[發明專利]基于GPU的相干激光雷達信號處理方法

有效

• 申請號: 201810316127.2
• 申請日: 2018-04-10
• 公開（公告）號: CN108445509B
• 公開（公告）日: 2020-06-26
• 發明（設計）人: 王沖;吳云斌;夏海云;竇賢康
• 申請（專利權）人: 中國科學技術大學
• 主分類號: G01S17/95
• 分類號: G01S17/95
• 代理公司: 北京凱特來知識產權代理有限公司 11260
• 代理人: 鄭立明;鄭哲

本發明公開了一種基于GPU的相干激光雷達信號處理方法，該方法基于英偉達公司的統一計算架構(CUDA)算法，使用顯卡(GPU)并行運算代替傳統相干測風激光雷達中的FPGA或DSP運算，使用CPU對GPU輸出的功率譜進行保存和深入處理。相對于傳統相干測風激光雷達，使用GPU運算速度更快，成本更低，可以實現實時風速反演或實時時?頻變換。將功率譜數據保存，便于使用其他算法對數據進行深度處理，以提取大氣能見度、大氣退偏振比等更多有用信息。

技術領域

本發明涉及激光雷達技術領域，尤其涉及一種基于GPU的相干激光雷達信號處理方法。

背景技術

精確的大氣風場測量對檢測大氣污染，獲取軍事環境情報，提高航空航天安全性，提高天氣預報準確性，改進氣候模型等具有重大意義。測風激光雷達是風場測量的有效手段，分為直接探測測風激光雷達和相干探測測風激光雷達。直接探測測風激光雷達使用光學鑒頻器，將多普勒頻移信息轉化為能量的相對變化，實現大氣風場的測量；相干探測測風激光雷達通過大氣回波信號與本振激光的相干拍頻實現大氣風場的測量。相干測風激光雷達基本原理如下：連續波激光器產生中心頻率為υ₀的線偏振光，經分光片后分為信號光和本振光，信號光經聲光調制器(AOM)調制為脈沖光，并產生υ_M的頻移，再由放大器進行功率放大，經環形器后由望遠鏡出射。設風場對脈沖光產生的多普勒頻移為υ_d，則回波信號中心頻率為υ₀+υ_M+υ_d，回波信號與本振光兩者的拍頻信號經光電探測器轉換為頻率為υ_M+υ_d的IF電信號，再經接收機中采集卡采樣和后續電路數據處理分析得到風場信息。

1.5μm的全光纖相干測風激光雷達具有體積小，高測量精度，高時間和高空間分辨率等優點，是世界各國爭相發展的領域。日本三菱機電有限公司報道了世界上第一臺1.5μm的相干測風激光雷達。法國LEOSPHERE公司生產了可以商用的WINDCUBE相干測風激光雷達，法國航空航天研究中心(ONERA)自主研制了1.5μm相干測風激光雷達，英國SgurrEnergy推出了搭配風力發電設備使用的Galion系列相干測風激光雷達，英國QinetiQ公司開發出了ZephIR系列基于光纖技術的1.548μm脈沖相干測風激光雷達，美國國家大氣研究中心(NCAR)擁有機載的基于連續激光的相干測風激光雷達(LAMS)。國內的哈爾濱工業大學姚勇課題組在2010年搭建了采用1.5μm波長連續波激光器的相干測風激光雷達。中國海洋大學在2014年報道了其研制的用于風能研究和開發利用的1.55μm相干測風激光雷達。中國電子科技集團公司第二十七研究所2010年報道了采用1.5μm連續波零差頻的激光雷達，并在2013年報道了一套全光纖化的相干測風激光雷達。中國科學院上海光學精密機械研究所在2012年研制了1.064μm的相干測風激光雷達，在2014年又報道了用于邊界層風廓線探測的1.54μm全光纖相干測風激光雷達。但是，以上相干測風激光雷達的接收機都使用FPGA或者DSP進行風場數據實時反演，存在以下問題：

(1)通常相干激光雷達中AOM調制頻率υ_M＝80MHz，在考慮υ_d動態范圍之后，IF電信號將達到120MHz量級。根據奈奎斯特采樣定理，采樣頻率達到IF電信號的2倍以上，才能完整地對信號進行還原，因此相干激光雷達中，采樣率通常達到250MHz以上。假設采樣率F_s＝500MS/s，距離分辨率為60m，每秒需進行5M個1024點的FFT計算。在計算機中，基2的1024點實數FFT理論上需要約260k次運算，在不考慮內存分配，功率譜計算，數據累積等運算，僅考慮FFT運算的情況下，后續電路數據處理速度最少應達到1.2T次浮點每秒運算能力。以TI的高端DSP芯片TMS320C6678的160G次浮點每秒的運算能力，需要8顆并行才能滿足運算要求；目前最高性能的FPGA運算能力與TMS320C6678處于同一量級，因此相干接收機編程難度大，電路結構復雜。