本發(fā)明涉及一種基于信噪比統(tǒng)計的相干測風雷達的數字信號處理方法。

背景技術：

激光測風雷達是一種通過探測遠距離目標的散射光特性來獲取目標相關信息的主動式的現(xiàn)代光學遙感技術，相對于傳統(tǒng)氣象雷達，激光測風雷達可以直接對大氣風速進行遙感測量。相干測風雷達利用基本的光學相干原理實現(xiàn)速度的高精度測量，系統(tǒng)的結構簡單，是目前低空域測風系統(tǒng)的首選方案。相干多普勒測風激光雷達通常會采用周期圖最大值法(PM)提取散射信號的多普勒頻移(對應風速)信息。由于噪聲和相干效率的影響,個別散射信號會出現(xiàn)信噪比(SNR)突然降低的情況,從而導致系統(tǒng)的探測概率降低,影響系統(tǒng)整體的探測性能。為了解決個別散射信號多普勒頻移的錯誤估計問題,現(xiàn)有技術提出了一種新的非線性自適應多普勒頻移估計方法。該方法利用風速的連續(xù)性,標定錯誤信號,并自適應地利用強信噪比區(qū)域的多普勒頻移統(tǒng)計數據來彌補信噪比變差而出現(xiàn)的估計錯誤。在激光測風雷達與大氣存在相對運動的情況下，散射信號攜帶了多普勒頻移信息，通常情況下通過分析多普勒頻移量，就可以解算出徑向空速。為激光多普勒測速按照探測方式分為直接探測和相干探測兩種，直接探測方式利用光學鑒頻器直接分析大氣分子或者氣溶膠后向散射信號， 獲取風場引起的多普勒頻移。直接探測需借助鑒頻器檢測多普勒頻譜的頻移，系統(tǒng)的結構比較復雜。激光相干測速則是將原始激光分為出射光和本振光兩束信號，將接收到的氣溶膠后向散射信號和穩(wěn)定的本地振蕩光進行混頻，獲取信號的多普勒頻移。系統(tǒng)將出射光發(fā)射到大氣中，并收集與大氣成分發(fā)生散射后，頻率已經發(fā)生變化的后向散射信號，將散射信號與本振光混頻后輸入探測器，由探測器得到兩者的差頻信息，該差頻信息即為多普勒頻移。一般可以根據多普勒頻移與運動物體速度間的關系，可以推導出物體的運動速度。由于系統(tǒng)接收到的大氣回波信號非常微弱，為了提高系統(tǒng)信噪比，需要對大氣回波信號進行頻譜累加，獲得累加后的功率譜，才能實現(xiàn)信號多普勒頻移的提取。

相干測風雷達的光電探測器接收到的時域信號可以視為多普勒頻移信號與白噪聲信號的合成。在大多數情況下多普勒頻移信號是一個零均值圓型復數高斯隨機過程，由于后向散射信號的強度非常微弱，因此大多數情況下特征頻率信號都被湮沒在白噪聲信號中。目前常用的提高信噪比方法是在相干測風雷達的預處理組件中，對時域信號進行快速傅立葉變換得到頻域信號后對功率譜密度圖或周期圖進行累加平均，將完成了累加平均的頻譜信號發(fā)送給速度解算組件進行后續(xù)處理。累加平均后多普勒頻移信號的信噪比雖然得到了增強，但平均后的頻譜信號僅具有幅頻特性，不便于對風場特征進行進一步分析；而在由于大氣成分原因造成后向散射信號強度過弱的情況下，飽和的探測器將在特定頻率形成頻率尖峰，不利于特征頻率信號的識別；另外，在激光測風雷達探測范圍內存在其它干擾物體的情況下，由于干擾物體的激光反射信號大于后向散射信號，因此同樣被增強的干擾信號也將對特征頻率信號的識別帶來困難。

技術實現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的是針對現(xiàn)有技術的不足之處，提供一種系統(tǒng)結構簡單，易于實現(xiàn)，消耗硬件計算資源少，利于實現(xiàn)全流水線運算，能夠提高系統(tǒng)處理速度，并能降低多普勒頻移信號識別難度，解決目前相干測風雷達抗干擾能力差問題的多普勒頻移信號處理系統(tǒng)。

本發(fā)明的上述目的可以通過以下措施來得到：一種增強相干測風雷達多普勒頻移信號信噪比的預處理系統(tǒng)，包括：設置在相干測風雷達中的光電探測器1、信號累加組件3，信號預處理組件2和速度解算組件4，其特征在于，光電探測器1接受光信號后產生表現(xiàn)形式為電壓的模擬時域信號,將接收到的模擬時域信號送入信號預處理組件2進行時頻轉換，將時頻轉換為頻域單幀周期圖，得到反映幅頻特性的單幀周期圖信號，并對單幀周期圖進行峰值判定，將行峰值判定得到的單幀布爾圖信號送入信號累加模塊進行邏輯運算，以降低多普勒頻移信號的識別難度，通過對激光回波信號的頻域特性進行分析和計算，得到體現(xiàn)回波信號信噪比特性的頻域信息；信號累加模塊將邏輯運算后的單幀布爾圖信號轉換為無符號整型數據并進行逐幀累加，生成體現(xiàn)頻域幅值特性的累加功率譜圖和體現(xiàn)頻域信噪比特性的累加概率譜圖，并能夠用于辨識特征頻率信號的累加功率譜和累加概率譜圖送入發(fā)送模塊3311整合為一組數據，輸出到速度解算組件4基于信噪比統(tǒng)計進行后續(xù)處理，完成多普勒頻移信號的預處理全過程。

本發(fā)明相比于現(xiàn)有技術具有如下有益效果。

系統(tǒng)結構簡單，易于實現(xiàn)。本發(fā)明采用光電探測器1、信號累加組件3，信號預處理組件2和速度解算組件4組成預處理系統(tǒng)，統(tǒng)結構簡單，易于實現(xiàn)體現(xiàn)頻域幅值特性的累加功率譜圖和體現(xiàn)頻域信噪比特性的累加概率譜圖。

消耗硬件計算資源少，利于實現(xiàn)全流水線運算。本發(fā)明采用由高速模數轉換電路和FPGA電路組成的信號預處理組件，在將時域信號進行時頻轉換為頻域單幀周期圖后，對單幀周期圖進行峰值判定得到單幀布爾圖信號，通過對單幀周期圖和單幀布爾圖信號進行分別累加，得到體現(xiàn)頻域幅值特性的累加功率譜圖和體現(xiàn)頻域信噪比特性的累加概率譜圖，通過對激光回波信號的頻域特性進行分析和計算，消耗硬件計算資源少，得到體現(xiàn)回波信號信噪比特性的頻域信息，利于實現(xiàn)全流水線運算。相比于現(xiàn)有信號處理方法，僅需要在FPGA電路中增加少量邏輯運算和累加電路。

能夠提高系統(tǒng)處理速度，并能降低多普勒頻移信號識別難度。本發(fā)明采用信號累加模塊將邏輯運算后的單幀布爾圖信號轉換為無符號整型數據并進行逐幀累加，生成體現(xiàn)頻域幅值特性的累加功率譜圖和體現(xiàn)頻域信噪比特性的累加概率譜圖，不僅提高了系統(tǒng)的處理速度，降低了多普勒頻移信號識別難度，而且由于概率譜圖的構成較累加周期圖更為簡單，使得速度解算組件能夠從中輕松的提取出特征頻率信號。另外，概率譜圖通過對逐幀頻譜信號的信噪比分析得到了回波信號的信噪比特性，從中可以分析出探測信號的物理特性，為干擾信號的識別提供依據，進一步降低多普勒頻移信號的識別難度，解決目前相干測風雷達抗干擾能力差的問題。

系統(tǒng)結構簡單，利于實現(xiàn)全流水線運算，提高系統(tǒng)處理速度。

本發(fā)明中的各項參數如傅立葉變換點數和累加次數可以很方便地根據相干測風雷達信號的精度需求進一步擴充。

附圖說明

圖1是增強相干測風雷達多普勒頻移信號信噪比的預處理系統(tǒng)原理示意圖。

圖2是圖1信號預處理組件與信號累加組件構成的FPGA電路的信號運算原理示意圖。

圖3是單幀時域信號進行傅立葉變換的波形示意圖。

圖4是圖3峰值判定模塊并聯(lián)上路信號的運算原理圖。

圖5是圖3峰值判定模塊并聯(lián)下路信號的運算原理圖。

圖6根據單幀周期圖信號求單幀布爾圖信號的波形示意圖。

圖7是圖6由單幀布爾圖信號疊加得到累加概率譜圖的波形示意圖。

圖中：1光電探測器，2信號預處理組件，3信號累加組件，4速度解算組件，31高速模數轉換電路，32數字時域信號，33FPGA電路，3301浮點數轉換模塊，3302傅立葉變換模塊，3303周期圖計算模塊，3304單幀周期圖信號，3305第一信號累加模塊1，3306累加功率譜圖，3307峰值判定模塊，33071數值比較器，33072非門，33073或非門，3308單幀布爾圖信號，3309第二信號累加模塊，3310累加概率譜圖，3311發(fā)送模塊。

具體實施方式

下面結合附圖和實施例進一步說明本發(fā)明，但并不因此將本發(fā)明限制在所述的實施例范圍之中。

參閱圖1。在以下描述的實施例中，一種增強相干測風雷達多普勒頻移信號信噪比的預處理系統(tǒng)，包括：設置在相干測風雷達中的光電探測器1、信號預處理組件2、信號累加組件3和速度解算組件4，光電探測器1接受光信號后產生表現(xiàn)形式為電壓的模擬時域信號,將接收到的模擬時域信號送入信號預處理組件2進行時頻轉換，將頻轉換為頻域單幀周期圖，得到反映幅頻特性的單幀周期圖信號3304，并對單幀周期圖進行峰值判定，將行峰值判定得到的單幀布爾圖信號送入信號累加模塊進行邏輯運算，以降低多普勒頻移信號的識別難度，通過對激光回波信號的頻域特性進行分析和計算，得到體現(xiàn)回波信號信噪比特性的頻域信息；信號累加模塊將邏輯運算后的單幀布爾圖信號轉換為無符號整型數據并進行逐幀累加，生成體現(xiàn)頻域幅值特性的累加功率譜圖和體現(xiàn)頻域信噪比特性的累加概率譜圖，并能夠用于辨識特征頻率信號的累加功率譜和累加概率譜圖送入發(fā)送模塊3311整合為一組數據，輸出到速度解算組件4基于信噪比統(tǒng)計進行后續(xù)處理，完成多普勒頻移信號的預處理全過程。所有的信號預處理過程都在信號預處理組件2內進行。

參閱圖2-圖5。信號預處理組件2包括高速模數轉換電路31和FPGA電路33，其中，高速模數轉換電路31的采樣頻率和采樣位寬由相干測風雷達應用環(huán)境決定，當相干測風雷達安裝在直升機等低速飛行器上以測量相對風速時，采樣頻率應不低于400MHz，采樣位寬應不低于10bit。FPGA電路33包含順次串聯(lián)的浮點數轉換模塊3301、傅立葉變換模塊3302、周期圖計算模塊3303和并聯(lián)在周期圖計算模塊3303輸出端的峰值判定模塊3307其中，傅立葉變換模塊3302的變換點數為1024點。高速模數轉換電路31將接收到的模擬時域信號轉換為整型數據并輸入所述的浮點數轉換模塊3301，浮點數轉換模塊3301將接收的整型數據轉換為單精度浮點數并輸入所述的傅立葉變換模塊3302，傅立葉變換模塊3302將依次接收到的數字信號按每1024個數字信號為一幀，依次進行傅立葉變換得到該幀對應的頻域信號，最終將頻域信號輸入所述的周期圖計算模塊3303，周期圖計算模塊3303將每一幀接收到的頻域信號的實部和虛部分別平方后相加并截取前512個點，得到反映幅頻特性的單幀周期圖信號3304，并同時輸出給所述的第一信號累加模塊3305和所述的峰值判定模塊3307，并循環(huán)重復上述過程。

第一信號累加模塊3305將接收到的單幀周期圖信號3304進行逐幀累加，當累加次數到達304次之后得到累加功率譜圖3306，將累加功率譜圖3306輸出到所述的發(fā)送模塊3311并將自身清零。峰值判定模塊3307對單幀周期圖信號3304內的512個頻率點進行逐一分析，通過每一個頻率點與其相鄰兩點的幅值關系得到該點的信號強度特性，得到反映單幀周期圖信號3304每個頻率點的信噪比特性的單幀布爾圖信號3308，最終將單幀布爾圖信號3308輸出到所述的第二信號累加模塊3309。第二信號累加模塊3309將接收到的單幀布爾圖信號3308轉換為32位無符號整型數據并進行逐幀累加，當累加次數到達304次之后得到累加概率譜圖3310，將累加概率譜圖3310輸出到所述的發(fā)送模塊3311并將自身清零。發(fā)送模塊3311在接收到累加功率譜圖3306和累加概率譜圖3310后，將其整合為一組數據并輸出到速度解算組件4，并循環(huán)重復上述過程。

信號累加組件3包括分別并聯(lián)在峰值判定模塊3307輸入端并聯(lián)回路上的第一信號累加模塊3305、并聯(lián)在峰值判定模塊3307輸出端并聯(lián)回路上的第二信號累加模塊3309和并聯(lián)在第一信號累加模塊3305與第二信號累加模塊3309輸出端并聯(lián)回路上的發(fā)送模塊3311，其中，第一信號累加模塊13305和第二信號累加模塊3309是采用移位寄存器和加法器來實現(xiàn)的。高速模數轉換電路31將模擬時域信號轉換為以整型數據表達的數字時域信號32，并將其數字時域信號32送入FPGA電路33中的浮點數轉換模塊3301。經高速模數轉換電路31模數轉換的數字時域信號32，以每1024個連續(xù)點為一組，送入圖3所示FPGA電路后，首先在浮點數轉換模塊3301的處理下，將數字時域信號的數據類型由整型轉換為單精度的數據類型；然后在傅立葉變換模塊3302的處理下進行時頻轉換，將得到的1024點單精度復數信號送入周期圖計算模塊3303處理得到1024點單精度周期圖信號，并截取前512點，輸出512點周期圖信號，數據類型一組表現(xiàn)了當前瞬間激光信號頻域能量特性的周期圖信號，該周期圖信號被稱為單幀周期圖信號3304。所述單幀周期圖信號3304同時輸出到第一信號累加模塊3305和峰值判定模塊3307，兩路單幀周期圖信號按圖2所示峰值判定模塊3307構成的并聯(lián)回路的方位分為上路信號和下路信號。為了便于展示，圖中僅取了峰值判定模塊3307工作的信號波形圖，前64個點的波形信息。

上路信號經第一信號累加模塊3305逐幀接收單幀周期圖信號3304并且進行累加，當累加次數達到304次之后，將單幀周期圖信號疊加得到圖4所示的累加功率譜圖3306的累加結果輸出到發(fā)送模塊3311，并將第一信號累加模塊3305自身內部的存儲數據清零，開始下一個累加周期。累加結果稱為累加功率譜圖3306，其第一信號累加模塊3305累加結果產生的累加功率譜圖3306相比單幀周期圖信號3304在信噪比上提高了24.8dB，相當于25dB。

下路信號經第二信號累加模塊3309逐幀接收單幀布爾圖信號3308并且將其單幀布爾圖信號轉換為32位無符號整型數據進行累加，當累加次數達到304次之后將累加結果輸出到發(fā)送模塊3311并將第二信號累加模塊3309自身內部的存儲數據清零，開始下一個累加周期。所述累加結果稱為累加概率譜圖3310。所述累加概率譜圖3310展示的是信號頻譜中每一個頻率點在該范圍內的強弱程度在時域范圍內的統(tǒng)計，累加概率譜圖3310不直接給出信號的幅值，而是給出特定信號的信噪比。

在所述的累加概率譜圖3310中，視為高斯白噪聲的背景噪聲的信噪比統(tǒng)計期望是累加次數的1/3。由于累加次數為304次，因此背景噪聲的統(tǒng)計期望為304乘以1/3，即101。疊加在背景噪聲中的弱信號信噪比統(tǒng)計期望將略高于101，而強信號的統(tǒng)計期望將顯著高于101。因此累加概率譜圖3310能夠用于辨識特征頻率信號的頻率值以及信號類型。

上路信號和下路信號處理完成后，由相同的304幀單幀周期圖信號3304生成的累加功率譜圖3306和累加概率譜圖3310同時輸入發(fā)送模塊3311。發(fā)送模塊3311將累加功率譜圖3306和累加概率譜圖3310進行組合，得到一組1024點的32位數據，即獲得累加功率譜和概率譜圖。這樣就完成了信號預處理的全過程。

圖5所示峰值判定模塊3307內部包含兩個數值比較器33071，一個非門33072和一個或非門33073。在下路信號中，峰值判定模塊3307根據傅立葉變換模塊3302截取前512個點組成單幀周期圖信號3304，將其512個點按照信號排列順序，由第2個點到第511個點依次將該點和其前后兩個點，即第n-1，n，n+1個點，輸入峰值判定模塊3307中，峰值判定模塊3307，其對每一個點相對于其前后兩個點的數值大小進行比較，根據單幀周期圖信號求單幀布爾圖信號的波形。當每一個點，即第n點大于其前后兩個點：第n-1，n+1點時，峰值判定模塊3307輸出布爾值1，反之，則輸出布爾值0。當第n-1個點的數值大于等于第n個點或者當第n個點的數值大于等于第n+1個點時，數值比較器33071輸出布爾值1，反之，則輸出布爾值0。對于由512個點組成的單幀周期圖信號3304，峰值判定模塊3307對第1個點和第512個點不進行判定，直接輸出布爾值0，對剩余510個點進行逐一判定，輸出每一個點的強度信息，最后得到由512個點組成的單幀布爾圖信號3308。