相干測(cè)風(fēng)激光雷達(dá)中一種數(shù)據(jù)處理裝置及方法與流程

本發(fā)明涉及相干測(cè)風(fēng)激光雷達(dá)技術(shù)領(lǐng)域，尤其是涉及相干測(cè)風(fēng)激光雷達(dá)中一種基于圖形處理器的數(shù)據(jù)處理裝置及方法。

背景技術(shù)：

相干測(cè)風(fēng)激光雷達(dá)由于具有高精度、高時(shí)空分辨率的特點(diǎn)，在邊界層大氣風(fēng)廓線測(cè)量、風(fēng)切變預(yù)警、飛機(jī)尾流探測(cè)和風(fēng)能資源利用方面起著重要的應(yīng)用。在航空航天、遙感遙測(cè)、氣象觀測(cè)等軍事及民用領(lǐng)域中具有廣闊的應(yīng)用前景，如可用于機(jī)場(chǎng)災(zāi)害性天氣預(yù)報(bào)，對(duì)機(jī)場(chǎng)附近空域的風(fēng)切變進(jìn)行預(yù)警，從而避免飛機(jī)起飛和降落過(guò)程中因天氣原因造成的事故，可以為機(jī)場(chǎng)安排合理的飛機(jī)起降密度服務(wù)；也可用于高炮陣地的風(fēng)向和風(fēng)速的實(shí)時(shí)測(cè)量，為武器系統(tǒng)發(fā)射提供修正數(shù)據(jù)，提高命中率。在風(fēng)能資源的利用方面，相干測(cè)風(fēng)激光雷達(dá)測(cè)量的精確的風(fēng)場(chǎng)數(shù)據(jù)對(duì)風(fēng)力發(fā)電機(jī)的偏航誤差進(jìn)行矯正，使風(fēng)機(jī)能更好地對(duì)準(zhǔn)風(fēng)向，提高風(fēng)能資源的發(fā)電效率。

在相干測(cè)風(fēng)激光雷達(dá)中，從氣溶膠粒子的后向散射信號(hào)中實(shí)時(shí)反演出風(fēng)速是一個(gè)關(guān)鍵的問(wèn)題。常用的風(fēng)速反演方法是最大似然離散譜峰值算法，即風(fēng)速引起的多普勒頻率的最大似然解就是后向散射信號(hào)頻譜系數(shù)的最大值對(duì)應(yīng)的頻率。這需要把后向散射信號(hào)數(shù)據(jù)按照距離門(mén)分段并在每個(gè)距離門(mén)內(nèi)計(jì)算頻譜。頻譜的計(jì)算方法一般是使用周期圖法，利用離散傅里葉變換的快速算法FFT計(jì)算。在計(jì)算后向散射信號(hào)電壓數(shù)據(jù)的周期圖時(shí)，若每個(gè)距離門(mén)內(nèi)按照1024個(gè)電壓數(shù)據(jù)(或者通過(guò)補(bǔ)零的方法達(dá)到1024個(gè)電壓數(shù)據(jù))，則每個(gè)距離門(mén)需要計(jì)算1次1024點(diǎn)的FFT。典型的激光脈沖重復(fù)頻率高達(dá)10kHz，甚至是20kHz或更高，若探測(cè)的視向距離達(dá)到100個(gè)距離門(mén)，則需要在0.1ms(激光脈沖的重復(fù)頻率按照10kHz計(jì)算)的時(shí)間內(nèi)計(jì)算100次1024點(diǎn)的FFT。這對(duì)處理器的計(jì)算速度和數(shù)據(jù)的傳輸速度提出很高的要求。目前相干測(cè)風(fēng)激光雷達(dá)中實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)風(fēng)速反演的手段有：(1)使用專用集成電路——現(xiàn)場(chǎng)可編輯門(mén)陣列(FPGA)和(2)數(shù)字信號(hào)處理器(DSP)。使用這些器件存在一些問(wèn)題，比如開(kāi)發(fā)FPGA需要從頂層設(shè)計(jì)、模塊分層、邏輯實(shí)現(xiàn)、軟硬件調(diào)試等多方面著手。FPGA的開(kāi)發(fā)相對(duì)于傳統(tǒng)PC、單片機(jī)和數(shù)字信號(hào)處理器的開(kāi)發(fā)有很大不同。FPGA以硬件描述語(yǔ)言來(lái)實(shí)現(xiàn)，相比于計(jì)算機(jī)或單片機(jī)(無(wú)論是馮諾依曼結(jié)構(gòu)還是哈佛結(jié)構(gòu))的順序操作有很大區(qū)別，也造成了FPGA開(kāi)發(fā)入門(mén)較難，并且成本昂貴。同樣，開(kāi)發(fā)DSP的技術(shù)難度和成本也很高。

近年來(lái)，計(jì)算機(jī)圖形處理器(Graphics Processing Unit,GPU)的發(fā)展遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)了中央處理器(CPU)發(fā)展速度的摩爾定律，GPU以其性能、編程、價(jià)格及規(guī)模等優(yōu)越性而受到青睞。隨著GPU硬件的快速發(fā)展，GPU的并行處理能力和可編程能力也得到了很大程度的提高，使其越來(lái)越廣泛地應(yīng)用于圖形學(xué)之外的其它通用領(lǐng)域，即基于GPU的通用計(jì)算(General Purpose GPU,GPGPU)，為圖像處理、計(jì)算機(jī)仿真、虛擬現(xiàn)實(shí)、幾何計(jì)算、優(yōu)化計(jì)算、數(shù)值模擬等非圖形領(lǐng)域處理速度的提高提供良好的平臺(tái)。為了實(shí)現(xiàn)并行處理技術(shù)，并行程序設(shè)計(jì)技術(shù)也得到進(jìn)一步的發(fā)展，并隨著新的并行語(yǔ)言、并行編譯器和并行開(kāi)發(fā)工具等的出現(xiàn)而逐步完善與提高，也越來(lái)越廣泛的被廣大開(kāi)發(fā)人員所熟悉，并在實(shí)踐中得到發(fā)展。2007年NVIDIA推出了一種將GPU作為數(shù)據(jù)并行計(jì)算設(shè)備的軟硬件體系即統(tǒng)一計(jì)算設(shè)備結(jié)構(gòu)(Computer Unified Device Architecture,CUDA)。CUDA是一款革命性的并行計(jì)算架構(gòu)，其采用統(tǒng)一處理架構(gòu)，充分利用分布在像素著色器和頂點(diǎn)的計(jì)算資源，同時(shí)引入共享存儲(chǔ)器，使得線程之間可以相互通信。作為一項(xiàng)同時(shí)支持硬件和軟件的技術(shù)，CUDA利用圖形處理器中的多顆計(jì)算核心進(jìn)行通用計(jì)算處理，使得并行計(jì)算性能有了顯著的提升；此外，與以往的GPU編程語(yǔ)言不同，CUDA不再面向圖形計(jì)算，而是一種專業(yè)的GPGPU語(yǔ)言，為無(wú)需學(xué)習(xí)復(fù)雜的著色語(yǔ)言或圖像處理原語(yǔ)就能進(jìn)行GPU編程提供了可能，使得普通的開(kāi)發(fā)人員利用CUDA所提供的直接訪問(wèn)接口便可在一個(gè)友好、易編程的環(huán)境中開(kāi)發(fā)GPU潛在的并行處理能力。目前，GPU已發(fā)展成為一種高度并行化的可編程處理器，具有極高的存儲(chǔ)器帶寬和杰出的計(jì)算效率，同時(shí)具備了并行流處理的能力。流處理器己經(jīng)不僅僅用于實(shí)時(shí)渲染，而且可加速更多的應(yīng)用程序，并廣泛的應(yīng)用至高性能計(jì)算領(lǐng)域。CUDA采用了容易掌握的C語(yǔ)言進(jìn)行開(kāi)發(fā)，是包含NVIDIA擴(kuò)展和限制的一種類(lèi)C語(yǔ)言，它支持大多數(shù)C語(yǔ)言的語(yǔ)法和指令，并加入能夠使程序在GPU上采用多線程并行計(jì)算的語(yǔ)言擴(kuò)展。開(kāi)發(fā)人員可輕松地由自己所熟悉的C語(yǔ)言平穩(wěn)地過(guò)渡到CUDA。CUDA-C是對(duì)C語(yǔ)言的擴(kuò)展，采用CUDA-C編寫(xiě)GPU并行程序時(shí)，開(kāi)發(fā)人員不需要關(guān)心硬件的底層具體如何實(shí)現(xiàn)，而是直接按照CUDA的編程框架對(duì)算法進(jìn)行并行設(shè)計(jì)和代碼編寫(xiě)，以實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的并行處理操作從而達(dá)到提高其計(jì)算性能的目的。因此，GPU非常適合用于相干測(cè)風(fēng)激光雷達(dá)系統(tǒng)中風(fēng)速反演算法中的大量數(shù)據(jù)運(yùn)算。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的第一個(gè)目的在于提供方便、快捷、成本低、便于開(kāi)發(fā)和集成的相干測(cè)風(fēng)激光雷達(dá)中一種數(shù)據(jù)處理裝置。

本發(fā)明的第二個(gè)目的在于提供相干測(cè)風(fēng)激光雷達(dá)中一種數(shù)據(jù)處理方法，該方法具有并行數(shù)據(jù)處理的特點(diǎn)，快速高效，易于實(shí)現(xiàn)，降低相干測(cè)風(fēng)激光雷達(dá)的成本和開(kāi)發(fā)周期。

本發(fā)明的第一個(gè)目的是這樣實(shí)現(xiàn)的：

相干測(cè)風(fēng)激光雷達(dá)中一種數(shù)據(jù)處理裝置，特征是：包括激光發(fā)生器、收/發(fā)開(kāi)關(guān)、望遠(yuǎn)鏡、電信號(hào)驅(qū)動(dòng)器、合束器、光電轉(zhuǎn)換器和數(shù)據(jù)采集處理部分，數(shù)據(jù)采集處理部分又包括數(shù)據(jù)采集器、中央處理器、圖形處理器、輸出接口；在電信號(hào)驅(qū)動(dòng)器的驅(qū)動(dòng)下，激光發(fā)生器產(chǎn)生激光信號(hào)，經(jīng)過(guò)收/發(fā)開(kāi)關(guān)后到達(dá)望遠(yuǎn)鏡，經(jīng)過(guò)望遠(yuǎn)鏡后發(fā)射到大氣中，激光信號(hào)與大氣中的氣溶膠粒子相互作用，后向散射信號(hào)到達(dá)望遠(yuǎn)鏡，經(jīng)過(guò)望遠(yuǎn)鏡后到達(dá)收/發(fā)開(kāi)關(guān)，收/發(fā)開(kāi)關(guān)與合束器連接，合束器的另一端通過(guò)光纖與激光發(fā)生器的本振光輸出端連接，后向散射信號(hào)穿過(guò)收/發(fā)開(kāi)關(guān)到達(dá)合束器的另一端，與激光發(fā)生器產(chǎn)生的本振光在合束器相干(又稱拍頻、外差)，相干后的光信號(hào)經(jīng)過(guò)光電轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換成電信號(hào)，在電信號(hào)驅(qū)動(dòng)器的同步下由數(shù)據(jù)采集器量化成數(shù)字信號(hào)，在中央處理器的控制下由圖形處理器完成數(shù)據(jù)的運(yùn)算反演出風(fēng)速，并由輸出接口把結(jié)果輸出。

本發(fā)明的第二個(gè)目的是這樣實(shí)現(xiàn)的：

相干測(cè)風(fēng)激光雷達(dá)中一種數(shù)據(jù)處理方法，特征是：具體步驟如下：

A、中央處理器設(shè)置數(shù)據(jù)采集器的參數(shù)：設(shè)置數(shù)據(jù)采集器的采集速率、耦合方式、電壓范圍、觸發(fā)方式、偏置電壓、采集數(shù)據(jù)點(diǎn)數(shù)和數(shù)據(jù)交互方式；

B、數(shù)據(jù)采集器等待電信號(hào)驅(qū)動(dòng)器的觸發(fā)信號(hào)；

C、數(shù)據(jù)采集器采集后向散射信號(hào)數(shù)據(jù)：數(shù)據(jù)采集器受到電信號(hào)驅(qū)動(dòng)器的觸發(fā)后，開(kāi)始采集后向散射信號(hào)數(shù)據(jù)；采集后向散射信號(hào)數(shù)據(jù)完成后，通知中央處理器讀取后向散射信號(hào)數(shù)據(jù)；

D、中央處理器從數(shù)據(jù)采集器中把后向散射信號(hào)數(shù)據(jù)讀取，寫(xiě)入圖形處理器的存儲(chǔ)器中；

E、圖形處理器計(jì)算后向散射信號(hào)數(shù)據(jù)：在中央處理器的控制下，后向散射信號(hào)數(shù)據(jù)按照距離門(mén)被分成數(shù)據(jù)段，在圖形處理器上會(huì)被中央處理器創(chuàng)建相應(yīng)的線程數(shù)量，每個(gè)線程獨(dú)立運(yùn)行一個(gè)核程序，核程序負(fù)責(zé)計(jì)算后向散射信號(hào)數(shù)據(jù)中的一個(gè)數(shù)據(jù)段，通過(guò)計(jì)算把后向散射信號(hào)由時(shí)域變換成頻域，計(jì)算出后向散射信號(hào)的幅度譜，存儲(chǔ)于圖形處理器的存儲(chǔ)器中；充分利用圖形處理器的大量算術(shù)邏輯單元和存儲(chǔ)帶寬，多個(gè)線程同時(shí)并行計(jì)算，每個(gè)線程可根據(jù)自己的標(biāo)識(shí)符即線程號(hào)來(lái)執(zhí)行計(jì)算任務(wù)、訪問(wèn)存儲(chǔ)空間以及與其它線程進(jìn)行通信；

F、后向散射信號(hào)的幅度譜的累積：數(shù)據(jù)采集器受到電信號(hào)驅(qū)動(dòng)器的觸發(fā)信號(hào)觸發(fā)一次，完成一次后向散射信號(hào)幅度譜計(jì)算，多次數(shù)據(jù)采集器受到電信號(hào)驅(qū)動(dòng)器的觸發(fā)信號(hào)觸發(fā)，完成多次后向散射信號(hào)幅度譜計(jì)算，把多次后向散射信號(hào)幅度譜分別累加，完成后向散射信號(hào)的幅度譜的累積；

G、反演風(fēng)速：圖形處理器的每個(gè)線程完成后向散射信號(hào)的幅度譜的累積后，在中內(nèi)處理器的控制下，每個(gè)線程中執(zhí)行最大似然離散譜峰值估計(jì)算法求解出風(fēng)速；

H、風(fēng)速反演結(jié)果輸出：在中央處理器的控制下，由輸出接口把風(fēng)速反演結(jié)果輸出。

本發(fā)明的工作原理：

本發(fā)明利用圖形處理器具有極高的存儲(chǔ)器帶寬和杰出的計(jì)算效率以及高度并行化的可編程能力，在圖形處理器的內(nèi)部創(chuàng)建多個(gè)線程的方式并行地運(yùn)行相干測(cè)風(fēng)激光雷達(dá)的風(fēng)速反演程序，按照后向散射信號(hào)數(shù)據(jù)的距離門(mén)分段，并行地處理每個(gè)數(shù)據(jù)段的后向散射信號(hào)數(shù)據(jù)、完成距離門(mén)內(nèi)后向散射信號(hào)數(shù)據(jù)的幅度譜累積、運(yùn)行最大離散譜峰值估計(jì)算法反演出風(fēng)速。

本發(fā)明由于圖形處理器具有用于數(shù)據(jù)計(jì)算和處理的大量的算法邏輯單元和存儲(chǔ)帶寬，負(fù)責(zé)執(zhí)行計(jì)算密集型及高度線程化的并行處理任務(wù)，因此特別適用于計(jì)算密集型、高度并行化的計(jì)算。本發(fā)明在相干測(cè)風(fēng)激光雷達(dá)系統(tǒng)的反演風(fēng)速中，把相干測(cè)風(fēng)激光雷達(dá)中的后向散射信號(hào)數(shù)據(jù)按照距離門(mén)分成數(shù)據(jù)段，并分配給圖形處理器計(jì)算處理；中央處理器在圖形處理器中創(chuàng)建與距離門(mén)相應(yīng)的線程數(shù)，每個(gè)線程負(fù)責(zé)計(jì)算和處理1個(gè)距離門(mén)內(nèi)的后向散射信號(hào)數(shù)據(jù)、計(jì)算后向散射信號(hào)的幅度譜和執(zhí)行風(fēng)速反演程序，最后把風(fēng)速反演的結(jié)果輸出；圖形處理器的多個(gè)線程同時(shí)并發(fā)地計(jì)算和處理，使得相干測(cè)風(fēng)激光雷達(dá)系統(tǒng)能夠?qū)崟r(shí)高效地反演出風(fēng)速，并且實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單、方便快捷。

本發(fā)明按照距離門(mén)分段并行處理后向散射信號(hào)數(shù)據(jù)的方式與圖形處理器的工作方式近似，因此圖形處理器也特別適用于相干測(cè)風(fēng)激光雷達(dá)的數(shù)據(jù)處理中。本發(fā)明中使用圖形處理器是成熟的商用產(chǎn)品，用于并行處理相干測(cè)風(fēng)激光雷達(dá)中后向散射信號(hào)數(shù)據(jù)具有處理速率實(shí)時(shí)高效、結(jié)構(gòu)和思路清晰簡(jiǎn)單、程序設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)容易、降低系統(tǒng)研制成本、縮短系統(tǒng)研制周期等優(yōu)點(diǎn)。

附圖說(shuō)明

圖1為本發(fā)明的原理框圖，圖中：1為激光發(fā)生器，2為收/發(fā)開(kāi)關(guān)，3為望遠(yuǎn)鏡，4為電信號(hào)驅(qū)動(dòng)器，5為合束器，6為光電轉(zhuǎn)換器，7為數(shù)據(jù)采集處理部分；

圖2為本發(fā)明中數(shù)據(jù)采集處理部分的原理框圖，其中：71為數(shù)據(jù)采集器，72為圖形處理器，73為輸出接口，74為中央處理器；

圖3為中央處理器設(shè)置數(shù)據(jù)采集器的流程圖；

圖4為后向散射信號(hào)數(shù)據(jù)按照距離門(mén)分段交給圖形處理器處理的示意圖。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合實(shí)施例并對(duì)照附圖對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步詳細(xì)說(shuō)明。

相干測(cè)風(fēng)激光雷達(dá)中一種數(shù)據(jù)處理裝置，包括激光發(fā)生器1、收/發(fā)開(kāi)關(guān)2、望遠(yuǎn)鏡3、電信號(hào)驅(qū)動(dòng)器4、合束器5、光電轉(zhuǎn)換器6和數(shù)據(jù)采集處理部分7，以及數(shù)據(jù)采集器71、圖形處理器72、輸出接口73和中央處理器74，激光發(fā)生器1在電信號(hào)驅(qū)動(dòng)器4的驅(qū)動(dòng)下發(fā)射出激光信號(hào)，經(jīng)過(guò)收/發(fā)開(kāi)關(guān)2后到達(dá)望遠(yuǎn)鏡3，經(jīng)過(guò)望遠(yuǎn)鏡3發(fā)射到大氣中，激光信號(hào)與大氣中的氣溶膠粒子相互作用，后向散射信號(hào)到達(dá)望遠(yuǎn)鏡3，經(jīng)過(guò)望遠(yuǎn)鏡3后到達(dá)收/發(fā)開(kāi)關(guān)4，收/發(fā)開(kāi)關(guān)4與合束器5連接，合束器5的另一端通過(guò)光纖與激光發(fā)生器1的本振光輸出端連接，后向散射信號(hào)穿過(guò)收/發(fā)開(kāi)關(guān)2到達(dá)合束器5的另一端，與激光發(fā)生器1產(chǎn)生的本振光在合束器5相干(又稱拍頻、外差)，相干后的光信號(hào)經(jīng)過(guò)光電轉(zhuǎn)換器6轉(zhuǎn)換成電信號(hào)，在電信號(hào)驅(qū)動(dòng)器4的同步下由數(shù)據(jù)采集器71量化成數(shù)字信號(hào)，在中央處理器74的控制下由圖形處理器72完成數(shù)據(jù)的運(yùn)算反演出風(fēng)速，并由輸出接口73把結(jié)果輸出。

相干測(cè)風(fēng)激光雷達(dá)中一種數(shù)據(jù)處理方法，具體步驟如下：

A、中央處理器設(shè)置數(shù)據(jù)采集器的參數(shù)：設(shè)置數(shù)據(jù)采集器的采集速率、耦合方式、電壓范圍、觸發(fā)方式、偏置電壓、采集數(shù)據(jù)點(diǎn)數(shù)和數(shù)據(jù)交互方式，設(shè)置的流程如圖3所示；

B、數(shù)據(jù)采集器等待電信號(hào)驅(qū)動(dòng)器的觸發(fā)信號(hào)；

C、數(shù)據(jù)采集器采集后向散射信號(hào)數(shù)據(jù)：數(shù)據(jù)采集器受到電信號(hào)驅(qū)動(dòng)器的觸發(fā)后，開(kāi)始采集后向散射信號(hào)數(shù)據(jù)；采集后向散射信號(hào)數(shù)據(jù)完成后，通知中央處理器讀取后向散射信號(hào)數(shù)據(jù)；

D、中央處理器從數(shù)據(jù)采集器中把后向散射信號(hào)數(shù)據(jù)讀取，寫(xiě)入圖形處理器的存儲(chǔ)器中；

E、圖形處理器計(jì)算后向散射信號(hào)數(shù)據(jù)：在中央處理器的控制下，后向散射信號(hào)數(shù)據(jù)按照距離門(mén)被分成數(shù)據(jù)段，如圖4所示，在圖形處理器上會(huì)被中央處理器創(chuàng)建相應(yīng)的線程數(shù)量，每個(gè)線程獨(dú)立運(yùn)行一個(gè)核程序，核程序負(fù)責(zé)計(jì)算后向散射信號(hào)數(shù)據(jù)中的一個(gè)數(shù)據(jù)段，通過(guò)計(jì)算把后向散射信號(hào)由時(shí)域變換成頻域，計(jì)算出后向散射信號(hào)的幅度譜，存儲(chǔ)于圖形處理器的存儲(chǔ)器中；充分利用圖形處理器的大量算術(shù)邏輯單元和存儲(chǔ)帶寬，多個(gè)線程同時(shí)并行計(jì)算，每個(gè)線程可根據(jù)自己的標(biāo)識(shí)符即線程號(hào)來(lái)執(zhí)行計(jì)算任務(wù)、訪問(wèn)存儲(chǔ)空間以及與其它線程進(jìn)行通信；若后向散射信號(hào)電壓數(shù)據(jù)分成N個(gè)距離門(mén)，則在圖形處理器內(nèi)創(chuàng)建N個(gè)處理線程，線程的線程號(hào)記為n(0≤n≤N-1)，每個(gè)線程分配的后向散射信號(hào)數(shù)據(jù)個(gè)數(shù)為M，分配的后向散射信號(hào)數(shù)據(jù)記為(x_n0,x_n1,…,x_nM-1)，則第n(0≤n≤N-1)個(gè)線程的幅度譜為，

式中，f_s為數(shù)據(jù)采集器的采樣速率，

F、后向散射信號(hào)的幅度譜的累積：數(shù)據(jù)采集器受到電信號(hào)驅(qū)動(dòng)器的觸發(fā)信號(hào)觸發(fā)一次，完成一次后向散射信號(hào)幅度譜計(jì)算，多次數(shù)據(jù)采集器受到電信號(hào)驅(qū)動(dòng)器的觸發(fā)信號(hào)觸發(fā)，完成多次后向散射信號(hào)幅度譜計(jì)算，把多次后向散射信號(hào)幅度譜分別累加，完成后向散射信號(hào)的幅度譜的累積；

G、反演風(fēng)速：圖形處理器的每個(gè)線程完成后向散射信號(hào)的幅度譜的累積后，在中內(nèi)處理器的控制下，每個(gè)線程中執(zhí)行最大似然離散譜峰值估計(jì)算法求解出風(fēng)速；

H、風(fēng)速反演結(jié)果輸出：在中央處理器的控制下，由輸出接口把風(fēng)速反演結(jié)果輸出。