本發(fā)明涉及低空監(jiān)視雷達(dá)領(lǐng)域，特別涉及一種低空監(jiān)視雷達(dá)通用氣象通道信號處理裝置及其處理方法。

背景技術(shù)：

隨著現(xiàn)代科技的不斷發(fā)展，雷達(dá)技術(shù)已經(jīng)普遍應(yīng)用于氣象領(lǐng)域。氣象雷達(dá)也從傳統(tǒng)的強(qiáng)度監(jiān)測雷達(dá)發(fā)展為脈沖多普勒天氣雷達(dá)。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(wù)日益增多，由天氣原因引發(fā)的各類空中交通安全問題逐漸得到人們的重視。

低空監(jiān)視雷達(dá)需要對掃描空域中的目標(biāo)飛行器進(jìn)行監(jiān)視或跟蹤，為此需要抑制與被監(jiān)視目標(biāo)無關(guān)的各種雜波，包括地雜波、尤其是氣象雜波等干擾；而氣象雷達(dá)的主要任務(wù)是抑制與氣象回波無關(guān)的雜波包括飛行器，提取出云雨通過電磁波所帶回的各種氣象參數(shù)，從而為氣象預(yù)報提供較為準(zhǔn)確的參考。兩者處理對象的側(cè)重點(diǎn)不同甚至是矛盾的，處理方法也不盡相同。在低空監(jiān)視雷達(dá)上引入氣象探測功能，是低空監(jiān)視雷達(dá)的發(fā)展方向。

但是現(xiàn)行的低空空域監(jiān)視技術(shù)和設(shè)備嚴(yán)重落后，許多中小型民航機(jī)場沒有低空目標(biāo)/氣象監(jiān)視設(shè)備，缺乏有效的監(jiān)視手段，這給低空飛行安全帶來嚴(yán)重的隱患。因此，面對即將開放的低空空域，如何在低空監(jiān)視雷達(dá)上引入氣象探測功能，是未來低空監(jiān)視雷達(dá)的發(fā)展方向。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明為了克服上述現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供了一種低空監(jiān)視雷達(dá)通用氣象通道信號處理裝置，本發(fā)明設(shè)備量小、成本低、并且性能穩(wěn)定可靠，解決了在低空雷達(dá)上實(shí)現(xiàn)目標(biāo)監(jiān)視與氣象探測兼顧的問題。

為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用了以下技術(shù)措施：

一種低空監(jiān)視雷達(dá)通用氣象通道信號處理裝置包括fpga控制模塊、pc104計(jì)算機(jī)模塊、存儲模塊、配置模塊以及電源轉(zhuǎn)換模塊，所述fpga控制模塊分別與pc104計(jì)算機(jī)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(zhuǎn)換模塊與io接口相連，所述io接口分別與fpga控制模塊、pc104計(jì)算機(jī)模塊之間雙向通信連接，所述pc104計(jì)算機(jī)模塊分別與網(wǎng)絡(luò)接口、外部設(shè)備接口之間雙向通信連接。

優(yōu)選的，所述存儲模塊包括第一sram芯片以及第二sram芯片，所述第一sram芯片的信號輸入端、第二sram芯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芯片、第二sram芯片均通過數(shù)據(jù)線與fpga控制模塊之間雙向通信連接。

優(yōu)選的，所述fpga控制模塊與pc104計(jì)算機(jī)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(shù)據(jù)線雙向通信連接，所述io接口與pc104計(jì)算機(jī)模塊之間通過總線雙向通信連接。

優(yōu)選的，所述外部設(shè)備接口分別包括鼠標(biāo)接口、鍵盤接口、usb接口，所述鼠標(biāo)接口、鍵盤接口、usb接口均與pc104計(jì)算機(jī)模塊之間雙向通信連接。

進(jìn)一步的，所述fpga控制模塊包括控制芯片，所述控制芯片的型號為ep1s60f1020c7；所述pc104計(jì)算機(jī)模塊的型號為bpc-y5041l-b。

進(jìn)一步的，所述第一sram芯片、第二sram芯片的型號均為gs832036t-133；所述配置模塊包括配置芯片，所述配置芯片的型號為epc16qc100。

本發(fā)明還提供了一種低空監(jiān)視雷達(dá)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(nèi)部實(shí)現(xiàn)，本方法采用模塊化設(shè)計(jì)，通用性好，可移植性強(qiáng)，具體包括以下步驟：

s1、所述io接口接收來自雷達(dá)接收機(jī)的氣象原始iq信號，所述fpga控制模塊對氣象原始iq信號的窄脈沖波形、寬脈沖波形分別進(jìn)行數(shù)字脈壓得到窄脈沖數(shù)據(jù)、寬脈沖數(shù)據(jù)；

s2、所述fpga控制模塊對窄脈沖數(shù)據(jù)、寬脈沖數(shù)據(jù)進(jìn)行拼接對齊得到拼接后的脈沖數(shù)據(jù)；

s3、所述fpga控制模塊根據(jù)當(dāng)前的存儲于pc104計(jì)算機(jī)模塊中的晴空圖來控制選擇器的輸出；當(dāng)所述晴空圖顯示在清潔區(qū)，直接將拼接后的脈沖數(shù)據(jù)傳輸至選擇器；當(dāng)所述晴空圖顯示在雜波區(qū)，選用mti濾波器濾除拼接后的脈沖數(shù)據(jù)的地物雜波后再傳輸至選擇器；

s4、所述fpga控制模塊對選擇器輸出的拼接后的脈沖數(shù)據(jù)進(jìn)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(jìn)行距離訂正得到訂正后的氣象電平值；

s6、fpga控制模塊對所述訂正后的氣象電平值進(jìn)行6級門限的分割處理，得到6級氣象強(qiáng)度矢量信息。

優(yōu)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后的脈沖數(shù)據(jù)進(jìn)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(nèi)的回波脈沖積累求均值得到氣象樣本電平值。

優(yōu)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后的氣象電平值。

本發(fā)明的有益效果在于：

1)、本低空監(jiān)視雷達(dá)通用氣象通道信號處理裝置包括fpga控制模塊、pc104計(jì)算機(jī)模塊、存儲模塊、配置模塊以及電源轉(zhuǎn)換模塊，pc104計(jì)算機(jī)模塊作為設(shè)備通信管理單元，提高了本發(fā)明的可移植性和通用性，本發(fā)明設(shè)備量小、成本低、并且性能穩(wěn)定可靠，解決了在低空雷達(dá)上實(shí)現(xiàn)目標(biāo)監(jiān)視與氣象探測兼顧的問題，實(shí)現(xiàn)一機(jī)兩用，具有良好的社會效應(yīng)和經(jīng)濟(jì)效益。

2)、本發(fā)明的氣象通道信號處理方法包括數(shù)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(chǎn)形成，本方法采用模塊化設(shè)計(jì)，通用性好，可移植性強(qiáng)，所有處理流程均在fpga控制模塊內(nèi)部實(shí)現(xiàn)，fpga控制模塊的算法升級方便，維護(hù)簡單，因此本發(fā)明的升級維護(hù)簡單，方便。

3)、所述fpga控制模塊(10)對選擇器輸出的拼接后的脈沖數(shù)據(jù)進(jìn)行視頻積累處理得到當(dāng)前幀的氣象樣本電平值，有效防止幀間數(shù)據(jù)突變，減小氣象回波隨機(jī)性影響。

附圖說明

圖1為本發(fā)明的低空監(jiān)視雷達(dá)通用氣象通道信號處理裝置的組成框圖；

圖2為本發(fā)明的處理方法的流程框圖；

圖3為本發(fā)明的mti濾波器幅頻特性曲線；

圖4為本發(fā)明的一個實(shí)施例的窄脈沖數(shù)據(jù)、寬脈沖數(shù)據(jù)的拼接對齊原理圖；

圖5為本發(fā)明的一個實(shí)施例的處理方法的輸出結(jié)果。

10—fpga控制模塊20—pc104計(jì)算機(jī)模塊

30—配置模塊40—電源轉(zhuǎn)換模塊

具體實(shí)施方式

下面將結(jié)合本發(fā)明實(shí)施例中的附圖，對本發(fā)明實(shí)施例中的技術(shù)方案進(jìn)行清楚、完整地描述，顯然，所描述的實(shí)施例僅僅是本發(fā)明一部分實(shí)施例，而不是全部的實(shí)施例?；诒景l(fā)明中的實(shí)施例，本領(lǐng)域普通技術(shù)人員在沒有做出創(chuàng)造性勞動前提下所獲得的所有其他實(shí)施例，都屬于本發(fā)明保護(hù)的范圍。

如圖1所示，一種低空監(jiān)視雷達(dá)通用氣象通道信號處理裝置包括fpga控制模塊10、pc104計(jì)算機(jī)模塊20、存儲模塊、配置模塊30以及電源轉(zhuǎn)換模塊40，所述fpga控制模塊10分別與pc104計(jì)算機(jī)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(zhuǎn)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(jì)算機(jī)模塊20之間雙向通信連接，所述pc104計(jì)算機(jī)模塊20分別與網(wǎng)絡(luò)接口、外部設(shè)備接口之間雙向通信連接。

具體的，所述配置模塊30的一端通過加載端口與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(zhuǎn)換模塊40包括電源轉(zhuǎn)換芯片，所述電源轉(zhuǎn)換芯片的型號為mic37301-1.5br，將外接的+3.3v電源轉(zhuǎn)換成fpga所需的1.5v工作電壓，io接口用于提夠?qū)ν饨涌?，包括電源輸入和雷達(dá)接收機(jī)送來的原始iq信號，同時對外輸出氣象處理后的數(shù)據(jù)。

所述存儲模塊包括第一sram芯片以及第二sram芯片，所述第一sram芯片的信號輸入端、第二sram芯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芯片、第二sram芯片均通過數(shù)據(jù)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(jì)算機(jī)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(shù)據(jù)線雙向通信連接，所述io接口與pc104計(jì)算機(jī)模塊20之間通過總線雙向通信連接。

所述外部設(shè)備接口分別包括鼠標(biāo)接口、鍵盤接口、usb接口，所述鼠標(biāo)接口、鍵盤接口、usb接口均與pc104計(jì)算機(jī)模塊20之間雙向通信連接。

所述fpga控制模塊10包括控制芯片，所述控制芯片的型號為ep1s60f1020c7；所述pc104計(jì)算機(jī)模塊20的型號為bpc-y5041l-b；所述第一sram芯片、第二sram芯片的型號均為gs832036t-133；所述配置模塊30包括配置芯片，所述配置芯片的型號為epc16qc100。

如圖2所示，本發(fā)明還提供了一種低空監(jiān)視雷達(dá)通用氣象通道信號處理裝置的處理方法，其特征在于，包括以下步驟：

s1、所述io接口接收來自雷達(dá)接收機(jī)的氣象原始iq信號，所述fpga控制模塊10對氣象原始iq信號的窄脈沖波形、寬脈沖波形分別進(jìn)行數(shù)字脈壓得到窄脈沖數(shù)據(jù)、寬脈沖數(shù)據(jù)；

s2、所述fpga控制模塊10對窄脈沖數(shù)據(jù)、寬脈沖數(shù)據(jù)進(jìn)行拼接對齊得到拼接后的脈沖數(shù)據(jù)；

如圖4所示，脈沖數(shù)據(jù)的拼接對齊是指，由于本裝置在發(fā)射期間不能接收回波信號，所以在發(fā)射信號截止后有一段數(shù)據(jù)是非有效信號即信號不能完整接收，因?yàn)樵诖似陂g信號被截斷不是完整的回波信號，非有效區(qū)寬度與對應(yīng)的發(fā)射信號寬度一致，稱之為盲區(qū)，為了“補(bǔ)盲”，采用窄脈沖+寬脈沖發(fā)射的模式，寬脈沖的能力更強(qiáng)，能夠覆蓋遠(yuǎn)區(qū)探測，而窄脈沖能量較小，用于對寬脈沖進(jìn)行補(bǔ)盲，負(fù)責(zé)近區(qū)探測。在數(shù)字脈壓后對窄脈沖延時處理，再與寬脈沖有效數(shù)據(jù)進(jìn)行拼接，形成完整的探測覆蓋區(qū)，窄脈沖盲區(qū)較小忽略不計(jì)。

s3、所述fpga控制模塊10根據(jù)當(dāng)前的存儲于pc104計(jì)算機(jī)模塊20中的晴空圖來控制選擇器的輸出；當(dāng)所述晴空圖顯示在清潔區(qū)，直接將拼接后的脈沖數(shù)據(jù)傳輸至選擇器；當(dāng)所述晴空圖顯示在雜波區(qū)，選用mti濾波器濾除拼接后的脈沖數(shù)據(jù)的地物雜波后再傳輸至選擇器；

所述晴空圖即為地物雜波分布圖，晴空圖如實(shí)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(shí)時跟蹤地物雜波的分布變化。更新的晴空圖數(shù)據(jù)將存儲與pc104計(jì)算機(jī)模塊20的flash芯片中，設(shè)備上電后能夠自動加載。

fpga控制模塊10是基于ep1s60f1020c7芯片的核心運(yùn)算和控制模塊，采用vhdl硬件描述語言設(shè)計(jì)開發(fā)，負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)存取和運(yùn)算，完成整個氣象通道信號處理流程并輸出結(jié)果。

所述選擇器的作用如圖2所示，拼接后的脈沖數(shù)據(jù)分兩路并行處理，一路直傳不做處理，一路進(jìn)行mti濾波處理，根據(jù)各數(shù)據(jù)單元所處的雜波環(huán)境決定哪路輸出，晴空圖代表探測區(qū)域內(nèi)的地物雜波的分布，是一個按距離方位圖分布的二維數(shù)組，“0”代表“清潔區(qū)”，“1”代表地物“雜波區(qū)”，“雜波區(qū)”采用mti濾波處理抑制地雜的干擾，清潔區(qū)采用直傳數(shù)據(jù)減小濾波損失。

具體的，晴空圖用于控制選擇器的輸出，清潔區(qū)選擇直傳數(shù)據(jù)，在雜波區(qū)采用50db道爾夫加權(quán)的mti濾波器濾除地物雜波，mti濾波器的頻率響應(yīng)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后的脈沖數(shù)據(jù)進(jìn)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(nèi)的回波脈沖積累求均值得到氣象樣本電平值。

對所述氣象樣本單元內(nèi)的回波脈沖積累求均值分兩個步驟，對氣象樣本單元內(nèi)的回波脈沖積累求均值分兩個步驟，首先求取每個已經(jīng)拼接好的且經(jīng)過選擇器選擇的脈沖數(shù)據(jù)，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個脈沖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(dāng)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(quán)系數(shù)，且k1+k2＝1，an即為視頻積累處理后的當(dāng)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(yùn)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后的氣象電平值。根據(jù)氣象雷達(dá)公式回波強(qiáng)度訂正值與距離成正比，ydbz＝r×lat，其中l(wèi)at為大氣衰減，y為回波強(qiáng)度訂正值，r為距離，對氣象樣本電平值完成距離訂正后，進(jìn)入6級門限的分割處理，得到6級氣象強(qiáng)度矢量信息，氣象電平用dbz測量，被量化為6個預(yù)定的參考等級，參見表1，輸出6級氣象輪廓圖。

表1：

本方法采用模塊化設(shè)計(jì)，通用性好，可移植性強(qiáng)，所有處理流程均在fpga控制模塊10內(nèi)部實(shí)現(xiàn)，fpga控制模塊10的算法升級方便，維護(hù)簡單，因此本發(fā)明的升級維護(hù)簡單，方便。本信號處理裝置是基于單片電路板設(shè)計(jì)，板載器件較少，結(jié)構(gòu)簡單，可靠性好，電路板安置于標(biāo)準(zhǔn)的4u信號處理分機(jī)中。