CN106324613A - 用于飞秒激光跟踪仪的数据采集与处理系统及方法 - Google Patents

Abstract

一种用于飞秒激光跟踪仪的数据采集与处理系统及方法，该系统包括数据采集模块、所述数据处理模块以及采样时钟模块，所述数据采集模块用于对光电探测器输出的模拟电信号进行信号调理并转换为数字信号，所述数据采集模块输出的数字信号传送到所述数据处理模块，所述数据处理模块用于根据所述数字信号计算被测距离值，所述采样时钟模块用于向所述数据采集模块提供一个与飞秒激光跟踪仪中的参考光路脉冲激光频率梳相适应的输出相位可调节的时钟驱动。该系统能够实时处理飞秒激光跟踪仪光路系统输出的光学信号并实时、准确输出距离值。

Description

用于飞秒激光跟踪仪的数据采集与处理系统及方法

技术领域

本发明涉及激光测距技术领域，特别是涉及一种用于飞秒激光跟踪仪的数据采集与处理系统及方法。

背景技术

20世纪末期出现的新型飞秒激光器，使激光测距技术出现了革命性的转机，迅速成为国际上测距研究的一大热点，由于飞秒激光频率梳光源目前还处于实验室阶段，测距仪的小型化无法实现，双飞秒激光频率梳测距仪类似的产品还没有出现，国内外的学者和研究人员将主要的精力集中在测距方法和光源的研究中，相对于双频飞秒激光梳测距方法研究的学术研究价值，它的后续数据处理算法以及数据处理平台的研究则更多的表现了工程价值。

由于飞秒激光的重复频率达到50MHz以上，测距系统具有一定复杂度，设计数据处理平台仍然具有相当大的挑战性，以往研究人员构建的实验平台不能实现数据的实时处理，他们收集到足够多的原始数据，然后在PC机上进行处理，因此设计专用的数据采集与处理平台对新型飞秒激光跟踪仪的研制非常重要。

发明内容

本发明的主要目的在于克服现有技术的不足，提供一种用于飞秒激光跟踪仪的数据采集与处理系统及方法，解决飞秒激光跟踪仪研制中数据处理平台无法兼备小型化、实时性的难题。

为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：

一种用于飞秒激光跟踪仪的数据采集与处理系统，包括数据采集模块、所述数据处理模块以及采样时钟模块，所述数据采集模块用于对光电探测器输出的模拟电信号进行信号调理并转换为数字信号，所述数据采集模块输出的数字信号传送到所述数据处理模块，所述数据处理模块用于根据所述数字信号计算被测距离值，所述采样时钟模块用于向所述数据采集模块提供一个与飞秒激光跟踪仪中的参考光路脉冲激光频率梳相适应的输出相位可调节的时钟驱动。

优选地：

所述采样时钟模块利用其时钟发生器的相位延迟特性设定不同的延迟参数，通过在不同的延迟参数下进行数据采集，比较不同延迟参数下采集到的干涉信号，并选择较好的干涉信号对应的相位值作为采样相位延迟参数。

还包括设置在所述数据采集模块与所述数据处理模块之间的数据存储与传输模块，所述数据存储与传输模块用于调节所述数据采集模块与所述数据处理模块之间的数据传输与处理速度。

所述数据处理模块包括干涉信号查找与截取模块、互相关运算模块、FFT运算模块，直线拟合模块以及距离值计算模块，所述干涉信号查找与截取模块用于查找干涉信号峰值位置并在峰值位置的两端进行适量截取，所述互相关运算模块用于对截取到有用的干涉信号数据进行互相关运算，所述FFT运算模块用于根据互相关运算结果进行FFT运算，所述直线拟合模块用于根据FFT运算结果进行直线拟合得到斜率值，所述距离值计算模块利用由测距原理推导出的距离计算公式得出被测距离值。

干涉信号查找与截取模块包括第一查找与截取模块、DCFIFO模块以及第二查找与截取模块，所述第一查找与截取模块在较高速的adc_clk时域下进行干涉信号的查找，并截取干涉信号附近包含干涉信号的256点长度的16-bit数据信号，所述数据信号经过DCFIFO模块从所述较高速的adc_clk时域传输到较低速的系统sys_clk时域，所述第二查找与截取模块在sys_clk时域下对256点长度的数据信号进行二次截取，以干涉峰值数据信号为截取中心，截取长度为128点数据信号并输出。

一种使用所述的数据采集与处理系统的数据采集与处理方法，包括以下步骤：

所述数据采集模块对光电探测器输出的模拟电信号进行信号调理并转换为数字信号；

所述数据处理模块对所述数字信号进行处理并计算被测距离值；

其中所述采样时钟模块为数据采集提供一个与飞秒激光跟踪仪中的参考光路脉冲激光频率梳相适应的输出相位可调节的时钟驱动。

优选地：

控制所述采样时钟模块的时钟驱动的过程包括：(1)利用时钟芯片的频率跟踪特性实时保持时钟模块输出频率与参考光路激光脉冲频率相同；(2)利用时钟发生器的相位延迟特性，为所述采样时钟模块设定不同的延迟参数；(3)在不同的延迟参数下进行数据采集；(4)比较不同延迟参数下采集到的干涉信号；(5)选择符合预定条件的干涉信号对应的相位值作为采样相位延迟参数。

对所述数字信号进行处理并计算被测距离值的过程包括：查找干涉信号峰值位置并在峰值位置的两端进行适量截取；对截取到有用的干涉信号数据进行互相关运算；根据互相关运算结果进行FFT运算；根据FFT运算结果进行直线拟合得到斜率值；利用由测距原理推导出的距离计算公式得出被测距离值。

干涉信号查找与截取包括以下步骤：

第一次查找与截取：在较高速的adc_clk时域下进行干涉信号的查找，并截取干涉信号附近包含干涉信号的数据信号，优选256点长度的16-bit数据信号；

跨时域数据传输：所述数据信号经过DCFIFO模块从所述较高速的adc_clk时域传输到较低速的系统sys_clk时域；

第二次查找与截取模块：在sys_clk时域下对所述数据信号进行二次截取，以干涉峰值数据信号为截取中心，截取数据信号并输出，优选地，对应所述256点长度的16-bit数据信号，截取长度为128点数据信号。

第一次查找使用自适应滑动扫描窗进行干涉信号检测，所述自适应滑动扫描窗设有窗宽、半窗高、窗顶高和窗底高四个参数，所述窗宽用于确定扫描窗每次进行检测的实时数据信号量，优选地，取16个采样点作为一个被检测单元，作为窗宽；所述半窗高的值取被检测单元的采样点的平均值；所述窗顶高和所述窗底高为以所述半窗高为基准、根据噪声实时变化幅度实时更新的两个阈值；当被检测单元中同时出现超过所述窗顶高以及所述窗底高的采样信号时，则判断当前被检测单元中存在干涉信号，并记录干涉信号出现的位置及相关数据。

确定所述窗顶高和所述窗底高的过程包括：

1)当N_mean<A_loc/8时，使用式(2)和式(3)计算窗顶高和窗底高，

win_top＝win_high+A_loc/4 式(2)

win_low＝win_high-A_loc/4 式(3)

2)当A_loc/8≤N_mean＜A_loc/2，使用式(4)和式(5)调整窗顶高和窗底高，

win_top＝win_high+2N_mean 式(4)

win_low＝win_high-2N_mean 式(5)

3)当N_mean≥A_loc/2，干涉信号查找及截取模块给出错误提示；

其中N_mean为当前被检测单元之前的多个被检测单元的噪声平均值，优选取之前8个被检测单元的噪声平均值，win_top为窗顶高，win_low为窗底高，A_loc为本振光信号强度。

本发明的有益效果：

本发明用于飞秒激光跟踪测距仪中，对测距时的光学信号进行快速实时的数据采集与处理，解决了跟踪仪在开发过程中无法实现实时性、小型化的瓶颈。本发明能够实现高度集成高速数据采集、计算以及存储三大功能模块于一体，数据采集与处理实时性高达1000PT/S。可结合跟踪仪光学信号特点选择合适的采样频率和数据传送速率，以及配合二者性能的运算速度，以实现实时高速运算。本发明能够实时处理飞秒激光跟踪仪光路系统输出的光学信号并实时输出距离值，且能够实现高度集成，体型小，其可以广泛用于小型化实时性高的飞秒激光测距设备中。

附图说明

图1为本发明一种实施例的数据采集与处理系统的结构框图。

图2为本发明一种实施例的数据采集模块和数据处理模块的结构示意图。

图3为本发明一种实施例干涉信号查找及截取示意图。

图4本发明具体实例的飞秒激光跟踪仪的数据采集与处理系统整体框图。

具体实施方式

以下对本发明的实施方式作详细说明。应该强调的是，下述说明仅仅是示例性的，而不是为了限制本发明的范围及其应用。

参阅图1，在一种优选实施例中，一种用于飞秒激光跟踪仪的数据采集与处理系统，包括数据采集模块、数据存储与传输模块、数据处理模块以及采样时钟模块，所述数据采集模块与所述数据存储与传输模块相连，所述数据存储与传输模块与所述数据处理模块相连，所述数据采集模块用于对光电探测器输出的模拟电信号进行信号调理并转换为数字信号，所述数据采集模块输出的数字信号通过所述数据存储与传输模块传送到所述数据处理模块，所述数据存储与传输模块用于调节所述数据采集模块与所述数据处理模块之间的数据传输和处理速度，所述数据处理模块用于根据所述数字信号计算被测距离值，所述采样时钟模块连接所述数据采集模块，用于提供一个与飞秒激光跟踪仪中的参考光路脉冲激光频率梳相适应的输出相位可调节的时钟驱动。

在优选的实施例中，所述采样时钟模块利用时钟发生器的相位延迟特性设定不同的延迟参数，在不同的延迟参数下进行数据采集，比较不同延迟参数下采集到的干涉信号，选择较好的干涉信号对应的相位值作为采样相位延迟参数。

参阅图2，在优选的实施例中，所述数据采集模块包括信号调理模块和与所述信号调理模块相连的A/D转换模块。所述信号调理模块包括低通滤波模块和与所述低通滤波模块相连的信号放大模块。

在优选的实施例中，所述数据采集模块和所述数据处理模块设置有连接外部设备的接口，所述接口用于将测量的结果和采集的原始数据传输给外部设备显示或处理。

参阅图2，在优选的实施例中，所述数据处理模块包括干涉信号查找与截取模块、互相关运算模块、FFT运算模块，直线拟合模块以及距离值计算模块，所述干涉信号查找与截取模块用于查找干涉信号峰值位置并在峰值位置的两端进行适量截取，所述互相关运算模块用于对截取到有用的干涉信号数据进行互相关运算，所述FFT运算模块用于根据互相关运算结果进行FFT运算，所述直线拟合模块用于根据FFT运算结果进行直线拟合得到斜率值，所述距离值计算模块利用由测距原理推导出的距离计算公式得出被测距离值。

在更优选的实施例中，干涉信号查找与截取模块包括第一查找与截取模块、DCFIFO模块以及第二查找与截取模块，所述第一查找与截取模块在较高速的adc_clk时域下进行干涉信号的查找，并截取干涉信号附近包含干涉信号的256点长度的16-bit数据信号，所述数据信号经过DCFIFO模块从所述较高速的adc_clk时域传输到较低速的系统sys_clk时域，所述第二查找与截取模块在sys_clk时域下对256点长度的数据信号进行二次截取，以干涉峰值数据信号为截取中心，截取长度为128点数据信号并输出。

在另一种实施例中，一种使用如所述的数据采集与处理系统的数据采集与处理方法，具体包括以下步骤：

所述数据采集模块对光电探测器输出的模拟电信号进行信号调理并转换为数字信号；

所述数据采集模块输出的数字信号通过所述数据存储与传输模块传送到所述数据处理模块；

所述数据处理模块对所述数字信号进行处理并计算被测距离值；

其中所述采样时钟模块为数据采集提供一个与飞秒激光跟踪仪中的参考光路脉冲激光频率梳相适应的输出相位可调节的时钟驱动；

其中所述数据存储与传输模块调节所述数据采集模块与所述数据处理模块之间的数据传输。

在优选的实施例中，控制所述采样时钟模块的时钟驱动的过程包括：(1)利用时钟芯片的频率跟踪特性实时保持时钟模块输出频率与参考光路激光脉冲频率相同；(2)利用时钟发生器的相位延迟特性，为所述采样时钟模块设定不同的延迟参数；(3)在不同的延迟参数下进行数据采集；(4)比较不同延迟参数下采集到的干涉信号；(5)选择符合预定条件的干涉信号对应的相位值作为采样相位延迟参数。

在优选的实施例中，对所述数字信号进行处理并计算被测距离值的过程包括：查找干涉信号峰值位置并在峰值位置的两端进行适量截取；对截取到有用的干涉信号数据进行互相关运算；根据互相关运算结果进行FFT运算；根据FFT运算结果进行直线拟合得到斜率值；利用由测距原理推导出的距离计算公式得出被测距离值。

在优选的实施例中，干涉信号查找与截取包括以下步骤：

第一次查找与截取：在较高速的adc_clk时域下进行干涉信号的查找，并截取干涉信号附近包含干涉信号的数据信号，优选256点长度的16-bit数据信号；

跨时域数据传输：所述数据信号经过DCFIFO模块从所述较高速的adc_clk时域传输到较低速的系统sys_clk时域；

第二次查找与截取模块：在sys_clk时域下对所述数据信号进行二次截取，以干涉峰值数据信号为截取中心，截取数据信号并输出，优选地，对应所述256点长度的16-bit数据信号，截取长度为128点数据信号。

在更优选的实施例中，第一次查找使用自适应滑动扫描窗进行干涉信号检测，所述自适应滑动扫描窗设有窗宽、半窗高、窗顶高和窗底高四个参数，所述窗宽用于确定扫描窗每次进行检测的实时数据信号量，优选地，取16个采样点作为一个被检测单元，作为窗宽；所述半窗高的值取被检测单元的采样点的平均值；所述窗顶高和所述窗底高为以所述半窗高为基准，根据噪声实时变化幅度实时更新的两个阈值；当被检测单元中同时出现超过所述窗顶高以及所述窗底高的采样信号时，则判断当前被检测单元中存在干涉信号，并记录干涉信号出现的位置及相关数据。

在本发明的一些实施例中，光电探测器将光信号转换为电信号，数据采集模块主要是实现对光电探测器输出的模拟电信号转换为数字信号，并传送到FPGA进行后续处理。数据采集模块的功能包含信号调理和A/D转换两大部分。数据采集模块将光电探测器输出的电信号进行信号放大与调理，然后将调理过的理想信号输送给AD转换单元进行模数转换，AD转换单元将模拟信号转换为数字信号输送给FPGA进行存储和计算。并可设计相应的外部设备的接口，将测量结果和采集的原始数据按要求传输给外部设备显示或处理。

该激光跟踪仪光路设计中使用高频飞秒脉冲激光频率梳对测距光路进行时间上的延展，采样时钟模块为数据采集提供一个与参考光路光频疏同步的时钟驱动，使测距信号的干涉峰被准确无误地采集，采样时钟模块能够输出相位可以调节的高精度、低抖动采样时钟。

在优选实施例中，提供一种能够自动寻找测距最佳相位的自适应扫描方法，其中，可利用集成了高精度锁相环和高频VCO时钟发生器(如ADI公司生产的AD9522-0的芯片，支持多种参考输入时钟，具有自动或者手动参考时钟切换、输出时钟保持、多种锁定指示、同步输出和零延时等功能)，实现的步骤包括：(1)利用时钟芯片的频率跟踪特性实时保持时钟模块输出频率与参考光路激光脉冲频率相同；(2)利用时钟发生器的相位延迟特性，分别设定不同的延迟参数；(3)在不同的延迟参数下进行数据采集；(4)比较不同延迟参数下采集到的干涉信号；(5)选择较好的干涉信号对应的相位值作为采样相位延迟参数。

在高速的数据采集之后产生大量的采集数据，会加大计算单元运行负担甚至导致无法运行，故在采集和计算之间设计一个辅助的缓存模块，有效调节数据采集与处理之间大量数据的传输与运算速度。

工作时，数据处理模块实时获取被测距离值的关键部分，协调各模块工作，利用采集数据快速计算距离值；实时计算处理采集信号，并将测距结果传输给上位机界面进行显示。

计算被测距离时，由于AD采集来的原始信号数据量比较大，所以要根据需要先进行干涉信号的截取，截取信号功能的实现需要先找到干涉信号峰值位置，包括粗找峰和精找峰，在峰的两端进行适量截取(第一次查找与截取、第二次查找与截取)；截取到有用的干涉信号后对这些数据进行互相关与FFT运算，最后进行直线拟合得到斜率值，带入由测距原理推到出的距离计算公式得出被测距离值D。

$D=\frac{c}{2n_g}\mathrm{\&Delta;}t=\frac{c}{2n_g}\mathrm{\&Delta;}\mathrm{\&tau;}\frac{\mathrm{\&Delta;}f}{f_1}$

其中c是光速，n_g为空气折射率，f1为飞秒激光的信号光频率，Δf＝f1-f2，f2为飞秒激光的本振光频率，Δτ为参考光和测量光的干涉信号在时域上因距离产生的时延，根据实时采集的数据进行距离计算，

干涉信号查找与截取方法

在整个测距过程中处于干涉峰之间的大部分信号对距离解算没有用处，只会影响运算速度和浪费资源，如图3中的a框中为有效干涉信号数据，b框内为测距原理及硬件等带来的包络信号。故在进行距离计算前需对有用信号进行提取。

干涉信号查找与截取模块是双飞秒激光测距计算模块与高速ADC模块之间的接口模块，主要任务是接收高速ADC模块传输的离散数据信号，实时从中初步检测出干涉信号，并截取足够的干涉信号相关数据，供计算模块后续计算距离使用。

干涉信号查找与截取模块主要任务是在高速的adc_clk时域下完成干涉信号的查找任务，并截取包含干涉信号附近的256点长度的16-bit数据信号，然后将这256点数据信号经过DCFIFO模块完成从高速adc_clk时域到系统sys_clk时域的跨时域数据传输，此处将干涉信号查找模块分成两个子模块在不同时域运行，既能够保证干涉信号在更高速的ADC时域查找，适应更高重频的飞秒脉冲激光光源，同时也减轻后续运算模块在处理速度上的限制。最后在sys_clk时域下对256点长度的数据信号进行二次截取，以干涉峰值数据信号为截取中心，截取长度为128点数据信号，输出到后续模块。

在高速数据处理中，跨时钟域数据传输给数据处理带来很大挑战。优选实施例中，将干涉信号查找及截取过程分为一次截取与二次截取两次查找与截取来实现，中间通过一个DCFIFO模块实现两次截取数据的跨时域传输。

第一次查找与截取

首先进行干涉信号查找。提出了一种新的干涉信号查找方法-自适应扫描窗干涉信号检测法。

a)本振光强定义

不同系统，不同测试环境下，本振光强大小都会不同，每次测距前对本振光强进行定义，作为基准用于硬件算法内其他阈值的确定，是自适应中很关键的一步。本振光强定义方法简单，即在非工作状态下，光路系统中只有本振光存在，不会有干涉采样信号出现时，对该状态下接受到的采样信号进行累加操作，当累加一定数量(本文使用1024个点)采样信号值后进行移位操作求平均，得到的平均值就可以作为采样信号稳定时本振光信号强度，记为A_loc。得到A_loc后在分别做右移1位求得A_loc/2，右移2位求得A_loc/4，右移3位得到A_loc/8。三个参考值会用于后续自适应扫描窗阈值的调整。

b)噪声值定义

每个被检测单元的采样信号中的受环境、硬件系统等影响得噪声情况是以下述方法确定的，以该被检测单元16个采样信号中最大值与最小值的差值定义为当前被检测单元的环境噪声表征值。但是需要注意，对于当前被检测单元进行滑动扫描窗阈值确定时使用的噪声表征值并不是当前被检测单元最大值最小值之间的差值，而是以该被检测单元之前多个(如8个、16个)被检测单元噪声表征值的平均作为参考标准的，这样可以减小数据信号中“突刺”或者其他特殊情况引起的采样信号影响，而当前单元求得的最大最小值之间的差值只用于求噪声平均值使用。另外，滚动求平均的方法，可以实时根据环境噪声变化显示当前噪声影响程度，增强系统可靠性，把这个求平均后得到的噪声参考值记为Ni。

c)自适应滑动扫描窗确定

自适应滑动扫描窗确定需要窗宽(win_n)、半窗高(win_high)、窗顶高(win_top)和窗底高(win_low)四个关键量。

窗宽(win_n)确定了扫描窗每次进行检测的实时数据信号量，优选地，取16个采样点作为一个被检测单元，作为窗宽。该被检测单元样本数的确定有两方面考虑，一方面跟干涉信号查找与截取模块整体的运算速度相关的，要进行实时处理，就需要至少在下一个被检测单元全部到来之前完成上一个被检测单元的检测，举例来说，如果使用8个采样点作为一个被检测单元(为了方便硬件系统进行乘、加、存储操作，系统处理能力扩展都是以2的倍数进行扩大或者缩小)，每个时钟读取一个16-bit的采样点，读取8个这样的采样点，需要8个时钟周期，为满足FPGA达到实时处理数据的目标，在下一个被检测单元到来之前，也就是8个时钟周期内完成该被检测单元的阈值更新、干涉信号查找、数据缓存任务等全部任务。这对于流水线逻辑要求较高，很容易造成不能完成数据处理任务，或者减少流水线技术，而处理速度减低，甚至造成数据错误处理。另一方面，跟FPGA硬件资源消耗、资源利用率相关，如果以32个待测数据为一个被检测单元，在32个时钟周期内完成该被检测单元的检测任务即可，对于算法处理速度要求不高，甚至可以加多级流水提高运算速度，但是32个数据会造成运算过程中数据缓存深度成几何倍数的扩大，对于芯片的逻辑资源是极大的考验，成本提高，所以在被检测单元上也不能随意地扩大采样点数。取16个点作为窗宽是对算法处理速度与逻辑资源消耗综合考虑的，对于当前算法来说是最合适的窗宽。

半窗高(win_high)的值取16个被检测数据的平均值，为扫描窗的基准高，半窗高为实时待测单元的平均值会让扫描窗随着待测数据的变化而变化，这也刚好可以适应待测数据中因探测器附加探测电流引起的“鼓包”以及其他一些因素引起的待测信号基线变化的情况，克服了原有阈值法的不足，达到自适应的目的。

窗顶高(win_top)和窗底高(win_low)是以半窗高为基准，根据噪声实时变化幅度，实时判断更新窗顶高和窗底高两个阈值。当被检测单元中同时出现超过扫描窗顶高以及窗底高的采样信号时，则判断当前被检测单元中存在干涉信号。具体来说，扫描窗高度的设定可以采用以下方法：

取当前被检测单元之前的8个被检测单元的噪声平均值N_mean，由下式(1)求得：

窗高据此变化设定分三种情况：

1)当N_mean<A_loc/8时，系统工作环境良好，当前噪声影响较小，可以使用式(2)和式(3)计算窗顶高和窗底高，这种设定可以避免将环境突变的噪声信号误判为干涉峰。

win_top＝win_high+A_loc/4 式(2)

win_low＝win_high-A_loc/4 式(3)

2)当A_loc/8≤N_mean＜A_loc/2，当前环境整体噪声较大，但仍不足以影响测距精度，此时需要根据当前噪声的幅度情况N_mean，如式(4)和式(5)调整窗顶高和窗底高，适应不断变化的可能影响测距精度的噪声变化。

win_top＝win_high+2N_mean 式(4)

win_low＝win_high-2N_mean 式(5)

3)当N_mean≥A_loc/2，此时噪声信号已经达到了本振光强的一半，较大环境噪声叠加到干涉信号中，这样的干涉信号被截取用于后续测距运算，会造成精度明显降低，针对这种情况，干涉信号查找及截取模块会给出错误提示，表示当前环境已经不能正常测距。

根据上述a)、b)、c)三部分，就可以得到一个能够自适应的滑动扫描窗，随着实时接收到采样信号构成的检测单元改变，相当于扫描窗能够滑动检测，不在像传统窗口法那样，重复扫描，降低检测速度；扫描窗基准高度由待测单元采样信号平均值确定，扫描窗会随着采样信号整体基线的变动而变动，解决了传统阈值法存在的问题；扫描窗中作为干涉信号判断标准的窗顶高和窗底高，会随着环境噪声和窗基准高的变化而进行自适应变动，虽然同样是阈值法，但却能够动态调整阈值变化，具有更强的适应性和可靠性，依靠以上3步自适应滑动检测窗即可完成干涉信号的判断。

第一次查找时，根据上述自适应扫描窗干涉信号检测法来判断干涉信号的出现，并记录干涉峰出现的位置及相关数据。

之后是对干涉信号进行第一次截取：根据测距原理与仿真确定计算距离所需的数据量，以此来决定第一次截取数据以粗查找干涉信号位置为中心，左右各截取128个数据点。

第二次查找与截取

第二次查找：在快门控制模块的辅助下对原始干涉信号进行了精确的标记，利用这些标记信号对第一次粗查找得到的干涉信号进行比较判断，去除非干涉信号相关数据。

第二次截取：第二次精查找干涉信号后，以干涉信号位置为中心，左右各截取64个数据点，共128个数据输送给后续计算单元。

实例

双飞秒激光测距系统的干涉光路是一个迈克尔逊干涉仪。测量中，飞秒激光脉冲序列在被测目标表面反射后和参考光形成一个具有稳定延时的双脉冲序列，本振光对其进行光学采样，然后脉冲序列击打在光电探测器上，从而输出电脉冲信号，电脉冲信号包含着距离信息。本振光单独击打在光电探测器上形成电子系统需要的采样时钟参考，通过它可以将电脉冲信号离散为数字信号。数据处理平台对该数字信号做高速，实时的数据处理，便可以得到测量距离。数据处理系统包含三大模块：采样时钟模块、数据采集模块、数据处理模块。数据处理平台整体结构如图4所示。

如图4所示，整个数据处理平台包含三个主要的系统接口。其中接口1连接光路中的光电探测器输出，接口2连接采样时钟参考，参考是由本振光击打在光电探测器上形成的，可以保证采样时钟和本振光的频率相同，接口3输出测量结果。SMA同轴连接器是一种应用广泛的小型螺纹连接器，它具有频带宽、性能优、高可靠、寿命长的特点，适合用作数据处理平台的输入接口1和2。串口是一种广泛应用的数字接口，它应用范围广泛，接口协议简单，易于开发，接口3的输出波特率在10Mbps以下，自定义的虚拟串口可以满足要求，它的逻辑电平是LVDS(低压差分信号)可以保证良好的信号完整性，根据项目的要要可以简单定义工作协议。

在系统的功能模块中，采样时钟模块接收本振光产生的参考时钟，对该信号进行去抖，调相以及变换逻辑电平以获得适合数据采集模块需要的采样时钟。鉴于本振光击打在光电探测器上输出的是电脉冲，该模块的输入参考需采用交流耦合。该模块的输入参考时钟需要超过100MHz，输出的采样时钟的相位延时精度需要达到1ns，最大的延时需要达到一个采样时钟周期。采样时钟决定着A/D采样的精度。

光电探测器输出的脉冲电信号经由接口1进入数据采集模块，该模块首先对其进行放大(缩小)，差分转换，滤除信号中的高频成分等操作，然后在采样时钟的驱动下，将其离散为数字信号，最后把数字信号按照合适的电平标准送到系统缓存中。为了最大限度的利用ADC的输入范围，这个模块的模拟输入范围需要灵活调节。根据理论研究，ADC的数字分辨率最低为14bits，采样率需要超过100MSPS。

数据处理模块实时的读取数字信号和环境传感器参数，经过高速、实时的运算，将结果从接口3处输出。数据处理算法包含查找峰，自相关，FFT，相位拟合等一系列的数学运算，这些计算在通用的计算机处理系统(包含专用的数字信号处理器DSP)中需要耗费大量的运算时间，不能实现结果的实时处理，FPGA作为一种半定制集成电路，它能够使用硬件描述语言(Verilog或者VHDL)将抽象的算法转化为数字电路，通过流水线的工作方式保证了数据处理的速度和可靠性，是数据处理逻辑理想的实现载体。数据处理逻辑接受的数字信号的宽度为16bits，它的处理速度需要超过100MHz。此外，采用一个单片机作为系统主控，它能够弥补FPGA在控制方面的不足(消耗资源多，时序分析复杂，成本高)。同时它集成了标准的UART和SPI硬件接口，可以直接读取环境传感器(接口为RS-485)中的环境参数，以及利用SPI接口可以向平台中的其他模块传送命令参数。结果输出模块将FPGA计算的距离转换为LVDS电平标准，同时并强驱动能力，它输出的波特率需要超过32×Δfbps，2Mbps的波特率即可满足大多数的测距应用。

PGA片内的存储资源非常有限，一般为2～10Mb，不能暂存太多的调试数据，因此采用一个在线的数据存储和传输模块，它利用FPGA内剩余的资源实时采集原始数据或者数据处理逻辑的中间数据，将数据在线的存储在大容量的DDR SDRAM中。在采集到需要的数据后，使用离线的方式将数据传输到PC机上并且验证数据的正确性，以进一步发现数据处理平台调试中的一些问题。DDR SDRAM的数据传输采用双沿传输，为了保证数据采样和传输的便利，选择8bits宽度的颗粒，根据离线数据处理的经验，512MB的缓存可以满足要求。

数据采集与处理系统可使用三个SMA同轴连接器作为与探测器输出信号连接的系统接口，其中两个是测量数据输入接口，一个是参考时钟输入接口；一个USB调试接口；一个供电电源接口；一个上位机通信接口；一个环境传感器接口。两路AD数据采集通道，一个由一只FPGA芯片及其外部辅助芯片组成的数据传输与处理功能模块，一个由两片DDR组成的存储结构，一个主要由C8051单片机形成的系统控制模块。

经过测评，数据处理平台可以有效的应用在实验室设计的飞秒激光跟踪仪中对测距光信号进行实时处理并以1000PT/S速度输出显示被测距离值。

以上内容是结合具体/优选的实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，其还可以对这些已描述的实施方式做出若干替代或变型，而这些替代或变型方式都应当视为属于本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种用于飞秒激光跟踪仪的数据采集与处理系统，其特征在于，包括数据采集模块、所述数据处理模块以及采样时钟模块，所述数据采集模块用于对光电探测器输出的模拟电信号进行信号调理并转换为数字信号，所述数据采集模块输出的数字信号传送到所述数据处理模块，所述数据处理模块用于根据所述数字信号计算被测距离值，所述采样时钟模块用于向所述数据采集模块提供一个与飞秒激光跟踪仪中的参考光路脉冲激光频率梳相适应的输出相位可调节的时钟驱动，优选地，所述采样时钟模块利用其时钟发生器的相位延迟特性设定不同的延迟参数，通过在不同的延迟参数下进行数据采集，比较不同延迟参数下采集到的干涉信号，并选择较好的干涉信号对应的相位值作为采样相位延迟参数。

2.如权利要求1所述的数据采集与处理系统，其特征在于，还包括设置在所述数据采集模块与所述数据处理模块之间的数据存储与传输模块，所述数据存储与传输模块用于调节所述数据采集模块与所述数据处理模块之间的数据传输与处理速度。

3.如权利要求1所述的数据采集与处理系统，其特征在于，所述数据处理模块包括干涉信号查找与截取模块、互相关运算模块、FFT运算模块，直线拟合模块以及距离值计算模块，所述干涉信号查找与截取模块用于查找干涉信号峰值位置并在峰值位置的两端进行适量截取，所述互相关运算模块用于对截取到有用的干涉信号数据进行互相关运算，所述FFT运算模块用于根据互相关运算结果进行FFT运算，所述直线拟合模块用于根据FFT运算结果进行直线拟合得到斜率值，所述距离值计算模块利用由测距原理推导出的距离计算公式得出被测距离值。

4.如权利要求3所述的数据采集与处理系统，其特征在于，干涉信号查找与截取模块包括第一查找与截取模块、DCFIFO模块以及第二查找与截取模块，所述第一查找与截取模块在较高速的adc_clk时域下进行干涉信号的查找，并截取干涉信号附近包含干涉信号的256点长度的16-bit数据信号，所述数据信号经过DCFIFO模块从所述较高速的adc_clk时域传输到较低速的系统sys_clk时域，所述第二查找与截取模块在sys_clk时域下对256点长度的数据信号进行二次截取，以干涉峰值数据信号为截取中心，截取长度为128点数据信号并输出。

5.一种使用如权利要求1至4任一项所述的数据采集与处理系统的数据采集与处理方法，其特征在于，包括以下步骤：

所述数据采集模块对光电探测器输出的模拟电信号进行信号调理并转换为数字信号；

所述数据处理模块对所述数字信号进行处理并计算被测距离值；

其中所述采样时钟模块为数据采集提供一个与飞秒激光跟踪仪中的参考光路脉冲激光频率梳相适应的输出相位可调节的时钟驱动。

6.如权利要求5所述的数据采集与处理方法，其特征在于，控制所述采样时钟模块的时钟驱动过程包括：(1)利用时钟芯片的频率跟踪特性实时保持时钟模块输出频率与参考光路激光脉冲频率相同；(2)利用时钟发生器的相位延迟特性，为所述采样时钟模块设定不同的延迟参数；(3)在不同的延迟参数下进行数据采集；(4)比较不同延迟参数下采集到的干涉信号；(5)选择符合预定条件的干涉信号对应的相位值作为采样相位延迟参数。

7.如权利要求5所述的数据采集与处理方法，其特征在于，对所述数字信号进行处理并计算被测距离值的过程包括：查找干涉信号峰值位置并在峰值位置的两端进行适量截取；对截取到有用的干涉信号数据进行互相关运算；根据互相关运算结果进行FFT运算；根据FFT运算结果进行直线拟合得到斜率值；利用由测距原理推导出的距离计算公式得出被测距离值。

8.如权利要求7所述的数据采集与处理方法，其特征在于，干涉信号查找与截取包括以下步骤：

第一次查找与截取：在较高速的adc_clk时域下进行干涉信号的查找，并截取干涉信号附近包含干涉信号的数据信号，优选256点长度的16-bit数据信号；

跨时域数据传输：所述数据信号经过DCFIFO模块从所述较高速的adc_clk时域传输到较低速的系统sys_clk时域；

第二次查找与截取模块：在sys_clk时域下对所述数据信号进行二次截取，以干涉峰值数据信号为截取中心，截取数据信号并输出，优选地，对应所述256点长度的16-bit数据信号，截取长度为128点数据信号。

9.如权利要求8所述的数据采集与处理方法，其特征在于，第一次查找使用自适应滑动扫描窗进行干涉信号检测，所述自适应滑动扫描窗设有窗宽、半窗高、窗顶高和窗底高四个参数，所述窗宽用于确定扫描窗每次进行检测的实时数据信号量，优选地，取16个采样点作为一个被检测单元，作为窗宽；所述半窗高的值取被检测单元的采样点的平均值；所述窗顶高和所述窗底高为以所述半窗高为基准、根据噪声实时变化幅度实时更新的两个阈值；当被检测单元中同时出现超过所述窗顶高以及所述窗底高的采样信号时，则判断当前被检测单元中存在干涉信号，并记录干涉信号出现的位置及相关数据。

10.如权利要求9所述的数据采集与处理方法，其特征在于，确定所述窗顶高和所述窗底高的过程包括：

1)当N_mean<A_loc/8时，使用式(2)和式(3)计算窗顶高和窗底高，

win_top＝win_high+A_loc/4 式(2)

win_low＝win_high-A_loc/4 式(3)2)当A_loc/8≤N_mean＜A_loc/2，使用式(4)和式(5)调整窗顶高和窗底高，

win_top＝win_high+2N_mean 式(4)

win_low＝win_high-2N_mean 式(5)

3)当N_mean≥A_loc/2，干涉信号查找及截取模块给出错误提示；

其中N_mean为当前被检测单元之前的多个被检测单元的噪声平均值，优选取之前8个被检测单元的噪声平均值，win_top为窗顶高，win_low为窗底高，A_loc为本振光信号强度。