双偏振天气雷达信号处理系统的设计.pdf

1双偏振天气雷达信号处理系统的设计 郑希明黄 涛范 晖 ( 安徽四创电子股份有限公司安徽合肥2 3 0 0 8 8 ) 摘 要 双偏振天气雷达信号处理系统本身的大运算量和大存储量特点在硬件设计过程中出现了一些问题特别是为了 验证信号处理的算法预留了存储回放功能对系统的设计提出了更高的要求本文从系统的总体功能流程出发结 合工程实际提出了一种解决上述问题的方法给出了基于 CPCI 总线的处理系统软硬件设计方案 关键词双偏振天气雷达存储回放CPCI 总线终端软件 1 引 言 脉冲多普勒天气雷达发射和接收电磁波主要完成回波的强度速度和谱宽的估值[1,2,3]在日常 气象业务中脉冲多普勒天气雷达是否具有实用价值关键在于能否实现观测资料的实时处理与显示 这一任务的完成需要高性能的雷达信号处理系统配合先进的信号处理算法来实现 双偏振多普勒天气雷达采用双线极化[4,5,6]工作分别为水平和垂直两种极化方式雷达交替发射 水平极化和垂直极化的电磁波使用两个接收机中对回波进行接收其中一个接收与发射共极化的 回波另一个接收与发射正交极化的回波除了需要估算普通脉冲多普勒天气雷达的强度速度和谱 宽三个参数外还需估算反射率差传播常数差相关系数和线性退极化比等参数通过这些参数 可以识别被探测气象回波点的属性 信号处理系统除了实时地完成双通道回波信号处理功能外还需要完成全机时序的产生测试信 号的检测和雷达的标定自检等功能 2 双偏振天气雷达信号处理的组成与流程 信号处理系统采用 3 块(预留 1 个存储/回放)可水平安装的 6U×160mm 插卡协同完成信号处理 的全部功能其中一块购置的主机板(P4 处理器)完成系统的控制图形显示和监控等任务信号处理 板采用 4 片 TS101S 和 FPGA 完成系统的信号处理算法接口控制板完成系统控制命令的接收系统 时序的产生部分系统状态的采集等功能同时预留了存储/回放板进行 I/Q 数据的实时存储/回放 所有板卡通过背板根据协议连接系统板卡之间的信号连接关系如图 1 所示 图 1 信号处理系统板卡间的信号连接关系 由于本系统预留了存储/回放的功能在总体设计过程中将系统的工作模式分为正常探测存储 回放等三种模式用户通过终端程序(安装在信号处理系统的主机板或者远程终端通过 TCP/IP以下 简称终端程序)对系统的工作模式进行选择在三种工作模式下数据流和控制流的关系比较复杂 设计过程中充分利用协议来处理所有的板级数据和控制互联这样使得系统的更加通用三种模式 下系统的总体工作流程如图 2 所示 触发脉冲 脉宽控制 天控数据 I/Q 数据 送数时钟 16M_Clk 控制信号 状态回馈 指令/回馈(主机板 3 个 RS232 串口) 系统指令/状态回馈(扩展 EPP 并口) 信号处理系统 背板总线接 口 控 制 板 信号处理 相关命令 结果数据 信号处理板 CompactPCI主机板 发射机 伺服 接收机 峰值功率计存储/回放 23 信号处理系统的硬件设计 3 . 1 基于 C P C I总线的多 D S P板( 信号处理板) 的设计 CPCI(Compact PCI)规范是由 PICMG 制定的 使用标准的机械元件和高性能的连接技术 用于工业和嵌 入式应用在电气特性方面它与 PCI 标准完全兼容并且适合于更加严格的环境基于 CPCI 总线 的多 DSP 板(信号处理板)采用 4 片 TigerSHARC 芯片 TS101S 协同完成信号处理的功能要求系统中 各个 DSP 共享数据和地址总线相互间通过 Link 口通信构成紧耦合系统主机接口通过 PCI9056 与主机板进行通信在局部总线端进行存储器的扩展加入 Flash 进行多片 DSP 程序的加载加入 SDRAM 扩展片外存储的容量来支持海量数据的处理PCI9056 的局部总线端可以在三种模式下工作 [8]MC 和 J 模式 信号处理板中 PCI9056 工作在 C 模式在该模式下使用非复用的 32 位地址/32 位数据总线数据传输操作采用以下两种直接主模式直接从模式(PCI 目标模式)开始系统初始化开启中断等待中断开启C C 板与S P 板 数据通道工作模式?S R 板关闭数据通道正常回放存储工作模式修改P C 板C o m p a c t P C I 主机板 C C 板接口控制板 S P 板信号处理板 S R 板存储/ 回放板C C 板接收I / Q 天控数据打包8 T r 中断响应S P 板从C C 板接收数据 进行信号处理S P 板将结果数据 传送给P C 板P C 显示结果数据C C 板开启与S R 板数据通道C C 板关闭与S P 板数据通道8 T r 中断响应S P 板从S R 板接收数据 进行信号处理S P 板将结果数据 传送给P C 板P C 显示结果数据S R 板向C C 板发送硬盘中 所有存储状态列表数据P C 板从C C 板读取状态列 表数据显示供选择P C 板向C C 板发送命令字C C 板向S R 板发送命令字用户选中一状态开启S R 板与S P 板数据通道C C 板开启与S P 板 数据通道S R 板关闭与S P 板 数据通道8 T r 中断响应C C 板将打包数据 向S R 板S P 板发送S R 板存储数据P C 板向C C 板发送命令字C C 板向S R 板发送命令字S R 板开启与C C 板 S P 板公共通道S P 板进行 信号处理S P 板将结果数据 传送给P C 板P C 显示结果数据图 2 系统的总体工作流程 33 . 2 接口控制板的设计 在双偏振天气雷达系统中通过接口控制板完成信号处理本地终端与外部系统的信息交换具 体的信号描述参见图 1 的信号连接关系 这些信号具有以下特点 (1)输入数据流的速度和时序不匹配 输入的 I/Q 数据方位/俯仰数据系统的控制指令是异步系统它们都有自己的时序关系以自己的 速度传输(2)输入输出数据的格式不匹配输入的数据来自不同的异步系统输出的数据要求能同时 供 DSP 信号处理用同时还能提供存储回放后提供给 DSP 信号处理用 考虑到进出接口控制板的数据流的特点和雷达系统对接口控制板的要求 设计的接口控制板具有 以下功能(1)设置数据的缓冲存储逻辑以适应不同设备之间的速度差异和时序差异调整雷达参 数和原始回波数据对应关系(2)进行信息格式转换将目标的原始回波数据方位/俯仰数据系统 控制指令参数进行打包插入相应的帧信息形成处理系统要求的数据帧并控制数据流的走向(3) 具有自检功能 为了简化接口控制板的硬件设计增加灵活性采用 FPGA 芯片实现系统要求的数据格式转换 打包分发和逻辑控制功能数据缓冲采用大容量硬件 FIFO 和小容量软件双口 RAM数据分发采用 标准的 FPDP 协议进行输出数据的格式转换 打包数据包含了当前接收数据所处时刻的系统参数这样在正常探测的同时存储海量的数据在 回放的时候能完全的复现系统当时的参数对于系统原始的离线分析提供数据源 4 信号处理系统的软件设计 双偏振天气雷达信号处理系统需要硬件和软件的可靠实现才能充分发挥系统的性能 软件系统包 括以下四大部分 (1) 控制逻辑硬件描述软件──CPLDFPGA 程序 完成产生整机的同步时序存储器的读写控制板内的中断和请求产生数据的预处理数据的 打包等功能 (2) 气象雷达信号处理算法软件──DSP(TS101)程序 完成 IIR 地物对消FFT/PPPDVIP单发双偏振双发双偏振的算法处理参差重频解速度模 糊相位编码解距离模糊等信号处理算法完成系统标定功能还完成对系统控制指令的解算并实施 控制的功能 (3) PCI 接口设备驱动程序 完成 Windows 对全集成单一 PCI 插板的设备驱动即插即用提供对硬件进行包括通常的内存 的读取IO 口读取中断触发/响应设备的复位等操作的高层 API 函数本地终端软件只要调用这 些高层 API 函数即可实现和 PCI 插板的通信 (4) 本地终端软件──Visual C++程序 完成设置 DSP 处理参数触发定时参数质量控制参数系统控制命令还完成简单的雷达显 示界面 5 小 结 本文根据双偏振天气雷达信号处理所具有的特点提出了系统具体的软硬件设计方案采用这种 设计方案的信号处理系统具有模块化标准化通用化的特点而成为可重构的可扩展的通用天气 雷达信号处理系统在保证多种型号天气雷达信号处理的同时该信号处理系统还预留了存储回放的 扩展功能可以供设计人员离线分析信号处理算法必须的原始数据从而改善对天气的精确探测 参考文献 [1]张培昌杜秉玉戴铁丕. 雷达气象学. 气象出版社2001.1 [2]V . N. Bringi and V. Chandrasekar. Polarimetric Doppler Weather Radar: Principles and Applications. Cambridge University Press2001 [3]许佰魁. 脉冲多普勒天气雷达信号处理系统研究. 南京理工大学硕士学位论文2001.12 [4]R. J. Dovik and D. S. Zrnic. Doppler Radar and Weather Observations. New York: Academic, 1993 [5]郑希明. 双偏振天气雷达信号处理系统总体技术方案. 安徽四创电子股份有限公司内部技术资料2004.3 [6]石 林等. 2SKDG 信号处理要求. 安徽四创电子股份有限公司内部技术资料2003.11 [7]刘书明苏 涛罗军辉. TigerSHARC DSP 应用系统设计. 电子工业出版社2004.5 [8]PCI 9056BA Data Book. PLX Technology Inc., Version 1.1, Oct. 2003 。