【摘 要】
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相干测风激光雷达通过测量大气中气溶胶粒子的散射回波信号,利用多普勒频移获取大气风速。与常见的微波雷达相比,激光雷达具有更高的测量精度和空间分辨,在气象监测、风电资
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相干测风激光雷达通过测量大气中气溶胶粒子的散射回波信号,利用多普勒频移获取大气风速。与常见的微波雷达相比,激光雷达具有更高的测量精度和空间分辨,在气象监测、风电资源开发、航空安全保障等领域有着重要的应用价值。针对相干测风激光雷达系统信号采集处理的需求,设计了一种基于FPGA的功率谱分析系统。通过硬件平台和算法逻辑的结合,系统灵活实现了数据采集、触发、缓存、功率谱估计、结果上传等系列功能。利用上位机软件对关键参数进行配置,满足了不同情形下的测量要求。整体系统具有集成度高、体积小、测量范围广等优势。系统硬件平台由信号采集子板和数据处理母板构成:子板使用12位1GS/s的ADC芯片进行高速采样;母板以Virtex-6系列FPGA作为核心,一方面通过SPI接口控制子板工作模式,另一方面凭借其丰富的计算资源实现实时功率谱估计,同时利用DDR3内存条及千兆以太网传输模块完成高速数据缓存、命令收发和结果上传。根据系统的工作流程,整体逻辑结构分为三部分:数据接收部分主要完成外触发采样控制、数据位宽转换及DDR3缓存;功率谱估计部分实现对采样点进行分段补零、实时加窗、FFT处理及脉冲累积等功能;通信及结果上传部分通过千兆以太网完成参数配置、结果上传。从计算精度和处理速度两方面考虑,研究并实现了两种FFT处理方案。仿真结果表明,单精度浮点的并行FFT模块处理结果的相对误差为10-7量级,200MHz下1024点变换耗时17.41μs;24bit定点的流水线FFT模块相对误差为10-5量级,200MHz下1024点变换耗时10.65μs。利用控制变量法改变关键参数对功率谱分析系统进行整体测试,测试结果与预期相符,验证了设计的正确性。
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