低空監視雷達通用氣象通道信號處理裝置及其處理方法與流程

2023-12-05 07:34:01 4

本發明涉及低空監視雷達領域，特別涉及一種低空監視雷達通用氣象通道信號處理裝置及其處理方法。

背景技術：

隨著現代科技的不斷發展，雷達技術已經普遍應用於氣象領域。氣象雷達也從傳統的強度監測雷達發展為脈衝都卜勒天氣雷達。與此同時，隨著低空空域逐漸開放，各種低空、超低空飛行任務日益增多，由天氣原因引發的各類空中交通安全問題逐漸得到人們的重視。

低空監視雷達需要對掃描空域中的目標飛行器進行監視或跟蹤，為此需要抑制與被監視目標無關的各種雜波，包括地雜波、尤其是氣象雜波等幹擾；而氣象雷達的主要任務是抑制與氣象回波無關的雜波包括飛行器，提取出雲雨通過電磁波所帶回的各種氣象參數，從而為氣象預報提供較為準確的參考。兩者處理對象的側重點不同甚至是矛盾的，處理方法也不盡相同。在低空監視雷達上引入氣象探測功能，是低空監視雷達的發展方向。

但是現行的低空空域監視技術和設備嚴重落後，許多中小型民航機場沒有低空目標/氣象監視設備，缺乏有效的監視手段，這給低空飛行安全帶來嚴重的隱患。因此，面對即將開放的低空空域，如何在低空監視雷達上引入氣象探測功能，是未來低空監視雷達的發展方向。

技術實現要素：

本發明為了克服上述現有技術的不足，提供了一種低空監視雷達通用氣象通道信號處理裝置，本發明設備量小、成本低、並且性能穩定可靠，解決了在低空雷達上實現目標監視與氣象探測兼顧的問題。

為實現上述目的，本發明採用了以下技術措施：

一種低空監視雷達通用氣象通道信號處理裝置包括fpga控制模塊、pc104計算機模塊、存儲模塊、配置模塊以及電源轉換模塊，所述fpga控制模塊分別與pc104計算機模塊、配置模塊、存儲模塊之間相連接，所述fpga控制模塊通過電源轉換模塊與io接口相連，所述io接口分別與fpga控制模塊、pc104計算機模塊之間雙向通信連接，所述pc104計算機模塊分別與網絡接口、外部設備接口之間雙向通信連接。

優選的，所述存儲模塊包括第一sram晶片以及第二sram晶片，所述第一sram晶片的信號輸入端、第二sram晶片的信號輸入端均通過控制線以及地址線與fpga控制模塊的信號輸出端相連，第一sram晶片、第二sram晶片均通過數據線與fpga控制模塊之間雙向通信連接。

優選的，所述fpga控制模塊與pc104計算機模塊之間通過總線雙向通信連接，fpga控制模塊與io接口之間通過數據線雙向通信連接，所述io接口與pc104計算機模塊之間通過總線雙向通信連接。

優選的，所述外部設備接口分別包括滑鼠接口、鍵盤接口、usb接口，所述滑鼠接口、鍵盤接口、usb接口均與pc104計算機模塊之間雙向通信連接。

進一步的，所述fpga控制模塊包括控制晶片，所述控制晶片的型號為ep1s60f1020c7；所述pc104計算機模塊的型號為bpc-y5041l-b。

進一步的，所述第一sram晶片、第二sram晶片的型號均為gs832036t-133；所述配置模塊包括配置晶片，所述配置晶片的型號為epc16qc100。

本發明還提供了一種低空監視雷達通用氣象通道信號處理裝置的處理方法，所有處理流程均在fpga控制模塊內部實現，本方法採用模塊化設計，通用性好，可移植性強，具體包括以下步驟：

s1、所述io接口接收來自雷達接收機的氣象原始iq信號，所述fpga控制模塊對氣象原始iq信號的窄脈衝波形、寬脈衝波形分別進行數字脈壓得到窄脈衝數據、寬脈衝數據；

s2、所述fpga控制模塊對窄脈衝數據、寬脈衝數據進行拼接對齊得到拼接後的脈衝數據；

s3、所述fpga控制模塊根據當前的存儲於pc104計算機模塊中的晴空圖來控制選擇器的輸出；當所述晴空圖顯示在清潔區，直接將拼接後的脈衝數據傳輸至選擇器；當所述晴空圖顯示在雜波區，選用mti濾波器濾除拼接後的脈衝數據的地物雜波後再傳輸至選擇器；

s4、所述fpga控制模塊對選擇器輸出的拼接後的脈衝數據進行視頻積累處理得到氣象樣本電平值；

s5、fpga控制模塊對所述氣象樣本電平值進行距離訂正得到訂正後的氣象電平值；

s6、fpga控制模塊對所述訂正後的氣象電平值進行6級門限的分割處理，得到6級氣象強度矢量信息。

優選的，步驟s4的具體操作步驟包括：所述fpga控制模塊對選擇器輸出的拼接後的脈衝數據進行距離和方位的二維視頻積累處理，距離上選取16個距離單元即960米、方位上選取一個波束寬度即1.4°作為氣象樣本單元，對所述氣象樣本單元內的回波脈衝積累求均值得到氣象樣本電平值。

優選的，步驟s5的具體操作步驟包括：所述fpga控制模塊對不同距離上的氣象樣本電平值加上一個修正量，所述修正量與幅度值相加即為訂正後的氣象電平值。

本發明的有益效果在於：

1)、本低空監視雷達通用氣象通道信號處理裝置包括fpga控制模塊、pc104計算機模塊、存儲模塊、配置模塊以及電源轉換模塊，pc104計算機模塊作為設備通信管理單元，提高了本發明的可移植性和通用性，本發明設備量小、成本低、並且性能穩定可靠，解決了在低空雷達上實現目標監視與氣象探測兼顧的問題，實現一機兩用，具有良好的社會效應和經濟效益。

2)、本發明的氣象通道信號處理方法包括數字脈壓、mti濾波、選擇器、視頻積累處理、距離訂正、6級氣象輪廓生產形成，本方法採用模塊化設計，通用性好，可移植性強，所有處理流程均在fpga控制模塊內部實現，fpga控制模塊的算法升級方便，維護簡單，因此本發明的升級維護簡單，方便。

3)、所述fpga控制模塊(10)對選擇器輸出的拼接後的脈衝數據進行視頻積累處理得到當前幀的氣象樣本電平值，有效防止幀間數據突變，減小氣象回波隨機性影響。

附圖說明

圖1為本發明的低空監視雷達通用氣象通道信號處理裝置的組成框圖；

圖2為本發明的處理方法的流程框圖；

圖3為本發明的mti濾波器幅頻特性曲線；

圖4為本發明的一個實施例的窄脈衝數據、寬脈衝數據的拼接對齊原理圖；

圖5為本發明的一個實施例的處理方法的輸出結果。

10—fpga控制模塊20—pc104計算機模塊

30—配置模塊40—電源轉換模塊

具體實施方式

下面將結合本發明實施例中的附圖，對本發明實施例中的技術方案進行清楚、完整地描述，顯然，所描述的實施例僅僅是本發明一部分實施例，而不是全部的實施例。基於本發明中的實施例，本領域普通技術人員在沒有做出創造性勞動前提下所獲得的所有其他實施例，都屬於本發明保護的範圍。

如圖1所示，一種低空監視雷達通用氣象通道信號處理裝置包括fpga控制模塊10、pc104計算機模塊20、存儲模塊、配置模塊30以及電源轉換模塊40，所述fpga控制模塊10分別與pc104計算機模塊20、配置模塊30、存儲模塊之間相連接，所述fpga控制模塊10通過電源轉換模塊40與io接口相連，所述io接口分別與fpga控制模塊10、pc104計算機模塊20之間雙向通信連接，所述pc104計算機模塊20分別與網絡接口、外部設備接口之間雙向通信連接。

具體的，所述配置模塊30的一端通過加載埠與fpga控制模塊10相連，配置模塊30的另一端直接與fpga控制模塊10相連，所述電源轉換模塊40包括電源轉換晶片，所述電源轉換晶片的型號為mic37301-1.5br，將外接的+3.3v電源轉換成fpga所需的1.5v工作電壓，io接口用於提夠對外接口，包括電源輸入和雷達接收機送來的原始iq信號，同時對外輸出氣象處理後的數據。

所述存儲模塊包括第一sram晶片以及第二sram晶片，所述第一sram晶片的信號輸入端、第二sram晶片的信號輸入端均通過控制線以及地址線與fpga控制模塊10的信號輸出端相連，第一sram晶片、第二sram晶片均通過數據線與fpga控制模塊10之間雙向通信連接。

所述fpga控制模塊10與pc104計算機模塊20之間通過總線雙向通信連接，fpga控制模塊10與io接口之間通過數據線雙向通信連接，所述io接口與pc104計算機模塊20之間通過總線雙向通信連接。

所述外部設備接口分別包括滑鼠接口、鍵盤接口、usb接口，所述滑鼠接口、鍵盤接口、usb接口均與pc104計算機模塊20之間雙向通信連接。

所述fpga控制模塊10包括控制晶片，所述控制晶片的型號為ep1s60f1020c7；所述pc104計算機模塊20的型號為bpc-y5041l-b；所述第一sram晶片、第二sram晶片的型號均為gs832036t-133；所述配置模塊30包括配置晶片，所述配置晶片的型號為epc16qc100。

如圖2所示，本發明還提供了一種低空監視雷達通用氣象通道信號處理裝置的處理方法，其特徵在於，包括以下步驟：

s1、所述io接口接收來自雷達接收機的氣象原始iq信號，所述fpga控制模塊10對氣象原始iq信號的窄脈衝波形、寬脈衝波形分別進行數字脈壓得到窄脈衝數據、寬脈衝數據；

s2、所述fpga控制模塊10對窄脈衝數據、寬脈衝數據進行拼接對齊得到拼接後的脈衝數據；

如圖4所示，脈衝數據的拼接對齊是指，由於本裝置在發射期間不能接收回波信號，所以在發射信號截止後有一段數據是非有效信號即信號不能完整接收，因為在此期間信號被截斷不是完整的回波信號，非有效區寬度與對應的發射信號寬度一致，稱之為盲區，為了「補盲」，採用窄脈衝+寬脈衝發射的模式，寬脈衝的能力更強，能夠覆蓋遠區探測，而窄脈衝能量較小，用於對寬脈衝進行補盲，負責近區探測。在數字脈壓後對窄脈衝延時處理，再與寬脈衝有效數據進行拼接，形成完整的探測覆蓋區，窄脈衝盲區較小忽略不計。

s3、所述fpga控制模塊10根據當前的存儲於pc104計算機模塊20中的晴空圖來控制選擇器的輸出；當所述晴空圖顯示在清潔區，直接將拼接後的脈衝數據傳輸至選擇器；當所述晴空圖顯示在雜波區，選用mti濾波器濾除拼接後的脈衝數據的地物雜波後再傳輸至選擇器；

所述晴空圖即為地物雜波分布圖，晴空圖如實反映了無氣象條件下地物雜波分布，可以定時人工或自動更新，最大限度地實時跟蹤地物雜波的分布變化。更新的晴空圖數據將存儲與pc104計算機模塊20的flash晶片中，設備上電後能夠自動加載。

fpga控制模塊10是基於ep1s60f1020c7晶片的核心運算和控制模塊，採用vhdl硬體描述語言設計開發，負責數據存取和運算，完成整個氣象通道信號處理流程並輸出結果。

所述選擇器的作用如圖2所示，拼接後的脈衝數據分兩路並行處理，一路直傳不做處理，一路進行mti濾波處理，根據各數據單元所處的雜波環境決定哪路輸出，晴空圖代表探測區域內的地物雜波的分布，是一個按距離方位圖分布的二維數組，「0」代表「清潔區」，「1」代表地物「雜波區」，「雜波區」採用mti濾波處理抑制地雜的幹擾，清潔區採用直傳數據減小濾波損失。

具體的，晴空圖用於控制選擇器的輸出，清潔區選擇直傳數據，在雜波區採用50db道爾夫加權的mti濾波器濾除地物雜波，mti濾波器的頻率響應特性曲線如圖3所示，通過這種方法可以最大程度上剔除分散的地物雜波回波，保留氣象回波。

s4、所述fpga控制模塊10對選擇器輸出的拼接後的脈衝數據進行距離和方位的二維視頻積累處理，距離上選取16個距離單元即960米、方位上選取一個波束寬度即1.4°作為氣象樣本單元，對所述氣象樣本單元內的回波脈衝積累求均值得到氣象樣本電平值。

對所述氣象樣本單元內的回波脈衝積累求均值分兩個步驟，對氣象樣本單元內的回波脈衝積累求均值分兩個步驟，首先求取每個已經拼接好的且經過選擇器選擇的脈衝數據，完成距離維的樣本積累，如圖5所示，例如，4096個距離單元可量化為256個距離樣本，再求取5個脈衝相同距離單元的樣本均值，完成方位維的樣本積累，得到的值即為氣象樣本均值，其單元尺寸為960米×1.4°。將前一幀氣象樣本均值an-1與當前幀氣象樣本均值a遞歸求新值，新值為an＝k1a+k2an-1，其中，k1和k2均為權係數，且k1+k2＝1，an即為視頻積累處理後的當前幀氣象樣本電平值，同時將新值an存儲，參與下幀的遞歸運算。

s5、所述fpga控制模塊10對不同距離上的氣象樣本電平值加上一個修正量，所述修正量與幅度值相加即為訂正後的氣象電平值。根據氣象雷達公式回波強度訂正值與距離成正比，ydbz＝r×lat，其中lat為大氣衰減，y為回波強度訂正值，r為距離，對氣象樣本電平值完成距離訂正後，進入6級門限的分割處理，得到6級氣象強度矢量信息，氣象電平用dbz測量，被量化為6個預定的參考等級，參見表1，輸出6級氣象輪廓圖。

表1：

本方法採用模塊化設計，通用性好，可移植性強，所有處理流程均在fpga控制模塊10內部實現，fpga控制模塊10的算法升級方便，維護簡單，因此本發明的升級維護簡單，方便。本信號處理裝置是基於單片電路板設計，板載器件較少，結構簡單，可靠性好，電路板安置於標準的4u信號處理分機中。