CN101158572A - 频分复用式并行激光测长仪 - Google Patents

Abstract

本发明频分复用式并行激光测长仪涉及激光长度测量方法、三维测量方法和激光三维成像方法的技术领域，该测长仪采用多路频分复用调制、同步鉴相并行测长的新技术，其利用DDS技术实现多路激光频分复用正弦调制，利用FFT算法同时对多路合成信号鉴相，然后同时得到各点距离。本发明的有益效果是：该测长仪充分利用了频分复用多路调制，并采用单路光电接收器同时接收多路漫反射激光调制信号，利用DSP高速数字傅立叶变换技术实现多路信号的同步数字检相功能，从而实现多路激光并行鉴相测长，极大地提高了测长的速度和效率。

Description

频分复用式并行激光测长仪

技术领域

本发明涉及激光长度测量方法、三维测量方法和激光三维成像方法的技术领域，尤其涉及一种频分复用式并行激光测长仪。

背景技术

现有的相位激光测长仪主要是由控制与处理单元控制直接数字式频率合成器(DirectDigital Synthesizer；DDS)产生一路激光调制信号，发出的激光调制信号打到待测目标上发生漫反射，返回的光到达同一光电接收器，并和DDS产生的本振信号进行混频，得到含一路正弦波相位延迟的测距信号，经过鉴相电路后得到被测点激光相位差，从而测定激光的往返时间，进一步计算出被测点与测距仪之间的距离。

上述相位激光测长仪的缺点是：采用单光束发射、单光束接收，其测量速度慢，鉴相精度低；若多个鉴相式激光测长仪同时工作，则各测长仪调制光之间相互干扰，无法实现并行工作；若采用时分复用技术实现多个测长仪分时工作，则测量系统体积大，功耗大，系统复杂，无法满足三维测量的要求。

发明内容

本发明的目的是提供一种频分复用式并行激光测长仪，其充分利用了频分复用多路调制，并采用单路光电接收器同时接收多路漫反射激光调制信号，利用数字信号处理器(DigitalSignal Processor；DSP)高速数字傅立叶变换技术实现多路信号的同步数字检相功能，从而实现多路激光并行鉴相测长，极大地提高了测长的速度和效率。

为了达到上述目的，本发明的技术方案如下：

频分复用式并行激光测长仪，主要由数字信号处理器1、DDS主振模块2、DDS本振模块3、激光调制与发射模块4、光电接收器6、第一混频模块7、第二混频模块8和A/D转换电路9组成；数字信号处理器1发送控制信号给DDS主振模块2和DDS本振模块3，DDS主振模块2根据该控制信号产生多路主振信号并发送给激光调制与发射模块4，激光调制与发射模块4经过该多路主振信号的驱动而发射多束激光，该多束激光照射到待测目标5上并发生漫反射，经过漫反射的多束激光由光电接收器6接收；DDS本振模块3根据数字信号处理器1发送的控制信号产生本振信号，该本振信号与该多路主振信号通过第一混频模块7进行混频后产生参考信号；光电接收器6将接收的多束激光信号转换为合成电信号，并输出给第二混频模块8，该合成电信号与DDS本振模块3产生的本振信号通过第二混频模块8进行混频后产生测量信号；A/D转换电路9对上述参考信号和测量信号进行模数转换后输出给数字信号处理器1，数字信号处理器1接收并处理A/D转换电路9输出的两路数字信号。

上述第一混频模块7和第二混频模块8主要由混频器10和带通滤波器11组成；上述激光调制与发射模块4为激光器。

本发明的有益效果是：频分复用式并行激光测长仪充分利用了频分复用多路调制，并采用单路光电接收器同时接收多路漫反射激光调制信号，利用DSP高速数字傅立叶变换技术实现多路信号的同步数字检相功能，从而实现多路激光并行鉴相测长，极大地提高了测长的速度和效率。

附图说明

图1是本发明的频分复用式并行激光测长仪的结构框图。

图2是本发明一实施例的光电接收器的电路图。

图3是本发明一实施例的混频模块的原理示意图。

图4是本发明一实施例8点的基2-DIT FFT信号流程图。

图中：1、数字信号处理器，2、DDS主振模块，3、DDS本振模块，4、激光调制与发射模块，5、待测目标，6、光电接收器，7、第一混频模块，8、第二混频模块，9、A/D转换电路，10、混频器，11、带通滤波器。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步详细地描述：

如图1所示，本发明的频分复用式并行激光测长仪主要由数字信号处理器1、DDS主振模块2、DDS本振模块3、激光调制与发射模块4、光电接收器6、第一混频模块7、第二混频模块8和A/D转换电路9组成。该测长仪的工作原理是：由数字信号处理器(DSP)1控制m路DDS主振模块2产生m路主振信号，控制DDS本振模块3产生一路本振信号，m路主振信号的合成信号与作为本振信号的一路输出接到第一混频模块7进行混频后产生参考信号；m路主振信号驱动多路激光调制与发射模块4即激光器发射多束激光调制信号，各路调制信号之间的频差为Δf，即f_m＝f_m-1+Δf，(m＝2，3，4...)，各路信号占用不同的频率，这样充分利用了调制信号的频带；发出的多束激光调制信号打到待测目标5上发生漫反射，返回的多束激光调制信号到达同一光电接收器6，经过光电接收器6处理后的电压信号和DDS本振模块3产生的本振信号进入第二混频模块8进行混频，得到含多路正弦波相位的测距信号，经过高速双路A/D转换电路9后，采样数据送入数字信号处理器(DSP)1进行快速傅立叶(FFT)变换，由算法分别求出各路调制信号在被测距离上往返所产生的相位差，间接测定激光的往返时间，进一步计算出各点距离。

如图2所示，其为本发明光电接收器的典型电路示意图，光电接收器采用探测灵敏度高的雪崩光电二极管(APD)，图中，U为APD的偏置电源，R1为限流电阻，C为滤波电容，尽可能离APD近，R2为反馈电阻，通过这个电路将接收到的光信号转换成电压信号输出给混频器10。

如图3所示，为了保证一定的鉴相精度，要在数据采集之前通过主振频率u_c与本振频率u_L混频，变成中低频信号，由于混频后的差频信号仍保持着原高频信号的相位关系，所以，测量中低频信号的相位差就等于测量主振信号经被测距离后的相位延迟量。由于各路信号同时返回，经宽带混频器10和带通滤波器11后得到的是各路信号的叠加信号u_l。

本发明频分复用式并行激光测长仪中的模数转换电路选取得是AD公司生产的AD73360模数转换芯片，它具有6个独立的采集通道，可实现多通道同步采集，采集精度为16位，不产生相位差。对于每一种路测距信号，采集后的的两路数据分别为差频后的低频或中频参考信号和测量信号，利用DSP强大的数据处理能力对两路数据分别作快速傅立叶变换，求出其频谱分布，算出两路信号的初始相位，实现数字鉴相过程。

本发明采用的FFT运算原理如下：

快速傅立叶变换(FFT)是离散傅立叶变换(DFT)的一种高效运算方法，FFT使DFT的运算大大简化，运算时间一般可以缩短一二个数量级。长度为N的有限长序列x(n)的DFT为：

$X\left(k\right)=\underset{n=0}{\overset{N-1}{\mathrm{\Σ}}}x\left(n\right)W_N^{\mathrm{kn}},k=\mathrm{0,1},...,N-1---\left(1\right)$

式中，W_N＝e^-j2π/N，称为碟形因子。

由于N为偶数，可将N点的输入序列x(n)分为奇数序列x₁(n)＝x(2n+1)和偶数序列x₂(n)＝x(2n)两部分，分别做N/2点的DFT变换，可表示为：

$X\left(k\right)=X_1\left(k\right)+W_N^k{X}_2\left(k\right),k=\mathrm{0,1},...,\frac{N}{2}-1---\left(2\right)$

$X(k+\frac{N}{2})=X_1\left(k\right)-W_N^k{X}_2\left(k\right),k=\mathrm{0,1},...,\frac{N}{2}-1---\left(3\right)$

这样就将N点DFT分为两个N/2点的DFT的运算，按照同一原理进一步抽取，最终可得出两点时域抽取法的信号流程，如图4所示。

本发明采用的鉴相基本原理如下：

对单一频率的正弦信号(f＝f_m m＝1，2，3...)的采样序列为

$x\left(n\right)=\sin \left(\frac{2\mathrm{\π}}{N}\mathrm{qn}\right)---\left(4\right)$

式中，N为总的采样点数，q为一整数(q＝0，1，…，N-1)；其离散傅里叶变换(DFT)为

$X\left(k\right)=\underset{n=0}{\overset{N-1}{\mathrm{\Σ}}}\underset{n=0}{\overset{N-1}{\mathrm{\Σ}}}x\left(n\right)W_N^{\mathrm{kn}},(k=0,1,...,N-1)$

其中，

$x\left(n\right)W_N^{\mathrm{kn}}=\sin \left(\frac{2\mathrm{\π}}{N}\mathrm{qn}\right)[\cos \frac{2\mathrm{\π}}{N}\mathrm{kn}-j\sin \frac{2\mathrm{\π}}{N}\mathrm{kn}]$

$=\frac{1}{2}\mathrm{jexp}[-j\frac{2\mathrm{\π}}{N}(q+k)n]-\frac{1}{2}\mathrm{jexp}\left[j\frac{2\mathrm{\π}}{N}(q-k)n\right]$

所以，X(K)应为

$X\left(K\right)=\frac{1}{2}j\underset{n=0}{\overset{N-1}{\mathrm{\Σ}}}\left\{\exp \right[-j\frac{2\mathrm{\π}}{N}(q+k)n]-\exp [j\frac{2\mathrm{\π}}{N}(q-k)n\}$

当k≠q时，X(k)＝0；k＝q时， $X\left(k\right)=-\frac{1}{2}\mathrm{Nj}$

同理，对相位为θ的正弦序列 $x\left(n\right)=\sin (\frac{2\mathrm{\π}}{N}\mathrm{qn}+\mathrm{\θ})$ 的正弦序列，其DFT为：

$X\left(K\right)=\frac{1}{2}\mathrm{jexp}\left(\mathrm{j\θ}\right)\underset{n=0}{\overset{N-1}{\mathrm{\Σ}}}\left\{\exp \right[-j\frac{2\mathrm{\π}}{N}(q+k)n]-\exp [j\frac{2\mathrm{\π}}{N}(q-k)n\left]\right\}$

当且仅当k＝q时，x(K)≠0，且 $x\left(k\right)=-\frac{1}{2}\mathrm{Njexp}\left(\mathrm{j\θ}\right)---\left(5\right)$

可见，频率为

的序列在k＝q处谱值达最大，又实序列x(n)FFT变换的实部关于零频率是对称的，而虚部是反对称的。所以，在k＝N-q处也会出现最大谱值。由式(5)即可求出正弦序列x(n)的相位θ。

由以上分析可知，单一频率的FFT结果，一般情况下，离散谱上会出现两条谱线，在f＝n·Δf处出现功率谱的最大值(式中，f为信号频率，Δf为频率分辨率)。

假设A/D转换电路9的采样频率为fs，做N点的FFT，则频率分辨率为Δf＝fs/N，即功率谱最大值出现在f＝n·fs/N处，然后，在幅度谱上取相应的第n个频谱值得实部Re和虚部Im，按公式

$\mathrm{\θ}={\mathrm{tg}}^{-1}\left(\frac{\mathrm{Im}}{\mathrm{Re}}\right)---\left(6\right)$

计算可得出测量信号与参考信号的初始相位，从而计算出两信号的相位差实现鉴相运算。由于是m路信号并行发射，占用不同的频率(相互之间频差为Δf)，最后相互叠加在一起的，因此每一路信号(即每一测量频率)各对应一个相位信息。根据此原理就可以分别求出合成信号中各频率信号的初始相位，从而求得不同点的距离，提高了测量效率。

综上所述，本发明的频分复用式并行激光测长仪可实现多路激光并行鉴相测长，极大地提高了测长的速度和效率，由于得到的是不同点的距离信息，辅助一定的成像技术还可达得到三维成像的效果，因此，本发明可广泛应用在各个领域的测长技术方面。

Claims (3)

1.频分复用式并行激光测长仪，其特征在于，该测长仪主要由数字信号处理器(1)、DDS主振模块(2)、DDS本振模块(3)、激光调制与发射模块(4)、光电接收器(6)、第一混频模块(7)、第二混频模块(8)和A/D转换电路(9)组成；数字信号处理器(1)发送控制信号给DDS主振模块(2)和DDS本振模块(3)，DDS主振模块(2)根据该控制信号产生多路主振信号并发送给激光调制与发射模块(4)，激光调制与发射模块(4)经过该多路主振信号的驱动而发射多束激光，该多束激光照射到待测目标(5)上并发生漫反射，经过漫反射的多束激光由光电接收器(6)接收DDS本振模块(3)根据数字信号处理器(1)发送的控制信号产生本振信号，该本振信号与该多路主振信号通过第一混频模块(7)进行混频后产生参考信号；光电接收器(6)将接收的多束激光信号转换为合成电信号，并输出给第二混频模块(8)，该合成电信号与DDS本振模块(3)产生的本振信号通过第二混频模块(8)进行混频后产生测量信号；A/D转换电路(9)对上述参考信号和测量信号进行模数转换后输出给数字信号处理器(1)，数字信号处理器(1)接收并处理A/D转换电路(9)输出的两路数字信号。

2.如权利要求1所述的频分复用式并行激光测长仪，其特征在于，所述第一混频模块(7)和第二混频模块(8)主要由混频器(10)和带通滤波器(11)组成。

3.如权利要求1所述的频分复用式并行激光测长仪，其特征在于，所述激光调制与发射模块(4)为激光器。

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