[發明專利]基于FPGA的聲學多普勒流速剖面儀信號處理方法及系統

有效

• 申請號: 201610033937.8
• 申請日: 2016-01-19
• 公開（公告）號: CN105572418B
• 公開（公告）日: 2018-10-19
• 發明（設計）人: 陳朋;金禮聰;黨源杰;徐天宇;朱威
• 申請（專利權）人: 浙江工業大學
• 主分類號: G01P5/24
• 分類號: G01P5/24
• 代理公司: 杭州斯可睿專利事務所有限公司 33241
• 代理人: 王利強

一種基于FPGA的聲學多普勒流速剖面儀信號處理方法，包括以下步驟：步驟一，系統初始化；步驟二，發射脈沖信號，結束后采集波束輸出信號，將數字信號存入DDR2存儲器；步驟三，從DDR2存儲器中讀取波束數字信號數據，做正交基帶調制處理、復降采樣濾波處理，將結果存入DDR2存儲器中；步驟四，從DDR2存儲器中讀取復降采樣濾波之后的數據進行復相關運算；步驟五，低速AD電路采集溫度、壓力等信號，計算出當前水體中的聲速，然后讀取復相關處理后的數據計算流速和回波能量；步驟六，將結果數據儲存在TF卡中，并發送給上位機處理、顯示。以及提供一種基于FPGA的聲學多普勒流速剖面儀信號處理系統。本發明結構簡單、功耗低、成本低、體積小、實時性良好。

技術領域

本發明涉及一種聲學測流的信號處理方法和系統，屬于聲學測流領域和高速數字信號處理領域，尤其涉及一種基于FPGA的聲學多普勒流速剖面儀信號處理方法及系統。

背景技術

隨著經濟社會的發展和新的水問題出現，需要進一步創新水文資源理論和方法，服務于水資源的安全、高效與可持續利用。水流流速測量是水文測驗最主要的項目之一，快速、準確地開展水流流速測驗，已經成為水資源保護、開發和利用以及防汛抗旱的基本要求。傳統的水流測流技術無法適應現代水文監測的需求，需要自動化技術促進水文監測自動化的發展。

聲學多普勒流速剖面儀(Acoustic Doppler Current Profiler,簡稱ADCP)是一種新型的聲吶測流技術，近十年來得到迅速發展并得到廣泛的應用。ADCP假定水體中泥沙、微生物等散射體與水體流速相同，且水體中每一層的流速是相同的。其配有一個或者多個聲波換能器，先向水體發射一定頻率的聲波信號，然后接受被水體中散射體反射回來的聲波。當水中散射體遠離換能器運動時，換能器接收到的回波信號頻率比發射信號頻率低，反之則高。這種回波頻率與發射頻率之間的差值，稱為多普勒頻偏。ADCP通過分析回波信號的多普勒頻偏，計算出水體的流速。其優點主要是采用遙測的方式，對水體流場不產生擾動，能夠更加真實、準確地反映出流場的分布情況，而且節約了大量的人力和物力。

近年來，隨著嵌入式微處理器系統的發展，很多高速數字信號處理系統都是以DSP數字信號處理器或者ARM處理器作為主處理器，但是由于這些微處理器都是以順序指令執行，且自身的接收傳輸接口帶寬比較小，很難滿足多路高速模擬采集系統的并行性、實時性和高帶寬的要求。單純的FPGA硬件邏輯架構方案是能夠很好地滿足系統實時性的要求，但不適合較為復雜的運算，比如復雜的判斷結構和順序流程控制等，系統后期如再需擴展功能或者升級修改算法，就可能會給設計者帶來非常重的任務量，不利于系統的維護與二次開發?，F在很多FPGA廠商將一些常用的嵌入式處理器硬核MicroBlaze、PowerPC、ARM等嵌入到FPGA芯片中。采用硬件與軟件協同的方式進行系統構建，這是一種高效、快捷、靈活的解決方案，同時具有硬件結構電路處理數據的高速、低延遲和實時性等優點以及處理器實現軟件多樣性、易升級維護等特點。

發明內容

為了克服現有ADCP信號處理系統的結構復雜、功耗高、成本較高、體積大、實時性較差的不足，本發明提供了一種結構簡單、功耗低、成本低、體積小、實時性良好的基于FPGA的聲學多普勒流速剖面儀信號處理方法及系統。

為了解決上述技術問題采用的技術方案為：

一種基于FPGA的聲學多普勒流速剖面儀信號處理方法，包括以下步驟：

步驟一，系統初始化，上位機設置參數并給出啟動信號，系統啟動后等待定時器中斷，定時時間到進入正式工作流程；

步驟二，FPGA給出一定長度的數字脈沖信號，等到信號發射完 畢后開啟DA控制前端增益，高速AD電路采集4路波束輸出信號，將數字信號傳入FPGA內部，數字信號緩存入DDR2存儲器；

步驟三，從DDR2存儲器中讀取波束數字信號數據，做正交基帶調制處理，變為復數形式，再做復降采樣濾波處理，將得到的復數結果存入DDR2存儲器中；