基于FPGA的云閃時(shí)差定位同源脈沖匹配算法實(shí)現(xiàn)
摘 要: 針對(duì)甚高頻(VHF)云閃時(shí)差法雷電定位同源脈沖匹配難點(diǎn),提出了用FPGA實(shí)現(xiàn)相關(guān)性判斷的同源脈沖算法設(shè)計(jì)思路。為提升系統(tǒng)性能、適應(yīng)云閃甚高頻信號(hào)的處理需求,采用了改進(jìn)的算法并用實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)在MATLAB、FPGA上對(duì)算法進(jìn)行驗(yàn)證,設(shè)計(jì)完成了云閃波形同源脈沖匹配算法在FPGA上的實(shí)現(xiàn)。系統(tǒng)通過(guò)了Modelsim的仿真驗(yàn)證并在DE2平臺(tái)上完成了硬件測(cè)試。設(shè)計(jì)共消耗了3 499個(gè)邏輯單元,最高處理速度可達(dá)98.07 MHz,滿足了實(shí)際應(yīng)用的要求。
關(guān)鍵詞: 云閃;時(shí)差法;同源脈沖;FPGA
雷電是在雷暴天氣條件下,發(fā)生于大氣中的一種長(zhǎng)距離放電現(xiàn)象,具有大電流、高電壓、強(qiáng)電磁輻射等特征[1]。雷電主要包括云對(duì)地面的放電(地閃)和云與云之間的放電(云閃)[2],地閃往往對(duì)地面民用工業(yè)、軍事設(shè)施有嚴(yán)重的破壞性[3];云閃也嚴(yán)重影響民航飛機(jī)、航天飛行器等的正常飛行。觀測(cè)表明,云閃先于地閃5 min~15 min發(fā)生[4],觀測(cè)云閃對(duì)地閃有預(yù)警的作用,因此云閃監(jiān)測(cè)及定位研究具有重要意義。
目前對(duì)于地閃的探測(cè)已經(jīng)有了比較完善的定位系統(tǒng),如ADTD雷擊檢測(cè)儀[5],但僅僅能檢測(cè)地閃。云閃通常基于甚高頻(VHF)頻段,已有的甚高頻云閃探測(cè)主要采用干涉法和時(shí)差法(TOA)建立雷電探測(cè)系統(tǒng),時(shí)差法主要難點(diǎn)是同源脈沖匹配技術(shù)。OETZEL等利用VHF技術(shù)測(cè)量閃電輻射到達(dá)分離天線的時(shí)差確定閃電源位置的成果[6],采用短基線避免判斷兩個(gè)脈沖是否屬于同一個(gè)輻射脈沖的問(wèn)題,但是短基線帶來(lái)的問(wèn)題是信號(hào)到達(dá)兩天線的時(shí)差太小,導(dǎo)致測(cè)向精度不高?;诖耍疚奶岢鲆环N同源脈沖匹配算法——相關(guān)性判別法,該方法可以應(yīng)用于長(zhǎng)基線的VHF云閃脈沖同源判別。
從數(shù)學(xué)上可以證明分子的模小于分母,也即相關(guān)數(shù)Pxy的模不會(huì)大于1。當(dāng)相關(guān)系數(shù)為0時(shí)相似度最差,即不相關(guān)。當(dāng)相關(guān)系數(shù)為1時(shí),誤差能量為0,說(shuō)明兩信號(hào)相似度很好,是線形相關(guān)的。1980年,RUSTAN等發(fā)表了在KENNEDY航天中心觀測(cè)閃電放電過(guò)程的研究報(bào)告[7],曾借助互相關(guān)分析,通過(guò)圖形識(shí)別技術(shù)識(shí)別共源脈沖。據(jù)此,可以將相關(guān)性判別應(yīng)用在VHF云閃波形相似度的判別中。
2 算法的MATLAB驗(yàn)證
2.1 算法驗(yàn)證平臺(tái)
本文所采用的驗(yàn)證平臺(tái)由天線、信道、PC端數(shù)據(jù)采集卡以及DE2開(kāi)發(fā)板四部分構(gòu)成。如圖1所示。
天線單元由SG7200雙段車載天線在全頻段對(duì)云閃信號(hào)進(jìn)行接收,經(jīng)帶通濾波、放大。為了前端觀測(cè)及處理方便,選取美國(guó)GAGE公司產(chǎn)品CS21G8數(shù)據(jù)采集卡對(duì)云閃信號(hào)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集,可以實(shí)時(shí)觀測(cè)波形變化。由于云閃定位系統(tǒng)采用FPGA實(shí)現(xiàn),為了在FPGA中驗(yàn)證算法的可行性,將采集到的數(shù)據(jù)經(jīng)PC交由DE2開(kāi)發(fā)板處理。為了更真實(shí)地模擬實(shí)際系統(tǒng),將需要進(jìn)行相關(guān)性計(jì)算的兩組數(shù)據(jù)存在DE2上的SRAM中。限于DE2上只有一片SRAM,圖中將一片SRAM地址分為兩塊,分別存放兩組擴(kuò)大后的24位定點(diǎn)數(shù)據(jù)x(t)、y(t),兩組數(shù)據(jù)在FPGA中完成同源匹配的計(jì)算,若同源則輸出高電平給下一級(jí)定位系統(tǒng)。
2.2 MATLAB算法驗(yàn)證
基于以上平臺(tái),2010年3月~5月,項(xiàng)目組在北京歷經(jīng)兩個(gè)月的時(shí)間采集到大量雷電波形數(shù)據(jù),選取其中編號(hào)為CH11707和CH11708的兩組數(shù)據(jù)在MATLAB中進(jìn)行相關(guān)性算法驗(yàn)證,將兩組數(shù)據(jù)在MATLAB中作圖,如圖2所示。
圖2中尖峰脈沖為云閃輻射脈沖,寬的部分為噪聲,由于信號(hào)到達(dá)兩天線的距離不同,故有一定的時(shí)間差,幅度衰減也不同。相關(guān)系數(shù)計(jì)算結(jié)果為-0.601 15。對(duì)采集到的大量數(shù)據(jù)進(jìn)行相關(guān)性計(jì)算,對(duì)比結(jié)果可以發(fā)現(xiàn),只有同一個(gè)云閃發(fā)出的同源脈沖相關(guān)系數(shù)結(jié)果是最大的,并且與非同源計(jì)算出的相關(guān)系數(shù)差別很大,如編號(hào)為CH11708和CH1203相關(guān)系數(shù)僅為0.001 974 7。
3 算法的FPGA實(shí)現(xiàn)
3.1 算法流程
基于以上理論分析,可列出算法流程如圖3所示。