CN102269810A - 相干激光测风多普勒雷达激光回波信号频谱变换装置 - Google Patents

Abstract

一种相干激光测风多普勒雷达激光回波信号频谱变换装置，包括数据分路模块，第一频谱变换模块，第二频谱变换模块，蝶形因子乘法模块，匹配乘法模块，加法模块，功率谱模块。本发明可以实时地得到相干激光多普勒雷达功率谱数据，可以在低时钟频率下获得高数据吞吐率，具有成本低，硬件容易升级，稳定等特点。

Description

相干激光测风多普勒雷达激光回波信号频谱变换装置

技术领域

本发明属于高速信号处理领域，特别是一种相干激光测风多普勒雷达激光回波信号频谱变换装置。

背景技术

在各种气象参数中，如风速、云密度、云顶高、水蒸气浓度，温度和压力，对于许多用户需求，直接风速测量是最有价值的，而且传统的测量手段很难实时获得高分辨的风场垂直分布。经过实验和比较，激光多普勒测风雷达以其探测时空分辨率高等优越性能成为近些年来激光测风遥感重点方向。

多普勒测风激光雷达可以分为相干探测和非相干探测。非相干探测即直接探测，直接探测回波信号，利用发射激光和接收激光的频率差推算多普勒频移，从而获得风场信息。相干探测则是在直接探测的基础上引入一束参考光进行外差相干混频。相干探测相对于直接探测而言，拥有更高的探测灵敏度，显著的提高了接收信号的信噪比，已经有大量的理论和实验研究证明了相干探测的优势。

在多普勒相干测风激光雷达中，对于不同高度的大气层，低高度的大气层由于距离激光雷达近，从激光发射到激光雷达回波信号被激光雷达接收到的时间短，越高的大气层，从激光发射到激光雷达回波信号被激光雷达接收到的时间就越长，因而就可以根据回波信号被接收到的时间信息来得到大气层的距离信息，把回波信号划为一个个距离门，假设在该距离门中风速恒定，通过求取每个距离门中的风速信息就可以得到不同高度的风速信息，而在风速信息的反演算法中，傅里叶变换是整个算法中非常关键的部分。

一般的快速傅里叶变换装置直接采用传统的傅里叶变换方法，需要的系统时钟频率特别高，一般的器件很难满足如此高时钟频率的要求，同时系统时钟频率高时还对电磁兼容性能造成影响，很容易干扰其他设备的工作。而本发明所述的快速傅里叶变换装置由于把输入的信号分成两路，可以把系统时钟频率降为传统方法的一半，同时可以达到非常高的数据吞吐率，并且可以利用成本低廉的器件就可以实现系统的要求，因而在相干激光雷达信号处理中有着很强的应用背景。

发明内容

本发明的目的在于提高一种相干激光测风多普勒雷达激光回波信号频谱变换装置，以实现实时地得到相干激光测风多普勒雷达的功率谱数据，在低时钟频率下获得高数据吞吐率，该装置应具有成本低，硬件容易升级，稳定的特点。

本发明的技术解决方案如下：

一种相干激光测风多普勒雷达激光回波信号频谱变换装置，其特点在于包括数据分路模块，第一频谱变换模块，第二频谱变换模块，蝶形因子乘法模块，匹配乘法模块，加法模块和功率谱模块，上述模块的连接关系为：

输入的相干激光多普勒雷达回波信号x(n)进入数据分路模块，该数据分路模块的输出端分别与所述的第一频谱变换模块，第二频谱变换模块的输入端相连，所述的第一频谱变换模块的输出端经蝶形因子乘法模块后与所述的加法模块的输入端相连，所述的第二频谱变换模块的输出端经所述的匹配乘法模块后与所述的加法模块的输入端相连，该加法模块的输出端与所述的功率谱模块的输入端相连，所述的功率谱模块的输出端为本装置的输出端。

所述的第一频谱变换模块和第二频谱变换模块的点数为

点，其中的取值范围为：

所述的匹配乘法模块是一个乘数为常数的乘法模块，该乘数的取值为M，2¹⁰≤M≤2¹⁵。

所述的蝶形因子乘法模块的两个乘数：一个为第一频谱变换模块输出的傅里叶频谱数据，另一个乘数为蝶形因子

其中N为第一频谱变换模块的点数的两倍，k表示第一频谱变换模块输出的第k个数据与

相乘，

j表示虚数单位。

相干激光多普勒雷达回波信号的功率谱数据为相干激光多普勒雷达回波信号的N点快速傅里叶变换功率谱数据。

所述的相干激光测风多普勒雷达激光回波信号频谱变换装置的数据处理方法，包括下列步骤：

①相干激光测风多普勒雷达激光回波信号x(n)，以下简称为回波信号x(n)进入数据分路模块，被分成两路数据：奇数信号x(2b+1)和偶数信号x(2b)分别输入所述的第一频谱变换模块和第二频谱变换模块；

②所述的第一频谱变换模块对所述的奇数信号x(2b+1)的

点进行傅里叶变换得到傅里叶频谱

输入到蝶形因子乘法模块，该蝶形因子乘法模块将所述的傅里叶频谱

与蝶形因子

相乘，得到蝶形因子频谱数据

向所述的加法模块输出；

③所述的谱变换模块对输入的偶数信号x(2b)的

点进行傅里叶变换得到傅里叶频谱信号输入到所述的匹配乘法模块，该匹配乘法模块将所述的频谱信号

与一个为常数的匹配数M相乘，得到匹配频谱数据

向所述的加法模块输入；

④所述的加法模块将所述的匹配频谱数据和蝶形因子频谱数据

相加后，向所述的功率谱模块输入；

⑤所述的功率谱模块对输入的复数数据进行求模运算以及平方运算，得到并输出相干激光多普勒雷达回波信号的N点的功率谱数据。

本发明所述的相干激光测风多普勒雷达激光回波信号频谱变换装置，其工作原理为：

N点傅里叶变换的表达式为： $X\left(k\right)=\underset{n=0}{\overset{N-1}{\mathrm{\Σ}}}x\left(n\right)w_n^{\mathrm{NK}}---\left(1\right)$

其中k＝0～N-1，n＝0～N-1， $W_N^{\mathrm{nk}}=e^{-\frac{j*2*\mathrm{\π}*n*k}{N}}$

把输入的信号x(n)分解为偶数信号x(2b)和奇数信号x(2b+1)，代入傅里叶变换表达式(1)中可以得到

$X\left(k\right)=M*\underset{b=0}{\overset{N/2-1}{\mathrm{\Σ}}}x\left(2b\right)W_{N/2}^{\mathrm{bk}}+M*W_N^k\underset{b=0}{\overset{N/2-1}{\mathrm{\Σ}}}x(2b+1)W_{N/2}^{\mathrm{bk}}---\left(2\right)$

可以看出前半部分为偶数点的

点傅里叶变换，后半部分奇数点的

点傅里叶变换，一个N点傅里叶变换可以分解为两个

点傅里叶变换，

即为蝶形因子。由于

的值都是小数，而硬件不便于小数的表示，因而装置中把

与常数M相乘(匹配乘法模块)，使得扩大为整数，同时也需要在偶数点的

点傅里叶变换中乘以常数M以便可以得到正确的傅里叶变换数据，由于x(2b)只有

点，因而式(2)计算出的傅里叶变换只是整个N点傅里叶变换频谱的前

点，而由于激光雷达回波信号输入的数据都是实数数据，而实数数据的傅里叶变换频谱具有对称性，因而就可以根据前

点傅里叶变换频谱推算出整个N点的傅里叶变换频谱。

综上所述，本发明的技术效果如下：

1、由于上述各个模块都是采用硬件实现的，因此该激光雷达回波信号处理装置具有速度快，稳定性好等特点。

2、由于采用双路并行的频谱变换处理，因此可以把时钟频率降低到没有并行处理前的一半，同时数据吞吐率提高了一倍，能够满足相干激光雷达回波信号处理的需要。

3、由于时钟频率降低到了没有并行处理前的一半，因此该装置对硬件的要求也相应的降低，从而可以用价格低廉的硬件来实现快速傅里叶变换算法，有效的降低了系统成本。

总之，本发明可以实时地得到相干激光测风多普勒雷达功率谱数据，可以在低时钟频率下获得高数据吞吐率，具有成本低，硬件容易升级，稳定等特点。

附图说明

图1是相干激光测风多普勒雷达激光回波信号频谱变换装置示意图。

图中：1-相干激光多普勒雷达回波信号，2-数据分路模块，3-第一频谱变换模块，4-蝶形因子乘法模块，5-第二频谱变换模块，6-匹配乘法模块，7-加法模块，8-功率谱模块，9-相干激光多普勒雷达回波信号的功率谱数据，10-奇数信号，11-偶数信号，12-蝶形因子频谱数据，13-匹配频谱数据

具体实施方式

下面结合实施例和附图对本发明作进一步说明，但不应以此限制本发明的保护范围。

参考图1，图1是本发明相干激光测风多普勒雷达激光回波信号频谱变换装置，包括数据分路模块2，第一频谱变换模块3，第二频谱变换模块5，蝶形因子乘法模块4，匹配乘法模块6，加法模块7，功率谱模块8。上述模块的连接关系为：

输入的相干激光多普勒雷达回波信号x(n)1进入数据分路模块2，该数据分路模块2的输出端分别与所述的第一频谱变换模块3，第二频谱变换模块5的输入端相连，所述的第一频谱变换模块3的输出端经蝶形因子乘法模块4后与所述的加法模块7的输入端相连，所述的第二频谱变换模块5的输出端经所述的匹配乘法模块6后与所述的加法模块7的输入端相连，该加法模块7的输出端与所述的功率谱模块8的输入端相连，所述的功率谱模块8的输出端为本装置的输出端。

输入的相干激光多普勒雷达回波信号x(n)1进入数据分路模块2，在数据分路模块2中，回波信号x(n)1被分成两路数据输出，一路为输入回波信号x(n)1的奇数信号x(2b+1)10，一路为输入回波信号x(n)1的偶数信号x(2b)11；

奇数信号x(2b+1)10进入第一频谱变换模块3中，经过第一频谱变换模块3变换后输出奇数信号x(2b+1)10的点的傅里叶频谱

并且输入到蝶形因子乘法模块4中，在蝶形因子乘法模块4中，输入的奇数信号x(2b+1)10的傅里叶频谱

与蝶形因子

相乘，相乘后的结果输出得到蝶形因子频谱数据

数据分路模块2输出的回波信号x(n)1的偶数信号x(2b)11进入第二频谱变换模块5中，经过第二频谱变换模块5变换后输出偶数信号x(2b)11的

点的傅里叶频谱信号

并且输入到匹配乘法模块6中，在匹配乘法模块6中，偶数信号x(2b)11的傅里叶频谱信号

与一个为常数的匹配数M相乘从而输出得到匹配频谱数据

匹配频谱数据13和蝶形因子频谱数据

12一起进入复数加法模块7相加后输出的数据进入功率谱模块8中，在功率谱模块8中把复数加法模块7相加后输出的复数数据进行求模运算以及平方运算从而输出相干激光多普勒雷达回波信号的N点的功率谱数据9。

下面是具体实施例

相干激光雷达的回波信号1的数据速率为200M*14bps的数据经过数据分路模块2后被分为奇数信号10(数据速率为100M*14bps)和偶数信号11(数据速率为100M*14bps)。

其中奇数信号10进入第一频谱变换模块3进行

(不限于该值，取值范围可以为

)点的傅里叶变换，经过第一频谱变换模块3变换后的频谱信号进入蝶形因子乘法模块4中，经过蝶形因子乘法模块4处理后输出蝶形因子频谱数据12(数据速率为100M*14bps)。

偶数信号11进入第二频谱变换模块5中进行

(不限于该值，取值范围可以为

)点的傅里叶变换，经过第二频谱变换模块5变换后的频谱信号进入匹配乘法模块6中，在匹配乘法模块6中与一个常数M＝4096(不限于该值，取值范围可以为2¹⁰≤M≤2¹⁵)相乘，相乘后的结果为匹配频谱数据13(数据速率为100M*14bps)。

匹配频谱数据13和蝶形因子频谱数据12一起进入复数加法模块7相加后输出的数据进入功率谱模块8中，经过功率谱模块8处理后输出相干激光多普勒雷达回波信号的N＝256点傅里叶变换数据(数据速率为100M*14bps)。

实验表明，本发明可满足相干多普勒激光雷达回波信号频谱变换的要求，具有硬件容易升级，集成度高，性能稳定的特点。该装置还可以用于其它需要频谱变换的测量，具有很高的通用性。

Claims (5)

1.一种相干激光测风多普勒雷达激光回波信号频谱变换装置，其特征在于包括数据分路模块(2)，第一频谱变换模块(3)，第二频谱变换模块(5)，蝶形因子乘法模块(4)，匹配乘法模块(6)，加法模块(7)，功率谱模块(8)，上述模块的连接关系为：

输入的相干激光多普勒雷达回波信号x(n)(1)进入数据分路模块(2)，该数据分路模块(2)的输出端分别与所述的第一频谱变换模块(3)，第二频谱变换模块(5)的输入端相连，所述的第一频谱变换模块(3)的输出端经蝶形因子乘法模块(4)后与所述的加法模块(7)的输入端相连，所述的第二频谱变换模块(5)的输出端经所述的匹配乘法模块(6)后与所述的加法模块(7)的输入端相连，该加法模块(7)的输出端与所述的功率谱模块(8)的输入端相连，所述的功率谱模块(8)的输出端为本装置的输出端。

2.根据权利要求1所述的相干激光测风多普勒雷达激光回波信号频谱变换装置，其特征在于所述的第一频谱变换模块(3)和第二频谱变换模块(5)的点数为

点，其中

的取值范围为：

3.根据权利要求1所述的相干激光测风多普勒雷达激光回波信号频谱变换装置，其特征在于所述的匹配乘法模块(6)是一个乘数为常数的乘法模块，该乘数的取值为M，2¹⁰≤M≤2¹⁵。

4.根据权利要求1所述的相干激光测风多普勒雷达激光回波信号频谱变换装置，其特征在于所述的蝶形因子乘法模块(4)的两个乘数：一个为第一频谱变换模块(3)输出的傅里叶频谱数据，另一个乘数为蝶形因子

其中N为第一频谱变换模块(3)的点数的两倍，k表示第一频谱变换模块(3)输出的第k个数据与

相乘，

j表示虚数单位。

5.根据权利要求1所述的相干激光测风多普勒雷达激光回波信号频谱变换装置，其特征在于相干激光多普勒雷达回波信号的功率谱数据(9)为相干激光多普勒雷达回波信号(1)的N点快速傅里叶变换功率谱数据。

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