一種測量云層高度和厚度的硬件和軟件配合方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明屬于氣象檢測技術(shù)領(lǐng)域，涉及一種測量云層高度和厚度的硬件和軟件配合 方法，尤其涉及一種基于高速FPGA特性并采用極其陡峭的脈沖上升沿和全光路數(shù)據(jù)采集的 硬件方法和根據(jù)曲率分段以及快速小波濾波的提高云層高度的測量精度的軟件方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 云層高度和厚度測量是應(yīng)用光學(xué)原理和電子傳感器及處理技術(shù)，利用高能脈沖發(fā) 射和接收時(shí)間差的關(guān)系進(jìn)而測算距離而建立起來的一類分析方法。基于高速FPGA的云層高 度及厚度測量儀的特點(diǎn)是速度快，處理系能強(qiáng)，單片集成，無需多余的外圍芯片，便于實(shí)現(xiàn) S0PC和分塊移植，可用于連續(xù)、無線及遠(yuǎn)程測量，在氣象、民用和交通等各個(gè)領(lǐng)域有著廣泛 的應(yīng)用。
[0003] 在云層高度和厚度測量儀器的實(shí)測過程中，由于激光的傳輸速度極快并且大氣環(huán) 境干擾和后向反射信號微弱，使采集數(shù)據(jù)中存在一定噪聲，同時(shí)由于高速A/D轉(zhuǎn)換、數(shù)據(jù)采 集等原因，測量儀實(shí)測數(shù)據(jù)中必定會存在異常值，從而降低測量精度。因此，提出一種適合 測量云層高度及厚度的高速硬件采集方案和數(shù)據(jù)平滑處理方法是提高儀器測量精度的必 要手段。
[0004] 目前，對于儀器的硬件處理方案是基于TDC時(shí)間處理芯片的時(shí)間測量方案;測量數(shù) 據(jù)的平滑處理主要采用數(shù)值計(jì)算方法，如利用加權(quán)平均滑動及偏最小二乘法建立多元線性 回歸模型，從而提高檢測精度的方法。但該兩種方法一個(gè)是不便于留下原始的高頻信號，另 一個(gè)是將多個(gè)測量點(diǎn)代入模型進(jìn)行計(jì)算以減少外部因素的影響，不適合云層高度及厚度測 量儀器使用。
[0005] 在云層高度及厚度測量理中，一般情況是使用時(shí)間數(shù)字轉(zhuǎn)換芯片（TDC)。應(yīng)用TDC 時(shí)間數(shù)字轉(zhuǎn)換的方法，簡單的依賴TDC芯片的轉(zhuǎn)換，很難觀測干擾和云層的反射情況，且依 賴于TDC時(shí)間芯片。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006] 針對現(xiàn)有技術(shù)中的不足之處，本發(fā)明提供一種測量云層高度和厚度的硬件和軟件 配合方法，利用高速FPGA的對高頻脈沖的高精度采集特性以及根據(jù)曲率分段以及快速小波 濾波的方法進(jìn)行處理。
[0007] 為解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明采用以下技術(shù)方案：一種測量云層高度和厚度的硬 件裝置，其特征是，包括FPGA，所述FPGA分別連接激光驅(qū)動模塊、信號接收模塊、信號轉(zhuǎn)換模 塊、液晶顯示模塊和片外閃存模塊，所述激光驅(qū)動模塊連接激光發(fā)射器，所述激光發(fā)射器為 905nm激光發(fā)射器，所述信號接收模塊包括PIN光電傳感器、ADC模塊和信號調(diào)理模塊，所述 PIN光電傳感器連接寬帶電壓調(diào)理模塊，所述寬帶電壓調(diào)理模塊連接ADC模塊，所述信號轉(zhuǎn) 換模塊包括max232電平轉(zhuǎn)換模塊及與其通信的上位機(jī)，液晶顯示模塊為IXD12864液晶顯示 模塊，所述FPGA內(nèi)部集成了IP core，所述IP core包括系統(tǒng)架構(gòu)互聯(lián)總線、nios ii處理器、 ADC控制接口、DMA控制接口、激光脈沖控制接口、片上sraml、片上sram2、avalon-mm三態(tài)橋 接口、RS-232接口、LCD接口和avalon-mm總線，所述max232電平轉(zhuǎn)換模塊連接RS-232接口， 所述ADC模塊連接ADC控制接口，所述激光驅(qū)動模塊連接激光脈沖控制接口，所述LCD12864 液晶顯示模塊連接LCD接口，所述片外閃存模塊連接三態(tài)橋接口。
[0008] 硬件裝置發(fā)射高速激光脈沖序列的自動發(fā)射和自動采集，將采集到的離散數(shù)據(jù)存 儲在FPGA中，并提供嵌入式處理器來處理，其特征是，包括如下步驟：
[0009] S01，將由高速FPGA數(shù)據(jù)采集器采集到的多組真實(shí)數(shù)據(jù)，通過平均的方法得到的處 于脈沖段的數(shù)據(jù)向量R〇[X0，Xl〃_Xn]作為參考向量(一幀選取n+1個(gè)數(shù)據(jù)），以測量時(shí)間為X 軸，測量數(shù)據(jù)為Y軸，將樣本擬合成平面曲線Si;
[0010] S02,定義平面曲線Si*曲率為Kt(KtQ<K t<Ktl)的曲線段為基線段(其中KtQ，KtlS 義了基線段的曲率范圍），曲率為Kf(K fQ< Kf < Kfl)的曲線段為脈沖段(其中KfQ，Kfl定義了脈 沖段的曲率范圍）；
[0011] S03,實(shí)際測量中，將使用高速FPGA采集器測得的數(shù)據(jù)Rtxojl··%](-次后向反 射總共采集g個(gè)數(shù)據(jù))擬合為平面曲線&;
[0012 ] S04，基于曲線的曲率為平面曲線&分段；
[0013] S05,對于屬于非脈沖線段的32的曲線段f [X0，X1…Xn]，直接舍棄，取屬于脈沖段 的平面曲線32的曲線段R〃[X0，X1…Xn]，使用快速小波除噪法進(jìn)行處理，最后逆變換得到脈 沖回波信號，從而消除測量數(shù)中的噪聲和異常值；
[0014] S06,將分好段的脈沖段的平面曲線S2的曲線段R〃分幀后分別與參考向量R0進(jìn)行 灰色關(guān)聯(lián)分析；
[0015] S07,將灰色關(guān)聯(lián)系數(shù)大小進(jìn)行冒泡排序，求出系數(shù)最大的序列，取該序列的第一 個(gè)點(diǎn)，并求出該點(diǎn)占整個(gè)序列的位置，由此算出脈沖的往返時(shí)間，最終根據(jù)公式s = 0.5*v* t，算出云層的高度。其中，s是云層的高度，v是光速，t是光脈沖往返的時(shí)間。
[0016] S08,若云層有一定厚度，并且有多層云，則在一次回波接收中可以得到幾次距離 較近且信號較弱的脈沖上升前沿，通過該脈沖上升前沿，將相鄰兩層云之間的高度值相減， 即可得到云層的厚度，重復(fù)以上步驟，即可得到第二層，第三層等等若干的云層厚度。
[0017]進(jìn)一步的，步驟S04包括以下步驟:在曲線S2上選取η個(gè)測量點(diǎn)，計(jì)算其曲率K[K 0， h…Κη]，將Κ分別和Kt，Kf對比，若K e Kt，那么該測量點(diǎn)屬于基線段，若K e Kf，則該測量點(diǎn)屬 于脈沖段。
[0018] 進(jìn)一步的，步驟S05所述小波除噪法選取db4，深度為3層的變換，去除dl，d2，d3中 的尚頻。
[001 9] 進(jìn)一步的，步驟S05所述小波除噪法中分解算法的表達(dá)式為:f (t ) = Σ nCm+l, η Φ m+l, 1 (t)，重構(gòu)算法的表達(dá)式為:f(t) = 2nCm,k<K,k(k)+ 2ndm,k<K,t(t)，
[0020] 其中，(K,k是尺度函數(shù)，c是小波濾波器濾波系數(shù)，c0 = 0.4829629131445341，cl = 0 · 8365163037378079，c2 = 0 · 2241438680420134，c3 = -0 · 1294095225512604，n 是一維信號 的尚散點(diǎn)的長度。
[0021] 進(jìn)一步的，步驟S06所述灰色關(guān)聯(lián)分析包括灰色關(guān)聯(lián)系數(shù)和關(guān)聯(lián)度，灰色關(guān)聯(lián)系數(shù) 的其表達(dá)式為：
[0023] 其中，分辨系數(shù)Ρ = 0.5, Δ (min)為兩級最小差，Δ (max)為兩級最大差，Δ Xi(k)為 各比較數(shù)列&曲線上的每一個(gè)點(diǎn)與參考數(shù)列Xo曲線上的每一個(gè)點(diǎn)的絕對差值。
[0024]進(jìn)一步的，步驟S07中取序列第一個(gè)點(diǎn)Xo為回脈沖回波開始點(diǎn)。
[0025] 本發(fā)明所達(dá)到的有益效果:本發(fā)明所述一種測量云層高度和厚度的硬件和軟件配 合方法，得到了預(yù)設(shè)的采集數(shù)據(jù)，基本消除了噪聲和異常值，提高了云層高度及厚度的數(shù)據(jù) 測量精度，本發(fā)明采用高速FPGA發(fā)射脈沖和數(shù)據(jù)采集，比其他硬件系統(tǒng)速度更快，更加節(jié)省 片外資源;本發(fā)明還采用數(shù)據(jù)分段平滑的方法，比應(yīng)用單一數(shù)值計(jì)算方法的實(shí)時(shí)性更好，靈 活更高，有效提高了測量精度;與現(xiàn)有技術(shù)相比，基于高速FPGA的云層高度及厚度測量儀的 特點(diǎn)是速度快，處理系能強(qiáng)，單片集成，無需多余的外圍芯片，便于實(shí)現(xiàn)S0PC和分塊移植，可 用于連續(xù)、無線及遠(yuǎn)程測量，在氣象、民用和交通等各個(gè)領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用。
【附圖說明】
[0026] 圖1為本發(fā)明的硬件框圖。
[0027]圖2為本發(fā)明的軟件流程圖。
[0028] 圖3為本發(fā)明實(shí)施方式中分段前的數(shù)據(jù)擬合平面曲線&示意圖；
[0029] 圖4為本發(fā)明實(shí)施方式中分段后某一脈沖上升段經(jīng)快速小波處理前后的示意圖；
【具體實(shí)施方式】
[0030] 下面結(jié)合附圖對本發(fā)明作進(jìn)一步描述。以下實(shí)施例僅用于更加清楚地說明本發(fā)明 的技術(shù)方案，而不能以此來限制本發(fā)明的保護(hù)范圍。
[0031] 如圖1所示，一種測量云層高度和厚度的硬件裝置，其特征是，包括FPGA，所述FPGA 分別連接激光驅(qū)動模塊、信號接收模塊、信號轉(zhuǎn)換模塊、液晶顯示模塊和片外閃存模塊，所 述激光驅(qū)動模塊連接激光發(fā)射器，所述激光發(fā)射器為905nm激光發(fā)射器，所述信號接收模塊 包括P IN光電傳感器、ADC模塊和寬帶信號調(diào)理模塊，所述P IN光電傳感器連接寬帶電壓調(diào)理 模塊，所述寬帶電壓調(diào)理模塊連接ADC模塊，所述信號轉(zhuǎn)換模塊包括max232電平轉(zhuǎn)換模塊及 與其通信的上位機(jī)，液晶顯示模塊為LCD 12864液晶顯示模塊，所述FPGA內(nèi)部集成了 IP core，所述IP core包括系統(tǒng)架構(gòu)互聯(lián)總線、nios ii處理器、ADC控制接口、DMA控制接口、激 光脈沖控制接口、片上sraml、片上sram2、avalon-mm三態(tài)橋接口、RS-232接口、LCD接口和 avalon-mm總線，所述max232電平轉(zhuǎn)換模塊連接RS-232接口，所述ADC模塊連接ADC控制接 口，所述激光驅(qū)動模塊連接激光脈沖控制接口，所述LCD12864液晶顯示模塊連接LCD接口， 所述片外閃存模塊連接三態(tài)橋接口。
[0032]激光頭驅(qū)動模塊:使用Altera高速FPGA-Cyclone iv發(fā)射具有陡峭脈沖前沿驅(qū)動 905nm激光發(fā)射器發(fā)射高頻激光。
[0033]寬帶電壓調(diào)理模塊:濾除干擾雜波，將傳感器感受到的電壓信號調(diào)理到ADC模塊可 識別的范圍。
[0034] ADC模塊:用于信號數(shù)據(jù)采集。
[0035] IXD12864液晶顯示模塊：用于結(jié)果顯示。
[0036] max232電平轉(zhuǎn)換模塊:用于與上位機(jī)通訊。
[0037] FPGA:處理單元，用于信號傳輸存儲以及處理分析。
[0038] -種測量云高的裝置