相干測風(fēng)激光雷達通過測量大氣中氣溶膠粒子的散射回波信號,利用多普勒頻移獲取大氣風(fēng)速。與常見的微波雷達相比,激光雷達具有更高的測量精度和空間分辨,在氣象監(jiān)測、風(fēng)電資源開發(fā)、航空安全保障等領(lǐng)域有著重要的應(yīng)用價值。針對相干測風(fēng)激光雷達系統(tǒng)信號采集處理的需求,設(shè)計了一種基于FPGA的功率譜分析系統(tǒng)。通過硬件平臺和算法邏輯的結(jié)合,系統(tǒng)靈活實現(xiàn)了數(shù)據(jù)采集、觸發(fā)、緩存、功率譜估計、結(jié)果上傳等系列功能。利用上位機軟件對關(guān)鍵參數(shù)進行配置,滿足了不同情形下的測量要求。整體系統(tǒng)具有集成度高、體積小、測量范圍廣等優(yōu)勢。系統(tǒng)硬件平臺由信號采集子板和數(shù)據(jù)處理母板構(gòu)成:子板使用12位1GS/s的ADC芯片進行高速采樣;母板以Virtex-6系列FPGA作為核心,一方面通過SPI接口控制子板工作模式,另一方面憑借其豐富的計算資源實現(xiàn)實時功率譜估計,同時利用DDR3內(nèi)存條及千兆以太網(wǎng)傳輸模塊完成高速數(shù)據(jù)緩存、命令收發(fā)和結(jié)果上傳。根據(jù)系統(tǒng)的工作流程,整體邏輯結(jié)構(gòu)分為三部分:數(shù)據(jù)接收部分主要完成外觸發(fā)采樣控制、數(shù)據(jù)位寬轉(zhuǎn)換及DDR3緩存;功率譜估計部分實現(xiàn)對采樣點進行分段補零、實時加窗、FFT處理及脈沖累積等功能;通信及結(jié)... 

【文章來源】：中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)安徽省 211工程院校 985工程院校

【文章頁數(shù)】：71 頁

【學(xué)位級別】：碩士

【部分圖文】：

圖１．１相干測風(fēng)激光雷達結(jié)構(gòu)框圖??

?第１章緒?論???ｉｔ－?ｉｔｅ；?＾?９??圖１．２?Ｗｉｎｄｃｌｕｂ激光雷達實物圖??國內(nèi)的相關(guān)研究起步較晚，２０１２年上海光學(xué)精密機械研宄所研制了波長為??１．０６４ｐｍ的全固態(tài)相千多普勒激光雷達［１５】，實現(xiàn)了?３０ｍ￣５００ｍ范圍內(nèi)風(fēng)速測量，??測速精度為〇．３ｍ／ｓ，距離分辨率為４０ｍ。２０１４年，中國海洋大學(xué)研制了?１．５ｐｍ波??長全光纖脈沖激光雷達［１６］，測風(fēng)距離為３０ｍ￣３０００ｍ，精度為０．３ｍ／ｓ，應(yīng)用于風(fēng)??電場渦流探測。??目前，對于相干測風(fēng)激光雷達系統(tǒng)中的數(shù)據(jù)采集，光電探測器輸出的中頻信??號中心頻率一般為８０ＭＨｚ，而多普勒頻移與風(fēng)速測量范圍、激光波長相關(guān)，以??土?３０ｍ／ｓ風(fēng)速、１．５５叫波長激光為例，頻移為±３８．７ＭＨｚ，常用的Ａ／Ｄ采樣頻率??包括２５０ＭＨｚ、４００ＭＨｚ、５００ＭＨｚ及１ＧＨｚ等，高速采樣的優(yōu)點是在保留信號特??征的同時進一步提升系統(tǒng)的空間分辨能力。激光雷達中的功率譜估計主要包括軟??件后處理、ＤＳＰ處理及ＦＰＧＡ處理三種方案。文獻［１７］利用ＬＡＢＶＩＥＷ軟件進行??設(shè)計，計算雷達回波信號功率譜；文獻［１８］和［１９］分別采用ＴＩ公司的ＤＳＰ芯片??ＴＭＳ３２０Ｃ６７１３Ｂ以及ＴＭＳ３２０Ｃ６６７８實現(xiàn)高速數(shù)據(jù)處理；文獻［２０］和［２１］分別使??用?Ａｌｔｅｒａ?公司?Ｃｙｃｌｏｎｅ?ＩＩＩ?系列的?ＥＰ３Ｃ２５Ｆ３２４?芯片、Ｘｉｌｉｎｘ?公司?Ｋｉｎｔｅｘ－７?系列的??ＸＣ７Ｋ７０Ｔ－ＦＢＧ６７６芯片進行功率譜估計，獲取多普勒頻移。根據(jù)前文中提到的基??于ＦＰＧＡ信號處理的優(yōu)勢，本文選擇采用ＦＰＧＡ芯片作為控制處理核心實現(xiàn)高??速數(shù)據(jù)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??頻率（ＭＨｚ）?頻率＜ＭＨｚ）??圖２．１補零處理前后頻譜對比??針對回波信號微弱的問題，本文采用脈沖累積的方式降低噪聲功率譜方差，??改善功率譜估計的性能，凸顯有效信號的譜峰。脈沖累積包括兩種：第一種是相??干累積，信號需要滿足頻率及相位上的對齊，在時域上累加后再轉(zhuǎn)換到頻域；第??二種是非相干累積，將信號轉(zhuǎn)換到頻域后再進行累加，這種方式無需考慮原始信??號間的相位關(guān)系。相干累積能夠有效提高信噪比，但測風(fēng)激光雷達系統(tǒng)中脈沖回??波信號的相位關(guān)系并不確定，一般采用非相干累積方法對信號進行處理。將??６０ＭＨｚ正弦波信號加入高斯白噪聲，并設(shè)置信噪比為－３０ｄＢ，改變非相干累積次??數(shù)，對應(yīng)的ＭＡＴＬＡＢ仿真結(jié)果如圖２．２所示。隨著累加次數(shù)增長，噪聲功率譜??方差減小，微弱信號逐漸顯現(xiàn)出來。??原信號功率譜?Ｓ加１００次功率譜??ｉ：ｓｉｐｉ?ｓ；；ｉ｜ｉｉ??－４０????????１??－３??????１?１???０?１００?２００?３００?４００?５００?０?１００?２００?３００?４００?５００??頻率（ＭＨｚ）?頻率（ＭＨｚ）??〇?累


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