CN103472454A - 相位式测距仪的数字信号处理系统 - Google Patents

Abstract

本发明实施例公开了一种相位式测距仪的数字信号处理系统，涉及数字信号处理领域，解决传统FFT计算中存在的缺点，能够兼顾算法的精度和计算速度。该系统包括：主振单元产生主振信号，以稳定频率调制激光发射单元发射的激光信号的强度；本振单元产生本振信号；锁相环单元调节主振信号的频率，并为数字信号处理单元提供采样脉冲；激光发射单元发射激光信号；激光接收单元将反射回的激光信号转换为电信号；混频单元将电信号与主振信号混频得到包含相位信息的低频信号；功率放大单元将低频信号放大整形；数字信号处理单元对放大整形后的低频信号进行采样，采用Goertzel算法计算相位信息并转换为距离信息。本发明应用于相位式测距仪的测距。

Description

相位式测距仪的数字信号处理系统

技术领域

本发明涉及数字信号处理领域，尤其涉及一种相位式测距仪的数字信号处理系统。

背景技术

相位式测距仪(Phase Distance Meter)是通过测定连续波在仪器与目标之间往返的相位变化间接求得传播时间，从而求得距离的电磁波测距仪，其精度高、功率小和便携，适用于民用范畴，有较大的市场和应用前景。

相位式测距仪通过对激光的直接调制频率、光速和检测到的相位差的计算，得到距离值。由光源所发出的激光，进入调制器后，被来自主控振荡器(简称主振)的高频测距信号f₁所调制，成为调幅波。这种调幅波经外光路进入接收器，经由光电器件，由光信号转为电信号。这个信号就是调幅波往返于测线后经过解调的高频测距信号，它的相位已经延迟了φ。

φ＝2π×N+Δφ                          (1)

这个高频测距信号与来自本机振荡器(简称本振)的高频信号f₁，经测距信号混频器进行光电混频，经过选频放大后得到一个低频测距信号e_D，该信号保留了高频测距信号原有的相位延迟。主振高频测距信号的一部分作为参考信号，与本振高频信号同时送入参考信号混频器，经过选频放大后，得到可以作为比相基准的低频参考信号e₀，由于该低频参考信号e₀没有经过往返测线的路程，所以不包含有相位延迟。因此，e_D和e₀同时送入相位器采用数字测相技术进行相位比较，最后得到测距信号往返于测线的相位延迟结果。距离值由公式

$D=\frac{c}{2f}\×\frac{\mathrm{\φ}}{2\mathrm{\π}}---\left(2\right)$ 得到。

由以上的测距原理可知，相位法测距就是测定调制光波在待测距离上往返传播所产生的相位差。

现有技术提供以下几种相位信息的获取方法：

1、差频测相

经过参考混频输出的带有发射时刻相位信息的低频信号e_r，直接传输到相位计。经被测距离传播、由反光镜反射回来的、带有距离相位信息的信号，经过信号混频输出带有距离信号的低频信号e_m，输入相位计。将e_r和e_m比相，得出距离的相位差。这种将各测尺频率经过混频变成低频信号然后再进行测相的差频测相方法，提高了测量精度，同时也简化了电路。

设主振频率的相位为(ωtt+ψt)，本振频率的相位为(ωRt+ψR)经参考混频器混频后，其差频er的相位为(ωt-ωR)t+(ψt-ψR)。

接收测距信号的相位带有距离的相位延迟为(ωtt+ψt-ωtt2D)经参考混频器混频后，测距信号和本振信号的差频em的相位为[(ωt-ωR)t+(ψt-ψR)-ωtt2D]。

e_r和e_m送入相位计比相，相位之差为：

Δφ＝ω_t×t_2D                                    (3)

由上面的公式可以看出，差频测相得到的Δφ，就是高频调制波在测线距离上往返所产生的相位延迟，而测相的频率(ωt-ωR)，比之前的高频降低了N倍，

精度也提高了N倍。

2、过零检测测相

过零检测即将信号与某一设定阈值比较，判断信号距离零点的远近，从而捕捉信号零点。具体检测过程是，首先传感器采集电压电流信号，然后将其送入比较判断单元处理，最后输出同时域的过零脉冲信号。一般具体实现方式为采用比较放大器，对信号电平进行判断，当信号达到阈值要求时则输出高电平，否则输出低电平。

由于检测电路输出波形为方波，可以将基准时钟转换为令一路方波，将两路信号送入R-S触发器进行比较：在测量过程当中，假设得到的两路比较信号e_D和e₀均为正弦信号。为了提高精度，将两个信号分别经过选放整形电路，将正弦波转变为方波，再送相位计，比较相位。将e_D方波接到S端，e₀方波接到R端，，当e_D为下降沿时，触发器Q端输出高电平，直到e₀为下降沿时，触发器翻转，Q端输出低电平，这样，在Q端就输出了一个方波。由于e_D和e₀之间有相差，因此从检相器Q端得到的方波的宽度就是对应于e_D和e₀信号间的相位差。此时利用一个高频脉冲和计数器即可统计出相差信号的宽度。由于电路的噪声及大气抖动的影响，单次测相会带有很大的偶然误差。为了提高测相精度，则要采用多次测相取平均的方法。

3、数字傅里叶变换的方法

通过对采样信号进行傅里叶变换同样可以得到相位信息。计算离散傅里叶变换的一种快速算法，简称FFT(Fast Fourier Transformation)。快速傅里叶变换是1965年由J.W.库利和T.W.图基提出的。采用这种算法能使计算机计算离散傅里叶变换所需要的乘法次数大为减少，特别是被变换的抽样点数N越多，FFT算法计算量的节省就越显著。

FFT可以使系统专注于某一频点的计算值而不被其他频率所影响，因此具有较强的抗干扰性。但是单次FFT的计算需要一定数量的采样点数据同时参与计算，因此必须为FFT计算预先采样及存储好数据。FFT的计算特点决定了此种实现方式的实时性并不是理想，每次采样到足够的点数后才能开始一次计算。

此外为了使单次FFT计算得到满足系统要求精度的结果，需要大量的采样点数据参与单次计算。而FFT计算的计算量随着点数增加线性增长：利用FFT算法之后，任何一个N为2的整数幂(即N＝2M)的DFT(Discrete FourierTransform离散傅里叶变换)，都可以通过M次分解，最后成为2点的DFT来计算。M次分解构成了从x(n)到X(k)的M级迭代计算，每级由N/2个蝶形运算组成。完成一个蝶形计算需一次乘法和两次复数加法。因此，完成N点的时间抽选FFT计算的总运算量为：

复数乘法次数：log2N*N/2＝M*N/2

复数加法次数：log2N*N＝M*N

如果仅用程序实现复数乘法和加法，即使FFT相对于DFT节省了大量的计算量，当参与计算的点数达到一定规模，其计算量也是十分可观的，对数字处理部分的要求非常高，严重影响了系统的实时性。

因此，现有技术提供的信号处理方法精度高但是计算程度复杂。

发明内容

本发明所要解决的技术问题在于提供一种相位式测距仪的数字信号处理系统，信号处理环节由锁相环和混频放大电路构成的发射接收电路，利用Goertzel算法的相位计算，解决传统FFT计算中存在的缺点，而又继承了其优点，能够兼顾算法的精度和计算速度。

为解决上述技术问题，本发明相位式测距仪的数字信号处理系统采用如下技术方案：

一种相位式测距仪的数字信号处理系统，包括：主振单元、本振单元，锁相环单元、激光发射单元、激光接收单元、混频单元、功率放大单元和数字信号处理单元，其中，

所述主振单元用于产生主振信号，所述主振信号用于以稳定频率调制所述激光发射单元发射的激光信号的强度；

所述本振单元用于产生本振信号；

所述锁相环单元用于调节所述主振信号的频率，并用于为所述数字信号处理单元提供采样脉冲；

所述激光发射单元用于发射激光信号；

所述激光接收单元用于将反射回的激光信号转换为电信号；

所述混频单元用于将所述电信号与所述主振信号混频得到包含相位信息的低频信号；

所述功率放大单元用于将所述低频信号进行放大整形；

所述数字信号处理单元用于对放大整形后的低频信号进行采样，并采用Goertzel算法计算相位信息并转换为距离信息。

所述主振单元的功能由温补晶振实现，所述本振单元的功能由压控晶振实现。

所述锁相环单元包括：第一分频器、第二分频器、比较器和控制器；

所述第一分频器用于分频输入的主振信号，产生输入到所述比较器的第一主振分频信号和输入到所述控制器的第二主振分频信号，所述第二主振分频信号用于为所述数字信号处理单元提供采样脉冲；

第二分频器用于分频输入的本振信号，产生输入到所述比较器的本振分频信号；

所述比较器用于当所述本振分频信号高于预设频率时，输出低频信号，当所述本振分频信号低于预设频率时，输出高频信号。

所述锁相环单元还包括：低通滤波器，用于对所述比较器输出的高频信号进行滤波。

所述数字信号处理单元的功能由ARM芯片实现。

在本发明实施例的技术方案中，确定发射和接收两点幅度为正弦变化的激光信号的相位差，并将其转换为距离的，采用FPGA形成锁相环(PLL)保证发射频率的稳定性，以高速数字信号处理器(ARM)为核心，采用Goertzel算法对接收信号实时测量相位并将其转换为距离。Goertzel算法与传统FFT的计算方法有所区别，Goertzel算法能够得到与FFT计算方法相同的信号的实部和虚部，从而得到信号的幅度和相位信息，因此能够达到与FFT算法同样的精度。Goertzel算法能够专注于得到某一频点的计算结果，FFT算法则关注于整个频带的计算结果，对于有效信息集中于某一频点的应用来说，FFT需要大量计算得到所有结果才能得到有效点信息。对于只关心单一频率信号相位的系统来说，浪费大量计算量在无用频点是不可取的，而对于所有频点信息都需要的系统来说，两种计算方法的计算量数量级是相同的。本发明所应用的范围属于前者，因此采用Goertzel算法能够有效地提高系统的实时性。

此外Goertzel算法具有能够在两次采样之间完成主要计算的特点，与FFT算法相比，大大节省了存储空间，同时Goertzel算还具有采样长度可自由调整，无须整周期采样，采样点数量无须为2的幂次，采样结束后经过简单计算即可得到结果的优点。

由于Goertzel算法的计算围绕单一频点展开，因此对于A/D采样得到数据的频率稳定度有很高的要求。本发明采用FPGA实现了需要的锁相环。由于FPGA具有高度集成性，与使用门电路芯片搭建锁相环相比，降低了噪声，提高了稳定度，节省了电路板体积和成本。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例中相位式测距仪的数字信号处理系统的结构示意图；

图2为本发明实施例系统中FPGA完成的主要功能示意图；

图3为本发明实施例系统中ARM完成的主要功能示意图；

图4为本发明实施例数字信号处理部分的流程示意图；

图5为本发明实施例Goertzel算法的流程图；

图6-图8为本实施例的系统部分仿真计算测量结果示意图。

具体实施方式

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。

激光相位测距是根据所发射激光强度相位变化计算距离的，由于光速在大气内传播速度为近似常数，则通过测量发射激光到目标后反射回来的时间即可以得到目标点和发射位置的距离。由测量装置发射幅度为正弦波变化的激光光波，接收电路接收到发射的幅度正弦变化的光信号，将其转换为电信号，同时将高频信号混频，整形滤波放大，得到一包含原相位信息的正弦信号，之后送入数字处理单元进行计算，求出相位并换算成距离。

本发明实施例提供一种相位式测距仪的数字信号处理系统，如图1所示，该系统包括：主振单元1、本振单元2，锁相环单元3、激光发射单元4、激光接收单元5、混频单元6、功率放大单元7和数字信号处理单元8，其中，

所述主振单元1用于产生主振信号，所述主振信号用于以稳定频率调制所述激光发射单元4发射的激光信号的强度；所述本振单元1用于产生本振信号；所述锁相环单元3用于调节所述主振信号的频率，并用于为所述数字信号处理单元8提供采样脉冲；所述激光发射单元4用于发射激光信号；所述激光接收单元5用于将反射回的激光信号转换为电信号；所述混频单元6用于将所述电信号与所述主振信号混频得到包含相位信息的低频信号；所述功率放大单元7用于将所述低频信号进行放大整形；所述数字信号处理单元8用于对放大整形后的低频信号进行采样，并采用Goertzel算法计算增强信号的离散傅立叶系数，从而计算相位信息并转换为距离信息。

具体地，如图1所示，在本实施例中，主振单元1的功能由稳定度很高的温补晶振(TCXO)实现，本振单元2的功能由频率可调的压控晶振(VCXO)实现。主振信号和本振信号通过高速可编程门阵列(Field Programable Gate Array简称FPGA)进行比较，当差频不满足要求时，FPGA输出高频信号，通过低通滤波器后转换为直流电平，调节本振单元2(VCXO)的频率，直至满足要求稳定为止。

本振信号输送到激光发射单元4，以稳定频率调制发射激光的强度，激光经物体9反射后，由全站仪外部光路接收并反馈到激光接收单元5，由激光接收单元5将光信号转变为电信号，而后与主振信号进行混频得到低频信号，为了更好地得到信号，还进一步对低频信号进行选频放大，之后由数字信号处理单元8，在本实施例中优选为ARM芯片对信号进行采样并利用Goertzel算法计算相位信息并转换为距离信息。

并且，FPGA在提供锁相功能同时为数字信号处理单元8产生采样脉冲，保证A/D采样以合适的频率间隔对信号进行采样，当锁相环和采样脉冲正常运作时，ARM芯片内部的Goertzel算法根据设计的采样频率和信号频率定好的常数进行正确计算。

图2为本发明实施例系统中FPGA完成的主要功能示意图，进一步地，如图2所示，所述锁相环单元3包括：第一分频器31、第二分频器32、比较器33和控制器34；

第一分频器31用于分频输入的主振信号，产生输入到比较器33的第一主振分频信号和输入到控制器34的第二主振分频信号，第二主振分频信号用于为数字信号处理单元8提供采样脉冲；第二分频器32用于分频输入的本振信号，产生输入到比较器33的本振分频信号；比较器33用于当本振分频信号高于预设频率时，输出低频信号，当所述本振分频信号低于预设频率时，输出高频信号。

进一步地，该锁相环单元3还包括：低通滤波器35，用于对所述比较器输出的高频信号进行滤波。

具体地，主振信号和本振信号分别送入FPGA后，经由独立的分频器，即第一分频器31进行分频，第一分频器31将得到的分频，即第一主振分频信号送入比较器33进行比较，当本振信号符合要求，即本振信号高于预设频率时，比较器33输出直流分量较低的信号，当本振信号低于预设频率时，则比较器33输出直流分量较高的信号，此信号经过低通滤波器35，使本振压控晶振的控制信号电压上升，从而回归到目标频率。同时，在FPGA内部，利用主振信号的分频信号产生作为控制信号的第二主振分频信号，控制ARM芯片能够在正确的时间进行采样计算。

相对以往的利用独立芯片构成锁相环，本发明实施例提供的相位式测距仪的数字信号处理系统将分频和比较过程在FPGA内部实现，可以很好的减少噪声干扰，提高锁相环的稳定性，同时节省了制作电路板时使用的芯片数量和电路板的空间。

图3为本发明实施例系统中ARM完成的主要功能示意图。ARM主要完成信号采集、信号处理和控制管理功能。系统上电后，ARM首先在一定时间内使系统初始化，包括全站仪电机的调整，使升压芯片产生符合激光接收单元APD要求的电压，使能锁相环进行工作，然后进入等待状态。当相位式测距仪发来工作信号，则使能激光发射单元和激光接收单元的供电模块，然后进入正常的工作状态。当采集数据的数量未达到要求时，持续根据FPGA提供的采样脉冲对信号进行采样，同时在两次采样间隔中进行Goertzel迭代运算。当采集数量满足要求，则根据迭代结果计算信号的相位值。为了消除可能的随机噪声干扰，还需要重复采样——计算的过程数次，尔后对多次求得的结果进行平均，以此得到符合精度要求的结果并发送到与全站仪的数据接口。程序使激光发射单元和激光接收单元的电源模块进入低电平状态，电路板重新进入等待状态。

图4为本发明实施例数字信号处理部分的流程示意图。如图4所示，系统收到开始测量命令后，使能FPGA与ARM间同步采样时序的端口，当此使能端口上检测到电平的跳变时，系统对采样数据进行初始化，在停止接收同步时序的同时开始检测连接FPGA所传送过来采样脉冲端口上的数据。当检测到采样脉冲端口上电平的跳变时，ARM对在A/D端口上的模拟信号进行采样，当得到采样有效数据后，对当前数据和之前计算的结果进行Goertzel的迭代运算。如果迭代数据数量达到单次测量要求则停止接收采样脉冲，并对当前迭代结果进行后续运算，得到单次测量值并存储，采样点数数量不够则继续进行采样——运算过程。

需要说明的是，仅进行单次测量不足以达到系统所要求的精度，因此需要多次求得测量值，当存储单次测量的结果的数量达到系统要求，则输出平均后的结果，否则继续使能初始信号端口以启动新一次的单词测量过程。在输出结果后跳出数据处理过程。

图5为本发明实施例Goertzel算法的流程图，如图5所示，本发明采用Goertzel算法(Joe F.Chicharo，Mehdi T.Kilani，A Sliding Goertzel algorithm，signalprocessing，Vol.52，No.3，August，1996，pp.283-297)，用该算法计算两次采样信号的离散傅立叶系数，根据离散傅立叶系数求出两次信号的相位，再求出两次信号之间的相位差，最后计算出两路信号之间的距离差。由于正常工作状态下锁相环和混频器输出的频率为固定已知，采用Goertzel的算法可以直接计算给定频率点的离散傅立叶系数，与传统DFT、FFT算法相比，大大减少计算量。

下面给出本发明采用的有关步骤和公式：

(1)根据已知采样信号和采样频率确定计算的频率点Ω₀

(2)状态条件初始化为零，即V_k(0)＝0；V_k(-i)＝0；k＝1，2

(3)计算共振滤波器的输出

V_k(n)＝x(n)+2cosΩ₀·V_k(n-1)-V_k(n-2)                   (5)

$A_k=\frac{2(V_k\left(N\right)-V_k(N-1)\cos {\mathrm{\Ω}}_0)}{N}---\left(6\right)$

$B_k=\frac{2V_k(N-1)\sin {\mathrm{\Ω}}_0}{N}---\left(7\right)$

$\left[\begin{array}{c}{a}_k\\ b_k\end{array}\right]=\left[\begin{array}{c}\cos {\mathrm{\Ω}}_{0}n,-{\sin \mathrm{\Ω}}_{0}n\\ \sin {\mathrm{\Ω}}_{0}n,\cos {\mathrm{\Ω}}_{0}n\end{array}\right]\left[\begin{array}{c}{A}_k\left(n\right)\\ B_k\left(n\right)\end{array}\right],k=\mathrm{1,2}---\left(8\right)$

(4)计算相位

${\mathrm{\θ}}_k={\tan }^{-1}\frac{a_k}{b_k}---\left(9\right)$

(5)计算两次信号的相位差

φ＝θ₁-θ₂                                  (10)

(6)计算距离

$D=\frac{c}{2f}\×\frac{\mathrm{\φ}}{2\mathrm{\π}}---\left(11\right)$

图6-图8为本实施例的系统部分仿真计算测量结果示意图。

其中，图6为在Matlab内产生100组数据后计算的相位值，每组数据均为正弦波，且每两组数据间相位差固定，第一组数据和最后一组数据相位相差180度，每组数据随机添加1％幅度的白噪声。

图7为一带通滤波器参数。

图8为利用带通滤波器滤波后计算得到的结果，与不滤波直接计算结果比较得到的差值。可见除去滤波器带来的固定相差，两次计算结果相差不大，说明本算法具有很强的抗干扰能力。

在本发明实施例的技术方案中，确定发射和接收两点幅度为正弦变化的激光信号的相位差，并将其转换为距离的，采用FPGA形成锁相环(PLL)保证发射频率的稳定性，以高速数字信号处理器(ARM)为核心，采用Goertzel算法对接收信号实时测量相位并将其转换为距离。Goertzel算法与传统FFT的计算方法有所区别，Goertzel算法能够得到与FFT计算方法相同的信号的实部和虚部，从而得到信号的幅度和相位信息，因此能够达到与FFT算法同样的精度。Goertzel算法能够专注于得到某一频点的计算结果，FFT算法则关注于整个频带的计算结果，对于有效信息集中于某一频点的应用来说，FFT需要大量计算得到所有结果才能得到有效点信息。对于只关心单一频率信号相位的系统来说，浪费大量计算量在无用频点是不可取的，而对于所有频点信息都需要的系统来说，两种计算方法的计算量数量级是相同的。本发明所应用的范围属于前者，因此采用Goertzel算法能够有效地提高系统的实时性。

此外Goertzel算法具有能够在两次采样之间完成主要计算的特点，与FFT算法相比，大大节省了存储空间，同时Goertzel算还具有采样长度可自由调整，无须整周期采样，采样点数量无须为2的幂次，采样结束后经过简单计算即可得到结果的优点。

由于Goertzel算法的计算围绕单一频点展开，因此对于A/D采样得到数据的频率稳定度有很高的要求。本发明采用FPGA实现了需要的锁相环。由于FPGA具有高度集成性，与使用门电路芯片搭建锁相环相比，降低了噪声，提高了稳定度，节省了电路板体积和成本。

通过以上的实施方式的描述，所属领域的技术人员可以清楚地了解到本发明可借助软件加必需的通用硬件的方式来实现，当然也可以通过硬件，但很多情况下前者是更佳的实施方式。基于这样的理解，本发明的技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品存储在可读取的存储介质中，如计算机的软盘，硬盘或光盘等，包括若干指令用以使得一台计算机设备(可以是个人计算机，服务器，或者网络设备等)执行本发明各个实施例所述的方法。

以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。

Claims (5)

1.一种相位式测距仪的数字信号处理系统，其特征在于，包括：主振单元、本振单元，锁相环单元、激光发射单元、激光接收单元、混频单元、功率放大单元和数字信号处理单元，其中，

所述主振单元用于产生主振信号，所述主振信号用于以稳定频率调制所述激光发射单元发射的激光信号的强度；

所述本振单元用于产生本振信号；

所述锁相环单元用于调节所述主振信号的频率，并用于为所述数字信号处理单元提供采样脉冲；

所述激光发射单元用于发射激光信号；

所述激光接收单元用于将反射回的激光信号转换为电信号；

所述混频单元用于将所述电信号与所述主振信号混频得到包含相位信息的低频信号；

所述功率放大单元用于将所述低频信号进行放大整形；

所述数字信号处理单元用于对放大整形后的低频信号进行采样，并采用Goertzel算法计算相位信息并转换为距离信息。

2.根据权利要求1所述的数字信号处理系统，其特征在于，所述主振单元的功能由温补晶振实现，所述本振单元的功能由压控晶振实现。

3.根据权利要求1所述的数字信号处理系统，其特征在于，所述锁相环单元包括：第一分频器、第二分频器、比较器和控制器；

所述第一分频器用于分频输入的主振信号，产生输入到所述比较器的第一主振分频信号和输入到所述控制器的第二主振分频信号，所述第二主振分频信号用于为所述数字信号处理单元提供采样脉冲；

第二分频器用于分频输入的本振信号，产生输入到所述比较器的本振分频信号；

所述比较器用于当所述本振分频信号高于预设频率时，输出低频信号，当所述本振分频信号低于预设频率时，输出高频信号。

4.根据权利要求3所述的数字信号处理系统，其特征在于，所述锁相环单元还包括：低通滤波器，用于对所述比较器输出的高频信号进行滤波。

5.根据权利要求1所述的数字信号处理系统，其特征在于，所述数字信号处理单元的功能由ARM芯片实现。

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