1.本发明涉及激光测风检测技术领域，具体为一种多路数据同步采集激光测风系统。
背景技术：2.激光测风雷达是使用激光作为探测介质、相干检测作为鉴频手段、光纤作为各个器件间光通道、以大气中直径为0.01μm～1μm的气溶胶粒子为探测目标，遥感大气风场信息的探测系统，采用fpga处理高速率数据流是比较常见做法，随着数据流速率不断提高，在普通工艺fpga(28nm)上处理400m数据流难以稳定，容易产生毛刺噪声。只能选用更高工艺要求fpga来满足其稳定要求，但成本会大幅提高，我们设计了一种多路数据同步采集激光测风系统。
技术实现要素：3.本发明提供一种多路数据同步采集激光测风系统可以解决上述背景技术中的问题，在普通主流工艺fpga上实现3通道同步400m数据流处理，可以完成3路数据同步采集、频谱及累加等运算，本系统可动态选择工作模式，数据逻辑结构紧凑，系统资源使用率较低、低系统时钟处理、数据稳定可靠，经充分在线实测运行，达到预想设计。
4.为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：一种多路数据同步采集激光测风系统，包括信号采集、fgpa数据处理、模值计算、累积计算，所述多路数据同步采集激光测风系统包括以下步骤：
5.步骤一，信号采集：pga产生10k、脉宽比可调方波，经da驱动激光器产生10k光脉冲输出，同时10k脉冲作为采样启动同步信号，单路或三路信号经dga放大、lf滤波、ad转换(400m)，输出12bit并行数据进fpga，时钟芯片电路产生4路同步400m时钟，其中3路时钟分别给ad，另一路时钟送入fpga作为系统时钟；
6.步骤二，fgpa数据处理：fpga数据处理机制采用乒乓方式，分2个大块，每块间隔操作时间为200us，每个大块有10个通道，每个通道有单独的fifo及fft模块，根据10k同步脉冲信号轮换将ad数据依次送入大块内的每个小通道，其中涉及到补数据问题(fft整次幂计算)，在fifo写入数据时同时备份补数据，用200m时钟抽取2级fifo(正常数据、补数据)凑齐fft所需的计算点数；
7.步骤三，fgpa数据处理：fft计算完成后送入模值计算模块(频谱对称取一半)，模值计算完成后送入fifo存储，等待模值累加，下一次模值结果分别与当前fifo中的对应点相累加，累加次数到达设定值后与其他9个通道数据合并，组成完整数据库，将数据库通过dma送入arm端，由arm cpu对每个距离库的数据点进行曲线拟合，并计算出每个库上风速、风向、谱宽等特性，完成一次测量。
8.优选的，测风激光器脉冲间隔一般维持在10k频率，需要在100us内完成3通道10km数据计算，获取大气各个距离层内的风速、风向、谱宽等信息，激光器返回波经单模保偏耦
合器进入平衡探测器进行混频，混频之后信号的中心频率为80m，信号有效带宽为160m，对应0～70m/s风速，采用400m高速ad转换满足其要求。
9.优选的，每个小通道可以对单路或三路同时数据处理及运算，采用流水操作机制，每个小通道处理数据点为2880个或8640个(三通道数据同步计算)，每个通道处理最大时间为165us，满足10k光脉冲间隔要求，每个小通道fft完成后进行各自模值累加(累加次数可配置)，累加次数到达设定值后数据拼接，完成10m探测范围。
10.与现有技术相比，本发明的有益效果是：本发明在普通主流工艺fpga上实现3通道同步400m数据流处理，可以完成3路数据同步采集、频谱及累加等运算，可满足单方向或三方向同时测量，对不同距离库分辨率、提高频谱分辨率、提高信号信噪比及合理选择光脉宽等不同具体要求动态实现，获取不同大气风层的风速、风向、气溶胶密度等物理特性，从而反演出大气中不同距离层风切变和湍流强度，适用范围广，可以在低中工艺平台上稳定运行，成本低，可选择的硬件平台较宽，全部处理过程可由一片fpga+arm完成，大大简化了电路和设备结构，提高了测量设备的稳定性和可靠性。
附图说明
11.图1为本发明一种多路数据同步采集激光测风系统的流程图；
12.图2为本发明一种多路数据同步采集激光测风系统中信号输入示意图；
13.图3为本发明一种多路数据同步采集激光测风系统中信号fpga处理流程示意图。
具体实施方式
14.为使本发明实现的技术手段、创作特征、达成目的与功效易于明白了解，下面结合具体实施方式，进一步阐述本发明。
15.下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
16.实施例1
17.请参阅图1，本发明提供一种技术方案：一种多路数据同步采集激光测风系统，包括信号采集、fgpa数据处理、模值计算、累积计算，所述多路数据同步采集激光测风系统包括以下步骤：
18.步骤一，信号采集：pga产生10k、脉宽比可调方波，经da驱动激光器产生10k光脉冲输出，同时10k脉冲作为采样启动同步信号，单路或三路信号经dga放大、lf滤波、ad转换(400m)，输出12bit并行数据进fpga，时钟芯片电路产生4路同步400m时钟，其中3路时钟分别给ad，另一路时钟送入fpga作为系统时钟；
19.步骤二，fgpa数据处理：fpga数据处理机制采用乒乓方式，分2个大块，每块间隔操作时间为200us，每个大块有10个通道，每个通道有单独的fifo及fft模块，根据10k同步脉冲信号轮换将ad数据依次送入大块内的每个小通道，其中涉及到补数据问题(fft整次幂计算)，在fifo写入数据时同时备份补数据，用200m时钟抽取2级fifo(正常数据、补数据)凑齐fft所需的计算点数；
20.步骤三，fgpa数据处理：fft计算完成后送入模值计算模块(频谱对称取一半)，模值计算完成后送入fifo存储，等待模值累加，下一次模值结果分别与当前fifo中的对应点相累加，累加次数到达设定值后与其他9个通道数据合并，组成完整数据库，将数据库通过dma送入arm端，由arm cpu对每个距离库的数据点进行曲线拟合，并计算出每个库上风速、风向、谱宽等特性，完成一次测量。
21.进一步的，测风激光器脉冲间隔一般维持在10k频率，需要在100us内完成3通道10km数据计算，获取大气各个距离层内的风速、风向、谱宽等信息，激光器返回波经单模保偏耦合器进入平衡探测器进行混频，混频之后信号的中心频率为80m，信号有效带宽为160m，对应0～70m/s风速，采用400m高速ad转换满足其要求；
22.进一步的，每个小通道可以对单路或三路同时数据处理及运算，采用流水操作机制，每个小通道处理数据点为2880个或8640个(三通道数据同步计算)，每个通道处理最大时间为165us，满足10k光脉冲间隔要求，每个小通道fft完成后进行各自模值累加(累加次数可配置)，累加次数到达设定值后数据拼接，完成10m探测范围。
23.本发明通过以下步骤完成整个多路数据同步采集激光测风系统，信号采集：pga产生10k、脉宽比可调方波，经da驱动激光器产生10k光脉冲输出，同时10k脉冲作为采样启动同步信号，单路或三路信号经dga放大、lf滤波、ad转换(400m)，输出12bit并行数据进fpga，时钟芯片电路产生4路同步400m时钟，其中3路时钟分别给ad，另一路时钟送入fpga作为系统时钟；步骤二，fgpa数据处理：fpga数据处理机制采用乒乓方式，分2个大块，每块间隔操作时间为200us，每个大块有10个通道，每个通道有单独的fifo及fft模块，根据10k同步脉冲信号轮换将ad数据依次送入大块内的每个小通道，其中涉及到补数据问题(fft整次幂计算)，在fifo写入数据时同时备份补数据，用200m时钟抽取2级fifo(正常数据、补数据)凑齐fft所需的计算点数；步骤三，fgpa数据处理：fft计算完成后送入模值计算模块(频谱对称取一半)，模值计算完成后送入fifo存储，等待模值累加，下一次模值结果分别与当前fifo中的对应点相累加，累加次数到达设定值后与其他9个通道数据合并，组成完整数据库，将数据库通过dma送入arm端，由arm cpu对每个距离库的数据点进行曲线拟合，并计算出每个库上风速、风向、谱宽等特性，完成一次测量，本发明在普通主流工艺fpga上实现3通道同步400m数据流处理，可以完成3路数据同步采集、频谱及累加等运算，可满足单方向或三方向同时测量，对不同距离库分辨率、提高频谱分辨率、提高信号信噪比及合理选择光脉宽等不同具体要求动态实现，获取不同大气风层的风速、风向、气溶胶密度等物理特性，从而反演出大气中不同距离层风切变和湍流强度，适用范围广，可以在低中工艺平台上稳定运行，成本低，可选择的硬件平台较宽，全部处理过程可由一片fpga+arm完成，大大简化了电路和设备结构，提高了测量设备的稳定性和可靠性具备一定的使用前景。
24.参阅附图2，3路信号进dga放大后送入ad转换，时钟电路产生4路同步400m时钟分别给ad，完成ad转换；fpga产生10k脉冲给da驱动激光器输出光脉冲，同时作为fpga采样同步信号；参阅附图3，fpga数据处理分为2个大块，兵乓操作机制；输入3路模拟信号经ad 400m并行采样转换，每路ad采样总点数28800个；采集点顺序送入10个通道fifo，写入的同时存储补数据；每个小通道处理2880，总共处理9个距离库数据(2880/320＝9个库，10个通道一共90个距离库)；数据凑整完成后用200m时钟送入fft模块(120m距离库，原始点320，补上一个库原始数据192个点，凑整512个点)计算频谱；模值计算完送入fifo进行累积叠加
(如果采用3000次累积计算，每个大块完成1500累积次数；10k同步脉冲，完成一次完整测量需要0.3s)；累积次数到达设定值后将2个大块数据合并叠加，完成3000次累加、10.8km测量；如果3通道同步测量，3通道ad采样数据同时送入10路中的3路独立fifo，数据补齐凑整后同时送入fft模块(fft模块可以同时计算3路数据)，后续流程与单通道类似(需增加三路fifo)。
25.尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。
技术特征：1.一种多路数据同步采集激光测风系统，包括信号采集、fgpa数据处理、模值计算、累积计算，所述多路数据同步采集激光测风系统包括以下步骤：步骤一，信号采集：pga产生10k、脉宽比可调方波，经da驱动激光器产生10k光脉冲输出，同时10k脉冲作为采样启动同步信号，单路或三路信号经dga放大、lf滤波、ad转换(400m)，输出12bit并行数据进fpga，时钟芯片电路产生4路同步400m时钟，其中3路时钟分别给ad，另一路时钟送入fpga作为系统时钟；步骤二，fgpa数据处理：fpga数据处理机制采用乒乓方式，分2个大块，每块间隔操作时间为200us，每个大块有10个通道，每个通道有单独的fifo及fft模块，根据10k同步脉冲信号轮换将ad数据依次送入大块内的每个小通道，其中涉及到补数据问题(fft整次幂计算)，在fifo写入数据时同时备份补数据，用200m时钟抽取2级fifo(正常数据、补数据)凑齐fft所需的计算点数；步骤三，fgpa数据处理：fft计算完成后送入模值计算模块(频谱对称取一半)，模值计算完成后送入fifo存储，等待模值累加，下一次模值结果分别与当前fifo中的对应点相累加，累加次数到达设定值后与其他9个通道数据合并，组成完整数据库，将数据库通过dma送入arm端，由arm cpu对每个距离库的数据点进行曲线拟合，并计算出每个库上风速、风向、谱宽等特性，完成一次测量。2.根据权利要求1所述的一种多路数据同步采集激光测风系统，其特征在于：测风激光器脉冲间隔一般维持在10k频率，需要在100us内完成3通道10km数据计算，获取大气各个距离层内的风速、风向、谱宽等信息，激光器返回波经单模保偏耦合器进入平衡探测器进行混频，混频之后信号的中心频率为80m，信号有效带宽为160m，对应0～70m/s风速，采用400m高速ad转换满足其要求。3.根据权利要求1所述的一种多路数据同步采集激光测风系统，其特征在于：每个小通道可以对单路或三路同时数据处理及运算，采用流水操作机制，每个小通道处理数据点为2880个或8640个(三通道数据同步计算)，每个通道处理最大时间为165us，满足10k光脉冲间隔要求，每个小通道fft完成后进行各自模值累加(累加次数可配置)，累加次数到达设定值后数据拼接，完成10m探测范围。
技术总结本发明公开了一种多路数据同步采集激光测风系统，涉及激光测风检测领域。本发明在普通主流工艺FPGA上实现3通道同步400M数据流处理，可以完成3路数据同步采集、频谱及累加等运算，可满足单方向或三方向同时测量，对不同距离库分辨率、提高频谱分辨率、提高信号信噪比及合理选择光脉宽等不同具体要求动态实现，获取不同大气风层的风速、风向、气溶胶密度等物理特性，从而反演出大气中不同距离层风切变和湍流强度，适用范围广，可以在低中工艺平台上稳定运行，成本低，可选择的硬件平台较宽，全部处理过程可由一片FPGA+ARM完成，大大简化了电路和设备结构，提高了测量设备的稳定性和可靠性，具备一定的使用前景。具备一定的使用前景。具备一定的使用前景。
技术研发人员：田树银
受保护的技术使用者：南京瑞达风镭光电科技有限公司
技术研发日：2022.03.28
技术公布日：2022/7/5
