[发明专利]一种基于通用计算显卡的多普勒数据处理方法

说明书

本发明提供了一种基于通用计算显卡的多普勒数据处理方法，步骤包括：对连续电波数据流进行分段处理获得电波信号数据段，建立随时间变化的电波信号数据模型；根据电波信号数据模型构建用于微分演化算法的目标函数；设置微分演化算法的初始参数、控制参数以及运行时自动参数；利用通用计算显卡的多线程并行加速对各个电波信号数据段进行微分演化算法处理。该数据处理方法在数据拟合时使用了微分演化算法，因此采用通用计算显卡技术来加速数据处理，拟合得到的相位表达式为泰勒多项式，可以进一步计算得到瞬时相位、频率、频率一阶导数以及不同积分尺度的总相位，这些观测量可以方便地应用于掩星、重力场等行星无线电科学研究中。

技术领域

本发明涉及一种多普勒数据处理方法，尤其是一种基于通用计算显卡的多普勒数据处理方法。

背景技术

在深空探测任务中，通常利用无线电手段来探测感兴趣的物理现象，这种研究一般称之为无线电科学由于飞行器和台站的运动和引力环境差异以及信号链路传播空间的介电特质、引力特性，电磁波的物理参数会发生变化，包括频率、幅度、极化等参数的变化，通过电磁波参数变化的监测，可以反演飞行器的运动状态和信号链路传播空间的介电参数、引力参数，这种研究手段被广泛地应用于行星科学、空间物理学以及基础物理学等研究领域。在行星科学研究中，电磁波的相位和幅度变化通常被用来研究行星大气组分、电离层分布以及行星重力场。在大气和电离层的研究中，通过检测电磁波相位和幅度的瞬时变化来反演行星大气和电离层参数以及行星际电离层分布；在行星重力场研究中，为了提高测量精度，一般采用积分多普勒或者总相位作为观测量来解算重力场。这些研究都以高精度的电磁波测量精度作为基础。

在多普勒基带数据处理中，所需计算量甚为庞大，block和RSR接收机采用了专用电路(Application Specific Integrated Circuit，ASIC)板卡来计算相位，通过相位计数算法实现多普勒数据处理。随着通用计算设备计算能力的提高，也有一些通用计算设备被用于多普勒数据的处理，如基于gnuradio平台的USRP(Universal Software RadioPeripheral)板卡，这种板卡通过FFT算法实现相位追踪。基于通用计算显卡的相位计算方法，这种方法通过泰勒多项式拟合基带相位，从而给出数据块中心邻域内解析形式的相位表达式，泰勒多项式拟合使用了微分演化算法来计算多项式系数，对基带数据拟合所需计算甚为庞大。

通过数据拟合得到的相位和频率的表达形式为分段泰勒多项式，通过调整数据块的长度和多项式阶数，相位拟合整体截断误差将保持在噪声水平σ_T(积分时间T对应数据块长度，通常取为2秒)。在行星掩星研究中通常需要高分辨率的多普勒观测，采样频率一般为100Hz，多普勒的提取采用的是FFT算法，多普勒的计算精度为σ_0.01。一般情况下，积分时间越长得到的多普勒观测量精度越高，因此在掩星观测中利用FFT算法并非最优方法。在卡西尼的观测测试中，在频率快速变化情况下(df/dt1500rad/s)，硬件多普勒设备会发生信号失锁的问题。

发明内容

本发明要解决的技术问题是：在采用微分演化算法后对原始跟踪数据的相位拟合所需计算量很大，需要采用较快的数据加速处理技术。

为了解决上述技术问题，本发明提供了一种基于通用计算显卡的多普勒数据处理方法，包括如下步骤：

步骤1，对连续电波数据流进行分段处理获得电波信号数据段，建立随时间变化的电波信号数据模型；

步骤2，根据电波信号数据模型构建用于微分演化算法的目标函数；

步骤3，设置微分演化算法的初始参数、控制参数以及运行时自动参数；

步骤4，利用通用计算显卡的多线程并行加速对各个电波信号数据段进行微分演化算法处理。

进一步，步骤1中，建立随时间变化的电波信号数据模型的具体步骤为：

首先，将电波信号数据段的通过有限项泰勒多项式展开为：