专利名称：相干激光测风多普勒雷达激光回波信号频谱变换装置的制作方法
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�？椋谝黄灯妆浠荒？椋诙灯妆浠荒？椋我蜃映朔？椋ヅ涑朔？椋臃？楹凸β势啄？椋鲜瞿？榈牧庸叵滴淙氲南喔杉す舛嗥绽绽状锘夭ㄐ藕纽� (η)进入数据分路�？椋檬莘致纺？榈氖涑龆朔直鹩胨龅牡谝黄灯妆浠荒？椋诙灯妆浠荒？榈氖淙攵讼嗔龅牡谝黄灯妆浠荒？榈氖涑龆司我蜃映朔？楹笥胨龅募臃？榈氖淙攵讼嗔龅牡诙灯妆浠荒？榈氖涑龆司龅钠ヅ涑朔？楹笥胨龅募臃？榈氖淙攵讼嗔眉臃？榈氖涑龆擞胨龅墓β势啄？榈氖淙攵讼嗔龅墓β势啄？榈氖涑龆宋咀爸玫氖涑龆�。
NN所述的第一频谱变换�？楹偷诙灯妆浠荒？榈牡闶猨点，其中j的取值范围 N
为128彡一彡 1024。 2所述的匹配乘法�？槭且桓龀耸Ｊ某朔？椋贸耸娜≈滴狹， 210 ^ M ^ 215。所述的蝶形因子乘法�？榈牧礁龀耸桓鑫谝黄灯妆浠荒？槭涑龅母道镆镀灯资荩硪桓龀耸我蜃�# * WkN，其中N为第一频谱变换�？榈牡闶牧奖叮琸表示
第一频谱变换�？槭涑龅牡趉个数据与『:相乘，(〃 =e^，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χ (η)，以下简称为回波信号x(n)进入数据分路�？椋环殖闪铰肥萜媸藕臱 b+l)和偶数信号χ Ob)分别输入所述的第一频谱变换�？楹偷诙灯妆浠荒？椋�
N②所述的第一频谱变换�？槎运龅钠媸藕臰2b+1)的y点进行傅里叶变
/V/2-1
换得到傅里叶频谱￡ X以b + 1)《&，输入到蝶形因子乘法�？椋玫我蜃映朔？�
Zj = O /V72-1
将所述的傅里叶频谱￡ ^b +与蝶形因子# ^ ^^相乘，得到蝶形因子频谱数据
A = OA'
/V/2-1
# * < ￡ x(2b + 1^2向所述的加法�？槭涑觯�
Λ = 0
N③所述的谱变换�？槎允淙氲呐际藕纽� Qb)的y点进行傅里叶变换得到傅里叶
N il-\
频谱信号Σ，输入到所述的匹配乘法�？椋闷ヅ涑朔？榻龅钠灯仔藕�
A=O
Λ/2-1NI
Σ 乂2幼/^2与一个为常数的匹配数M相乘，得到匹配频谱数据# * Σ 乂向所述
b=0Λ=0
的加法�？槭淙耄�
Λ72-1④所述的加法�？榻龅钠ヅ淦灯资�# * ￡和蝶形因子频谱数Λ72-1
据# * F； J； x(2b + 1)/^相加后，向所述的功率谱�？槭淙耄�
A = O⑤所述的功率谱�？槎允淙氲母词萁星竽Ｔ怂阋约捌椒皆怂悖玫讲⑹涑鱿喔杉す舛嗥绽绽状锘夭ㄐ藕诺腘点的功率谱数据。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/α) 二 Σ xinWf(1 )
/ =0其中 k = 0 N-l，η = 0 N-l，炉—=e ~
/V把输入的信号χ (η)分解为偶数信号χ (2b)和奇数信号χ (2b+l)，代入傅里叶变换表达式(1)中可以得到
"/2-1N /'1-\Xik) = M ^ Yj ^{2b)WhNk/2 + # * r； ￡ x{2b + 1)Ψ二2(2)
A=Ob=0
NN可以看出前半部分为偶数点的y点傅里叶变换，后半部分奇数点的J点傅里叶变
N
换，一个N点傅里叶变换可以分解为两个y点傅里叶变换,Μ*《α即为蝶形因子。由于
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�？�)，使
N
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 NL
N
的傅里叶变换数据，由于x (2b)只有y点，因而式(2)计算出的傅里叶变换只是整个N点傅 N
里叶变换频谱的前y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
N
的傅里叶变换频谱具有对称性，因而就可以根据前y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。
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�？椋�3-第一频谱变换�？椋� 4-蝶形因子乘法�？椋�5-第二频谱变换�？椋�6-匹配乘法�？椋�7-加法�？椋�8-功率谱�？椋�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
具体实施例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�？�2，第一频谱变换�？�3，第二频谱变换�？�5，蝶形因子乘法�？�4，匹配乘法�？�6，加法�？�7，功率谱�？�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χ (η) 1进入数据分路�？�2，该数据分路�？�2的输出端分别与所述的第一频谱变换�？�3，第二频谱变换�？�5的输入端相连，所述的第一频谱变换�？�3的输出端经蝶形因子乘法模块4后与所述的加法�？�7的输入端相连，所述的第二频谱变换�？�5的输出端经所述的匹配乘法�？�6后与所述的加法�？�7 的输入端相连，该加法�？�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�？�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(Ii)I进入数据分路�？�2，在数据分路�？�2中，回波信号χ (η) 1被分成两路数据输出，一路为输入回波信号χ (η) 1的奇数信号 x(2b+l)10，一路为输入回波信号Χ(η)1的偶数信号x(2b)ll ；奇数信号x(2b+1) 10进入第一频谱变换�？�3中，经过第一频谱变换�？�3变
换后输出奇数信号x(2b+1) 10的N/2点的傅里叶频谱
权利要求
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�？�( ，第一频谱变换�？�( ，第二频谱变换�？�( ，蝶形因子乘法�？�(4)，匹配乘法�？�(6)，加法�？�(7)，功率谱�？�(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χ (η) (1)进入数据分路�？镺)，该数据分路�？镺)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�？�(5)的输入端相连，所述的第一频谱变换�？�(3)的输出端经蝶形因子乘法�？�(4)后与所述的加法�？� (7)的输入端相连，所述的第二频谱变换�？�(5)的输出端经所述的匹配乘法�？�(6)后与所述的加法�？�(7)的输入端相连，该加法�？�(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�？�(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NN征在于所述的第一频谱变换�？镃3)和第二频谱变换�？�(5)的点数为+点，其中y的取 N值范围为128彡^■彡1024。乙
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�？�(6)是一个乘数为常数的乘法�？椋贸耸娜≈滴狹， 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�？榈牧礁龀耸桓鑫谝黄灯妆浠荒？镃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�？镃3)的点数的两倍，k表示第一频谱变换�？�(3)输出的第k个数据与”相乘，％ = e—，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。
全文摘要
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�？椋谝黄灯妆浠荒？椋诙灯妆浠荒？椋我蜃映朔？椋ヅ涑朔？椋臃？椋β势啄？�。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。
文档编号G01S17/95GK102269810SQ20111010568
公开日2011年12月7日 申请日期2011年4月26日 优先权日2011年4月26日
发明者刘继桥, 张勇成, 陈卫标 申请人:中国科学院上海光学精密机械研究所
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