CN2650149Y - 基于直接数字合成dds技术的dsp连续波激光相位测距系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种激光相位测距系统，包括光学系统、电路单元、混频放大单元、A/D转换单元、以及DSP控制处理系统，其特征是在数字信号处理器DSP的可编程控制下，使用两片直接数字信号合成器DDS芯片，DDS的两路输出，一路输出经信号调制驱动光波发射，同时与另一路输出接到参考混频中放；另一路输出接到测量混频中放，与回程信号的自动增益控制信号混频。和传统技术相比，输出分辨率小，输出频率变换时间小，调频范围大，相位噪声小，体积小、集成度高、功耗小、设计方便。

Description

基于直接数字合成DDS技术的DSP连续波激光相位测距系统

技术领域

连续波激光相位法测距。

背景技术

连续波激光相位法测距的方法分为模拟测相法(延迟测相法)测距和数字测相法测距。

用数字电路进行相位测量，是精密测距技术进入新阶段的一个标志。自动数字测相具有速度快、精度高、成果便于自动处理、直接进行距离显示等优点，目前在各种短程测距仪中已普遍采用。

在数字相位测距中，首先信号源大多采用晶振，然后通过频率综合和锁相的方法获得其他几个测量频率。虽然能够实现距离的精密测量，但是由于种种原因还存在以下一些问题：

1、信号源一般选用晶体振荡器作为精测主振，不可避免存在一定的频率漂移和相位抖动，成为进一步提高测距的精度和稳定度的瓶颈；而且系统使用电子开关进行精、粗尺频率的切换，其响应速度和可靠性都不够理想；

2、由于采用差频测相，系统要求产生频差恒定的主振和本振信号，现在通常采用高频晶振作为精测频率，然后通过频率综合和锁相的方法获得其它几个测量频率。这种方法存在频率分辨率低、跟踪速度慢、电路实现复杂的缺点，影响系统的总体性能。

实用新型内容

本实用新型的目的是提供一种基于直接数字合成DDS技术的连续波激光相位测距系统，在数字相位测距仪中采用DDS信号源，提高频率的精度和稳定性，提高频率分辨率、频率的跟踪、响应和变换速度，调频范围大，电路实现简单，体积功耗下降，使用方便，提高数字相位测距仪的总体性能。

采用直接数字合成器(DDS-Direct Digital Synthesis)来作为数字化的频率信号源，不仅精度高，而且由于不受环境温度等因素影响，性能非常稳定。通过简单的数字式控制就可以产生系统的主振和本振频率，并且能够灵活地进行测尺频率的切换。因此，把DDS技术引入到在相位测距系统中，对提高测距系统的精度，以及使其向小型化、轻量化和多功能化发展，具有重要意义。

一、DDS技术

直接数字频率合成技术DDS的一个显著特点是在数字处理器的控制下能够精确而快速地处理频率和相位，其固有的特性包括：相当高的频率和相位分辨率，频率的可控范围可达μHz级，相位控制小于0.1°；能够进行快速的信号变换，其内部数字模拟转换器DAC的转换速率为300百万次/秒。随着数字技术和半导体技术的发展，DDS芯片能集成包括高速DAC器件在内的部件，功能增加，体积减少，功耗下降到mW级。

DDS技术是用数字控制方法由一个参考频率源产生多种频率。它利用奈奎斯特准则对一个正弦信号进行采样，控制采样周期间的相位增量，用当前的相位值来寻址ROM表，实现相码到幅码的转换。

DDS系统的核心部分是相位累加器，它由一个加法器和一个N位相位寄存器组成，N一般为24～32位。每来一个外部参考时钟f_sys，相位寄存器便以步长M递增。相位寄存器的输出与相位控制字相加，然后输入到正弦查询表地址上。正弦查询表包含一个周期正弦波的数字幅度信息，每个地址对应正弦波中0°～360°范围的一个相位点。查询表把输入的地址相位信息映射成正弦波幅度信号，驱动数字模拟转换器DAC输出模拟量。DAC输出的模拟信号经过低通滤波器LPF平滑，就可以得到一个频谱纯净的正弦波。

相位寄存器每经过2^N/M个f_sys。时钟后回到初始状态，相应的正弦查询表经过一个循环回到初始位置，整个DDS系统输出一个正弦波。输出正弦波的周期为 $T_0=\frac{1}{f_{\mathrm{sys}}}\·\frac{2^N}{M},$ 频率为 $f_{\mathrm{out}}=\frac{{\mathrm{Mf}}_{\mathrm{sys}}}{2^N}.$

基于直接数字合成DDS技术的DSP连续波激光相位测距系统，包括光学系统、电路单元、混频放大单元、A/D转换单元、以及DSP控制处理系统，其特征是：电路控制部分的信号源及混频源为直接数字合成器DDS，与数字信号处理器DSP相配合。

在数字信号处理器DSP的可编程控制下，使用两片直接数字信号合成器DDS芯片，DDS的两路输出，一路输出经信号调制驱动光波发射，同时与另一路输出接到参考混频中放；另一路输出接到测量混频中放，与回程信号的自动增益控制信号混频。

两个DDS输出经参考混频中放和测量混频中放后，其输出经A/D转换器转换成数字信号，送入数字信号处理器DSP进行数据处理。其余为信号幅值比较和LCD显示。

光学系统中光源为半导体激光器。

本实用新型的两大技术要点是：采用直接数字频率合成技术DDS和利用DSP的FFT变换处理技术。

本实用新型光学系统有半导体激光发射，发射光学系统，回程的光学接收系统和信号接收光电转换。

电路单元中采用两块DDS芯片，产生两个本振和主振频率信号，从根本上解决了主振频率和本振频率之间的相位抖动和频率漂移的问题。两混频中放信号通过一双路A/D进入数字信号处理器，利用DSP强大的数据处理功能，完成两差频信号的相位计算，大大提高了系统的可靠性和精度。

DDS技术同传统的相位式测距系统中，大多信号源的产生采用的模拟锁相环(PLL-Phase Lock Loop)技术相比，DDS技术拥有传统的模拟PLL技术无可比拟的优越性，体现在：

(1)输出分辨率小。只要相位累加器的位宽足够大，参考频率足够小，则频率分辨率就可以很小。例如，在125MHz的时钟下，32位的频率控制字可使输出的频率分辨率达0.0291Hz；而模拟锁相环合成器的分辨率仅为1KHz。

(2)输出频率变换时间小。模拟锁相环的频率变换时间主要取决于它的反馈处理时间和压控振荡器的响应时间，通常大于1ms；而DDS的频率变换时间主要是DDS的数字处理延迟，通常为几十个ns。

(3)调频范围大。负反馈环的带宽输出参考频率决定了模拟锁相环的稳定调频范围；而DDS在整个奈奎斯特频率范围内是近似连续可调的。

(4)相位噪声小。DDS最大的优势就在于它的相位噪声小。由于数字正弦信号的相位与时间成线形关系，DDS输出的相位噪声主要来源于其参考时钟源的相位噪声，并比之小的多；而模拟锁相环的相位噪声是它的参考时钟的相位噪声的两倍。

(5)体积小、集成度高、功耗小、设计方便。

附图说明

图1为可编程DDS系统。

图2为基于DDS技术的DSP连续波激光相位测距系统的结构简图。

图3为基于DDS技术的DSP连续波激光相位测距系统的结构图。

具体实施方法

参见附图。

图1中，1、频率控制字，2、位控制字，3、相位累加器，包括□加法器和4相位寄存器组成，5、正弦查询表，6、数字模拟转换器，7、低通滤波器LPF。

图2中，8、数字信号处理器，9、频率合成器DDS，10、参考混频中放，11、调制发射，12、光电接收，13、测量混频中放，14、A/D转换器。

图3中，16、信号调制驱动，17、半导体激光器，18、发射光学系统，19、信号幅值比较，20、接收光学系统，21、信号接收光电转换，22、自动增益控制AGC，15、LCD显示。

本实用新型包括光学系统11、12，混频放大单元10、13，A/D转换器14，数字信号处理器DSP8，信号源产生为频率合成器DDS 9。系统使用两片DDS 9。DDS 9的输出，一路输出经信号调制16驱动光波发射的同时与另一路输出接到参考混频中放10；另一路输出接到测量混频中放13与回程信号的自动增益控制AGC 22信号混频。

两个DDS 9输出经参考混频中放10和测量混频中放13后，其输出给A/D转换器14转换成数字信号后，送入数字信号处理器DSP 8进行数据处理。

光学系统中光源17为半导体激光器，经发射光学系统18出射，再经远处的反射镜反射回接收光学系统20，再经信号接收光电转换22接收放大后分成两路，一路经信号幅值比较19，另一路经自动增益控制22送入测量混频中放13，显示部件LCD 15。

Claims (4)

1、基于直接数字合成DDS技术的DSP连续波激光相位测距系统，包括光学系统、电路单元、混频放大单元、A/D转换单元、以及DSP控制处理系统，其特征是：电路控制部分的信号源及混频源为直接数字合成器DDS，与数字信号处理器DSP相配合。

2、根据权利要求1所述的激光相位测距系统，其特征是在数字信号处理器DSP的可编程控制下，使用两片直接数字信号合成器DDS芯片，DDS的两路输出，一路输出经信号调制驱动光波发射，同时与另一路输出接到参考混频中放；另一路输出接到测量混频中放，与回程信号的自动增益控制信号混频。

3、根据权利要求1所述的激光相位测距系统，其特征是两个DDS输出经参考混频中放和测量混频中放后，其输出经A/D转换器转换成数字信号，送入数字信号处理器DSP进行数据处理。

4、根据权利要求1所述的激光相位测距系统，其特征是光学系统中光源为半导体激光器。

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