[发明专利]一种基于FPGA的云粒子信号采集与数据传输装置及方法

说明书

本发明公开了一种基于FPGA的云粒子信号采集与数据传输装置及方法，包括模拟量采集单元、FPGA处理单元、串口通信模块、时钟发生模块和电源模块；所述FPGA处理单元连接所述模拟量采集单元和串口通信模块；所述模拟量采集单元包括依次连接的光电信号转换模块、信号处理模块和高速AD转换模块。本发明采用高速AD转换芯片和FPGA编程控制提高了数据采集的速度，满足机载条件下对云微物理参数的高速采集要求。

技术领域

本发明涉及一种机载测量条件下的云粒子信号采集与数据传输装置及方法，特别是一种基于FPGA的云粒子信号采集与数据传输装置及方法，用于机载条件下对云中小云粒子的光学散射信号进行高速采集和信号算法处理、仪器与计算机之间相互数据的高速传输。

背景技术

近年来，随着我国气象事业的不断发展，飞机测量在大气物理与人工影响天气研究中起着越来越重要的作用。利用飞机携带观测仪器进行云微物理量的测量已经成为了云微物理和人工影响天气研究的一种重要的技术手段。机载云微物理测量同时也能为卫星、雷达和微波等遥感观测提供重要的验证手段。目前，机载云降水粒子测量技术主要利用云降水粒子对激光的遮挡导致激光直射光强的衰弱或者对激光散射导致某一角度的光散射信号的强度发生变化，通过建立激光光学信号强度与云降水粒子粒径尺度的对应关系，实现通过采样激光光强变化的信号，获取云降水粒子尺度。由于机载测量的快速性、云降水粒子的微尺度特性以及高密度的云环境，再加上机载测量环境的恶劣，导致对这一瞬变微弱的光信号进行准确采样充满了挑战。

机载高速飞行下的微物理尺度测量决定了仪器信号响应与采集的快速性。现有技术中，常用的高速信号采集方法是采用高速数字信号采集卡，但利用采集卡需要与工控机结合，灵活性差、使用场合受限很大且价格相当昂贵。为突破现有技术的局限，本发明利用FPGA技术的快速响应特性以及资源的丰富性，实现了对这一微弱瞬变的信号的高速采集和处理，并将其传往上位机进行显示和存储。

发明内容

本发明所要解决的技术问题在于克服现有技术的不足，提供一种能够对微弱瞬变的光信号进行实时采集处理并与计算机进行通讯和数据的高速传输的系统装置。

本发明具体采用以下技术方案解决上述技术问题：

一种云粒子信号采集处理和数据传输装置，包括模拟量采集单元、FPGA处理器、串口通信模块、时钟生成模块、电源模块，其中模拟量采集单元、FPGA处理器和串口通信模块依次连接，所述的串口通信模块与外部上位机连接；所述模拟量采集单元、时钟生成模块、电源模块和串口通信模块一端分别与FPGA处理器连接；所述模拟量采集单元包括光电信号转换模块、信号处理模块和AD转换模块，所述的信号处理模块和AD转换模块连接；所述AD转换模块与FPGA处理器连接。

作为本发明的一种优选技术方案：所述时钟发生模块连接有有源晶振，利用有源晶振生成系统时钟输入FPGA，并由FPGA分频输出采样时钟作为AD转换的采样工作时钟。

作为本发明的一种优选技术方案：所述的光电信号转换模块采用基于运算放大器的阻抗放大电路方案，利用运算放大器的宽带宽，实现对高速光电信号的快速响应。

作为本发明的一种优选技术方案：所述的信号处理模块包括信号放大滤波整形电路和单端变差分信号电路，利用信号放大滤波整形电路实现对微弱信号的放大、噪声的滤除以及信号的整形，而单端变差分信号电路可提高信号的抗共模干扰能力，降低噪声对信号的影响。

作为本发明的一种优选技术方案：所述的AD转换模块采用双路12位的高速AD转换器AD9238。

作为本发明的一种优选技术方案：所述的时钟发生模块采用的有源晶振频率为50MHz。

作为本发明的一种优选技术方案：所述的光电信号转换的运算放大器采用OPA657。

作为本发明的一种优选技术方案：所述的信号放大电路的运算放大器采用LT6203。