CN109343071A - 一种用于相位式激光测距的欠采样鉴相方法及装置 - Google Patents

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Abstract

一种用于相位式激光测距的欠采样鉴相方法及装置，涉及相位式激光测距领域。本发明是为了解决由于相位式激光测距仪中发射信号和回波信号频率高且含有噪声，利用现有的鉴相方法不易准确提取相位信息的问题。本发明对发射信号和回波信号进行欠采样，获得发射信号的离散序列和回波信号的离散序列；分别对两个离散序列进行离散傅里叶变换，根据变换结果选出两组离散序列中谱线最大值，利用两组谱线最大值分别确定两组谱线所在位置；根据两组谱线所在位置分别求解发射信号和回波信号的初始相位，将发射信号和回波信号的初始相位作差，获得的差值即为鉴相结果。本发明用于提取相位式激光测距仪中高频信号的相位信息。

Description

一种用于相位式激光测距的欠采样鉴相方法及装置
技术领域
本发明属于相位式激光测距领域，尤其涉及相位式激光测距的鉴相。
背景技术
目前，鉴相方法总体上可以分为两大类：传统鉴相方法和基于数字处理的鉴相方法。
传统的鉴相方法主要有模拟鉴相法和数字鉴相法两种，其特点是时域内处理，易受噪声影响。模拟鉴相法指通过模拟电路实现对信号相位的测量，该方法对模拟器件性能要求高，实现电路复杂，不利于集成。数字鉴相法是通过高频时钟信号对参考信号和测量信号之间的时间间隔进行计数，实现两者相位差的测量。该方法要求被测信号波形规则，对整形电路要求高，不利于系统小型化。
基于数字处理的鉴相方法是指：通过数字信号处理的方法提取出测量信号和参考信号的相位信息。常用的鉴相方法有相关函数法、数字同步解调法和谱分析法。该方法是随着数字处理芯片的发展而出现的，具有集成度高、可移植性强、鉴相精度高等优点。
相位式激光测距仪采用正弦波作为调制信号，通过测量发射信号和回波信号的相位差，间接计算出被测距离。调制信号的频率关系到测距的精度和范围，调制频率越高，测量距离越小，精度越高；调制频率越低，测量距离越大，精度越低。一般相位式激光测距仪采用多个调制频率，用于保证测距精度和范围。在高精度相位式激光测距仪中，为保证测距精度，激光调制信号的频率需达到100MHz以上。同时，由于回波信号复杂且含有噪声，因此，传统的鉴相方法无法提取该信号的相位信息。如果直接采用基于数字处理的鉴相方法，会随着被测信号频率的提高，对处理器的性能要求也会相应提高，从而增加系统成本。
综上所述，由于相位式激光测距仪中发射信号和回波信号频率高且含有噪声，利用现有的鉴相方法不易准确提取相位信息。
发明内容
本发明是为了解决由于相位式激光测距仪中发射信号和回波信号频率高且含有噪声，利用现有的鉴相方法不易准确提取相位信息的问题，现提供一种用于相位式激光测距的欠采样鉴相方法及装置。
一种用于相位式激光测距的欠采样鉴相方法，该方法包括以下步骤：
步骤一：对发射信号e(t)和回波信号r(t)进行欠采样，获得发射信号的离散序列e(n)和回波信号的离散序列r(n)，其中，n的取值范围为[0,N-1]，N表示离散序列长度；
步骤二：分别对e(n)和r(n)进行离散傅里叶变换，根据变换结果选出两组离散序列中谱线最大值，利用两组谱线最大值分别确定两组谱线所在位置；
步骤三：根据两组谱线所在位置分别求解发射信号和回波信号的初始相位，将发射信号和回波信号的初始相位作差，获得的差值即为鉴相结果。
一种用于相位式激光测距的欠采样鉴相装置，包括：程控放大电路、模数转换电路、FPGA、ARM控制单元和触发电路，
程控放大电路用于采集发射信号和回波信号、并将采集到的信号进行放大，程控放大电路的波形信号输出端连接模数转换电路的波形信号输入端，模数转换电路的欠采样信号输出端连接FPGA的欠采样信号输入端，
ARM控制单元的增益信号输出端连接程控放大电路的增益信号输入端，ARM控制单元的使能信号输出端连接FPGA的使能信号输入端，
触发电路用于采集发射信号和回波信号，触发电路的触发信号输出端连接FPGA的触发信号输入端。
本发明有益效果：
(1)本发明所述方法，采用欠采样的技术手段，实现对高频信号相位的测量。本发明所述方法在保证不丢失信号相位信息的前提下，能够降低电路复杂程度，减少处理器的运算量；同时，采样率的降低能够提高频率分辨力，提高对信号相位测量的精度。
(2)在实际操作时，本发明采用“FPGA+ARM”的方式，设计欠采样鉴相装置。FPGA作为信号处理单元，确定欠采样后信号频谱位置，提取信号相位信息。ARM处理器作为控制单元，实现系统的控制和相位信息传输。经实验验证本发明在125MSPS的采样率下，可对100MHz的信号精确鉴相，鉴相精度达到0.07°，对应的测距精度为0.29mm，鉴相速率达到2kHz。
(3)有别于通过混频降低被测信号频率的方法，本发明所述装置使用低速A/D转换器对输入信号进行采样，就能够实现对输入信号频谱搬移的效果，可减小电路面积。即：本发明所述装置简化了电路，使得装置易于小型化。同时，因采用欠采样鉴相原理，大大减少处理器处理的数据量，方便处理器的选型，进一步易于小型化，降低系统成本。
综上所述，本发明通过欠采样技术实现对输入信号频谱搬移的效果，降低对模数转换器和处理器的性能要求，简化电路设计，降低系统成本；同时，采样率的降低可提高系统频率分辨力，提高系统鉴相精度。并且，本发明还能够在不丢失信号相位信息的前提下，使用低于奈奎斯特采样定理下的采样频率，提取相位式激光测距仪中高频信号的相位信息，满足快速、高精度和大范围的激光测距需求。
附图说明
图1为本发明所述的欠采样鉴相方法的流程图。
图2为经欠采样后获得的信号时域波形图。
图3为经欠采样后获得的信号频谱图。
图4为本发明所述的欠采样鉴相装置的结构框图。
图5为FPGA内部结构框图。
具体实施方式
具体实施方式一：参照图1、2和3具体说明本实施方式，本实施方式所述的一种用于相位式激光测距的欠采样鉴相方法，该方法包括以下步骤：
步骤一：设以欠采样频率fs对发射信号e(t)和回波信号r(t)进行欠采样，由于e(t)和r(t)含有噪声，因此在实际操作中，欠采样频率fs需满足：0.5fs＜f0＜fs，2f0/fs≠整数。
发射信号e(t)的表达式为：
回波信号r(t)的表达式为：
上述公式中，A1和B1分别为e(t)和r(t)的幅度，和分别为e(t)和r(t)的初始相位，f0为调制频率，t为时间。
欠采样操作后，e(t)和r(t)的频谱位于频谱频带[fs/2,fs]内，获得发射信号的离散序列e(n)和回波信号的离散序列r(n)，其中，n的取值范围为[0,N-1]，N表示离散序列长度；
发射信号的离散序列e(n)的表达式为：
回波信号的离散序列r(n)的表达式为：
上述公式中，A和B分别为e(n)和r(n)的幅值，n为离散点。
步骤二：
对发射信号进行处理，具体如下：
根据下式对e(n)进行离散傅里叶变换，获得e(n)中第ke个离散点的变换值E(ke)：
以上公式中0≤ke≤N-1，e表示为自然常数、j为虚数符号；
由于实数序列频谱呈对称分布，因此只需分析N/2≤ke≤N-1部分，利用下式对E(ke)进行更新，获得N/2≤ke≤N-1部分(更新后)的变换值E1(ke)：
离散傅里叶序列中每个离散点对应有一条谱线，根据上式获得E1(ke)对应谱线相位
当时，E1(ke)谱线取最大值，则有ke＝f0N/fs，该ke即为E1(ke)谱线所在位置。
对回波信号进行处理，具体如下：
根据下式对r(n)进行离散傅里叶变换，获得r(n)中第kr个离散点的变换值R(kr)：
以上公式中0≤kr≤N-1，r表示自然常数；
由于实数序列频谱呈对称分布，因此只需分析N/2≤kr≤N-1部分，利用下式对R(kr)进行更新，获得N/2≤kr≤N-1部分(更新后)的变换值R1(kr)：
离散傅里叶序列中每个离散点对应有一条谱线，根据上式获得R1(kr)对应谱线相位
当时，R1(kr)谱线取最大值，则kr＝f0N/fs，该kr即为R1(kr)谱线所在位置。
步骤三：根据两组谱线所在位置ke和kr分别求解和
根据和求解发射信号与回波信号的初始相差
所述初始相差即为鉴相结果。
具体实施方式二：参照图4和5具体说明本实施方式，本实施方式所述的一种用于相位式激光测距的欠采样鉴相装置，
该欠采样鉴相装置采用“FPGA+ARM”的方式，由FPGA做信号采集和处理，ARM处理器实现系统的控制，鉴相结果通过网络接口电路实时传送到上位机。所述采样鉴相装置具体包括：程控放大电路1、模数转换电路(ADC)2、FPGA3、ARM控制单元4、触发电路5、网络接口电路6和上位机7；
程控放大电路1用于采集发射信号和回波信号、并将采集到的信号进行放大，程控放大电路1的波形信号输出端连接模数转换电路2的波形信号输入端，模数转换电路2的欠采样信号输出端连接FPGA3的欠采样信号输入端，
ARM控制单元4的增益信号输出端连接程控放大电路1的增益信号输入端，ARM控制单元4的使能信号输出端连接FPGA3的使能信号输入端，ARM控制单元4提供增益信号控制程控放大电路1把输入信号幅值调理到ADC的输入范围内，同时，还提供使能信号用于控制FPGA3是否进行工作，并负责驱动网络接口电路6传输相位信息到上位机7。
触发电路5用于采集发射信号和回波信号，触发电路5的触发信号输出端连接FPGA3的触发信号输入端。触发电路5提供准确的触发信号到FPGA3，使FPGA3能够准确判断信号采集时间。
FPGA3的相位信息输出端连接ARM控制单元4的相位信息输入端，ARM控制单元4的相位信息输出端连接网络接口电路6的信号输入端，网络接口电路6的信号输出端连接上位机7的信号输入端。FPGA3对发射信号和回波信号进行频谱分析并提取其相位信息，是本实施方式所述装置实现快速鉴相的核心部分。
网络接口电路6用于实现上位机7与ARM控制单元4的通信，实时传输鉴相结果到上位机7。
图5展示了FPGA3内部功能模块，充分利用FPGA并行运算的特点，用以提高本实施方式所述装置的鉴相速率。FPGA3内部功能模块由以下四部分构成：
(1)锁相环：对输入时钟倍频向ADC和FPGA内部电路提供时钟信号。
(2)触发处理模块：用于提供触发使能信号给鉴相算法单元。
(3)鉴相算法单元：用于分析发射信号和回波信号频谱信息，计算出欠采样后双路信号的实部和虚部信息发送到相位解算单元。
(4)相位解算单元：用于实现双路信号的相位解算，输出双路信号的相位差信息到ARM控制单元4。

Claims (7)

1.一种用于相位式激光测距的欠采样鉴相方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：
步骤一：对发射信号e(t)和回波信号r(t)进行欠采样，获得发射信号的离散序列e(n)和回波信号的离散序列r(n)，其中，n的取值范围为[0,N-1]，N表示离散序列长度；
步骤二：分别对e(n)和r(n)进行离散傅里叶变换，根据变换结果选出两组离散序列中谱线最大值，利用两组谱线最大值分别确定两组谱线所在位置；
步骤三：根据两组谱线所在位置分别求解发射信号和回波信号的初始相位，将发射信号和回波信号的初始相位作差，获得的差值即为鉴相结果。
2.根据权利要求1所述的一种用于相位式激光测距的欠采样鉴相方法，其特征在于，步骤一中，
发射信号e(t)的表达式为：
回波信号r(t)的表达式为：
发射信号的离散序列e(n)的表达式为：
回波信号的离散序列r(n)的表达式为：
上述公式中，A1和B1分别为发射信号和回波信号的幅度，A和B分别为欠采样后发射信号和回波信号的幅值，和分别为发射信号和回波信号的初始相位，f0为调制频率，fs为欠采样频率，t为时间，n表示离散点，0.5fs＜f0＜fs，2f0/fs≠整数。
3.根据权利要求2所述的一种用于相位式激光测距的欠采样鉴相方法，其特征在于，步骤二中，
根据下式对e(n)进行离散傅里叶变换，获得e(n)中第ke个离散点的变换值E(ke)：
以上公式中0≤ke≤N-1，e为自然常数、j为虚数符号；
由于实数序列频谱呈对称分布，因此取N/2≤ke≤N-1，并对E(ke)进行更新，获得更新后的变换值E1(ke)：
根据上式获得E1(ke)对应谱线相位
当时，E1(ke)谱线取最大值，则有ke＝f0N/fs，该ke即为E1(ke)谱线所在位置。
4.根据权利要求2所述的一种用于相位式激光测距的欠采样鉴相方法，其特征在于，步骤二中，
根据下式对r(n)进行离散傅里叶变换，获得r(n)中第kr个离散点的变换值R(kr)：
以上公式中0≤kr≤N-1，r表示自然常数、j为虚数符号；
由于实数序列频谱呈对称分布，因此取N/2≤kr≤N-1，并对R(kr)进行更新，获得更新后的变换值R1(kr)：
根据上式获得R1(kr)对应谱线相位
当时，R1(kr)谱线取最大值，则kr＝f0N/fs，该kr即为R1(kr)谱线所在位置。
5.根据权利要求3或4所述的一种用于相位式激光测距的欠采样鉴相方法，其特征在于，步骤三中，根据两组谱线所在位置ke和kr分别求解和
上式中，E(ke)为e(n)中第ke个离散点的变换值，R(kr)为r(n)中第kr个离散点的变换值，
发射信号与回波信号的初始相差
6.一种用于相位式激光测距的欠采样鉴相装置，其特征在于，包括：程控放大电路(1)、模数转换电路(2)、FPGA(3)、ARM控制单元(4)和触发电路(5)，
程控放大电路(1)用于采集发射信号和回波信号、并将采集到的信号进行放大，程控放大电路(1)的波形信号输出端连接模数转换电路(2)的波形信号输入端，模数转换电路(2)的欠采样信号输出端连接FPGA(3)的欠采样信号输入端，
ARM控制单元(4)的增益信号输出端连接程控放大电路(1)的增益信号输入端，ARM控制单元(4)的使能信号输出端连接FPGA(3)的使能信号输入端，
触发电路(5)用于采集发射信号和回波信号，触发电路(5)的触发信号输出端连接FPGA(3)的触发信号输入端。
7.根据权利要求6所述的一种用于相位式激光测距的欠采样鉴相装置，其特征在于，还包括网络接口电路(6)和上位机(7)，
FPGA(3)的相位信息输出端连接ARM控制单元(4)的相位信息输入端，ARM控制单元(4)的相位信息输出端连接网络接口电路(6)的信号输入端，网络接口电路(6)的信号输出端连接上位机(7)的信号输入端。
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