航机场没有低空目标/气象监视设备，缺乏有效的监视手段，这给低空飞行安全带来严重的隐患。因此，面对即将开放的低空空域，如何在低空监视雷达上引入气象探测功能，是未来低空监视雷达的发展方向。
发明内容
本发明为了克服上述现有技术的不足，提供了一种低空监视雷达通用气象通道信号处理装置，本发明设备量小、成本低、并且性能稳定可靠，解决了在低空雷达上实现目标监视与气象探测兼顾的问题。
为实现上述目的，本发明采用了以下技术措施：
一种低空监视雷达通用气象通道信号处理装置包括FPGA控制模块、PC104计算机模块、存储模块、配置模块以及电源转换模块，所述FPGA控制模块分别与PC104计算机模块、配置模块、存储模块之间相连接，所述FPGA控制模块通过电源转换模块与IO接口相连，所述IO接口分别与FPGA控制模块、PC104计算机模块之间双向通信连接，所述PC104计算机模块分别与网络接口、外部设备接口之间双向通信连接。
优选的，所述存储模块包括第一SRAM芯片以及第二SRAM芯片，所述第一SRAM芯片的信号输入端、第二SRAM芯片的信号输入端均通过控制线以及地址线与FPGA控制模块的信号输出端相连，第一SRAM芯片、第二SRAM芯片均通过数据线与FPGA控制模块之间双向通信连接。
优选的，所述FPGA控制模块与PC104计算机模块之间通过总线双向通信连接，FPGA控制模块与IO接口之间通过数据线双向通信连接，所述IO接口与PC104计算机模块之间通过总线双向通信连接。
优选的，所述外部设备接口分别包括鼠标接口、键盘接口、USB接口，所述鼠标接口、键盘接口、USB接口均与PC104计算机模块之间双向通信连接。
进一步的，所述FPGA控制模块包括控制芯片，所述控制芯片的型号为EP1S60F1020C7；所述PC104计算机模块的型号为BPC-Y5041L-B。
进一步的，所述第一SRAM芯片、第二SRAM芯片的型号均为GS832036T-133；所述配置模块包括配置芯片，所述配置芯片的型号为EPC16QC100。
本发明还提供了一种低空监视雷达通用气象通道信号处理装置的处理方法，所有处理流程均在FPGA控制模块内部实现，本方法采用模块化设计，通用性好，可移植性强，具体包括以下步骤：
S1、所述IO接口接收来自雷达接收机的气象原始IQ信号，所述FPGA控制模块对气象原始IQ信号的窄脉冲波形、宽脉冲波形分别进行数字脉压得到窄脉冲数据、宽脉冲数据；
S2、所述FPGA控制模块对窄脉冲数据、宽脉冲数据进行拼接对齐得到拼接后的脉冲数据；
S3、所述FPGA控制模块根据当前的存储于PC104计算机模块中的晴空图来控制选择器的输出；当所述晴空图显示在清洁区，直接将拼接后的脉冲数据传输至选择器；当所述晴空图显示在杂波区，选用MTI滤波器滤除拼接后的脉冲数据的地物杂波后再传输至选择器；
S4、所述FPGA控制模块对选择器输出的拼接后的脉冲数据进行视频积累处理得到气象样本电平值；
S5、FPGA控制模块对所述气象样本电平值进行距离订正得到订正后的气象电平值；
S6、FPGA控制模块对所述订正后的气象电平值进行6级门限的分割处理，得到6级气象强度矢量信息。
优选的，步骤S4的具体操作步骤包括：所述FPGA控制模块对选择器输出的拼接后的脉冲数据进行距离和方位的二维视频积累处理，距离上选取16个距离单元即960米、方位上选取一个波束宽度即1.4°作为气象样本单元，对所述气象样本单元内的回波脉冲积累求均值得到气象样本电平值。
优选的，步骤S5的具体操作步骤包括：所述FPGA控制模块对不同距离上的气象样本电平值加上一个修正量，所述修正量与幅度值相加即为订正后的气象电平值。
本发明的有益效果在于：
1)、本低空监视雷达通用气象通道信号处理装置包括FPGA控制模块、PC104计算机模块、存储模块、配置模块以及电源转换模块，PC104计算机模块作为设备通信管理单元，提高了本发明的可移植性和通用性，本发明设备量小、成本低、并且性能稳定可靠，解决了在低空雷达上实现目标监视与气象探测兼顾的问题，实现一机两用，具有良好的社会效应和经济效益。
2)、本发明的气象通道信号处理方法包括数字脉压、MTI滤波、选择器、视频积累处理、距离订正、6级气象轮廓生产形成，本方法采用模块化设计，通用性好，可移植性强，所有处理流程均在FPGA控制模块内部实现，FPGA控制模块的算法升级方便，维护简单，因此本发明的升级维护简单，方便。
3)、所述FPGA控制模块(10)对选择器输出的拼接后的脉冲数据进行视频积累处理得到当前帧的气象样本电平值，有效防止帧间数据突变，减小气象回波随机性影响。
附图说明
图1为本发明的低空监视雷达通用气象通道信号处理装置的组成框图；
图2为本发明的处理方法的流程框图；
图3为本发明的MTI滤波器幅频特性曲线；
图4为本发明的一个实施例的窄脉冲数据、宽脉冲数据的拼接对齐原理图；
图5为本发明的一个实施例的处理方法的输出结果。
10—FPGA控制模块            20—PC104计算机模块
30—配置模块                40—电源转换模块
具体实施方式
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。
如图1所示，一种低空监视雷达通用气象通道信号处理装置包括FPGA控制模块10、PC104计算机模块20、存储模块、配置模块30以及电源转换模块40，所述FPGA控制模块10分别与PC104计算机模块20、配置模块30、存储模块之间相连接，所述FPGA控制模块10通过电源转换模块40与IO接口相连，所述IO接口分别与FPGA控制模块10、PC104计算机模块20之间双向通信连接，所述PC104计算机模块20分别与网络接口、外部设备接口之间双向通信连接。
具体的，所述配置模块30的一端通过加载端口与FPGA控制模块10相连，配置模块30的另一端直接与FPGA控制模块10相连，所述电源转换模块40包括电源转换芯片，所述电源转换芯片的型号为MIC37301-1.5BR，将外接的+3.3V电源转换成FPGA所需的1.5V工作电压，IO接口用于提够对外接口，包括电源输入和雷达接收机送来的原始IQ信号，同时对外输出气象处理后的数据。
所述存储模块包括第一SRAM芯片以及第二SRAM芯片，所述第一SRAM芯片的信号输入端、第二SRAM芯片的信号输入端均通过控制线以及地址线与FPGA控制模块10的信号输出端相连，第一SRAM芯片、第二SRAM芯片均通过数据线与FPGA控制模块10之间双向通信连接。
所述FPGA控制模块10与PC104计算机模块20之间通过总线双向通信连接，FPGA控制模块10与IO接口之间通过数据线双向通信连接，所述IO接口与PC104计算机模块20之间通过总线双向通信连接。
所述外部设备接口分别包括鼠标接口、键盘接口、USB接口，所述鼠标接口、键盘接口、USB接口均与PC104计算机模块20之间双向通信连接。
所述FPGA控制模块10包括控制芯片，所述控制芯片的型号为EP1S60F1020C7；所述PC104计算机模块20的型号为BPC-Y5041L-B；所述第一SRAM芯片、第二SRAM芯片的型号均为GS832036T-133；所述配置模块30包括配置芯片，所述配置芯片的型号为EPC16QC100。
如图2所示，本发明还提供了一种低空监视雷达通用气象通道信号处理装置的处理方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1、所述IO接口接收来自雷达接收机的气象原始IQ信号，所述FPGA控制模块10对气象原始IQ信号的窄脉冲波形、宽脉冲波形分别进行数字脉压得到窄脉冲数据、宽脉冲数据；
S2、所述FPGA控制模块10对窄脉冲数据、宽脉冲数据进行拼接对齐得到拼接后的脉冲数据；
如图4所示，脉冲数据的拼接对齐是指，由于本装置在发射期间不能接收回波信号，所以在发射信号截止后有一段数据是非有效信号即信号不能完整接收，因为在此期间信号被截断不是完整的回波信号，非有效区宽度与对应的发射信号宽度一致，称之为盲区，为了“补盲”，采用窄脉冲+宽脉冲发射的模式，宽脉冲的能力更强，能够覆盖远区探测，而窄脉冲能量较小，用于对宽脉冲进行补盲，负责近区探测。在数字脉压后对窄脉冲延时处理，再与宽脉冲有效数据进行拼接，形成完整的探测覆盖区，窄脉冲盲区较小忽略不计。
S3、所述FPGA控制模块10根据当前的存储于PC104计算机模块20中的晴空图来控制选择器的输出；当所述晴空图显示在清洁区，直接将拼接后的脉冲数据传输至选择器；当所述晴空图显示在杂波区，选用MTI滤波器滤除拼接后的脉冲数据的地物杂波后再传输至选择器；
所述晴空图即为地物杂波分布图，晴空图如实反映了无气象条件下地物杂波分布，可以定时人工或自动更新，最大限度地实时跟踪地物杂波的分布变化。更新的晴空图数据将存储与PC104计算机模块20的flash芯片中，设备上电后能够自动加载。
FPGA控制模块10是基于EP1S60F1020C7芯片的核心运算和控制模块，采用VHDL硬件描述语言设计开发，负责数据存取和运算，完成整个气象通道信号处理流程并输出结果。
所述选择器的作用如图2所示，拼接后的脉冲数据分两路并行处理，一路直传不做处理，一路进行MTI滤波处理，根据各数据单元所处的杂波环境决定哪路输出，晴空图代表探测区域内的地物杂波的分布，是一个按距离方位图分布的二维数组，“0”代表“清洁区”，“1”代表地物“杂波区”，“杂波区”采用MTI滤波处理抑制地杂的干扰，清洁区采用直传数据减小滤波损失。
具体的，晴空图用于控制选择器的输出，清洁区选择直传数据，在杂波区采用50dB道尔夫加权的MTI滤波器滤除地物杂波，MTI滤波器的频率响应特性曲线如图3所示，通过这种方法可以最大程度上剔除分散的地物杂波回波，保留气象回波。
S4、所述FPGA控制模块10对选择器输出的拼接后的脉冲数据进行距离和方位的二维视频积累处理，距离上选取16个距离单元即960米、方位上选取一个波束宽度即1.4°作为气象样本单元，对所述气象样本单元内的回波脉冲积累求均值得到气象样本电平值。
对所述气象样本单元内的回波脉冲积累求均值分两个步骤，对气象样本单元内的回波脉冲积累求均值分两个步骤，首先求取每个已经拼接好的且经过选择器选择的脉冲数据，完成距离维的样本积累，如图5所示，例如，4096个距离单元可量化为256个距离样本，再求取5个脉冲相同距离单元的样本均值，完成方位维的样本积累，得到的值即为气象样本均值，其单元尺寸为960米×1.4°。将前一帧气象样本均值AN-1与当前帧气象样本均值A递归求新值，新值为AN＝K1A+K2AN-1，其中，K1和K2均为权系数，且K1+K2＝1，AN即为视频积累处理后的当前帧气象样本电平值，同时将新值AN存储，参与下帧的递归运算。
S5、所述FPGA控制模块10对不同距离上的气象样本电平值加上一个修正量，所述修正量与幅度值相加即为订正后的气象电平值。根据气象雷达公式回波强度订正值与距离成正比，YdBz＝R×Lat，其中Lat为大气衰减，Y为回波强度订正值，R为距离，对气象样本电平值完成距离订正后，进入6级门限的分割处理，得到6级气象强度矢量信息，气象电平用dBz测量，被量化为6个预定的参考等级，参见表1，输出6级气象轮廓图。
表1：
Figure BDA0001308876240000071
本方法采用模块化设计，通用性好，可移植性强，所有处理流程均在FPGA控制模块10内部实现，FPGA控制模块10的算法升级方便，维护简单，因此本发明的升级维护简单，方便。本信号处理装置是基于单片电路板设计，板载器件较少，结构简单，可靠性好，电路板安置于标准的4U信号处理分机中。

Claims (3)

1.一种低空监视雷达通用气象通道信号处理装置的处理方法，其特征在于：低空监视雷达通用气象通道信号处理装置包括FPGA控制模块(10)、PC104计算机模块(20)、存储模块、配置模块(30)以及电源转换模块(40)，所述FPGA控制模块(10)分别与PC104计算机模块(20)、配置模块(30)、存储模块之间相连接，所述FPGA控制模块(10)通过电源转换模块(40)与IO接口相连，所述IO接口分别与FPGA控制模块(10)、PC104计算机模块(20)之间双向通信连接，所述PC104计算机模块(20)分别与网络接口、外部设备接口之间双向通信连接；
所述存储模块包括第一SRAM芯片以及第二SRAM芯片，所述第一SRAM芯片的信号输入端、第二SRAM芯片的信号输入端均通过控制线以及地址线与FPGA控制模块(10)的信号输出端相连，第一SRAM芯片、第二SRAM芯片均通过数据线与FPGA控制模块(10)之间双向通信连接；
所述FPGA控制模块(10)与PC104计算机模块(20)之间通过总线双向通信连接，FPGA控制模块(10)与IO接口之间通过数据线双向通信连接，所述IO接口与PC104计算机模块(20)之间通过总线双向通信连接；
所述外部设备接口分别包括鼠标接口、键盘接口、USB接口，所述鼠标接口、键盘接口、USB接口均与PC104计算机模块(20)之间双向通信连接；
所述FPGA控制模块(10)包括控制芯片，所述控制芯片的型号为EP1S60F1020C7；所述PC104计算机模块(20)的型号为BPC-Y5041L-B；
所述第一SRAM芯片、第二SRAM芯片的型号均为GS832036T-133；所述配置模块(30)包括配置芯片，所述配置芯片的型号为EPC16QC100；
处理方法包括以下步骤：
S1、所述IO接口接收来自雷达接收机的气象原始IQ信号，所述FPGA控制模块(10)对气象原始IQ信号的窄脉冲波形、宽脉冲波形分别进行数字脉压得到窄脉冲数据、宽脉冲数据；
S2、所述FPGA控制模块(10)对窄脉冲数据、宽脉冲数据进行拼接对齐得到拼接后的脉冲数据；
S3、所述FPGA控制模块(10)根据当前的存储于PC104计算机模块(20)中的晴空图来控制选择器的输出；当所述晴空图显示在清洁区，直接将拼接后的脉冲数据传输至选择器；当所述晴空图显示在杂波区，选用MTI滤波器滤除拼接后的脉冲数据的地物杂波后再传输至选择器；
S4、所述FPGA控制模块(10)对选择器输出的拼接后的脉冲数据进行视频积累处理得到气象样本电平值；
S5、FPGA控制模块(10)对所述气象样本电平值进行距离订正得到订正后的气象电平值；
S6、FPGA控制模块(10)对所述订正后的气象电平值进行6级门限的分割处理，得到6级气象强度矢量信息。
2.如权利要求1所述的低空监视雷达通用气象通道信号处理装置的处理方法，其特征在于，步骤S4的具体操作步骤包括：所述FPGA控制模块(10)对选择器输出的拼接后的脉冲数据进行距离和方位的二维视频积累处理，距离上选取16个距离单元即960米、方位上选取一个波束宽度即1.4°作为气象样本单元，对所述气象样本单元内的回波脉冲积累求均值得到气象样本电平值。
3.如权利要求2所述的低空监视雷达通用气象通道信号处理装置的处理方法，其特征在于，步骤S5的具体操作步骤包括：所述FPGA控制模块(10)对不同距离上的气象样本电平值加上一个修正量，所述修正量与幅度值相加即为订正后的气象电平值。
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