（大气物理学与大气环境专业论文）昆虫监测多普勒雷达的数据处理.pdf

南京信息工程大学硕士学位论文 昆虫监测多普勒雷达系统的开发 摘要 本项目为国家9 4 8 项目“迁飞性害虫的长期监测与灾变预警参数自动采集的i m r 技术” 资助，主要内容为昆虫监测多普勒雷达的研制和开发，其中包括雷达的发射机、接收机、 天线、信号采集器、数据处理软件、雷达产品软件、雷达状态监测与控制软件等部分。 在本文中，首先概述了昆虫雷达学的基本知识和相关背景，然后介绍了目前雷达在昆 虫学研究中的应用现状以及己应用的各种昆虫雷达。接下来，介绍了昆虫监测多普勒雷达 监测系统的理论基础，然后分别从雷达的总体结构、软硬件两个方面介绍了该系统的组成。 论文重点介绍了昆虫监测多普勒雷达的数据处理系统，主要包括采用了w t 6 7 0 1 p a 高速信号 处理板。其中，详细描述了信号处理板的原理、结构，以及在该系统中的应用。论文的第 四章对系统的数据处理算法进行了详细的介绍，雷达产品软件的算法主要通过对国外的相 关文献和其它资料总结获得，并对雷达产品软件的程序设计从面向对象的程序开发角度做 了介绍。雷达产品软件的主要内容为通过接收到的雷达回波计算所监测昆虫的所需参数， 包括昆虫的迁飞速度、方向、种群空中趋向、迂飞群的大小、形状的估计值、个体质量的 平均估计值等，以图表、曲线等形式直观地显示以上参数。另外，软件部分还包括雷达系 统的控制与监测，例如对发射机输入电压、电流的监测等。 在总结中，首先介绍了下一步的工作，主要是利用g p r s 技术进行数据实时传输以及设 计自动光盘刻录装置保存雷达数据。最后，经历了整个课题的研发，总结了几点体会和论 文的主要创新点。 关键诃：昆虫雷达，信号采集，数据处理 南京信息工程大学硕士学位论文 昆虫监测多普勒雷达系统的开发 a b s t r a c t t h i sp r o j e c ti si m b u r s e db y9 4 8p r o j e c t so fn a t i o n “l o n gt i m em o n i t o rt h e o v e r f l yi n s e c ta n dt h et e c h n o l o g yo fi m rf o ra u t og a t h e rt h ep a r a m e t e ro fi n s e c t d i s a s t e r ”，t h em a i nw o r ki st h ed e v e l o pa n dd e s i g nt h ed o p p l e rr a d a rf o rt h ei n s e c t m o n i t o r , i n c l u d et r a n s m i t t e r , r e c e i v e r , a n t e n n a ，s i g n a la c q u i s i t i o n ，t h es o f t w a r eo f d a t ap r o c e s s ，t h es o f t w a r eo fr a d a rp r o d u c t ，a n dt h es o f t w a r eo fm o n i t o ra n dc o n t r o l r a d a r i nt h ep a p e r , t h ef i r s tc h a p t e ri n t r o d u c e st h eb a s i ck n o w l e d g ea n db a c k g r o u n d ， a n dt h e nt h ea c t u a l i t yo ft h er a d a ra p p l i e di nt h ei n s e c t o l o g y i nt h es e c o n dc h a p t e r , t h eb a s i ct h e o r yo ft h ei n s e c tm o n i t o rs y s t e ma n dd o p p l e rr a d a ra r ei n t r o d u c e d ，a n d t h e ni n t r o d u c e st h ed e v e l o p m e n ta n dc o m p o s ef r o mt h er a d a rc o l l e c t i v i t y , h a r d w a r e a n ds o f t w a r e i nt h et l l i r dc h a p t e r , t h ed a mp r o c e s ss y s t e mo fi n s e c tm o n i t o rd o p p l e r r a d a ri si n t r o d u c e d ，i n c l u d et ol l i g hs p e e ds i g n a lp r o c e s sb o a r d ( w t 6 7 0 1 p a ) i nt h a t ， d e s c r i b ep a r t i c u l a rt h ep r i n c i p i e ，s t r u c t u r e ，a n da p p l i c a t i o no ft h es i g n a lp r o c e s s b o a r d t h ef o 血c h a p t e ri st h em o s ti m p o r t a n tc h a p t e rw h i c hi n t r o d u c e st h e a r i t h m e t i co fd a mp r o c e s s ，a n dp r o g r a md e v e l o p m e n to fr a d a rp r o d u c ts o f t w a r e a d d i t i o n a l l y , t h es o f t w a r ei n c l u d e st h ec o n t r o la n dm o n i t o rf o rr a d a r , e x a m p l eo ft h e v o l t a g ea n dc u r r e n to f t r a n s m i t t e r i nc o n c l u s i o n ，t h en e x tw o r ki sm a i n l ya b o u tt h ec o m m u n i c a t i o nf o rd a t ab y g p r sa n dt h ea u t o m a t i ce q u i p m e n tf o rd a t ak e 印l a s t l y , t h r o u g ht h ep r o j e c t ，s o m e e x p e r i e n c ea n di n n o v a t i o na r eg o t t e n k e yw o r d ：i n s e c tr a d a r , s i g n a la c q u i s i t i o n , d a t ap r o c e s s 2 南京信息工程大学硕士学位论文 昆虫监测多瞢勒雷达系统的开发 第一童前言 1 1 雷达昆虫学的简介 雷达是在二战中应用面生的。雷达系统是一个测距装置，靠测量一束散布在特定距离 上具方向性的脉冲信号的往返传送时间来确定从固定或移动的雷达到分散目标之间的相隔 距离并进行方向定位，其使用不受白天或黑夜的影响。要把雷达和昆虫联系起来，大多数 人难以置信。1 9 4 9 年，美国海军电子实验室和贝尔电话实验室在美国亚利桑那州首次证实 雷达检测到昆虫，因而产生了一门新的边缘学科：即利用雷达去研究昆虫运动的技术和科 学雷达昆虫学阶 。 昆虫雷达是利用经过专门改进或设计的雷达，对昆虫在空中的迁飞或扩散行为进行研 究。利用雷达的定向和测距性质，可以计算出昆虫迁飞的方位、高度、移动方向和昆虫在 一定体积内的密度等。昆虫的大小、形状、身体组织的类型、体液等均可影响反射能量的 大小。同时反射能量的大小也受昆虫在雷达波束中的定向、在雷达波束中的位置与雷达的 距离、雷达频率和雷达发射的能量大小等因素的影响。当昆虫个体的大小增大，反射回来 的雷达能量也增加，则昆虫能在较远范围内也被检测到。对于中等个体的单个蛾类昆虫， 用一台简单的昆虫雷达，可以在2 公里内搜检测到。当星虫聚集的密度增加，会反射回更 多的能量，有时可以在几十公里范围内被检测到。 1 2 昆虫雷达的发展现状 雷达的基本原理是根据无线电波从目标反射回来的能量来推断目标的位置。最常用于 观测昆虫的雷达是脉冲雷达，即从无线发射足够能量、足够短的脉冲波束检测目标，且波 长必须是厘米级的。另一类是调频连续波( f m c w ) 雷达，其距离分辨率很高( 2 0 0 m 2 k m ) ， 可显示出大气的微尺度细节及在其内飞行昆虫的动态。但这种雷达过于昂贵和复杂，文献 报道的用f m c w 雷达对昆虫的观测都是大气边界层研究的副产品口，”。 由于垂直分辨率和对目标的辨识能力有限，多普勒雷达目前主要用于气象学研究。本 课题研制开发的雷达系统为多普勒雷达系统，希望通过多普勒功能能够获得迁飞昆虫关于 南京信息工程大学硕士学位论文昆虫监测多普勒雷达系统的开发 速度方面的参数。 1 2 1 扫描雷达 将3 c m 波长、x 频带的船用雷达的水平天线改装成抛物面天线，使之产生一个可以不 同仰角水平旋转的线性偏振的锥形波速在发射功率为2 0 k w 、天线直径1 m 时，可检铡到 1 2 k m 远处的空中个体昆虫，按距离和方位显示在平面显示器( p p i ) 上。目标的飞行高 度可根据天线仰角的正弦与目标距离的乘积得到，飞行速度和方向直接从p p i 上读出。 1 2 2 垂直波束雷达 扫描雷达有两个重要缺陷。一是对目标昆虫种类的辨别能力不高，二是操作和观测资 料的处理都非常费时费力，故无法应用于长期监测。为此，r j i e y 的雷达组研制了一部具有 旋动偏振的垂直波束雷达( v l r ) ，于1 9 7 5 和1 9 7 8 年在马里的观测中成功地监测出迁飞个 体的定向，但提取目标的“体型因子”的努力未果。不过，这部v l r 可产生高质量的目标 昆虫的翅频记录，且能提供迁飞种群定向分布的徽尺度细节。8 0 年代末，美国的b e e r w i n k l e 移植了这种旋动偏振的设计思想，建成了电脑控制的全自动v l r 。 如果将v l r 天线的旋转馈电稍作偏转，即可很方便地将旋动和章动结合起来，从而可 测得飞行个体的速度、方向、和定向，再通过信号分析算法的处体型( 大小和形状) 有关 的3 个r c s 参数。并且，整个系统的运行全部实现计算机控制，观测费用大大降低，从而 使迁飞性害虫的长期自动监测成为可能。我国的v l r 也在筹建之中。 与扫描雷达比较，v l r 的不足之处是取样空间太小，只能监测飞越雷达正上方的个体， 而且灵敏度低，只能在空中昆虫密度较高时才能得到有关参数。 1 。2 3 毫米雷达 x 频带雷达只适于观测体长1 c m 以上的昆虫，对小型昆虫则只能在很近的距离看到。 因缩短波长可大大增加小型目标的雷达截面( r c s ) ，利用毫米波技术可望解决这个问题。 4 南京信息工程大学硕士学位论文 昆虫煎测多普勒雷达系统的开发 n r i r u 设计建造了一部波长8 8 r a m 的q 频带扫描雷达，可检测到i k m 高处的小型昆虫。 该部雷达在我国也有成功应用。 1 2 4 谐波雷达 低空扩散飞行的昆虫主要集中在地面至几十米以下的高度层，但这里却是常规扫描雷 达的言区。因为常规雷达信号的收发角的是一天线，故在这样短的距离内，到达接收机的 信号被发射机发射的信号所抵消；同时，强大的地物回波也淹没了来自近地空间的昆虫回 波。为此，n r i r u ( 英国自然资源研究所昆虫雷达组) 将接收天线和发射天线分置，同时 又引入昔波技术以解决遗物回波问题。其原理是将目标用一很小的电子装置定标，该装置 吸收雷达波束中的能量并将输入信号调制为谐波后再发射回去：接收天线即可屏蔽地物回 波而从其中将该谐波检测出来。由于目标标定装置不需自带电源，故可做的很小。基于这 一原理，n r i r u 于1 9 9 4 年建成了世界上第一部谐波昆虫雷达：在x 频带扫描雷达的天线 ( 3 2 c m 波长，1 5 m 直径，发射功率2 5 k w ，脉冲宽度0 1 u s ) 上方增设个谐波信号的接 收天线( 1 6 c m 波长，0 7 m 直径) ，二者同时以2 0 r r a i n 的转速旋转，可检测7 0 0 m 高度以 下的目标昆虫。在同年的首次野外观测实验中，目标标定装置是一个总重不到3 r a g 、高度 1 6 r a m 的微型天线。将其粘在蜜蜂的背部，成功地跟踪了蜜蜂在蜂巢与蜜源之间的飞行。 1 2 5 跟踪雷达 这种雷达每次选定一个目标，通过天线波速的章动保持天线指向该目标，连续跟踪其 运行轨迹。6 0 年代，美国的g l o v e r 等曾用一部大功率的跟踪雷达研究了从飞机上投下的供 试蛾的飞行，但其目的是为了证实个体昆虫可以产生所谓蚵a n g e l s ”。唯有a p m r u 的3 2 e r a 跟踪雷达在真正用于昆虫学研究，他们曾跟踪定容气球测定不同高度的风向和风速以确定 迁飞种群的运行轨迹e 1 3 课题的目的和意义 本课题为国家9 4 8 项目“迁飞性害虫的长期监测与灾变预警参数自动采集的i m r 技术” 的资助。其目的就是利用雷达探测技术建立一套用于迁飞性害虫的长期监测与灾变预警参 南京信息工程大学硕士学位论文 昆虫监测多普勒雷达系统的开发 数自动采集的i m r ( i n s e c tm o n i t o rr a d a r ) 系统。 本文详细介绍了昆虫监测多普勒雷达的研制过程，包括昆虫多普勒雷达的探测原理， 系统的软硬件结构。其中，重点介绍了自主开发的雷达信号采集系统和雷达数据处理分系 统。在后文中，对于昆虫参数的算法有详鲴介绍，即该雷达系统的产品软件的算法。 过去，昆虫的迁飞过程一直作为“黑箱”处理。自将雷达应用在观测中以来，英、美、 澳、中等国的雷达昆虫学家利用各种类型的昆虫雷达在许多地区开展了大规模的、不间断 的观测，取得了大量的宝贵资料。目前。昆虫雷达已经从纯研究工具发展为长期的监测设 备，z l c ( 垂直观测) 制式的实现了对迁入事件的长期监测，全自动运行、雷达信号的即时 分析与处理使得迁飞性害虫的灾变预警可望实现。该套系统投入使用，条件成熟时还将建 立全国性的监测网。 由于虫害具有大区域迁飞性、暴发性和毁灭性的特点，对我国农作物生产每每造成惨 重损失。该套昆虫雷达系统的应用将是有效的监测手段，可对迁飞性害虫进行长期、系统 的监测，成为一种无可代替的强有力的监测工具。 1 4 论文各部分主要内容 本文从硬件、软件等多个方面介绍了用于昆虫监测的3 2 c m 脉冲多普勒雷达系统的原 理以及开发过程，重点讨论了雷达系统的信号采集与数据处理的系统。 在第一章中，论文首先介绍了雷达昆虫学相关的背景知识，并列举了在雷达昆虫学研 究范围内目前已应用的雷达系统，以及本课题的目的和意义。 在第二章中，本文从雷达的总体结构入手，从硬件和软件两个方面介绍了该套雷达系 统的组成；该套雷达系统具有多普勒功能，自行开发了昆虫产品软件。通过该套昆虫雷达 软件可以从雷达回波中获得昆虫的多种参数，其中包括昆虫迁飞的速度、方向、种群空中 趋向、迁飞群大小、形状的估计值，以及个体质量的平均估计值等。 在第三章中，简述了本雷达系统的信号采集系统，本项目采用了闻亭公司的高速信号 处理板作为信号采集卡。这一部分主要介绍了基于f p g a 和d s p 的高速信号处理板的基本 结构和在本系统中的应用。 6 南京信息工程大学硕士学位论文昆虫监测多普勒雷达系统的开发 在第四章中，重点叙述了昆虫监测多普勒雷达的数据处理系统，包括采集数据的处理 算法。数据处理算法主要采用目前n g b 已使用的成熟的算法。另外，论文详细介绍了严格 按照算法所进行的程序开发，并对关键函数和所用控件进行了分析。此套软件的开发中大 量使用了美国n a t i o n a l i n s t r u m e m s ( n i ) 公司的m e a s u r e m e n t s t u d i o 软件提供的相关波形显示 和数学计算处理功能( c n i m a t h ) 以及基于计算机的虚拟仪器技术。 在第五章中，介绍了下一步的工作内容，利用g p r s 技术进行数据实时传输以及设计自 动光盘刻录装置保存雷达数据。另外，总结了该项目的创新点以及一些体会。 7 南京信息工程大学硕士学位论文 昆虫监测多普勒雷达系统的开发 2 1 雷达系统的简介 第二章系统概述 2 1 ，1 雷达系统的基本组成 雷达系统的基本组成吲如简化框图2 1 所示。 图2 1 雷达的基本结构 发射机产生雷达信号( 通常是重复的窄脉冲串) 由天线辐射到空间。收发开关使天线 时分复用于发射和接收。反射物或目标截获并辐射一部分雷达信号，其中少量信号沿着雷 达的方向返回。雷达天线收集回波信号，再经接收机加以放大；如果接收机输出的信号幅 度足够大，就说明目标已被检测。雷达通常测定目标的方位和距离，但回波信号也包含目 标特性的信息。显示器显示接收机的输出以及其他相关计算结果。 2 1 2 从雷达回波中可获取的信息 距离 通过测量雷达信号往返目标的时间，雷达可测出距目标的距离。窄脉冲是测距的常用 南京信息工程大学硕士学位论文 昆虫监测多普勒雷达系统的开发 雷达波形。脉冲越窄，测距精度越高。窄脉冲具有宽的频谱。宽脉冲也能达到窄脉冲的效 果，只是用相位调制和频率调制是宽脉冲的频谱扩展。已调制宽脉冲通过匹配滤波器后， 其输出是压缩后的脉冲，并且压缩脉冲的宽度等于已调制宽脉冲频谱宽度的倒数。这就是 脉冲压缩，他具有窄脉冲的分辨力和宽脉冲的能量。频率调制或相位调制的连续波能进行 目标距离的精确测量。通过比较两个或多个连续波频率的相位，也可测量单个目标的距离。 径向速度 对目标距离的连续测量可获得距离变化率或径向速度。动目标回波的多普勒频移也能 用来测量目标的径向速度，但是其具有高度模糊的不足。无论是测量距离变化率还是测量 多普勒频移，速度测量都需要时间。观察目标的时间越长，测速的精度越高。 角方向 通过测量回波波前到达雷达角度，雷达可测出目标的方向。雷达的测角通常用方向性 天线来实现，即窄辐射波瓣图天线。当接收到的信号最大时天线所指的方向就是目标方向。 和其他测角方法相同，上述测角法假设大气层不扰乱电磁波的赢线传播。天线孔径的尺寸 决定到达角的测量精度。天线孔径越大，波束宽度就越窄，测角精度也越高。 尺寸 若雷达具有足够的分辨力，它就能测量目标的宽度或尺寸。随着技术的进步，人们通 过雷达探测的目标尺寸越来越小，如昆虫等。对于常规雷达天线和通常的作用距离而言， 角度分辨力远低于距离分辨力。但是，运用多普勒频域的分辨力，雷达可得到与距离分辨 力相当的目标横向距离维( 角度维) 分辨力。但这要求目标的各部分和雷达间存在相对运 动。目标和雷达之间的相对运动是s a r 具有优良目标横向距离分辨力的基础。在s a r 中， 雷达载体的飞机或航天器的运动使雷达和目标存在相对运动。而在i s a r 中，这种相对运 动是由目标的相对转动提供的。 形状 雷达探测目标的形状和尺寸对识别目标类型来说很重要。高分辨率雷达获得目标的距 离和横向距离( $ a r 和i s a r ) ，并由此能提供目标的尺寸和形状。比较不同极化波的散射 场可得到目标对称性的度量。有可能通过不同的外观比例来区分目标，例如，区分杆状物 q 南京信息工程大学硕士学位论文 昆虫监测多普勒雷达系统的开发 或球状物。若全面利用极化信息，应当测量回波信号的两个正交极化分量，以及它的交叉 极化分量的相位和幅度。理论上，这些测量能识别目标的类型，但在实际应用中并不容易 实现。 其他目标测量 正像从时域的多普勒频移可确定目标的径向速度一样，从相似的空域多普勒频移可得 到目标速度的切向( 横向距离) 分量。空域多普勒频扩展或压缩视在天线辐射方向图。( 恰 如径向速度分量能扩展或压缩目标回波的时间波形，以产生时域的多普勒频移。) 切向速度 的测量并没有得到实际应用。 从接收信号幅度随时间的变化，可记录下复杂目标回波径向投影的变化。径向投影的 变化通常表现为雷达截面积的变化。目标的振动、飞机螺旋桨的转动或喷气发动机的转动 时雷达回波产生特殊的调制，它可通过雷达回波信号的频谱分析来检测。 2 1 。3 脉冲多普勒( p d ) 雷达 一般脉冲多普勒雷达是指雷达采用相参发射和接收，即发射脉冲和接收机本振信号都 与一个高稳定的自激振荡器信号同步，或者雷达采用相参处理来抑制主瓣杂波，以提高目 标的检测能力和辅助进行目标识别或分类。脉冲雷达主要应用于那些需要在强杂波背景下 检测动目标的雷达系统。脉冲雷达主要分为两大类，即中p r f 和高p r f 雷达。中p r f 的 脉冲雷达中，我们关心的目标距离、杂波距离和速度通常是模糊的。在高p r f 脉冲雷达中， 只有距离是模糊的，而速度不是模糊的。 脉冲多普勒雷达的发射频谱由位于载频毛和边带频带f 0 i f r 上的若干离散谱线组成。 其中，f r 为p r f ；i 整数。频谱的包络由脉冲的形状决定。对常用的矩形脉冲而言，其频 谱的包络是s i x x 。 2 2 本项目的设计要求 2 1 2 1 硬件要求 1 ) 研制成可进行野外观测的雷达整机； 1 0 南京信息工程大学硕士学位论文 昆虫监测多普勒雷达系统的开发 2 ) 可进行正常的观测方式选择和设定； 3 ) 可测高度为2 0 0 1 2 0 0 米。可测高度层数1 5 个； 4 ) 可测量的参数为：昆虫迁飞的速度、方向、种群空中趋向、迁飞群大小、形状的估 计值，以及个体质量的平均估计值； 5 ) 利用多普勒测参功能尽量提供观测分析的昆虫上升和降落速度。 2 2 。2 软件要求 1 ) 可进行观测和系统运行参数的设置与调控； 2 ) 可进行接收信号的识别与分析，并能输出相关测量参数的图形或图表： 3 ) 软件以安装盘形式提供。 2 3 昆虫监测脉冲多普勒雷达的总体结构 2 3 。1 雷达系统的各部分组成 本项目采用x 波段脉间相干多普勒雷达系统，主要有以下几个部分组成：天线、发射 栅接收机、信号处理系统、数据处理机( p c ) 和系统监控部分。 2 3 2 雷达系统的总体性能指标 雷达系统的工作频率为9 3 7 5 + 0 2 m h z ；探测距离范围为2 0 0 1 2 0 0 m ( 待测昆虫质量大 于1 5 0 m g ) ；强度测量范围为- 1 0 , - + 7 0 d b ：速度测量范围为一1 2 - - + 1 2 m s ；脉冲重复频率 1 5 0 0 h z ；强度探测精度为1 0 d b 。 该套系统需要一定的工作环境，在室内温度为卜_ 4 0 摄氏度，相对湿度小于8 0 ，室 外温度为一2 0 一+ 5 0 摄氏度，相对湿度小于1 0 0 ，工作海拔小于3 0 0 0 m ，供电为频率5 0 h z ， 单相2 2 0 v ，功耗小于1 k w 。 另外，系统监控提供接收机、信号处理、数据处理机等部分工作的状态及故障提示、 报警。 南京信息工程大学硕士学位论文 昆虫监测多普勒雷达系统的开发 表2 2 工作环境 2 4 昆虫监测多普勒雷达系统的硬件结构 2 4 1 发射机部分 发射机的工作方式为脉间相干多普勒体制，采用固态放大发射机，工作频率为 9 3 7 5 _ + 0 2m h z ，峰值发射功率达到6 0 w ，脉冲宽度o 1 u s ，脉冲重复频率为1 5 0 0 h z 。 另外，发射主脉冲耦合输出给接收机。提供功率表头指示、故障检测、过流保护，以 及电源检测功能，具有触发信号、高压开、过流保护复位。 2 4 2 接收机部分 接收机的噪声系数小于3 5 d b ( 含t r ) ，接收带宽为2 0 v i i - l z 。信号动态范围8 0 d b 以上。 具有a g c 控制功能。输出中频7 5 m h z ( 1 0 d b ms m a ) ，采用一次混频。 2 4 3 信号处理系统 1 2 南京信息工程大学硕士学位论文 昆虫监测多普勒雷达系统的开发 输入信号主要有接收机输出信号为7 5i v i h z ，发射脉冲信号为7 5m t - i z ，时钟信号为1 0 0 m h z ，分机检测信号。 输出信号主要有定时脉冲信号、高压预热信号、高压控制信号、天线控制信号、自动 增益控制a g c 输出、自动频率控制a f c 输出。采用高速中频采样( a d 6 6 4 5 ，1 4 位，1 0 0m h z 采样) ，利用数字中频相干技术实现多普勒速度测量，将校正后的i 、q 信号由u s b 2 0 接口 传送给p c 机进行p p p 处理获得强度和速度参数。雷达每半小时工作l o 分钟，一天2 4 小时 工作。 2 5 昆虫监测多普勒雷达系统的软件结构 项目提供了软件的规格说明，如下： 软件提供可执行文件完成以下功能：微机操作与用户接口，雷达控制、观测时序安排、 信号获取，获取资料的基本分析。其中，基本分析包括：过顶单体昆虫的速度、方向、趋 向、大小、形状( 2 参数) 、以及单体质量的估计，输出形式为图形及图表。 根据以上项目要求，我们开发的系统软件主要有以下几个部分组成( 见图2 2 ) ，该程 序的主要功能为利用探测昆虫的雷达回波信号实现对昆虫各种参数的计算，进而实现对昆 虫灾害进行监测和预警。 图2 2 软件结构 该软件采用v c + + 6 0 为编程工具，在w i n d o w s 2 0 0 0 平台下完成。主要有以下四个 模块组成：信号处理程序、雷达状态显示与控制程序、昆虫参数的计算、人机交互、雷达 产品显示。其中，通过雷达的回波功率谱频域拟合曲线提取参数，再依据相关算法 3 1 计算 昆虫的速度、方向、趋向、大小、形状、及单体质量估计值等。其中，我们使用了美国n a t i o n a l 南京信息工程大学硕士学位论文昆虫监涮多普勒雷达系统的开发 i n s t r u m c n t s ( n i ) 公司的m e a s u r e m e n ts t u d i o 软件提供的相关波形显示和数学计算处理功能 ( c n i m a t h ) 以及基于计算机的虚拟仪器技术“。 其中，雷达信号处理程序的流程如下： 图2 3 雷达信号处理流程 罟 l 南京信息工程大学硕士学位论文 昆虫监测多普勒雷达系统的开发 第三章昆虫监测多普勒雷达的信号处理系统 3 1w t 6 7 0 1p a 高速信号处理板简介 本项目中，雷达的信号采集以及预处理采用闻亭公司的w t 6 7 0 1 p a 高速信号处理板。 其结构如图： 图3 1w t 6 7 0 1 p a 信号处理板的结构框 w t 6 7 0 1 p a 板是d s p 2 0 0 0 高速信号处理板家族中的一员，尤其是适用于类似于雷达、 通信、图像处理系统。它采用了t i 公司最新的d s p 处理器t m s 3 2 0 c 6 7 0 1 ，最高运行速度 可达1 6 0 0 m i p s ，板上配制了高速同步存储器s b s r a m ( 1 2 8 k 3 2 b k ) 和s d r a m ( 4 m 南京信息工程大学硕士学位论文 昆虫监测多普勒雷达系统的开发 3 2 b i t ) 。两路a i d 可同时采集或分时采集，每路最高采样频率可达4 0 m i - t z ，a d 采样频率 可变。板上配置了大容量的f p g a 器件和外部i o 接口。板上还提供了一个m c b s p 接口， 兼容5 vt t l 电平，可以很方便的与外部系统通信。 该信号处理板满足p c i l o c a l b u s r e v i s i o n2 1 协议，主机通过h p i 接口可直接访问d s p 的所有资源，允许主机初始化d s p ，可通过主机加载程序。 w t 6 7 0 1 p a 信号处理板采用了x i l i n x 公司的s p a r t a nx l 系列大容量f p g a ，一般为 2 万门，管脚兼容i - 3 万门，内核供电压为3 3 v ，兼容5 v 的输入、输出，输出驱动可为 1 2 m a 2 4 m a 。以2 万门器件x c s 2 0 x l 为例，片内最大系列门为2 0 0 0 0 个，4 0 0 个c l b s ， 1 1 2 个i o b s ，加载方式有两种，一种是从下载线通过j t a g 接口加载，一种是从串口p r o m 加载。 3 1 1t m $ 3 2 0 c 6 7 0 1 t m s 3 2 0 c 6 7 0 1 ( 以下简称c 6 7 0 1 ) 是t i 公司近年来推出的含多个处理单元的一种新型 浮点d s p 芯片，属于c 6 0 0 0 系列。它采用v l l w 结构，在1 6 7 m 的主频下可以得到i g f l o p s 的高处理速度。c p u 中包括了两套对称的运算单元( l 、s 、m 、d ) 和相应的两套寄存器 组，每组有1 6 个3 2 位宽的寄存器。每个功能单元输入输出端口相互独立，可实现并行处 理。 c 6 7 0 1 的地址总线为3 2 位，寻址范围达到4 g b 。存储空间可分为四部分：片内程序空 间、片内数据空间、外部存储空间和内部外围设备空间，可通过对五个b o o t m o d e 引脚 的灵活设置设定各空间的地址范围。片内数据空间又分成两块，每一块r a m 被组织为八 个2 k 1 6 的存储体，使得c p u 可以同时访问不同存储体的数据，而不会发生冲突。片内程 序空间可设为c a c h e ，存储经常使用的代码，减少片外访问次数，从而提高程序运行速度。 c 6 7 0 1 的外围端口包括d m a 控制器、主机接口( i - i p l ) 、中断选择等。两个多通道缓 存串行口( m c b s p ) ，除多通道、双缓存外，还支持多种数据格式、硬件a u 率压扩、位时 钟和帧时钟的灵活编程。另外还提供s b s r a m 、s d r a m 等高速存储器的无缝接口，主要 用于大容量、高速存储，还包括直接异步存储器接口，可与静态存储器s r a m ，e p r o m 南京信息工程大学硕士学位论文 昆虫监测多普勒雷达系统的开发 连接，主要用于小容量数据存储和程序存储：还有直接外部控制接口，可与先进先出寄存 器( f i f o ) 连接，用于控制接口线最少的存储方式。 c 6 7 0 1 采用间接寻址，有线性方式和循环方式两种。程序按三级流水线执行，即取指、 译码、执行。c 6 7 0 1 具有丰富的指令集，内含5 0 余条指令，且大部分是单周期的，可完成 数据传输、算术逻辑运算和程序控制等功能【1 9 - 2 0 。 3 1 2a ，d 9 0 4 2 w t 6 7 0 1 p a 高速信号处理板采用了a d 公司的两片a d 9 0 4 2 器件实现高速度、高性能、 低功耗的模数转换。a d 9 0 4 2 片内具有跟踪，保持放大器和基准电源。a d 9 0 4 2 只需单+ 5 v 电源即能工作，并以4 1 m h z 的速度提供与c m o s 兼容的逻辑数据输出，为了满足带宽的 要求，特别是针对多信道接收机的要求，a d 9 0 4 2 设计保证在2 0 m h z 带宽上具有8 0 d b 的 无失真动态范围，其噪声性能也相当好，典型的性噪比为6 8 d b 。 a d 9 0 4 2 的主要特点是；采样速率保证达4 1 m h z ，对- l d b 输入信号，在整个n y q u i s t 频带上典型不失真动态范围为8 0 d b ，低功耗单+ 5 v 电源功耗为5 9 5 m w ，片内基准源和 跟踪，保持放大器，4 4 脚t q f p 封袋。 3 1 。3 高速同步存储器 s b s r a m ( 1 2 8 x 3 2 b i t ) 同步突发静态存储器( s y n c h r o n o u sb u r s ts r a m s ) 是一种高速度低功耗的同步静态 r a m ，支持突发方式。s b s r a m 的运行速度可为c p u 时钟或者为1 2 c p u 时钟速度，板 上采用了i s s l 的i s 6 1s p l 2 8 3 6 5 器件，当d s p 运行在2 0 0 m h z 时，通过设置e m i f 全局控 制寄存器( 0 x 1 8 0 0 0 0 0 ) 的s s c r t ，选择i 2 c p ur l t t e ，可以使s b s r a m 运行在1 0 0 1 v l _ f - i z 。 4 个s b s r a m 控制管脚的状态( a d s c 、o e 、w e 、c l k ) 在s s c l k 的上升沿被锁存， 用来确定当前的操作方式。t m s 3 2 0 c 6 0 1 7 与s b s r a m 的接口如下： 南京信息工程大学硕士学位论文 昆虫监测多普勒雷达系统的开发 c 6 0 7 1 s b s r a m c e 0c s s s c 【，x c l k s s a d s a d s c c 6 ) ( e m i f s s o eo es b s r a m ，s s w e但 b e 0 - 3 b e 0 3 】 z a 2 q 8 a 肚1 6 e d 3 l d 3 1 o s d r a m ( 4 m 3 2 b i t ) 同步动态r a m ( s y n c h r o n o u sd y n a m i cr a m ) 在动态存储器中采用了同步技术，使 得读写速度从以往的6 0 n s 一7 0 n s ，提升到目前的6 n s - 7 n s ，提高了将近1 0 倍。还具有动态刷 新能力，6 4 m s 一个刷新周期。t m s 3 2 0 c 6 0 1 7 与s d r a m 的接口如下： c 6 0 1 7s d r a m ，c e 2，c s s d c l kc l k s p r a s爪a s s d c a s，c a s s d 、 匠 w e b e 0 - 3 】d q m 0 3 e a 【2 1 8 a 0 叫 e d 3 1 - - 0 e d 0 3 1 s d a l 0 a 1 0 】 双口r a m ( 4 m 3 2 b i t1 5 n s ) w t 6 7 0 1 p a 高速信号处理板采用了两片i d t 公司的i d t 7 0 2 4 双口r a m ，容量为4 m 3 2 b i t ，左端与f p g a 相连，处理a d 采样结果，右端与t m s 3 2 0 c 6 0 1 7 相连，占用c e i 存 储空间。 1 8 南京信息工程大学硕士学位论文 昆虫监测多普勒雷达系统的开发 l ar a a l dr dd 双口r a m e 正 f p g a l m ，e瓜w e胍 l r d 瓜d r r d c e l 3 2w t 6 7 0 1p a 高速信号处理板的应用 w t 6 7 0 1 p a 高速信号处理板在本项目中的应用，如下图 信号1 信号2 图3 2 信号处理板的应用 3 。2 。1 信号的预处理与f f t 的软件实现 雷达信号处理一般需要进行数据预处理，滤波，f f t 变换，相关以及各种复杂门限的 处理等运算，需要较高精度，同时需要完成多种不同模式的处理，若采用全硬件体系结构， 不同的算法需要不同的硬件结构，导致系统规模大，著采用定点运算精度亦难以保证，而 采用通用浮点d s p ，算法由软件实现，不同模式可以采用拭用的硬件平台。仅通过不同的 处理功能实现不同算法，效率和灵活性都较高8 “。 p p p 为经典处理方法，其特点是直接在时域中进行处理，可采用流水结构，无需大容 量的缓存，其缺点是杂波抑制能力相对差，而f f t 则通过对回波信号进行方位上的f f t 变 换，在频域中进行杂波抑制及目标估计，频域滤波可不影响通带内的有用信号同时抑制度 也不受限。 雷达信号处理器完成的算法比较复杂。而且都是实时的，因而对于软件设计代码的效 率最为重要。软件开发主要采用t i 公司的c c s 软件，该编译器支持对d s p 的c 语言编程， 1 9 南京信息工程大学硕士学位论文 昆虫监测多普勒雷达系统的开发 并能够提供多种优化，对于信号处理的经典算法，通过c 语言编程亦可取得较高的效率口“， 但是对于许多非典型处理，其效率却较低。对c 6 7 0 1 而言，其标称的峰值速率可达1 g f l o p s ， 但是实际上很难达到所有执行单元能够完全并行执行，浮点操作指令存在3 个周期左右的 延时( d e l a ys l o t ) ，如果软件设计时没有充分考虑d e l a ys l o t 的影响，对数据相关性( d a t a d e p e n d e n c y ) 较强的应用，d s p 的处理速度将大为下降。因而为了提高代码效率，采用的 方法有： 1 、合理安排存储器，核心代码采取动态加载的方法，保持在片内执行，以避免外部 低速存储器的瓶颈效应。 2 、改变常规算法流程，使之能够适合c 6 7 0 1 的结构，提高执行的并行度。核心处理 先画出其d e p e n d e n c y g r a p h ( 数据相关图) ，依其进行优化，最后再手写代码，确 保代码具有很高的效率。 3 、不同的算法进行交织并行运算，尽量用有效指令填充d e l a ys l o t 。 4 、采用d m a 实现数据采集，减少d s p 数据存取的开销。 a 2 2 高速信号处理板的通讯 w t 6 7 0 1 p a 高速信号处理板具有p c i 接口，支持高速目标( 从) 和初始化( 主) 方式 数据传输。每个p c i 设备在系统内配置了一个变存空间，在它映射为系统存储器式或i o 空间之前，主机可对它进行访问，访问配置寄存器是p c i 连接器的关键功能，在复位之后， p c 机的b i o s 执行配置周期，辨认p c i 槽内的设备，并确定它们各自对系统资源的需求， 例如i o 、存储空间和中断。p c i 设备自动地用p c 机的b i d s 配置，以防止资源冲突， w t 6 7 0 1 p a 信号处理板的驱动程序从p c i 控制器的配置寄存器中得到信息，确定板分配在 哪儿和它使用什么中断，这使在p c i 槽中的板简单化，不用设置任何跳线器或开关。p c i 总线用多路转换的3 2 位地址数据总线同步操作，最多达3 3 m h z ，p c i 的能力是支持多个 设备控制总线和突发式通信，最高每秒达1 3 2 m 字节( 3 3 m h z 4 字节字) 。突发由3 2 位 地址段组成，接着是3 2 位数据与序列，在任何一个时刻只有一个设备控制总线，但它工作 是周期性的，如果它的硬件可以为维持，它可以那个速率突发传输数据，如果它不够快， 准备信号可按照可读或写的数据速率，调节传输速度。 南京信息工程大学硕士学位论文 昆虫监测多普勒雷达系统的开发 。 开始 j s d r a m 中断服务 3 l 从s 。洲中取出数据进行相应处理 j ， 返回 图3 3 信号处理程序流程 接收的雷达信号通过a f d 9 0 4 2 采样，首先由f p g a 进行信号的预处理，通过i d t 7 0 2 4 双口r a m 再由t m s 3 2 0 c 6 0 1 7 进行f f t 处理。软件流程核心思想是通过中断d s p 后读 取f i f o 中的数据，同时检测f i f o 的读空标志位，在d s p 内部将4 个8 b i t 的数据合并为 3 2 位数据，并进行相关的处理n 由p c i 接口与p c 相连，p c 的产品软件( 第四章介绍) 产生需要的昆虫雷达参数，以及雷达自身的控制、检测数据。d s p 的信号处理流程如图： 开始 屏蔽所有中断 | 初始化。s p 及相应寄存器 l 初始化s d r a m ，f i f o i 中断使能 南京信息工程大学硕士学位论文 昆虫监测多普勒雷达系统的开发 图3 4d s p 的信号处理流程图 开始 l f i f o 中断服务程序 j 读取f i f o 数据 i l 接收数据计数开始，当接收8 k ，发送到上位 i 机请求进行d m a 传输 l 打开s d r a m 中断服务程序 返回 图3 5 中断程序流程 童室笪：垦三堡查堂堡圭兰垡堡壅 垦皇些型童兰塾重垄墨竺塑墅垄 关键函数代码： 读入d s p 数据子程序： v o i df o r m v i e w 2 ：g e t _ d a t a ( ) u l o n gf f t _ n u m = 51 2 ； u l o n gu l l e n g t h = f f t _ n u m + 4 ，i ： e v m 6 x d l l _ m e s s a g eh m e s s a g e 20 x 0 0 0 0 f f f f ； u s i n gh p it or e c e i v ed a mf r o md s p i f ( ! e v m 6 x _ h p i _ r e a d ( m _ h h p i ，( u l o n g + ) m _ u l d a t a m ，& u m e n g m ，0 x 8 0 0 0 a 0 0 0 ) ) e x i t ( 0 ) ； i f