（航空宇航科学与技术专业论文）闪电成像仪实时事件处理器（rtep）的研究.pdf

国防科学技术大学研究生院学位论文 摘要 风云四号闪电成像仪是一个基于地球静止轨道高度对中国大陆及其周 边领域的闪电进行全天候连续不断地观测的光学探测仪器。闪电成像仪主要利 用四种方法组合来实现闪电信号的增强与探测。这四种方法是：光谱滤波、空间滤波、 时间滤波、帧一帧背景去除。实时事件处理器是实现帧一帧背景去除的最为有效的手段， 它是提取闪电信号的重要途径。实时事件处理器( r t e p ) 是一个实时数字信号处理系统， 在2m s 的时间内要完成1 2b i t 量化的5 1 2 5 1 2 个像素的信号数据处理，探测出闪电信 号，并完成它的编码、数据格式转换并传输到星上数传系统。 本文主要论述了风云四号闪电成像仪实时事件处理器( r t e p ) 的必要性、实现原理 和d s p + f p g a 方案的实现及其具体设计。首先论述了闪电的特性、大面阵c c d 输出的闪电 信号的特征及数据处理的要求，结合国外闪电观钡仪器的经验，阐述了r t e p 是闪电成像 仪的关键技术之一，是闪电成像仪必不可少的组成部分。 然后论述了r t e p 的实现原理，完成了在各项技术指标的约束下，用d s p + f p g a 的方 案实现r t e p 的可行性分析。 然后重点论述了实时事件处理器( r t e p ) 的d s p + f p g a 方案的实现及其具体设计。用 d s p + f p g a 实现实时事件处理器( r t e p ) 是利用硬件f p g a 的高速数据读写、数据处理能力 来实现闪电的背景信号评估、背景信号去除、阈值选择、事件选择、闪电事件的判断等； 同时利用d s p 的数字数据的处理能力来实现对闪电信号的整合与编码等功能。利用f p g a 实现闪电信号检出处理器就是利用实时数字信号处理的方法实现闪电信号的探测。其基 础是数字滤波器，主要是利用一有限精度算法实现离散时间线性非时变系统，以完成对 信号进行滤波处理等功能。对f p g a 硬件实现上述功能的算法主要有三种方法进行了对比， 选择利用查找表结构实现的乘累加数字滤波器的卷积运算。整合编码d s p 通过将背景数 据与闪电数据进行合理的编码，降低对数据传输速率的要求。 关键词：闪电成像仪、实时事件处理器( r t e p ) 、闪电信号、o s p + f p g a 第j v 页 国防科学技术大学研究生院学位论文 l i g h t n i n gm a p p e rs e n s o r ( l m s ) i sa no p t i c a ld e t e c ti n s t r u m e n to i lt h ef y 一4p l a t f o r m d e s i g n e dt oa c q u i r ea n di n v e s t i g a t el i g h t n i n ga r o u n dc h i n aa n dt h en e a r b yr e g i o n s t h eg o a lt o i n c r e a s el i g h t n i n gs i g n a la n dd e t e c tt h el i g h t n i n gb yc o m b i n a t i o no f f o u rm e a n s o n eo f t h e mi s f r a m e - f r a m e - b a c k g r o u n d - w i p e o f f r t e p i sar e a l t i m e d i g i t a ls i g n a lp r o c e s ss y s t e m t o a c c o m p l i s ht h i sp u r p o s e p r o c e s s i n g1 2 b i ts i g n a l so f5 1 2 5 1 2p i x e l s ，d e t e c t i n gl i g h t n i n g s i g n a l sa n de n c o d i n gl i g h t n i n gs i g n a l sa n db a c k g r o u n ds i g n a l sw i t h i n2 m sb yt r e p t h i sp a p e rf o c u s e so nt h en e c e s s i t y ，t h e o r yo fr e a l i z a t i o na n dd s p + f p g ad e s i g no f r t e p f i r s t l yi t d i s c u s sc h a r a c t e r i s t i co fl i g h t n i n g ，c h a r a c t e r i s t i co f5 1 2 5 1 2c c do u t p u t s i g n a la n dt h er e q u e s to fd e a lw i t hd a t a ，a n dd r a w sac o n c l u f i o nt h a tr t e pi sa na b s o l u t e l y n e c e s s a r yp a r to fl m s s e c o n d l yi tg i v e st h et h e o r yo fr e a l i z a t i o no fr t e p i ta n a l y z e st h e f e a s i b i l i t yo f d s p + f p g as c e n a r i o t h i sp a p e rs t r e s s e so nt h er e a l i z a t i o no fd s p + f p g as c e n a r i oa n dt h ed e s i g ni nd e t a i l r e a l i z i n gr t e pw i t l ld s p + f p g a u t i l i z e sh i g hs p e e dd a t ar wa n dp r o c e s s i n ga b i l i t yo f f p g a t oc h e c kl i g h t n i n gs i g n a l sa n du t i l i z e sh i g hs p e e dd a t ap r o c e s s i n ga b i l i t yo fd s pt oe n c o d e l i g h t n i n gs i g n a l sa n db a c k g r o u n ds i g n a l s u t i l i z i n gf p g a t oc h e c kl i g h t n i n gs i g n a l si sr e a lt i m e d i g i t a ls i g n a lp r o c e s s i ti sa nd i g i t a lf i l t e r e n c o d i n gi na p p r o p r i a t ew a yc a nd e c r e a s ed a t a t r a n s m i ts p e e d k e y w o r d s ：l m s ，r t e p ，l i g h t n i n gs i g n a l ，d s p + f p g a 第v 页 国防科学技术大学研究生院学位论文 图目录 图2 - 1 实时事件处理器( r t e p ) 的原理流程框图7 图2 2 实时事件处理器( r t e p ) 的原理框图7 图3 1闪电成像仪的成像电子学功能框图1 0 图3 2 实时事件处理器组成框图n 图3 3 单路实时事件处理器功能组成框图1 1 图3 - 4d s p + f p g a 方案r t e p 总原理框图1 2 图4 1d s p + f p g a 方案实时事件处理器( r t e p ) 的原理框图1 7 图4 2 相关双采样原理图1 9 图4 3 乒乓缓冲存储器结构2 0 图4 47 片s r a m 的数据流示意图2 1 图4 52 x 7 片s r a m 的数据流示意图2 2 图4 6b a c k c l a m p 和f r a m e 的关系图2 3 图4 7 闪电信号处理器的时序、控制信号及地址产生器的时序仿真2 4 图4 - 8 顺序存取示意图2 6 图4 9 单路r t e p 电路板布局3 1 图4 1 0 数据由d r i v e r 发向r e c e i v e r 的公共时钟同步工作示意图3 2 图4 1 l器件直接相连的拓扑结构3 7 图4 1 2 器件直接相连的仿真波形图3 7 图4 1 3 改进布局后数据线的拓扑结构一3 7 图4 1 4 改进布局后数据线的仿真波形图3 8 图4 1 5 较好情况数据线的拓扑结构一3 8 图4 1 6 较好情况数据线的仿真波形图3 8 图4 1 7s c l k 的拓扑结构3 9 图4 1 8 s c l k 的仿真波形图3 9 图5 - 1滤波器的两层的层次图4 0 图5 2 滤波器内部各模块之间的关系图4 0 图5 3 利用f p g a 实现闪电信号检出处理器程序的仿真图( 缩图) 4 2 图5 - 4f p g a 实现闪电信号检出处理器程序的仿真图( 局部展开图) 4 2 图5 - 51 2 位二进制数相乘的算法流程图4 4 图5 - 6 乘法器逻辑框图4 5 图5 7 乘法电路的简略图4 5 图5 - 8 乘累加数字滤波器的框图4 6 图5 - 9 高速1 2 位乘法器4 6 图5 - 1 0 乘法电路的简略图4 7 第1 页 国防科学技术大学研究生院学位论文 图5 1 1乘累加数字滤波器的框图4 7 图5 1 2 卷积运算过程 图5 1 3 查找表实现卷积运算的结构一 图5 一1 4查找表实现背景评估与背景信号减的卷积运算的结构 4 8 4 8 4 9 第1 i 页 国防科学技术大学研究生院学位论文 表目录 表2 1b 与n 的关系表9 表3 1d s p + f p g a 方案功耗评估1 6 表4 1闪电信号的编码格式2 9 表4 - 2 闪电产生的像元位置的格式2 9 表6 1 闪电信号和背景信号的读取方式5 3 表6 2 闪电成像仪数据传送主帧格式5 4 表6 3 子帧的编码格式5 5 表6 4 合并后4 个闪电信号的编码格式5 5 表6 5 时间的格式5 6 表6 - 6 背景数据的编码格式5 6 第1 h 页 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我本人在导师指导下进行的研究工作及取得 的研究成果尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含 其他人已经发表和撰写过的研究成果，也不包含为获得国防科学技术大学或其它 教育机构的学位或证书而使用过的材料与我一同工作的同志对本研究所做的任 何贡献均巴在论文中作了明确的说明并表示谢意 学位论文题目：因皇盛倦丛塞盟查佳盐堡墨fb ! 婴2 盟盈窥 学位论文作者签名： ：啡 日期：斛占月二日 学位论文版权使用授权书 本人完全了解国防科学技术大学有关保留、使用学位论文的规定本人授权 国防科学技术大学可以保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子 文档，允许论文被查阅和借闶；可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据 库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文 ( 保密学位论文在解密后适用本授权书) 学位论文题目：因电盛盘越塞吐蔓佳缝堡墨i b 堡数珏窀 学位论文作者签名： l 垄! 堑 日期：埘年月工日 作者指导教师签名：应z 垒日期：炳年石月乙日 国防科学技术大学研究生院学位论文 第一章序言 1 1 研究背景 闪电与产生强降雨的雷暴气象现象有着密切的联系，通过对闪电的观测可以对雷雨 的分布、变化、定位以及规模大小的确定等有非常大的帮助。闪电与强对流有密切的联 系，e ln i n o 与l an i n a 等全球强对流周期性天气现象与闪电发生的频次的周期性也有密 切的关系，通过对闪电发生频次的统计，对e ln i n o 与l an i n a 分析及预报也有很大的帮 助【l 】【2 】【3 】。 由于森林火灾，火山喷发等可引起闪电发生频次的增加，因此通过对闪电的探测， 还可以对森林火灾、火山喷发等进行监视。 通过对特定区域闪电的连续观察，可以统计出该区域闪电发生的频次和闪电发生周 期，对闪电的预报提供科学依据。闪电等强对流天气现象与军事行动关系紧密，通过对 闪电的预报和实时观察，可以对军事行动的时间安排等提供依据。另外闪电的预报和观 察对卫星发射、特定打击区域的长期和短期天气预报等都非常有用【4 】。 在闪电探测方面，国外的航天机构起步较早，尤其n a s a 作了大量富有实效的工作， 积累了许多可资借鉴的经验。从1 9 5 0 年至今，他们多次进行了基于航空平台、航天平台 的闪电观测。 目前，研制成功的实用型航天闪电探测仪器还不多，经过在轨飞行验证的有n a s a 于1 9 9 4 年发射的光学瞬时事件探测仪o t d 和1 9 9 7 年1 1 月发射的t r m m 卫星上日本研 制的闪电成像仪( l i s ) ，另外，n a s a 的g o e s o 卫星的配置中包含了闪电探测仪( l m s ) ， 用于实现基于地球静止轨道的具有高探测率的闪电探测。 闪电成像仪研究的主要目标是为我国开展新一代静止轨道气象卫星研究提供有效载 荷，气象应用部门在风云四号静止气象卫星的基本任务要求中明确提出“开展闪电成像 观测，获取卫星覆盖区内闪电分布图，为天气预报和军事应用服务”。闪电成像仪是“风 云四号”气象卫星重要有效载荷之一，闪电成像仪的成功研制和应用将对我国天气观测 和预报有非常重要的意义。 风云四号闪电成像仪是一个基于地球静止轨道高度对中国大陆及其周边领域的闪电 进行全天候连续不断地观测的光学探测仪器。在某种意义上讲，闪电成像仪就是一个凝 视的摄像系统。但由于闪电的瞬时性，光谱发射特性，以及在白天探测由于太阳光的云 第1 页 国防科学技术大学研究生院学位论文 层背向闪耀，使得背景能量是闪电能量的数百倍，使得在白天对闪电进行探测变得非常 困难。另外由于数据的获取和处理速度要求非常高，达到5 0 0 帧，秒，较一般摄像系统困 难许多，使得闪电成像仪与一般的成像系统又有非常大的差别。闪电成像仪与一般成像 系统的主要差别在于：大视场像方远心光路望远成像系统、窄带干涉滤光片、高速镶嵌 式焦平面阵列、高速焦平面信号处理电路、实时事件处理器等叫6 1 。 白天闪电信号往往被背景噪声掩盖，使得白天探测闪电信号极端困难。唯一的方法 是必须采用相对于亮背景增强或极值化闪电信号的技术。这种技术利用了闪电信号和背 景噪声之间存在着时间、空间和光谱特性上的巨大差异这一有利条件，主要利用四种方 法组合来实现闪电信号的增强与探测。这四种方法是：光谱滤波、空间滤波、时间滤波、 帧一帧背景去除。 实时事件处理器是实现帧一帧背景去除的最为有效的手段，它是提取闪电信号的重 要手段。实时事件处理器就是在对背景信号进行评估的基础上，逐元对焦平面输出信号 进行背景信号去除，并与闪电闽值确定器产生的闪电闽值进行比较，对于超过闽值的信 号，认为是闪电信号，触发后续处理电路，进入格式化编排。实时事件处理器的核心包 括背景信号评估器、背景信号去除器、闪电信号闽值确定器、事件选择器、闪电信号编 码器等。 闪电成像仪的研究目的就是要完成关键技术的攻关，完成闪电成像仪样机的研制， 为闪电研究和试验提供必要的硬件设备，为型号研制提供必要的技术基础，为风云四号 配置闪电成像仪提供必要的技术和经验支持。实时事件处理器( r t e p ) 作为闪电成像仪 的关键技术之一，需要在较短的时间内完成研制，为闪电成像仪提供技术基础和具体硬 件设备。 1 2 闪电的特性 闪电发生时伴随有电能的突然释放，所释放出来的电能在闪电通道邻近区域转换为 突变的热能，产生一个冲击波( 这个波迅速转换为声波，如雷) 和电磁辐射，电磁辐射 范围从超低频( e l f ) 电波到x 射线。其中最强辐射区域在可见光区，其典型峰值功率 在1 0 0 1 0 0 0 兆瓦。由于响应突然加热而引起的分离、受激和紧接着的重新组合等引起 的光学辐射都是闪电通道的大气的组成要素。通道周围的加热强度是非常的强烈( 电子 温度 2 0 0 0 0 k ) 以致于光学辐射主要以离散的原子谱线出现，仅在较短的波长处才具有一 第2 页 国防科学技术大学研究生院学位论文 些连续光谱。n a s a u 2 飞机的测量表明，在云顶光学光谱中最强烈的辐射特征产生于近 红外区的中性氧和中性氮的谱线，如7 7 7 4 r t m 处的o i ( i ) 谱线和8 6 8 3 n m 处的n i ( i ) 多重谱 线始终是强特征谱线。 在时间上，闪电的光学信号由一系列具有快速上升时阳：j 与短持续周期的脉冲组成， 这些脉冲与云层内发生的高能量放电过程相关。云一地闪电的单一脉冲通常伴随着返回 闪击和k 变。云一地间和云层间闪电的光学脉冲的宽度和上升时间是类似的；但是云层 间闪电的光学脉冲间隔倾向于较短，一次云层间闪光期间一般能产生足够多的脉冲。 雷暴云是一种光学上的厚介质，因此会强烈的影响被卫星遥感器观测到的、由闪电 产生的光学信息的瞬时性和空间特性。虽然雷暴云在光学上是厚介质，但在光学波长处 的吸收却很少。因此云对光学信号的主要影响是由于多次散射产生的源的集合图像模糊、 脉冲的延时和时间展宽。用装备仪器的n a s au 2 飞机进行广泛测量表明，由于这种多 次散射，光学脉冲的上升时间典型的被加长了1 5 0 m s ，脉冲宽度趋向于1 5 0 m s 展宽。平 均的脉冲上升时间和半极大值处的全宽度分别是2 4 0 m s 和3 7 0 m s 。这是从7 9 次的闪电闪 光中产生的近1 3 0 0 个脉冲分析所获得的结果。 当云明显改变云层顶部的光学信号时间( 瞬态) 特性的同时，云不会阻挡这些光学 信号的辐射。从上方观测时，光学闪电信号作为从云层顶部辐射的漫射光源而出现。从 云顶测量的辐射光学总能量和云地闪光的地基测量的结果非常吻合，可见大部分光学 能量都贯穿了云层。在上面提到的7 9 次闪电中，9 0 产生的峰值辐射能量密度达到4 7 1 2 d m 2 s r 或更大一些的峰值辐射能量密度。被闪电闪光照亮的云顶区域取决于云层内部 发生闪电的位置、闪光的几何形状和实际广度，以及闪电传播通道所经过的云层的特性 和散射的辐射。用光学闪电信号辐射传输的m o n t ec a r t o ( 蒙特卡罗) 理论模拟，和n a s a u 一2 飞机实际进行的研究表明，云顶被照明区域的直径与单个雷暴单体相一致，其典型值 大约为1 0 k i n 。用航天飞机观测到的大雷暴系统照明的区域达到6 0 k i n 。 无论是云间还是云一地间的闪电闪光都易于从上方观测。用n a s au 2 飞机在雷暴 区上方飞行进行大范围观测，与地基测量同个雷暴区相配合已经清楚的证实了能够对 所有闪电进行探测。因为大多数的云一地间的闪光的通道发生在云的内部，在云顶出射 的光已经受了类似于云间闪光的散射过程( 实际上低于云底的通道部分，从云上方基本 上是不可观测的) 。进一步来说，因为散射过程对光学特征起支配作用，因此云间、云 一地间闪光的光学脉冲是非常相似的。因此不能仅从光学特征分辨出云间和云地间闪 电。这样一点遗憾是微不足道的，从科学的观点来看，确定全部闪电发生率比确定是云 第3 页 国防科学技术大学研究生院学位论文 间还是云一地间闪电发生率更重要。事实上，从云的上方或下方进行闪电光学测量比地 基探测系统能探测更多的返回闪击蹦1 们。 1 3 输嫩信号的特征及数据处理的要求 在白天期间，有云的天气情况下，由云层顶部对太阳光的反射引起的背景照明比由 闪电引起的照明要亮得多，因此白天闪电信号趋于掩埋在强背景噪声之中；多云的天气 情况下，由云层到无云的变化时，由陆地、水面或植被对太阳的反射引起的背景照明和 闪电信号的强度相差不多，这是将从由云层反射的强背景突变成较弱的背景，闪电信号 的探测将变得更加困难，这种情况下一般很难探测到闪电信号，只能计算在探测不到的 范围之列；由于闪电是云一云间、云一地间的短暂的放电现象，故无云的天气情况下一 般不会产生闪电。在夜晚期间，由于不存在阳光的反射问题，因此闪电信号比背景噪声 要大得多，相当于弱的背景噪声下有一些强的闪电信号，这时比较容易探测闪电【l l 】【1 2 】。 在数据输出的速率方面，通过对闪电的分析，希望闪电探测保持在2 4 m s 的名义积 分时间，我们选取的积分时间是2 m s ，即每秒探测5 0 0 帧。采用像元数5 1 2 x 5 1 2 的面阵 c c d 器件，5 1 2 x5 1 2 = 2 6 2 ，1 4 4 个像元从1 6 个端口输出，则读出速率为8 1 9 2 m h z 。 从l m s 焦面输出的数据达到2 6 2 ，1 4 4 5 0 0 = 1 3 1 0 7 2 1 0 8 元每秒量级，通过1 2 b i t 量 化，其数据率就达到了1 5 7 2 8 6 4 1 0 9b i t s ，这远远超出了卫星可传输的数据率要求，因 此不可能将所有数据信息全部传输，必须在星上进行实时处理，对卫星界面提供约 1 5 0 k b p s 的数据流。这些严格的约束条件，要求设计一种新的数据处理系统，即实时事件 处理器( r t e p ) ，以处理转换焦平面的信号。 实时事件处理器是实时处理系统。及时是实时系统的重要方面，实时系统的时间约 束是必须满足的。实时系统处理的正确性不仅依赖于于处理逻辑的正确性，还依赖于产 生结果所需的时间。如果时间要求不能满足，则系统是失败的，实时系统的设计必须指 定系统需要的时间，而且保证系统及时性和正确性两方面的性能。 g o e s 卫星上配置的l m s ( l i g h t n i n g m a p p e rs e n s o r ) 中也包含实时事件处理器( r t e p ) 。 l m s 目的是连续观测美国、中南美洲及周边地区的所有闪电【1 3 】。 在l i s 中也用到了实时事件处理器( r t e p ) 。l i s ( l i g h t n i n g i m a g i n gs e n s o r ) 是n a s a 地球观测系统( e o s ) 中热带降雨测量任务( t r m m ) 平台上的一个仪器，设计目的是获得 和研究在南北纬3 5 。之间总闪电( 包括云地之间的闪电和云云之间的闪电) 的 第4 页 国防科学技术大学研究生院学位论文 分布和变化。r t e p 也是其重要的组成部分【1 4 】1 1 5 】【1 6 1 。 由于闪电信号的独特性，以及卫星传输数据率的限制，r t e p 是闪电成像仪的必不可 少的组成部分。 1 4 闪电成像仪及实时事件处理器( r t e p ) 的技术指标 根据闪电成像仪总体的技术指标要求，进行了指标分解”7 1 ，对实时事件处理器( r t e p ) 的技术指标要求为： 图像像元数：5 1 2 x 5 1 2 帧时：2 m s 帧率：5 0 0 帧秒 积分时间：1 9 9 2 2 m s 读出抽头数：1 6 个 每抽头读出数据率：8 1 9 2 m 元秒 数据量化：1 2 b i t 数据处理前单通道最大数据率：9 8 3 0 4 m b p s 探测阈值：4 7uj ，i n 2 s r 强度分辨率：1 0 探测效率： 9 0 虚警率： 1 6 3 8 4 m h z 背景评估使用原始信号帧数：7 帧 背景信号传送时间间隔：约一分钟 系统总功耗：1 7 5 w 第5 页 国防科学技术大学研究生院学位论文 第二章实时事件处理器( r t e p ) 的实现原理 为了把s n r 随事件脉冲宽度变化而产生的较大变化减到最低限度，选择t i t l ( t i 是c c d 的积分时间，t l 是闪电单一脉冲持续时间) ，推荐的倍数 5 。初步分析指出， 希望保持在2 - - 4 m s 的名义积分时间，我们选取的积分时间是2 m s ，从o t d 和l i s 的试验 结果看，采用2 m s 的采样间隔，能达到较高的探测掣h 】。如果采用5 1 2 5 1 2 = 2 6 2 ，1 4 4 像 元、1 6 个端口输出的c c d ，则读出速率为8 1 9 2 m h z 。 从焦面输出的数据达到1 _ 3 1 0 7 2 x1 0 8 元秒量级，通过1 2 b i t 量化，其数据率就达到了 1 5 7 2 8 6 4 x1 0 9b i t s ，闪电事件发生的平均速率为1 0 事件秒，最大速率可达1 0 0 0 事件 秒。处理如此高的数据速率，产生包括事件的位置、时间和强度的纪录，同时又要保持 高的灵敏度和小于1 0 的虚警率，这远远超出了卫星可传输的数据率要求，因此必须在 星上进行数据的处理，对卫星界面提供约1 5 0 k b p s 的数据流。 实时事件处理器的任务，是从强烈的、但缓慢变化的背景中探测弱闪电信号，而且 对视场中的所有像元都能进行独立的处理，输出闪电事件出现的位置、闪电事件出现的 时间和闪电的强度。白天背景信号随太阳角、云、地面景物的反照率等的变化而变化， 能够获得9 0 0 ，0 0 0 个以上的光生电子，而闪电信号产生的电子可能少于6 ，0 0 0 个光生电子。 通常一个典型的闪电只在单帧周期内发生，产生的闪电信号叠加在一个基本不变的背景 信号上。r t e p 以逐一像元为基础，在多帧范围内连续的进行加权平均，以获得背景信号 的评估值，接着再以当前相应各元信号减去背景评估值，从而得到一个未决的信号，这 个信号可能是闪电信号、近零信号或虚假信号。 这个未决的信号由散粒噪声组成，围绕着零值浮动，具有由闪电信号产生的偶然峰 值。当这个峰值超过可变的阈值时就触发比较器并由后续处理器处理闪电事件。阈值必 须设置的非常有效并且要有一定高度，以避免误触发并使误触发率保持在一个比较低的 百分比上。由于散粒噪声的特性，这个闽值在白天的时候要高一些。 实时事件处理器( r t e p ) 原理上包括背景信号评估器、背景信号去除器、闪电信号 阈值确定器、事件选择器、闪电信号识别编码器等。 单路实时事件处理器( r t e p ) 的原理流程框图如图2 1 ，原理框图如图2 2 。 第6 页 国防科学技术大学研究生院学位论文 图2 - 1 实时事件处理器( r t e p ) 的原理流程框图 臂璺瞎号许估器青景信号去除器闲电涌悔鞠码 图2 - 2 实时事件处理器( r t e p ) 的原理框图 背景是前n 帧( n 一7 ) 背景的加权平均。在平均中，最新的帧的权重大于其前面的 帧，使得大约在n 帧后，任何单独帧的贡献“衰减”到0 。从焦平面( f p a ) 的输出信号 中减去背景，得到的信号同一个预先确知的和可更改的阐值相比较，从而确定闪电信号 的存在与否。超过阙值的事件被认为是闪电信号，同时像元的位置和强度被编码成一个 数据存储在相应的位置上，稍候传输到变换编码系统进行编码，送到星上数传系统传输 到地面。 背景信号评估器( 背景信号的加权平均) 和背景信号去除器( 相减) 相结合，执行 时域高通滤波器的功能，其计算公式为： 第7 页 国防科学技术大学研究生院学位论文 y l = 6 ( 0 ) + 6 ( 1 ) 1 ) + 捌2 ) + 6 ( 3 ) ( 3 ) + 6 ( 4 m 4 ) + 删5 ) + 6 ( 刚6 ) + b x ( i n p u y c o 鲥净6 ( o ) + 1 ) + 6 ( 刁+ 6 ( 3 ) + 6 ( 4 ) + 6 ( 5 ) + 6 ( 回+ 6 = 形一缈 y = 礤，妒”一 公式( 3 1 ) 其中b = b ，b ( o 产( 1 b ) ，b ( 1 ) = ( 1 - b ) 2 b ( 2 ) = ( 1 b ) 3 j b ( 3 ) = ( 1 b ) 4 ，b ( 4 ) = ( 1 b ) 5 ，b ( 5 ) _ ( 1 b ) 6 ， b ( 6 ) 1 - b ) 7 。 y b 是归一后的背景。 y 1 是归一前的背景。 y 是减除背景后的输出。 当前输入信号乘上一个增益因子b 并加上此像素的前n 帧的背景评估值的( 1 - b ) “ 倍，从而得到最新的背景。得到的背景和当前输入信号被送到背景信号去除器，从当前 输入信号中减去背景，从而得到一个闪电信号、近0 或虚假信号。因为从焦平面输出的 信号包括背景加信号、或者仅仅是背景，因而减得的未决的信号是一个闪电信号、近0 或虚假信号。增益因子b 的倒数近似等于用来产生背景信号评估值的帧数n 。太高的增益 因子可能使闪电信号污染背景信号的评估，并且可能增加处理噪声。太低的增益因子可 能使背景信号估计值对背景强度的变化没有足够快的响应。 b 值的确定，考虑到本帧及相邻帧对背景评估信号的影响，其中最近一帧的影响最大。 同时还应该考虑到背景是缓慢变化的，背景的变化要求以前各帧的影响应该尽快的消除， 尤其是对于那些突变的背景，不同的b 值情况下信号对背景的影响消除的帧周期不一样。 b 越大信号对背景的影响消除的帧周期越小，b 越小信号对背景的影响消除的帧周期越 大。可见选择合适的b 值可以很好的达到滤除c c d 输出信号中的背景噪声从而有效的检 出闪电信号的目的。 b 的选取由以下公式求出： 第8 页 国防科学技术人学研究生院学位论文 ( 1 一占) ”= p 一，：影响的帧数 曰= l e 寸 ：j l n ( 由) 又- 瓦n r = ( i 与 m ，。：输出的噪声，：输入的噪声 需要选择合适的b 值，以减小；，达到最优化。 计算的结果见表2 1 ： 表2 - 1b 与n 的关系表 b0 00 0 l0 1 2 5 0 2 5 00 5 0 0 07 5 01 0 0 0 n r n f 1 0 0 0i 0 0 0j 0 0 3l0 6 9ll5 5l2 6 5i 4j 4 nl0 0 074 934 61 4 4 l l 经综合考虑和最优化的设计，我们选择b = 0 1 2 5 ，n = 7 4 9 。为了信号处理方便，取 n = 7 。 在背景评估器计算得到j 下确的背景评估信号后，本帧的信号和背景评估器输出的背 景评估信号通过背景去除器相减以形成一个差分信号，这个差分信号可能就是闪电信号， 或者是零信号或者是虚警信号。 然后差分信号和闽值信号相比较。如果大于或等于阈值，触发事件选择器和闪电信 号识别器，确为是闪电信号，送到闪电信号编码器进行编码，闪电信号编码器接收到事 件选择器和闪电信号识别器传送过来的信号后，就进行编码操作，编码的格式中应包括 闪电产生的时间、闪电产生的位置和闪电的强度；小于阈值的确定为无闪电信号，不再 进行任何处理。出现闪电信号的地方在闪电信号编码器编码，由后继的整合和数据格式 变换处理器进行处理，转换编码后的闪电信号卫星上数传数据格式。 第9 页 国防科学技术大学研究生院学位论文 第三章实时事件处理器( r t e p ) 的方案 3 1 闪电成像仪的实时事件处理器( r t e p ) 主要功能 信号处理的实质就是对信号进行变换，目的是获取信号中包含的有用信息。数字信 号处理就是利用数字的方法对信号进行变换，以获取有用的信息”】【2 0 1 。本方案的闪电信 号探测就是利用数字信号处理的方法从广阔的背景信号中提取闪电信号，从而达到对闪 电的探测。 实时事件处理器( r t e p ) 是一个实时数字信号处理系统。它包含两个方面，一个方 面是数字信号处理，另一个方面是实时处理。数字信号处理指的是利用数字的方法对信 号进行变换，以获取有用的信息；实时处理指的是系统必须在有限的时间内对外部输入 的信号完成指定的处理，即信号的处理速度必须大于或等于输入信号的更新速度，而且 从信号的输入到处理后的信号输出的延迟必须足够小。实时事件处理器( r t e p ) 要求在 2m s 的时间内要完成1 2b i t 量化的个像素的信号数据处理，探测出闪电信号，并完成它的 编码、数据格式转换并传输到星上数传系统。 在闪电成像仪中，成像电子学功能框图如图3 1 ： 1 6 子区 模拟 数据读信号 f p a r t e p 出 处理 电路 图3 - 1闪电成像仪的成像电子学功能框图 从图中可以看出，实时事件处理器( r t e p ) 是成像电子学的重要组成部分，焦面输 出的信号经过模拟电路放大和降噪处理后，送入r t e p 。r t e p 完成c d s 、a d 、背景信 号评估、背景信号去除、闪电信号闽值确定、事件选择、闪电信号编码直至闪电信号和 第1 0 页 国防科学技术大学研究生院学位论文 背景信号编码输出等多项功能。 5 1 2 5 1 2 的c c d 探测器分为1 6 路输出，对这1 6 路输出分别送入多个单路实时事件 处理器进行并行数据处理，至闪电信号和背景信号编码输出时合成一路。 闪电成像仪的实时事件处理器组成框图如图3 - 2 ，单路实时事件处理器组成框图如图 3 3 ： 模拟信 单路r t e p 编 码 多路 输 出 苴路r t e p 图3 2 实时事件处理器组成框图 图3 - 3 单路实时事件处理器功能组成框图 如何实现背景信号评估器、背景信号去除器、闪电信号阈值确定器、事件选择器和 闪电信号编码器是实时事件处理器( r t e p ) 的关键。本设计拟采用数字技术来实现。设 计中主要考虑了两种方案，一是用d s p + f p g a 实现实时事件处理器( r t e p ) ；另一种是 用d s p 实现实时事件处理器( r t e p ) 。 在设计初期，曾考虑采用d s p 方案来实现实时事件处理器( r t e p ) ，从速率方面考 虑，d s p 实现r t e p 的方案需要1 6 路d s p 分处理系统实现单路的r t e p 和1 路整合与编 码转换d s p 系统。1 6 路d s p 分处理系统和1 路整合与编码转换d s p 的方案系统的总功 耗需求预计为2 4 7 4w ， 2 4 7 4w 远远超出了卫星总体给出的1 7 5 w 的功耗限制，因而 第l l 页 国防科学技术大学研究生院学位论文 用d s p 实现r t e p 的方案是不可行的口1 h 3 0 。 经过具体方案的设计和性能评估后确定d s p + f p g a 实现实时事件处理器( r t e p ) 的 方案比较可行，而单单利用d s p 实现实时事件处理器( r t e p ) 的方案是不可行的。以下 从速率和功耗等方面论述d s p + f p g a 实现实时事件处理器( r t e p ) 的方案可行性。 3 2d s p + f p g a 实现实时事件处理器( r t e p ) 的方案论证 用d s p + f p g a 实现实时事件处理器( r t e p ) 就是利用硬件f p o a ( 现场可编程门阵 列( f i e l d p r o g r a m m a b l eg a t ea r r a y ) 的高速数据读写、数据处理能力来实现闪电的背景信 号评估、背景信号去除、阈值选择、事件选择、闪电事件的判断等；同时利用d s p 的数 字数据的处理能力来实现对闪电信号的编码、整合和数据格式转换等功能。该方案的总 原理框图如图3 - 4 。 图3 - 4d s p + f p g a 方案r t e p 总原理框图 由于f p g a 的i o 引脚数目比较多，可以利用f p o a 的i 0 实现多帧背景信号和闪电 信号的并行输入，从而达到一个时钟周期内完成一个像元信号的处理，判断该像元对应地 理位置上是否发生闪电现象。因此闪电的探测速率就等同于利用f p g a 设计的闪电信号检 出处理器的时钟速率，f p g a 的时钟速率一般可达8 0 m h z 一10 0 m h z ，这样就可以利用一个 闪电信号检出处理器处理大面阵c c d 的几个子区的闪电背景数据。大面阵c c d 的每个子 区的数据读出速率为8 1 9 2 m h z ，一个闪电信号检出处理器至少可以处理6 个c c d 子区的 数据。考虑到高频使信号的干扰及串扰等问题，故设计每个闪电信号检出处理器处理2 个 c c d 子区的数据。完成2 个c c d 子区内闪电的探测。 第1 2 页 国防科学技术大学研究生院学位论文 由于闪电信号检出处理器需要处理2 个c c d 子区的数据，因此f p g a 的时钟速率至 少是c c d 子区的数据读出速率的2 倍以上，设计的f p g a 处理器的时钟采用2 4 m i - i z ，留 有少量的裕量。 3 2 1f p g a 和d s p 的性能评估与器件选择 编码、整合用的d s p 器件与d s p 方案中的选取原则相同，也可以在n 的 s m 3 2 0 c 6 2 0 1 、s m 3 2 0 c 6 7 0 l 、s m j 3 2 0 c 6 7 0 l 中任选一款来实现1 2 1 【3 0 】。 a c t e l 是反熔丝( 一次性烧写) p l d 的领导者，由于反熔丝p l d 抗辐射、耐高低温、 功耗低、速度快，致使其在军品级和宇航及产品上有较大优势。我国以前的宇航产品中 应用的p l d 器件均是a c t e l 器件，已经证实了a c t e l 反熔丝系列器件的可靠性【3 1 。 因此可以选用具有查找表结构的a c t e l 的8 0 m h z 左右的f p g a 芯片。由于a c t e l 的芯 片是反熔丝型( 一次性烧写) 器件，只能进行一次编程，因此试验阶段可选用a l t e r a 的具有查找表结构的1 0 0 m h z 左右的f p g a 芯片3 2 1 1 3 3 】。 3 2 2 功耗评估 f p g a + d s p 方案系统的总功耗主要来自以下几个方面：焦平面c c d 及其驱动、模拟 放大、相关双采、a d 转换、f p g a 处理器、d s p 处理器等部分。 f p g a 的功耗可以说是一个关键的设计约束条件，特别是对于功率比较紧张的宇航产 品来说。本部分主要论述f p g a 处理器的功耗。 以下计算采用a c t e l 公司的f p g a a p a 6 0 0 的f p g a 功耗： 根据a c t e l 公司数据手册，器件的功耗包括静态部分和动态部分，功耗由以下公式 计算： p t o t a l = p d cj p a e 其中： p d c = 1 2 5 m w ( 典型值) p a e = p c l o c k + p s t o r a g e + p l o g i e + p i n p u t s + p o u t p u t s + p m e m o r ) ，+ p p l l p c l o c k 是时钟器件的功耗，由下式给出： p e l o c k ；口1 + p 2 + r - p 7 + r 2 ) + f s 第1 3 页 国防科学技术大学研究生院学位论文 p 1 = 1 0 0w 儡删z ，是每m h z 时钟的基础功耗； p 2 = 1 3w m h z ，是每m h z 每寄存器单元增加的功耗 p 7 ；0 0 0 0 0 3w m h z ，高速调用时钟树的修正因子； r ，用此时钟的s t o r a g et i l e s 数量； p s t o r a g e ，存储单元( 寄存器) 部分，