[发明专利]一种测量云层高度和厚度的硬件和软件配合方法

权利要求书

1.一种测量云层高度和厚度的硬件装置，其特征是，包括FPGA，所述FPGA分别连接激光驱动模块、信号接收模块、信号转换模块、液晶显示模块和片外闪存模块，所述激光驱动模块连接激光发射器，所述信号接收模块包括PIN光电传感器、ADC模块和信号调理模块，所述PIN光电传感器连接信号调理模块，所述信号调理模块连接ADC模块，所述信号转换模块包括max232电平转换模块及与其通信的上位机，所述FPGA内部集成了IP core，所述IP core包括系统架构互联总线、nios ii处理器、ADC控制接口、DMA控制接口、激光脉冲控制接口、片上sram1、片上sram2、avalon-mm 三态桥接口、RS-232接口、LCD 接口和avalon-mm总线，所述max232电平转换模块连接RS-232接口，所述ADC模块连接ADC控制接口，所述激光驱动模块连接激光脉冲控制接口，所述液晶显示模块连接LCD 接口，所述片外闪存模块连接avalon-mm三态桥接口。

2.根据权利要求1所述的一种测量云层高度和厚度的硬件装置，其特征是，所述激光发射器为905nm激光发射器。

3.根据权利要求1所述的一种测量云层高度和厚度的硬件装置，其特征是，所述液晶显示模块为LCD12864液晶显示模块。

4.一种测量云层高度的硬件和软件配合方法，如权利要求1至3所述的任一硬件装置发射高速激光脉冲序列的自动发射和自动采集，将采集到的离散数据存储在FPGA中，并提供嵌入式处理器来处理，其特征是，包括如下步骤：

S01，将由高速FPGA数据采集器采集到的多组真实数据，通过平均的方法得到的处于脉冲段的数据向量R0作为参考向量，以测量时间为X 轴，测量数据为Y 轴，将样本拟合成平面曲线S₁；

S02，定义平面曲线S₁中曲率为K _t的曲线段为基线段，曲率为K_f 的曲线段为脉冲段；

S03，实际测量中，将使用高速FPGA采集器测得的数据R拟合为平面曲线S₂；

S04，基于曲线的曲率为平面曲线S₂分段；

S05，对于属于非脉冲线段的S₂的曲线段R′，直接舍弃，取属于脉冲段的平面曲线S₂的曲线段R″，使用快速小波除噪法进行处理，最后逆变换得到脉冲回波信号，从而消除测量数中的噪声和异常值；

S06，将分好段的脉冲段的平面曲线S₂的曲线段R″分帧后分别与参考向量R0进行灰色关联分析；

S07，将灰色关联系数大小进行冒泡排序，求出系数最大的序列，取该序列的第一个点，并求出该点占整个序列的位置，由此算出脉冲的往返时间，最终根据公式，算出第一层云的高度，其中，s是云层的高度，v是光速，t是光脉冲往返的时间；

S08，若云层有一定厚度，并且有多层云，则在一次回波接收中可以得到几次距离较近且信号较弱的脉冲上升前沿，通过该脉冲上升前沿，将相邻两层云之间的高度值相减，即可得到云层的厚度，重复以上步骤，即可得到若干云层厚度。

5.根据权利要求4所述的一种测量云层高度的硬件和软件配合方法，其特征是，步骤S04包括以下内容：在曲线S₂上选取n+1 个测量点，计算其曲率K，将K 分别和K_t，K_f对比，若K ∈ K_t，那么该测量点属于基线段，若K ∈ K_f，则该测量点属于脉冲段。

6.根据权利要求4所述的一种测量云层高度的硬件和软件配合方法，其特征是，步骤S05所述小波除噪法选取db4，深度为3层的变换，去除d1,d2,d3中的高频。

7.根据权利要求6所述的一种测量云层高度的硬件和软件配合方法，其特征是，步骤S05所述小波除噪法中分解算法的表达式为：，重构算法的表达式为：，

其中，是尺度函数，c是小波滤波器滤波系数，c0=0.4829629131445341，c1=0.8365163037378079，c2=0.2241438680420134，c3=-0.1294095225512604，n是一维信号的离散点的长度。