测风激光雷达控制系统的研制与风场观测

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精准的大气风场信息,已经成为大气科学的理论研究、风电场性能评估、航空气象安全、天气预警预报、环境监测等方面的重要参量。测风激光雷达主要包括非相干探测和相干探测两种方式,在测量范围与精度上有着其它风场探测手段不可取代的优势。随着激光雷达技术的发展以及不同领域应用的不断发掘,对测风激光雷达控制系统中各种功能运行的自动化、不同组成设备的集成化、故障检测与判断的智能化、测量数据结果的处理与显示等也面临着更高的要求。因此对测风激光雷达控制系统的研究与开发有着重要的现实意义。为了对测风激光雷达系统中各部分硬件进行统一调度、控制、管理,需要各部分硬件与一台工业控制机相连,然后在这台工业控制机上安装编写好的系统控制程序,对不同设备进行发送指令、接收数据等。控制程序选用计算机高级语言C++编写,这是由于该语言具有编写的程序质量高、可移植性好及利于代码维护等优点。程序开发在Visual Studio 2013平台下并通过引入微软基础类库(MFC)实现了程序的界面窗口。系统使用者可以通过窗口上提供的功能按钮与选项实现系统的运行与参数设置。此外程序对采集数据的实时处理与显示也方便了系统使用者观测测量结果与调试设备硬件。非相干测风激光雷达的信号采集分为光子计数器与采集卡,分别用于采集不同强度的光信号。为了满足不同设备的不同采集时序,设计了门控卡上现场可编程门阵列(Field Programmable Gate Array,FPGA)芯片的逻辑。该门控卡可以设置输出波形的电平,波形设置的时间精度达到10 ns。相干测风激光雷达的实时数据处理有着计算量大,数据吞吐量大的问题,需要专门的高性能硬件才能做到实时处理。文中介绍了编程多核数据处理芯片(Digital Signal Processing,DSP)进行数据处理的方法以及采用FPGA进行处理的方法。两种数据处理方法各有优劣可以根据不同需求采用。
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