[發明專利]全光纖相干測風多普勒激光雷達信號處理裝置

有效

• 申請號: 201010517620.4
• 申請日: 2010-10-22
• 公開（公告）號: CN102043144A
• 公開（公告）日: 2011-05-04
• 發明（設計）人: 陳衛標;張勇成;劉繼橋
• 申請（專利權）人: 中國科學院上海光學精密機械研究所
• 主分類號: G01S7/48
• 分類號: G01S7/48;G01S17/95
• 代理公司: 上海新天專利代理有限公司 31213
• 代理人: 張澤純

1.一種全光纖相干測風多普勒激光雷達信號處理裝置，其特征在于包括ADC模塊(12)、用于信號處理的FPGA模塊及外圍設備，所述的FPGA模塊由高速度高密度FPGA芯片(16)和低速度FPGA芯片(17)構成，其中高速度高密度FPGA芯片(16)的內部由數據緩存模塊(161)、頻譜變換模塊(162)、功率譜模塊(163)、信號累加平均模塊(164)、時鐘模塊(14)和ADC控制模塊(15)組成，低速度FPGA芯片(17)內部由FIFO組件(171)、NIOS?II?CPU模塊(172)、DMA控制器(173)、USB控制器(174)、Avalon互聯架構(175)、SDRAM控制器(176)和Avalon三態橋(177)組成，所述的外圍設備包括SDRAM芯片(18)、Flash芯片(19)、SRAM芯片(110)和USB2.0芯片(111)，所述的SDRAM芯片(18)和USB2.0芯片(111)分別通過所述的SDRAM控制器(176)、USB控制器(174)與所述的Avalon互聯架構(175)相連，所述的外圍設備Flash芯片(19)和SRAM芯片(110)都通過Avalon三態橋(177)連到FPGA芯片內部的Avalon互聯架構(175)上；上述構件的連接關系如下：

在觸發信號(13)的觸發和ADC控制模塊(15)的控制下，測風多普勒激光雷達的模擬回波信號(11)通過ADC模塊(12)轉換為數字回波信號(21)并進入高速度高密度FPGA芯片(16)的數據緩存模塊(161)存儲，當數據達到一定的數量時，該數據緩存模塊(161)將存儲的信號輸出并依次經所述的頻譜變換模塊(162)、功率譜模塊(163)和信號累加平均模塊(164)處理后輸入所述的低速度FPGA芯片(17)，在低速度FPGA芯片(17)中，通過FIFO組件(171)把數據傳遞到Avalon互聯架構(175)中，在NIOS?II?CPU模塊(172)通過Avalon互聯架構(175)對DMA控制器(173)進行配置后，所述的控制器(173)將所述的數據直接通過Avalon互聯架構(175)和SDRAM控制器(176)，從FIFO組件(171)傳遞到所述的SDRAM芯片(18)中存儲，同時NIOS?II?CPU模塊(172)通過Avalon互聯架構(175)和SDRAM控制器(176)讀取SDRAM芯片(18)中的數據，對讀取的數據根據多普勒頻移原理，計算速度信息，該速度信息通過USB控制器(174)和USB2.0芯片(111)傳輸到上位機(112)進行實時的顯示和存儲。

2.根據權利要求1所述的全光纖相干激光測風多普勒雷達信號處理裝置，其特征在于所述的ADC模塊(12)的轉換速率范圍為200～600MSPS，位寬為8～14位。

3.根據權利要求1所述的全光纖相干激光測風多普勒雷達信號處理裝置，其特?征在于所述的數據緩存模塊(161)是利用先進先出來實現緩存的。

4.根據權利要求1所述的全光纖相干激光測風多普勒雷達信號處理裝置，其特征在于所述的頻譜變換模塊(162)點數為2^q點，其中q的取值范圍為：7≤q≤9。

5.根據權利要求1所述的全光纖相干激光測風多普勒雷達信號處理裝置，其特征在于所述的信號累加平均模塊(164)是采用雙端口RAM單元來實現的。

6.利用權利要求1所述的全光纖相干激光測風多普勒雷達信號處理裝置進行信號處理的方法，其特征在于包括以下步驟：

①初始狀態，所述的信號累加平均模塊(164)處于清零狀態，即其內部的存儲器所存儲的值均為零，同時其內部的觸發信號計數值也清零；

②在觸發信號(13)的觸發和ADC控制模塊(15)的控制下，ADC模塊(12)將測風多普勒激光雷達的模擬回波信號(11)轉變為數字回波信號(21)并輸入所述的數據緩存模塊(161)依次緩存所接收的數字信號，然后按先進先出的原則輸入所述的頻譜變換模塊(162)；

③所述的頻譜變換模塊(162)將依次接收的共N*2^q個數字信號按2^q個數字信號為一個距離門分為N個距離門，并將每個距離門的數字信號進行快速傅里葉變換，得到每個距離門的信號頻譜，再通過功率譜模塊(163)得到N個距離門的功率譜(31)并且輸入到所述的累加平均模塊(164)；

④所述的累加平均模塊(164)首先令其內部的觸發信號計數值加1，然后判斷所述的計數值是否小于N1，若觸發信號計數值小于N1，所述的累加平均模塊(164)依次讀取內部存儲器中N*2^q個點位的數字信號(71)并與從功率譜模塊(163)輸入的N*2^q個點位的數據(31)對應相加得到對應相加的結果(72)并存儲到內部存儲器的相應的點位中，然后進入步驟⑤；當觸發信號計數值等于N1，則轉入步驟⑥；

⑤重復步驟②～④；

⑥所述的累加平均模塊(164)依次讀取內部存儲器中N*2^q個點位的數字信號(71)并與從功率譜模塊(163)依次輸出的N*2^q個點位的數據(31)對應相加再除以N1獲得該相應點的平均值(73)，從而得到累加平均功率譜數據(41)，該累加平均功率譜數據(41)由累加平均模塊(164)通過FIFO組件(171)傳遞到Avalon互聯架構(175)中，同時所述的累加平均模塊(164)把內部存儲器清零和觸發信號計數值清零；

⑦所述的NIOS?II?CPU模塊(172)通過Avalon互聯架構(175)對DMA控制器(173)?進行配置，所述的DMA控制器(173)將所述的累加平均功率譜數據(41)直接通過Avalon互聯架構(175)和SDRAM控制器(176)，從FIFO組件(171)傳遞到所述的SDRAM芯片(18)中進行存儲，同時NIOS?II?CPU模塊(172)通過Avalon互聯架構(175)和SDRAM控制器(176)讀取SDRAM芯片(18)中的累加平均功率譜數據(41)，然后對所述的累加平均功率譜數據(41)求每一個距離門序數范圍為5～2^q-1的功率譜的最大值所對應序數M(42)，再利用下式求該M點對應的模擬頻率：

再利用下式計算一系列距離門的風速：

其中：f_s表示光纖相干激光測風多普勒雷達的采樣率，λ為測風激光雷達所使用的激光波長；

⑧重復上述第②步至第⑦步進行激光測風多普勒雷達新一次信號處理。?