基于FPGA的激光云高仪设计

发布时间：2019-08-13 17:55

【摘要】：云作为天气和大气状况的重要表现形式,其研究意义尤为重要。激光云高仪是测量云层高度及反映其状态的重要工具。目前,云高仪的设计绝大多数是参照雷达技术,由雷达技术所设计的云高仪,其机械和电路的组成结构极其复杂,而且价格昂贵。本文针对以上情况,根据脉冲法测量原理,采用小功率激光器和PIN探测器设计了一种基于FPGA的高速信号采集处理系统,构建便携式激光云高仪系统。本文设计的便携式激光云高仪系统由905nm功率激光发射器发射高频单脉冲,经云层反射后由PIN探测器获取该后向反射信号,然后基于CycloneⅣ FPGA定制了 ADC控制接口并配合系统时序完成高速数据采集存储与处理,最后计算得出云底高度并上传数据。本论文设计了激光发射电路、PIN光电探测及调理电路、高速模数转换电路及FPGA控制处理系统。其中利用CycloneⅣ FPGA定制了激光发射电路控制接口、数据采集控制接口、12864显示控制接口,并集成了 NIOS Ⅱ处理器IP、MAX232接口 IP。数据处理部分将采集到的数据依据曲率分段后,利用C语言编程实现了快速小波除噪的算法,并将结果与标准数据库进行灰色关联分析,实现了云高的检测。实验表明:本文设计的数据采集系统能够实现高速采集,其系统集成度高,抗干扰能力强;本文设计的激光云高仪系统在实验中能够良好地接收激光反射信号,经调试后能够实现对云底高度的测量,且测量结果一致性较好。
【图文】：

遥感图像,气象雷达,毫米波

气状况、气候状况、环境状况等。如何准确地测量云层高度，对上述领域尤为逡逑重要。因此，测量云底的高度（距离）是本文研究的重点。逡逑目前对云层距离的测量多采用目测法、卫星法、毫米波雷达法［５］（如图１－１，逡逑图１－２）等。目测法是选取一个参照目标并采用人眼对云层距离进行估算，显然逡逑这个测量方法精度不够准确；卫星法是通过遥感卫星［６］拍摄的云层图像分析对逡逑比得出云层信息，该方法不仅需要火箭发送卫星，成本高，而且从遥感图像得逡逑出的信息精度不够；毫米波雷达［７］通过发射波长介于１？１０ｍｍ之间的电磁波，，逡逑通过大气反射回波得到云层信息，该方法虽然精度较好，但是设备成本高昂。逡逑大气激光探测是在原有的雷达技术基础上发展出来的新的激光雷达技术。激光逡逑云高仪利用激光方向性好、相干性强、单色性好以及高亮度等突出特点，体现逡逑出很高的探测精度和分辨率，基于不同波长激光对不同物质吸收、散射率不同逡逑的特性，可以对反射目标物质的特性进行分析。正是由于激光在这些方面的突逡逑出优点

云高仪

Ｌ逦ｒｉ逡逑图１－３云高仪ＣＳ１３５逦图１－４邋Ｖａｉｓａｌａ公司的云高仪逡逑国内激光器的发展相对于国外晚十年。我国于１９７２年成功的研制出了邋ＪＣＹ－１逡逑型精密气体激光测距机；次年，推出了邋ＪＣＹ－２型精密气体激光测距机。１９９６年，逡逑上海光机所成功研制出了便携式半导体激光测距机，测距精度为３ｍ。紧接着几逡逑年里，体积小、精度高的便携式测距机成为研宄的主题。１９９９年，为提高测量逡逑精度，详细地判别了误差来源，认为测距的误差主要是由于受到接收系统响应逡逑时间和自量化时钟的频率稳定度以及脉宽的影响。２００５年，清华大学赵大龙、逡逑秦来贵等研宄员对激光测距仪接收光信号灵敏度等问题做了初步分析，并提出逡逑了自触发测量距离的解决方案，以减少测量误差。２００７年，中国科学院上海物逡逑理研究所采用了专用时间间隔测量芯片ＴＤＣ－ＧＰＩ
【学位授予单位】：南京信息工程大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2017
【分类号】：TH765.6;TN791

【参考文献】