[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

技術領域

本發明屬于高速實時信號采集處理領域，特別設計一種信號采集和處理系統，用于實現全光纖相干激光測風多普勒雷達中激光回波信號的檢測和實時處理。

背景技術

在各種氣象參數中，如風速、云密度、云頂高、水蒸氣濃度，溫度和壓力，對于許多用戶需求，直接風速測量是最有價值的，而且傳統的測量手段很難實時獲得高分辨的風場垂直分布。經過實驗和比較，激光多普勒測風雷達以其探測時空分辨率高等優越性能成為近些年來激光測風遙感重點方向。

多普勒測風激光雷達可以分為相干探測和非相干探測。非相干探測即直接探測，直接探測回波信號，利用發射激光和接收激光的頻率差推算多普勒頻移，從而獲得風場信息。相干探測則是在直接探測的基礎上引入一束參考光進行外差相干混頻。相干探測相對于直接探測而言，擁有更高的探測靈敏度，顯著的提高了接收信號的信噪比，已經有大量的理論和實驗研究證明了相干探測的優勢。

在多普勒相干測風激光雷達中，對于不同高度的大氣層，低高度的大氣層由于距離激光雷達近，從激光發射到激光雷達回波信號被激光雷達接收到的時間短，越高的大氣層，從激光發射到激光雷達回波信號被激光雷達接收到的時間就越長，因而就可以根據回波信號被接收到的時間信息來得到大氣層的距離信息，把回波信號劃為一個個距離門，假設在該距離門中風速恒定，通過求取每個距離門中的風速信息就可以得到不同高度的風速信息。

為了滿足一定范圍風速風向測量要求，相干探測中系統要求的帶寬很高，因此就必須要求數據采集處理系統有較高的采樣率，系統的數據流速度很快，一般系統是先緩存之后再利用計算機軟件進行處理，但是計算機軟件處理的速度慢，不能達到實時測量風場的目的，更不利于系統的集成。有的數據處理系統是利用現場可編程門陣列(Field?Programmable?Gate?Array，簡稱FPGA)和數字信號處理器(Digtal?SignalProcessor，簡稱DSP)組合的形式，用FPGA實現系統的控制，用DSP來實現信號的處理，但是DSP由于是一個中央處理單元(Central?Processing?Unit，簡稱CPU)，它上面運行的算法都是軟件實現，存在指令集，因而就不像FPGA可以用硬件并行實現可以達到很高的速度，并且還涉及到FPGA和DSP的接口，要在電路板上實現很高的傳輸速度對于電路板設計和加工也是一個挑戰。而采用基于FPGA的處理系統，可以把算法用硬件實現，并且把很多算法都集成到一塊FPGA來實現還可以到達要求的速度，可以并行的對數據進行處理，實時性更高，利于集成，可以做到小型化，更加有利于機載或其它方式測風的實施。

發明內容

本發明的目的在于克服上述現有技術的不足，提供一種全光纖相干測風多普勒激光雷達信號處理裝置，以解決用計算機軟件和DSP實現所達不到的速度和集成度的問題，實現高重復頻率全光纖相干多普勒激光雷達信號的實時處理問題。

本發明的技術解決方案如下：

一種全光纖相干測風多普勒激光雷達信號處理裝置，其特點在于包括模數變換(Analog?to?Digtal?Converter，簡稱ADC)模塊、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芯片和低速度FPGA芯片構成，其中高速度高密度FPGA芯片的內部由數據緩存模塊、頻譜變換模塊、功率譜模塊、信號累加平均模塊、時鐘模塊和ADC控制模塊組成，低速度FPGA芯片內部由自定義的先進先出(First?In?First?Out，簡稱FIFO)組件、NIOS?II?CPU模塊、直接存儲器存取控制器(Direct?Memory?Access，簡稱DMA控制器)、通用串行總線控制器(UniversalSerial?Bus，簡稱USB控制器)、Avalon互聯架構、同步動態隨機存儲器控制器(Synchronous?Dynamic?Ramdom?Access?Memory，簡稱SDRAM控制器)和Avalon三態橋組成，所述的外圍設備包括SDRAM芯片、快閃記憶體芯片(Flash芯片)、靜態隨機存儲器芯片(Static?Ramdom?Access?Memory，簡稱SRAM芯片)和USB2.0芯片，所述的SDRAM芯片和USB2.0芯片分別通過所述的SDRAM控制器、USB控制器與所述的Avalon互聯架構相連，所述的外圍設備Flash芯片和SRAM芯片都通過Avalon三態橋連到低速度FPGA芯片內部的Avalon互聯架構上；上述構件的連接關系如下：