基于FPGA的功率谱分析系统设计

发布时间：2020-12-01 23:58

　　相干测风激光雷达通过测量大气中气溶胶粒子的散射回波信号,利用多普勒频移获取大气风速。与常见的微波雷达相比,激光雷达具有更高的测量精度和空间分辨,在气象监测、风电资源开发、航空安全保障等领域有着重要的应用价值。针对相干测风激光雷达系统信号采集处理的需求,设计了一种基于FPGA的功率谱分析系统。通过硬件平台和算法逻辑的结合,系统灵活实现了数据采集、触发、缓存、功率谱估计、结果上传等系列功能。利用上位机软件对关键参数进行配置,满足了不同情形下的测量要求。整体系统具有集成度高、体积小、测量范围广等优势。系统硬件平台由信号采集子板和数据处理母板构成:子板使用12位1GS/s的ADC芯片进行高速采样;母板以Virtex-6系列FPGA作为核心,一方面通过SPI接口控制子板工作模式,另一方面凭借其丰富的计算资源实现实时功率谱估计,同时利用DDR3内存条及千兆以太网传输模块完成高速数据缓存、命令收发和结果上传。根据系统的工作流程,整体逻辑结构分为三部分:数据接收部分主要完成外触发采样控制、数据位宽转换及DDR3缓存;功率谱估计部分实现对采样点进行分段补零、实时加窗、FFT处理及脉冲累积等功能;通信及结... 

【文章来源】：中国科学技术大学安徽省 211工程院校 985工程院校

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【学位级别】：硕士

【部分图文】：

图１．１相干测风激光雷达结构框图??

?第１章绪?论???ｉｔ－?ｉｔｅ；?＾?９??图１．２?Ｗｉｎｄｃｌｕｂ激光雷达实物图??国内的相关研究起步较晚，２０１２年上海光学精密机械研宄所研制了波长为??１．０６４ｐｍ的全固态相千多普勒激光雷达［１５】，实现了?３０ｍ￣５００ｍ范围内风速测量，??测速精度为〇．３ｍ／ｓ，距离分辨率为４０ｍ。２０１４年，中国海洋大学研制了?１．５ｐｍ波??长全光纤脉冲激光雷达［１６］，测风距离为３０ｍ￣３０００ｍ，精度为０．３ｍ／ｓ，应用于风??电场涡流探测。??目前，对于相干测风激光雷达系统中的数据采集，光电探测器输出的中频信??号中心频率一般为８０ＭＨｚ，而多普勒频移与风速测量范围、激光波长相关，以??土?３０ｍ／ｓ风速、１．５５叫波长激光为例，频移为±３８．７ＭＨｚ，常用的Ａ／Ｄ采样频率??包括２５０ＭＨｚ、４００ＭＨｚ、５００ＭＨｚ及１ＧＨｚ等，高速采样的优点是在保留信号特??征的同时进一步提升系统的空间分辨能力。激光雷达中的功率谱估计主要包括软??件后处理、ＤＳＰ处理及ＦＰＧＡ处理三种方案。文献［１７］利用ＬＡＢＶＩＥＷ软件进行??设计，计算雷达回波信号功率谱；文献［１８］和［１９］分别采用ＴＩ公司的ＤＳＰ芯片??ＴＭＳ３２０Ｃ６７１３Ｂ以及ＴＭＳ３２０Ｃ６６７８实现高速数据处理；文献［２０］和［２１］分别使??用?Ａｌｔｅｒａ?公司?Ｃｙｃｌｏｎｅ?ＩＩＩ?系列的?ＥＰ３Ｃ２５Ｆ３２４?芯片、Ｘｉｌｉｎｘ?公司?Ｋｉｎｔｅｘ－７?系列的??ＸＣ７Ｋ７０Ｔ－ＦＢＧ６７６芯片进行功率谱估计，获取多普勒频移。根据前文中提到的基??于ＦＰＧＡ信号处理的优势，本文选择采用ＦＰＧＡ芯片作为控制处理核心实现高??速数据采

：?：，???■??１００００?＿?ｍｉ?１００００?｜ｉ?：Ｊ??８０００?＿?Ｉ?＼ｉ?８０００?１１?＊：！??ｎ?！？＝??６０００?Ｉ?Ｉ?６０００?：｜?ｊｊ??４０００?Ｉ?Ｉ?４０００?ｉｆ?ｉ＊??２０００?／！?＼?２０００?／／，?ｒ：！??０??＞ｆＪ??＾?ｋ一一??４０?５０?６０?７０?８０?９０?１００?４０?５０?６０?７０?８０?９０?１００??频率（ＭＨｚ）?频率＜ＭＨｚ）??图２．１补零处理前后频谱对比??针对回波信号微弱的问题，本文采用脉冲累积的方式降低噪声功率谱方差，??改善功率谱估计的性能，凸显有效信号的谱峰。脉冲累积包括两种：第一种是相??干累积，信号需要满足频率及相位上的对齐，在时域上累加后再转换到频域；第??二种是非相干累积，将信号转换到频域后再进行累加，这种方式无需考虑原始信??号间的相位关系。相干累积能够有效提高信噪比，但测风激光雷达系统中脉冲回??波信号的相位关系并不确定，一般采用非相干累积方法对信号进行处理。将??６０ＭＨｚ正弦波信号加入高斯白噪声，并设置信噪比为－３０ｄＢ，改变非相干累积次??数，对应的ＭＡＴＬＡＢ仿真结果如图２．２所示。随着累加次数增长，噪声功率谱??方差减小，微弱信号逐渐显现出来。??原信号功率谱?Ｓ加１００次功率谱??ｉ：ｓｉｐｉ?ｓ；；ｉ｜ｉｉ??－４０????????１??－３??????１?１???０?１００?２００?３００?４００?５００?０?１００?２００?３００?４００?５００??频率（ＭＨｚ）?频率（ＭＨｚ）??〇?累


本文编号：2895094