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。本发明专利技术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。
【技术实现步骤摘要】
本专利技术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。
技术介绍
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。而本专利技术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。
技术实现思路
本专利技术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。本专利技术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χ (η)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。NN所述的第一频谱变换模块和第二频谱变换模块的点数为j点，其中j的取值范围 N为128彡一彡 1024。 2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# * WkN，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，(〃 =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)进入数据分路模块，被分成两路数据奇数信号X b+l)和偶数信号χ Ob)分别输入所述的第一频谱变换模块和第二频谱变换模块；N②所述的第一频谱变换模块对所述的奇数信号W2b+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模块，该蝶形因子乘法模块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向所述的加法模块输出；Λ = 0N③所述的谱变换模块对输入的偶数信号χ 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模块，该匹配乘法模块将所述的频谱信号A=OΛ/2-1NIΣ 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的加法模块输入；Λ72-1④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Λ72-1据# * F； J； x(2b + 1)/^相加后，向所述的功率谱模块输入；A = O⑤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。本专利技术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=0NN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(匹配乘法模块)，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 NLN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，本专利技术的技术效果如下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，本专利技术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本文档来自技高网...
【技术保护点】
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。
【技术特征摘要】
【专利技术属性】
技术研发人员：张勇成，刘继桥，陈卫标，
申请(专利权)人：中国科学院上海光学精密机械研究所，
类型：发明
国别省市：31
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