[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

说明书

技术领域

本发明属于气象检测技术领域，涉及一种测量云层高度和厚度的硬件和软件配合方法，尤其涉及一种基于高速FPGA特性并采用极其陡峭的脉冲上升沿和全光路数据采集的硬件方法和根据曲率分段以及快速小波滤波的提高云层高度的测量精度的软件方法。

背景技术

云层高度和厚度测量是应用光学原理和电子传感器及处理技术，利用高能脉冲发射和接收时间差的关系进而测算距离而建立起来的一类分析方法。基于高速FPGA的云层高度及厚度测量仪的特点是速度快，处理系能强，单片集成，无需多余的外围芯片，便于实现SOPC和分块移植，可用于连续、无线及远程测量，在气象、民用和交通等各个领域有着广泛的应用。

在云层高度和厚度测量仪器的实测过程中，由于激光的传输速度极快并且大气环境干扰和后向反射信号微弱，使采集数据中存在一定噪声，同时由于高速A/D转换、数据采集等原因，测量仪实测数据中必定会存在异常值，从而降低测量精度。因此，提出一种适合测量云层高度及厚度的高速硬件采集方案和数据平滑处理方法是提高仪器测量精度的必要手段。

目前，对于仪器的硬件处理方案是基于TDC时间处理芯片的时间测量方案；测量数据的平滑处理主要采用数值计算方法，如利用加权平均滑动及偏最小二乘法建立多元线性回归模型，从而提高检测精度的方法。但该两种方法一个是不便于留下原始的高频信号，另一个是将多个测量点代入模型进行计算以减少外部因素的影响，不适合云层高度及厚度测量仪器使用。

在云层高度及厚度测量理中，一般情况是使用时间数字转换芯片(TDC)。应用TDC时间数字转换的方法，简单的依赖TDC芯片的转换，很难观测干扰和云层的反射情况，且依赖于TDC时间芯片。

发明内容

针对现有技术中的不足之处，本发明提供一种测量云层高度和厚度的硬件和软件配合方法，利用高速FPGA的对高频脉冲的高精度采集特性以及根据曲率分段以及快速小波滤波的方法进行处理。

为解决上述技术问题，本发明采用以下技术方案：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，所述激光发射器为905nm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光电传感器连接宽带电压调理模块，所述宽带电压调理模块连接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，液晶显示模块为LCD12864液晶显示模块，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LCD12864液晶显示模块连接LCD接口，所述片外闪存模块连接三态桥接口。

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[X0,X1…Xn]作为参考向量(一帧选取n+1个数据)，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(K_t0≤K_t≤K_t1)的曲线段为基线段(其中K_t0，K_t1定义了基线段的曲率范围)，曲率为K_f(K_f0≤K_f≤K_f1)的曲线段为脉冲段(其中K_f0，K_f1定义了脉冲段的曲率范围)；

S03，实际测量中，将使用高速FPGA采集器测得的数据R[X0,X1…Xg](一次后向反射总共采集g个数据)拟合为平面曲线S₂；

S04，基于曲线的曲率为平面曲线S₂分段；