在日本使用基于国家仪器公司(NI)的LabVIEW FPGA和FlexRIO硬件平台开发的X波段雷达抵御随时可能发生的暴风雨


作者:Dave Wilson,学术营销总监,国家仪器(NI)

“Guerilla rainstorm” 是日本媒体自定义的一个标签,用来指骤然而来的倾盆大雨,这种大雨经常出乎意料的发生,而且每小时的降雨量超过了100毫米。城市热岛效应和当地的大风会导致这些暴风雨,经常会造成非常大的破坏,包括房屋被冲毁和倒塌,河水泛滥和在山区地带的泥石流等。有时甚至会造成人员伤亡。现有的天气雷达系统的设计初衷是预测天气情况和监视飓风和暴雨,而且这些雷达系统体型庞大,价格昂贵,导致了部署和安装的困难。日本的古野电气公司决定开发一个全新的、小型化、高分辨率(1m)、低成本的X波段(9.4GHZ)的雷达装置,为日本的城市和村庄提供“ guerilla storms”的早期预警,减少它造成的破坏。

古野公司在1948年的早期是生产一种探测鱼群的装置,现在是领先的电子产品供应商,产品覆盖涉及到导航、GPS、医疗、渔业、网络和无线通信设备等,这些都是基于该公司在超声波和射频电路方面的丰富专业知识和经验。

古野电气公司的工程师在开发全新的X波段天气预警雷达系统的过程中主要面对两个大的挑战:
• 这是该公司第一次开发天气预警雷达系统
• 需要对原型设计进行各种各样的修正和改变,功能验证阶段是必须的。

开发团队关心的主要方面是开发雷达系统的信号处理单元。 古野电气公司曾使用过传统的开发设计流程,包括PCB(印制电路板)设计、利用HDL(硬件描述语言)完成FPGA程序设计以及在CPU上运行的软件的程序设计。对于一个要求进度要快的工程来说,传统的自定义的设计流程是行不通的尤其是设计过程中要有频繁的修改。这个开发设计团队认为他们需要一个更加灵活的设计流程,能够满足对设计细节频繁修改的要求。

此外这个设计团队想要一个实际的统一的设计环境,以便能够共同模拟数字和模拟电路。通常情况下,对于雷达系统的数字和模拟电路是独立设计的,验证也要在不同的测试环境下。系统级(即将数字电路与模拟电路集成在一起)的验证只有在原型阶段才会进行。因此传统的设计流程对于这个工程来说是不切实际的。

由于这些要求,设计团队选择了国家仪器(NI)的FlexRIO平台(基于赛灵思Virtex-5 FPGA芯片)和LabVIEW可视化系统设计软件以及LabVIEW FPGA语言扩展模块,这样就允许了快速的制定开发设计方案和快速的系统开发和原型设计。国家仪器公司(NI)的FlexRIO仪器包含了PXI FPGA模块,已经使用了LabVIEW FPGA模块工具进行了硬件配置。FlexRIO附加的适配器模块能够提供高性能的模拟与数字I/O接口。这些适配器模块是可以互换的,并且适配器可用I/O接口已经在LabVIEW FPGA程序开发环境中完成了定义。

下面的图片是从古野电气公司开发完成的X波段天气预警雷达中输出的图像:

即使对于不是专业的人看来,也能看出这幅图像清晰的显示出了 风暴的运动信息。

古野电气公司通过采用基于NI的设计方法大大加快的系统开发的进度,与传统的设计方法相比大约减少了40%的系统开发时间。 使用国家仪器公司的FlexRIO硬件平台,并且有FPGA技术作为辅助避免了对板级硬件所做的改变。此外,这家公司体会到从人力资源的角度来看,使用国家仪器公司的LabVIEW 可视化设计环境开发任何项目显得更加的高效,因为设计团队不需要特定领域的专家,例如电路板设计工程师、硬件程序设计工程师或者软件程序工程师。

最终的雷达系统比其他竞争厂商的X波段雷达产品体积要更小,但是它能够满足同样的检测范围和分辨率。因为它的体积小功耗低,使用家用电源就可以让它正常工作。古野电气公司已经部署安装了一些这样的X波段的雷达系统,并且已经在考虑这个产品的升级与扩展事宜了。

注:日本古野电气公司的工程师Takuo Kashiwa, Yasunobu Asada和Tomonao Kobayash将这个项目提交给了2014年度NI工程影响力竞赛奖励大会。这个工程项目获得了RF(射频)与通信类别工程的冠军,而且也获得了这次竞赛所有工程的年度大奖。

原文链接:
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