摘 要： 針對甚高頻（VHF）云閃時差法雷電定位同源脈沖匹配難點，提出了用FPGA實現(xiàn)相關性判斷的同源脈沖算法設計思路。為提升系統(tǒng)性能、適應云閃甚高頻信號的處理需求，采用了改進的算法并用實測數(shù)據(jù)在MATLAB、FPGA上對算法進行驗證，設計完成了云閃波形同源脈沖匹配算法在FPGA上的實現(xiàn)。系統(tǒng)通過了Modelsim的仿真驗證并在DE2平臺上完成了硬件測試。設計共消耗了3 499個邏輯單元，最高處理速度可達98.07 MHz，滿足了實際應用的要求。
關鍵詞： 云閃；時差法；同源脈沖；FPGA

　雷電是在雷暴天氣條件下，發(fā)生于大氣中的一種長距離放電現(xiàn)象，具有大電流、高電壓、強電磁輻射等特征[1]。雷電主要包括云對地面的放電（地閃）和云與云之間的放電（云閃）[2]，地閃往往對地面民用工業(yè)、軍事設施有嚴重的破壞性[3]；云閃也嚴重影響民航飛機、航天飛行器等的正常飛行。觀測表明，云閃先于地閃5 min~15 min發(fā)生[4]，觀測云閃對地閃有預警的作用，因此云閃監(jiān)測及定位研究具有重要意義。
目前對于地閃的探測已經(jīng)有了比較完善的定位系統(tǒng)，如ADTD雷擊檢測儀[5]，但僅僅能檢測地閃。云閃通常基于甚高頻（VHF）頻段，已有的甚高頻云閃探測主要采用干涉法和時差法（TOA）建立雷電探測系統(tǒng)，時差法主要難點是同源脈沖匹配技術。OETZEL等利用VHF技術測量閃電輻射到達分離天線的時差確定閃電源位置的成果[6]，采用短基線避免判斷兩個脈沖是否屬于同一個輻射脈沖的問題，但是短基線帶來的問題是信號到達兩天線的時差太小，導致測向精度不高。基于此，本文提出一種同源脈沖匹配算法——相關性判別法,該方法可以應用于長基線的VHF云閃脈沖同源判別。

從數(shù)學上可以證明分子的模小于分母，也即相關數(shù)Pxy的模不會大于1。當相關系數(shù)為0時相似度最差，即不相關。當相關系數(shù)為1時，誤差能量為0，說明兩信號相似度很好，是線形相關的。1980年，RUSTAN等發(fā)表了在KENNEDY航天中心觀測閃電放電過程的研究報告[7]，曾借助互相關分析，通過圖形識別技術識別共源脈沖。據(jù)此，可以將相關性判別應用在VHF云閃波形相似度的判別中。
2 算法的MATLAB驗證
2.1 算法驗證平臺
本文所采用的驗證平臺由天線、信道、PC端數(shù)據(jù)采集卡以及DE2開發(fā)板四部分構成。如圖1所示。

天線單元由SG7200雙段車載天線在全頻段對云閃信號進行接收，經(jīng)帶通濾波、放大。為了前端觀測及處理方便，選取美國GAGE公司產(chǎn)品CS21G8數(shù)據(jù)采集卡對云閃信號進行數(shù)據(jù)采集,可以實時觀測波形變化。由于云閃定位系統(tǒng)采用FPGA實現(xiàn)，為了在FPGA中驗證算法的可行性，將采集到的數(shù)據(jù)經(jīng)PC交由DE2開發(fā)板處理。為了更真實地模擬實際系統(tǒng)，將需要進行相關性計算的兩組數(shù)據(jù)存在DE2上的SRAM中。限于DE2上只有一片SRAM，圖中將一片SRAM地址分為兩塊，分別存放兩組擴大后的24位定點數(shù)據(jù)x(t)、y(t)，兩組數(shù)據(jù)在FPGA中完成同源匹配的計算，若同源則輸出高電平給下一級定位系統(tǒng)。
2.2 MATLAB算法驗證
基于以上平臺，2010年3月～5月，項目組在北京歷經(jīng)兩個月的時間采集到大量雷電波形數(shù)據(jù)，選取其中編號為CH11707和CH11708的兩組數(shù)據(jù)在MATLAB中進行相關性算法驗證，將兩組數(shù)據(jù)在MATLAB中作圖，如圖2所示。

圖2中尖峰脈沖為云閃輻射脈沖，寬的部分為噪聲，由于信號到達兩天線的距離不同，故有一定的時間差，幅度衰減也不同。相關系數(shù)計算結果為-0.601 15。對采集到的大量數(shù)據(jù)進行相關性計算，對比結果可以發(fā)現(xiàn)，只有同一個云閃發(fā)出的同源脈沖相關系數(shù)結果是最大的，并且與非同源計算出的相關系數(shù)差別很大，如編號為CH11708和CH1203相關系數(shù)僅為0.001 974 7。
3 算法的FPGA實現(xiàn)
3.1 算法流程
基于以上理論分析，可列出算法流程如圖3所示。