基于FPGA的云闪时差定位同源脉冲匹配算法实现

摘  要： 针对甚高频（VHF）云闪时差法雷电定位同源脉冲匹配难点，提出了用FPGA实现相关性判断的同源脉冲算法设计思路。为提升系统性能、适应云闪甚高频信号的处理需求，采用了改进的算法并用实测数据在MATLAB、FPGA上对算法进行验证，设计完成了云闪波形同源脉冲匹配算法在FPGA上的实现。系统通过了Modelsim的仿真验证并在DE2平台上完成了硬件测试。设计共消耗了3 499个逻辑单元，最高处理速度可达98.07 MHz，满足了实际应用的要求。
关键词： 云闪；时差法；同源脉冲；FPGA
   　雷电是在雷暴天气条件下，发生于大气中的一种长距离放电现象，具有大电流、高电压、强电磁辐射等特征[1]。雷电主要包括云对地面的放电（地闪）和云与云之间的放电（云闪）[2]，地闪往往对地面民用工业、军事设施有严重的破坏性[3]；云闪也严重影响民航飞机、航天飞行器等的正常飞行。观测表明，云闪先于地闪5 min~15 min发生[4]，观测云闪对地闪有预警的作用，因此云闪监测及定位研究具有重要意义。
     目前对于地闪的探测已经有了比较完善的定位系统，如ADTD雷击检测仪[5]，但仅仅能检测地闪。云闪通常基于甚高频（VHF）频段，已有的甚高频云闪探测主要采用干涉法和时差法（TOA）建立雷电探测系统，时差法主要难点是同源脉冲匹配技术。OETZEL等利用VHF技术测量闪电辐射到达分离天线的时差确定闪电源位置的成果[6]，采用短基线避免判断两个脉冲是否属于同一个辐射脉冲的问题，但是短基线带来的问题是信号到达两天线的时差太小，导致测向精度不高。基于此，本文提出一种同源脉冲匹配算法--相关性判别法,该方法可以应用于长基线的VHF云闪脉冲同源判别。

     从数学上可以证明分子的模小于分母，也即相关数Pxy的模不会大于1。当相关系数为0时相似度最差，即不相关。当相关系数为1时，误差能量为0，说明两信号相似度很好，是线形相关的。1980年，RUSTAN等发表了在KENNEDY航天中心观测闪电放电过程的研究报告[7]，曾借助互相关分析，通过图形识别技术识别共源脉冲。据此，可以将相关性判别应用在VHF云闪波形相似度的判别中。
2 算法的MATLAB验证
2.1 算法验证平台
     本文所采用的验证平台由天线、信道、PC端数据采集卡以及DE2开发板四部分构成。如图1所示。
   
       天线单元由SG7200双段车载天线在全频段对云闪信号进行接收，经带通滤波、放大。为了前端观测及处理方便，选取美国GAGE公司产品CS21G8数据采集卡对云闪信号进行数据采集,可以实时观测波形变化。由于云闪定位系统采用FPGA实现，为了在FPGA中验证算法的可行性，将采集到的数据经PC交由DE2开发板处理。为了更真实地模拟实际系统，将需要进行相关性计算的两组数据存在DE2上的SRAM中。限于DE2上只有一片SRAM，图中将一片SRAM地址分为两块，分别存放两组扩大后的24位定点数据x(t)、y(t)，两组数据在FPGA中完成同源匹配的计算，若同源则输出高电平给下一级定位系统。
2.2 MATLAB算法验证
     基于以上平台，2010年3月～5月，项目组在北京历经两个月的时间采集到大量雷电波形数据，选取其中编号为CH11707和CH11708的两组数据在MATLAB中进行相关性算法验证，将两组数据在MATLAB中作图，如图2所示。
   
       图2中尖峰脉冲为云闪辐射脉冲，宽的部分为噪声，由于信号到达两天线的距离不同，故有一定的时间差，幅度衰减也不同。相关系数计算结果为-0.601 15。对采集到的大量数据进行相关性计算，对比结果可以发现，只有同一个云闪发出的同源脉冲相关系数结果是最大的，并且与非同源计算出的相关系数差别很大，如编号为CH11708和CH1203相关系数仅为0.001 974 7。
3 算法的FPGA实现
3.1 算法流程
     基于以上理论分析，可列出算法流程如图3所示。