CN110308463B - 带数据采集卡的测风雷达系统及其工作方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种带数据采集卡的测风雷达系统及其工作方法，该系统包括多个信号采集模组以及计算机，每一信号采集模组包括种子光源，种子光源向声光调制器输出种子激光信号并经过声光调制器调制后输出至激光放大器，激光放大器将调制信号放大后输出至光学望远镜；每一数据采集卡包括模数转换电路，用于将接收到的模拟回波信号转换成数字回波信号；处理器，用于对数字回波信号进行中位值平均滤波计算后，将滤波后的数据进行离散傅里叶变换获得离散数据；无线传输模块，用于将离散数据发送至计算机；计算机接收多个数据采集卡传输的数据。该方法是上述的测风雷达系统的工作方法。本发明可以降低测风雷达的生产成本，并提高检测的准确性。

Description

带数据采集卡的测风雷达系统及其工作方法

技术领域

本发明涉及雷达系统的技术领域，具体地，是一种具有数据采集卡的测风雷达系统以及这种系统的工作方法。

背景技术

飞机场为了检测周边环境的风速、风向等，通常在机场周边区域设置用于检测风速、风向的检测设备，其中，测风雷达就是一种常见的检测设备。测风雷达系统向大气发射激光信号，并接收反射的激光信号。由于空气的温度、风速以及气溶胶、气体分子散射的光学特性对反射的激光信号有影响，因此，通过对接收的激光信号进行分析，可以计算出空气的流动速度，即计算出风速、风向等。

现在的测风雷达系统通常包括望远镜以及信号采集模组，信号采集模组可以生成激光信号并且经过放大后由望远镜发送至大气中，再由望远镜接收反射的回波信号。信号采集模组通常设置有模数转换电路，将采集的回波信号转换成数字信号，再将数字信号传送至工业计算机，由工业计算机对所接收的数字信号进行处理。

工业计算机接收到数字信号后，需要对所接收的数据进行滤波、傅里叶变换等计算，由于这些数据计算量较大，导致一台工业计算机往往同一时间只能处理一个信号采集模组所传输的数据。另外，由于信号采集模组所接收到的回波信号数据量较大，转换成数字信号后，将导致大量的数据需要传输至工业计算机，为了确保数据的及时、准确传输，并且避免数据传输过程中出现错漏的问题，通常将工业计算机设置在信号采集模组的周边，采用有线或者无线传输的方式将数字信号传送至工业计算机。

但是，由于信号采集模组通常设置在偏远的地方，例如设置在山顶或者高层建筑物的顶部，在这些地方设置工业计算机难度非常大，且环境较为恶劣，工业计算机在恶劣环境下工作将严重影响工业计算机的使用寿命，并导致影响工业计算机工作的稳定性。

发明内容

本发明的主要目的是提供一种减少计算机计算量并且提高计算机工作稳定性的带数据采集卡的测风雷达系统。

本发明的另一目的是提供一种上述测风雷达系统的工作方法。

为实现本发明的主要目的，本发明提供带数据采集卡的测风雷达系统包括多个信号采集模组以及计算机，每一信号采集模组包括种子光源，种子光源向声光调制器输出种子激光信号并经过声光调制器调制后输出至激光放大器，激光放大器将调制信号放大后输出至光学望远镜；每一信号采集模组还包括耦合器，该耦合器将光学望远镜接收的模拟回波信号以及种子激光信号耦合输出至数据采集卡；其中，每一数据采集卡包括：模数转换电路，用于将接收到的模拟回波信号转换成数字回波信号；处理器，用于对数字回波信号进行中位值平均滤波计算后，将滤波后的数据进行离散傅里叶变换获得离散数据；无线传输模块，用于将离散数据发送至计算机；其中，计算机接收多个信号采集模组的数据采集卡传输的数据。

由上述方案可见，每一个信号采集模组的数据采集卡接收到模拟回波信号后，将模拟回波信号转换成数字回波信号进行滤波以及离散傅里叶变换，经过变换后获得的离散数据的数据量较少，此时通过无线网络传输至计算机的数据量也较少，因此，一台计算机可以同时接收并处理多个信号采集模组传输的离散数据，降低测风雷达系统的生产成本。

此外，由于信号采集模组与计算机之间的数据传输量较少，因此可以将计算机设置在距离信号采集模组较远的地方，也能够满足数据接收的要求，这样，可以将计算机设置在固定建筑物内，避免计算机长时间在恶劣环境下工作，延长计算机的使用寿命。

一个优选的方案是，数据采集卡还包括脉冲发生器，脉冲发生器向声光调制器输出脉冲信号。

由此可见，数据采集卡通过脉冲发生器向声光调制器发出脉冲信号，可以实现对望远镜发送到大气的激光信号进行调节，方便实现信号采集模组的控制。

进一步的方案是，信号采集模组还包括光开关，光开关连接于种子光源与声光调制器之间。

可见，通过光开关控制种子光源与声光调制器之间的光路通断，可以根据实际需要调节向大气发生的激光信号。

更进一步的方案是，信号采集模组还包括平衡探测器，平衡探测器连接在耦合器与数据采集卡之间。

由此可见，使用平衡探测器可以降低数据采集卡接收到的模拟回波信号的噪声，提高对风速、风向检测的准确性。

为实现本发明的另一目的，本发明提的测风雷达系统的工作方法包括：信号采集模组的光学望远镜接收模拟回波信号，并将模拟回波信号转换成数字回波信号后，对数字回波信号进行中位值平均滤波计算后，将滤波后的数据进行离散傅里叶变换获得离散数据；多个信号采集模组的数据采集卡通过无线传输模块向计算机传输离散数据；计算机根据多个信号采集模组所传输的离散数据绘制风向图。

由上述方案可见，一台计算机可以接收多个信号采集模组的数据采集卡的数据，且数据采集卡已经实现数字回波信号的滤波、离散傅里叶变换等计算，计算机接收到离散数据后的计算量较少，且一台计算机可以同时对多个信号采集模组的数据进行处理，降低测风雷达系统的生产成本。并且，计算机可以放置在室内，可以延长计算机的使用寿命。

一个优选的方案是，对数字回波信号进行中位值平均滤波计算包括：接收单位时间内获取的一组数字回波信号，将该组数字回波信号中的最大值以及最小值去除后，计算剩余的数字回波信号的平均值。

由此可见，在去除数字回波信号的最大值以及最小值后，可以避免偶然数据对整个计算结果造成大的影响，提高计算的准确性。

进一步的方案是，数据采集卡设置有脉冲发生器，脉冲发生器向信号采集模组的声光调制器输出脉冲信号。

可见，数据采集卡通过脉冲发生器向声光调制器发出脉冲信号，可以实现对望远镜发送到大气的激光信号进行调节，方便实现信号采集模组的控制。

更进一步的方案是，数据采集卡接收计算机传输的脉宽控制信号，脉冲发生器根据脉宽控制信号调节输出至声光调制器的脉冲信号的宽度。

由此可见，可以根据实际需要通过计算机向数据采集卡的脉冲发生器来调节发射到大气的脉冲信号，对信号采集模组的控制非常简单，提高测风雷达系统使用的灵活性。

更进一步的方案是，多个信号采集模组的数据采集卡同步的向计算机传输离散数据。

可见，计算机可以同步的接收到多个信号采集模组的离散数据，有利于工业计算机采用多个信号采集模组的数据绘制风向图，使得风向图的绘制更加准确。

更进一步的方案是，多个信号采集模组的数据采集卡同步的向计算机传输离散数据包括：每一数据采集卡每间隔预设的时间向计算机传输离散数据。

由此可见，多个信号采集模组每间隔预设的时间向计算机同步的发送离散数据，使得计算机能够在同一时间接收到来自多个信号采集模组的数据，有利于计算机绘制准确的风向图。

附图说明

图1是本发明测风雷达系统实施例的结构框图。

图2是本发明测风雷达系统实施例中一个信号采集模组的结构框图。

图3是本发明测风雷达系统工作方法实施例的流程图。

以下结合附图及实施例对本发明作进一步说明。

具体实施方式

本发明的测风雷达系统用于测量预定场所的风速、风向等，参见图1，测风雷达系统包括一台计算机10以及多个信号采集模组20、40、50等，本实施例中，计算机10可以是工业计算机，其具有处理器以及无线传输模块，例如设置WIFI模块、4G模块等，计算机10与多个信号采集模组20、40、50之间通过无线网络进行通信。

通常，信号采集模组20、40、50设置在山顶、建筑物顶部等环境恶劣的地方，但为了确保计算机10的工作，可以将计算机10设置在室内，例如在山脚或者半山腰设置固定建筑物，计算机10放置在该固定建筑物内，避免计算机10长时间在恶劣环境中使用。

本实施例中，多个信号采集模组20、40、50的结构都是相同的，下面结合图2以信号采集模组20为例介绍每一个信号采集模组的结构以及工作原理。

信号采集模组20内设置有种子光源21、光开关22、声光调制器23、激光放大器24、环形器25、光学望远镜26、耦合器27、平衡探测器28以及数据采集卡30，其中，数据采集卡30内设置有模数转换电路31、处理器32、脉冲发生器33以及无线信号传输模块34。

种子光源21用于产生种子激光信号，通常，种子激光信号的功率较低，需要经过放大后才能够发射到光学望远镜。本实施例中，种子激光信号需要经过声光调制器23进行调制后才进行放大处理。由于在信号采集模块20刚开始工作的时候，声光调制器23会产生一定的频移误差，影响了回波信号的频移测量准确度，从而导致对大气径向速度的错误判断。因此，本实施例中，在种子光源21与声光调制器23之间设置光开关22，本实施例的光开关22可以是任意一种已知的光开关，光开关22可以由微电机系统控制其光路的通断。在声光调制器23的脉冲信号发生前截断种子激光信号，从而可以阻止抑制声光调制器23的直流噪声，提高回波信号检测的准确性。

在光开关22处于导通状态时，种子激光信号经过光开关22后入射到声光调制器23并被调制实现激光信号的频率移动，被调制后的信号经过激光放大器24进行放大，形成放大激光信号。优选的，信号采集模块20内设置有多级激光放大器，种子激光信号经过多级放大后入射到环形器25，并经过光学望远镜26发射到大气中。

激光信号遇到大气中的颗粒物质将被反射，形成反射回来的回波信号，这些回波信号被光学望远镜26所接收。由于被反射的回波信号为模拟信号，因此，光学望远镜26所接收的回波信号为模拟回波信号。光学望远镜26接收到的模拟回波信号经过环形器25后，被输出至耦合器27，耦合器27将模拟回波信号以及种子激光信号进行耦合后输出至平衡探测器28，平衡探测器28将耦合后的信号输出至数据采集卡30，由数据采集卡30对模拟回波信号进行处理。

由于模拟回波信号含有大量的噪声信号，为了去除噪声信号以避免对数据采集卡30的计算造成干扰，本实施例使用平衡探测器28对模拟回波信号进行降噪等处理。

数据采集卡30的模数转换电路31用于将模拟回波信号转换成数字回波信号，模数转换电路31可以采用现有的模数转换电路实现，数字回波信号被传送至处理器32。本实施例的数据采集卡30的处理器32可以是现场可编程门阵列(FPGA)，并存储有预先设置的程序，用于对数字回波信号进行处理。当然，处理器32还可以是单片机或者专用集成电路等其他具有数据处理、运算能力的器件。

处理器32对接收到的数字回波信号进行滤波处理以及离散傅里叶变换，具体的，将收到的数字回波信号进行中位值平均滤波计算，然后将计算结果进行离散傅里叶变换，获得变换后的离散数据，并且将离散数据发送至无线传输模块34。本实施例中，无线传输模块34可以是WIFI模块或者4G模块、蓝牙模块等具有无线数据传输能力的模块，数据采集卡30通过无线传输模块34将所需要传输的数据发送至计算机10。因此，本实施例中，计算机10也同样设置无线传输模块，用于接收多个数据采集卡传输的数据。

此外，数据采集卡30内设置有脉冲发生器33，用于生成脉冲信号并输出至声光调制器23，并且，处理器32可以控制脉冲发生器33输出的脉冲信号的宽度，从而调节脉冲信号的功率，也可以调节脉冲信号的频移。

下面结合图3介绍测风雷达系统的工作方法。由于本实施例的测风雷达系统包括一台计算机10以及多个信号采集模组20、40、50，并且多个信号采集模组20、40、50可以通过无线通信的方式与计算机10进行通信，因此一台计算机10可以同时接收多个信号采集模组20、40、50发送的信号并且绘制风向图。优选的，计算机10可以设置在多个信号采集模组20、40、50一定距离范围内，以满足无线通信的数据传输要求。

首先，每一个信号采集模组向大气发送激光信号，具体的，由种子光源产生种子激光信号，并且经过放大后经过光学望远镜发送至大气，随后，光学望远镜接收反射的回波信号，并且将回波信号传送至数据采集卡。因此，数据采集卡先执行步骤S1，接收模拟回波信号。优选的，数据采集卡所接收的模拟回波信号经过平衡探测器进行降噪等处理。

然后，数据采集卡执行步骤S2，应用模数转换电路将所接收的模拟回波信号转换成数字回波信号，实际上就是将模拟信号转换成数字信号。优选的，转换后的数字回波信号为脉冲信号形式的数字信号。

接着，执行步骤S3，对数字回波信号进行中位值平均滤波计算，其中，中位值平均滤波算法又称防脉冲干扰平均滤波算法，相当于中位值滤波法与算术平均滤波法的结合。具体的，该算法连续采样N个数据，去掉一个最大值和一个最小值，然后计算N-2个数据的算术平均值，因此，N的取值范围需要大于3，本实施例中，可以选择3至14任一个数值。可见，中位值平均滤波计算融合了两种滤波法，对于偶然出现的脉冲性干扰，可消除由于脉冲干扰所引起的采样值偏差，从而提高检测的准确性。

优选的，每一个数据采集卡可以接收单位时间内获取的一组模拟回波信号，例如接收3秒内所接收到的模拟回波信号，然后将该时间段内所接收到的模拟回波信号转换成数字回波信号，再将该组数字回波信号中的最大值以及最小值去除后，计算剩余的数字回波信号的平均值。

然后，执行步骤S4，对滤波数据进行离散傅里叶变换，并获取离散数据。进行离散傅里叶变换时，通常把一个实际信号看作是根据时间变化的电压值，这是从时域的角度来观察信号。傅立叶变换是将一个时域信号转换为频域信号，频域信号显示了不同频率对应的电压。然后，使用数字化仪对波形进行采样，然后将采样转换为离散的值。在频域里观察信号，可直观地看出最高电压发生在哪个频率上，从而可知原始信号的频率和幅度。由于离散傅里叶变换是公知的数据处理方法，在此不再赘述。

接着，执行步骤S5，多个数据采集卡将离散数据发送至计算机，最后，由计算机执行步骤S6，根据多个数据采集卡所发送的数据进行风向图的绘制，从而计算出特定区域内的风向、风速等。

优选的，为了计算机能够准确的绘制风向图，多个信号采集模组的数据采集卡可以同步的向计算机传输离散数据，优选的，每一个数据采集卡每间隔预设的时间向计算机传输离散数据，这样，只要设定多个数据采集卡的时间戳，确保多个数据采集卡的时间戳相同，即可以保证多个数据采集卡同步的向计算机传输离散数据。计算机可以结合多个数据采集卡的离散数据来绘制风向图，提高绘制的准确性，有利于机场等场所获取准确的风向、风速等数据。

由于本实施例的计算机并不接收原始的数字回波信号，而只是接收经过滤波、离散傅里叶变换后的离散数据，因此数据量的传输量大大减少，且计算机的数据处理量也大大减少，因此，一台计算机能够同时接收并处理多个数据采集卡所采集的离散数据，减少了计算机的使用数量，从而降低整个测风雷达系统的生产成本。此外，由于计算机是通过无线方式与多个数据采集卡进行通信的，因此，计算机可以设置在距离信号采集模组较远的地方，这样，可以将计算机设置在固定建筑物内，避免计算机长期在恶劣环境下工作而导致使用寿命较短的问题。

另外，计算机还可以向数据采集卡传输数据，例如向数据采集卡发送的脉宽控制信号，数据采集卡中的脉冲发生器根据所接收的脉宽控制信号调节输出至声光调制器的脉冲信号的宽度。通常，脉冲宽度控制信号是在信号采集模组安装后设定的，并且在设定以后通常不会随意调节。但如果出现对风向、风速检测不准确的情况下，可以调节脉冲宽度，此时，只需要通过计算机向相应的数据采集卡发送脉宽控制信号即可，操作非常简单。优选的，计算机同步的向多个数据采集卡发送脉宽控制信号，从而同步的对多个信号采集模组发送的激光信号进行调节，确保接收到的回波信号是基于相同的激光信号反射回来的，确保检测的准确性。

最后需要强调的是，本发明不限于上述实施方式，例如信号采集模组内具体的光学器件的改变或者光学器件连接方式的变化，又或者对数字回波信号滤波时采用的滤波算法的变化等，这些改变也应该包括在本发明权利要求的保护范围内。

Claims (7)

1.带数据采集卡的测风雷达系统，包括多个信号采集模组以及计算机，每一所述信号采集模组包括种子光源，所述种子光源向声光调制器输出种子激光信号并经过所述声光调制器调制后输出至激光放大器，所述激光放大器将调制信号放大后输出至光学望远镜；每一所述信号采集模组还包括耦合器，所述耦合器将所述光学望远镜接收的模拟回波信号以及所述种子激光信号耦合输出至数据采集卡；

其特征在于，每一所述数据采集卡包括：

模数转换电路，所述模数转换电路将接收到的所述模拟回波信号转换成数字回波信号；

处理器，所述处理器对所述数字回波信号进行中位值平均滤波计算后，将滤波后的数据进行离散傅里叶变换获得离散数据，所述离散数据的数据量小于所述数字回波信号的数据量；将模拟回波信号转换成数字回波信号进行滤波以及离散傅里叶变换，经过变换后获得的离散数据的数据量较少，此时通过无线网络传输至计算机的数据量也较少，因此，一台计算机能够同时接收并处理多个信号采集模组传输的离散数据，使得计算机能够在同一时间接收到来自多个信号采集模组的数据，有利于计算机绘制准确的风向图；由于信号采集模组与计算机之间的数据传输量较少，因此将计算机设置在距离信号采集模组较远的地方，也能够满足数据接收的要求，这样，将计算机设置在固定建筑物内，避免计算机长时间在恶劣环境下工作，延长计算机的使用寿命；

无线传输模块，用于将所述离散数据发送至所述计算机；

其中，所述计算机接收多个所述信号采集模组的所述数据采集卡传输的数据；

所述数据采集卡还包括脉冲发生器，所述脉冲发生器向所述声光调制器输出脉冲信号，且所述计算机同步的向多个所述数据采集卡发送脉宽控制信号，以同步的对多个所述信号采集模组发送的激光信号进行调节；

对所述数字回波信号进行中位值平均滤波计算包括：接收单位时间内获取的一组数字回波信号，将该组数字回波信号中的最大值以及最小值去除后，计算剩余的数字回波信号的平均值。

2.根据权利要求1所述的测风雷达系统，其特征在于：

所述信号采集模组还包括光开关，所述光开关连接于所述种子光源与所述声光调制器之间。

3.根据权利要求1所述的测风雷达系统，其特征在于：

所述信号采集模组还包括平衡探测器，所述平衡探测器连接在所述耦合器与所述数据采集卡之间。

4.测风雷达系统的工作方法，其特征在于，包括：

信号采集模组的光学望远镜接收模拟回波信号，并将所述模拟回波信号转换成数字回波信号后，对所述数字回波信号进行中位值平均滤波计算后，将滤波后的数据进行离散傅里叶变换获得离散数据，所述离散数据的数据量小于所述数字回波信号的数据量；

多个所述信号采集模组的数据采集卡通过无线传输模块向计算机传输所述离散数据；

所述计算机根据多个所述信号采集模组所传输的离散数据绘制风向图；

所述数据采集卡还包括脉冲发生器，所述脉冲发生器向声光调制器输出脉冲信号，且所述计算机同步的向多个所述数据采集卡发送脉宽控制信号，以同步的对多个所述信号采集模组发送的激光信号进行调节；

对所述数字回波信号进行中位值平均滤波计算包括：接收单位时间内获取的一组数字回波信号，将该组数字回波信号中的最大值以及最小值去除后，计算剩余的数字回波信号的平均值；

将模拟回波信号转换成数字回波信号进行滤波以及离散傅里叶变换，经过变换后获得的离散数据的数据量较少，此时通过无线网络传输至计算机的数据量也较少，因此，一台计算机能够同时接收并处理多个信号采集模组传输的离散数据，使得计算机能够在同一时间接收到来自多个信号采集模组的数据，有利于计算机绘制准确的风向图；由于信号采集模组与计算机之间的数据传输量较少，因此将计算机设置在距离信号采集模组较远的地方，也能够满足数据接收的要求，这样，将计算机设置在固定建筑物内，避免计算机长时间在恶劣环境下工作，延长计算机的使用寿命。

5.根据权利要求4所述的测风雷达系统的工作方法，其特征在于：

所述数据采集卡接收所述计算机传输的脉宽控制信号，所述脉冲发生器根据所述脉宽控制信号调节输出至所述声光调制器的所述脉冲信号的宽度。

6.根据权利要求4至5任一项所述的测风雷达系统的工作方法，其特征在于：

多个所述信号采集模组的所述数据采集卡同步的向所述计算机传输离散数据。

7.根据权利要求6所述的测风雷达系统的工作方法，其特征在于：

多个所述信号采集模组的所述数据采集卡同步的向所述计算机传输离散数据包括：每一所述数据采集卡每间隔预设的时间向所述计算机传输离散数据。