[发明专利]基于GPU的相干激光雷达信号处理方法

说明书

本发明公开了一种基于GPU的相干激光雷达信号处理方法，该方法基于英伟达公司的统一计算架构(CUDA)算法，使用显卡(GPU)并行运算代替传统相干测风激光雷达中的FPGA或DSP运算，使用CPU对GPU输出的功率谱进行保存和深入处理。相对于传统相干测风激光雷达，使用GPU运算速度更快，成本更低，可以实现实时风速反演或实时时‑频变换。将功率谱数据保存，便于使用其他算法对数据进行深度处理，以提取大气能见度、大气退偏振比等更多有用信息。

技术领域

本发明涉及激光雷达技术领域，尤其涉及一种基于GPU的相干激光雷达信号处理方法。

背景技术

精确的大气风场测量对检测大气污染，获取军事环境情报，提高航空航天安全性，提高天气预报准确性，改进气候模型等具有重大意义。测风激光雷达是风场测量的有效手段，分为直接探测测风激光雷达和相干探测测风激光雷达。直接探测测风激光雷达使用光学鉴频器，将多普勒频移信息转化为能量的相对变化，实现大气风场的测量；相干探测测风激光雷达通过大气回波信号与本振激光的相干拍频实现大气风场的测量。相干测风激光雷达基本原理如下：连续波激光器产生中心频率为υ₀的线偏振光，经分光片后分为信号光和本振光，信号光经声光调制器(AOM)调制为脉冲光，并产生υ_M的频移，再由放大器进行功率放大，经环形器后由望远镜出射。设风场对脉冲光产生的多普勒频移为υ_d，则回波信号中心频率为υ₀+υ_M+υ_d，回波信号与本振光两者的拍频信号经光电探测器转换为频率为υ_M+υ_d的IF电信号，再经接收机中采集卡采样和后续电路数据处理分析得到风场信息。

1.5μm的全光纤相干测风激光雷达具有体积小，高测量精度，高时间和高空间分辨率等优点，是世界各国争相发展的领域。日本三菱机电有限公司报道了世界上第一台1.5μm的相干测风激光雷达。法国LEOSPHERE公司生产了可以商用的WINDCUBE相干测风激光雷达，法国航空航天研究中心(ONERA)自主研制了1.5μm相干测风激光雷达，英国SgurrEnergy推出了搭配风力发电设备使用的Galion系列相干测风激光雷达，英国QinetiQ公司开发出了ZephIR系列基于光纤技术的1.548μm脉冲相干测风激光雷达，美国国家大气研究中心(NCAR)拥有机载的基于连续激光的相干测风激光雷达(LAMS)。国内的哈尔滨工业大学姚勇课题组在2010年搭建了采用1.5μm波长连续波激光器的相干测风激光雷达。中国海洋大学在2014年报道了其研制的用于风能研究和开发利用的1.55μm相干测风激光雷达。中国电子科技集团公司第二十七研究所2010年报道了采用1.5μm连续波零差频的激光雷达，并在2013年报道了一套全光纤化的相干测风激光雷达。中国科学院上海光学精密机械研究所在2012年研制了1.064μm的相干测风激光雷达，在2014年又报道了用于边界层风廓线探测的1.54μm全光纤相干测风激光雷达。但是，以上相干测风激光雷达的接收机都使用FPGA或者DSP进行风场数据实时反演，存在以下问题：

(1)通常相干激光雷达中AOM调制频率υ_M＝80MHz，在考虑υ_d动态范围之后，IF电信号将达到120MHz量级。根据奈奎斯特采样定理，采样频率达到IF电信号的2倍以上，才能完整地对信号进行还原，因此相干激光雷达中，采样率通常达到250MHz以上。假设采样率F_s＝500MS/s，距离分辨率为60m，每秒需进行5M个1024点的FFT计算。在计算机中，基2的1024点实数FFT理论上需要约260k次运算，在不考虑内存分配，功率谱计算，数据累积等运算，仅考虑FFT运算的情况下，后续电路数据处理速度最少应达到1.2T次浮点每秒运算能力。以TI的高端DSP芯片TMS320C6678的160G次浮点每秒的运算能力，需要8颗并行才能满足运算要求；目前最高性能的FPGA运算能力与TMS320C6678处于同一量级，因此相干接收机编程难度大，电路结构复杂。