專利名稱：頻分復(fù)用式并行激光測(cè)長(zhǎng)儀的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及激光長(zhǎng)度測(cè)量方法、三維測(cè)量方法和激光三維成像方法的技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及一種頻分復(fù)用式并行激光測(cè)長(zhǎng)儀。

背景技術(shù)：
現(xiàn)有的相位激光測(cè)長(zhǎng)儀主要是由控制與處理單元控制直接數(shù)字式頻率合成器(DirectDigital Synthesizer；DDS)產(chǎn)生一路激光調(diào)制信號(hào)，發(fā)出的激光調(diào)制信號(hào)打到待測(cè)目標(biāo)上發(fā)生漫反射，返回的光到達(dá)同一光電接收器，并和DDS產(chǎn)生的本振信號(hào)進(jìn)行混頻，得到含一路正弦波相位延遲的測(cè)距信號(hào)，經(jīng)過(guò)鑒相電路后得到被測(cè)點(diǎn)激光相位差，從而測(cè)定激光的往返時(shí)間，進(jìn)一步計(jì)算出被測(cè)點(diǎn)與測(cè)距儀之間的距離。
上述相位激光測(cè)長(zhǎng)儀的缺點(diǎn)是采用單光束發(fā)射、單光束接收，其測(cè)量速度慢，鑒相精度低；若多個(gè)鑒相式激光測(cè)長(zhǎng)儀同時(shí)工作，則各測(cè)長(zhǎng)儀調(diào)制光之間相互干擾，無(wú)法實(shí)現(xiàn)并行工作；若采用時(shí)分復(fù)用技術(shù)實(shí)現(xiàn)多個(gè)測(cè)長(zhǎng)儀分時(shí)工作，則測(cè)量系統(tǒng)體積大，功耗大，系統(tǒng)復(fù)雜，無(wú)法滿足三維測(cè)量的要求。


發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供一種頻分復(fù)用式并行激光測(cè)長(zhǎng)儀，其充分利用了頻分復(fù)用多路調(diào)制，并采用單路光電接收器同時(shí)接收多路漫反射激光調(diào)制信號(hào)，利用數(shù)字信號(hào)處理器(DigitalSignal Processor；DSP)高速數(shù)字傅立葉變換技術(shù)實(shí)現(xiàn)多路信號(hào)的同步數(shù)字檢相功能，從而實(shí)現(xiàn)多路激光并行鑒相測(cè)長(zhǎng)，極大地提高了測(cè)長(zhǎng)的速度和效率。
為了達(dá)到上述目的，本發(fā)明的技術(shù)方案如下 頻分復(fù)用式并行激光測(cè)長(zhǎng)儀，主要由數(shù)字信號(hào)處理器1、DDS主振模塊2、DDS本振模塊3、激光調(diào)制與發(fā)射模塊4、光電接收器6、第一混頻模塊7、第二混頻模塊8和A/D轉(zhuǎn)換電路9組成；數(shù)字信號(hào)處理器1發(fā)送控制信號(hào)給DDS主振模塊2和DDS本振模塊3，DDS主振模塊2根據(jù)該控制信號(hào)產(chǎn)生多路主振信號(hào)并發(fā)送給激光調(diào)制與發(fā)射模塊4，激光調(diào)制與發(fā)射模塊4經(jīng)過(guò)該多路主振信號(hào)的驅(qū)動(dòng)而發(fā)射多束激光，該多束激光照射到待測(cè)目標(biāo)5上并發(fā)生漫反射，經(jīng)過(guò)漫反射的多束激光由光電接收器6接收；DDS本振模塊3根據(jù)數(shù)字信號(hào)處理器1發(fā)送的控制信號(hào)產(chǎn)生本振信號(hào)，該本振信號(hào)與該多路主振信號(hào)通過(guò)第一混頻模塊7進(jìn)行混頻后產(chǎn)生參考信號(hào)；光電接收器6將接收的多束激光信號(hào)轉(zhuǎn)換為合成電信號(hào)，并輸出給第二混頻模塊8，該合成電信號(hào)與DDS本振模塊3產(chǎn)生的本振信號(hào)通過(guò)第二混頻模塊8進(jìn)行混頻后產(chǎn)生測(cè)量信號(hào)；A/D轉(zhuǎn)換電路9對(duì)上述參考信號(hào)和測(cè)量信號(hào)進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換后輸出給數(shù)字信號(hào)處理器1，數(shù)字信號(hào)處理器1接收并處理A/D轉(zhuǎn)換電路9輸出的兩路數(shù)字信號(hào)。
上述第一混頻模塊7和第二混頻模塊8主要由混頻器10和帶通濾波器11組成；上述激光調(diào)制與發(fā)射模塊4為激光器。
本發(fā)明的有益效果是頻分復(fù)用式并行激光測(cè)長(zhǎng)儀充分利用了頻分復(fù)用多路調(diào)制，并采用單路光電接收器同時(shí)接收多路漫反射激光調(diào)制信號(hào)，利用DSP高速數(shù)字傅立葉變換技術(shù)實(shí)現(xiàn)多路信號(hào)的同步數(shù)字檢相功能，從而實(shí)現(xiàn)多路激光并行鑒相測(cè)長(zhǎng)，極大地提高了測(cè)長(zhǎng)的速度和效率。



圖1是本發(fā)明的頻分復(fù)用式并行激光測(cè)長(zhǎng)儀的結(jié)構(gòu)框圖。
圖2是本發(fā)明一實(shí)施例的光電接收器的電路圖。
圖3是本發(fā)明一實(shí)施例的混頻模塊的原理示意圖。
圖4是本發(fā)明一實(shí)施例8點(diǎn)的基2-DIT FFT信號(hào)流程圖。
圖中1、數(shù)字信號(hào)處理器，2、DDS主振模塊，3、DDS本振模塊，4、激光調(diào)制與發(fā)射模塊，5、待測(cè)目標(biāo)，6、光電接收器，7、第一混頻模塊，8、第二混頻模塊，9、A/D轉(zhuǎn)換電路，10、混頻器，11、帶通濾波器。

具體實(shí)施例方式 下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明做進(jìn)一步詳細(xì)地描述 如圖1所示，本發(fā)明的頻分復(fù)用式并行激光測(cè)長(zhǎng)儀主要由數(shù)字信號(hào)處理器1、DDS主振模塊2、DDS本振模塊3、激光調(diào)制與發(fā)射模塊4、光電接收器6、第一混頻模塊7、第二混頻模塊8和A/D轉(zhuǎn)換電路9組成。該測(cè)長(zhǎng)儀的工作原理是由數(shù)字信號(hào)處理器(DSP)1控制m路DDS主振模塊2產(chǎn)生m路主振信號(hào)，控制DDS本振模塊3產(chǎn)生一路本振信號(hào)，m路主振信號(hào)的合成信號(hào)與作為本振信號(hào)的一路輸出接到第一混頻模塊7進(jìn)行混頻后產(chǎn)生參考信號(hào)；m路主振信號(hào)驅(qū)動(dòng)多路激光調(diào)制與發(fā)射模塊4即激光器發(fā)射多束激光調(diào)制信號(hào)，各路調(diào)制信號(hào)之間的頻差為Δf，即fm＝fm-1+Δf，(m＝2，3，4...)，各路信號(hào)占用不同的頻率，這樣充分利用了調(diào)制信號(hào)的頻帶；發(fā)出的多束激光調(diào)制信號(hào)打到待測(cè)目標(biāo)5上發(fā)生漫反射，返回的多束激光調(diào)制信號(hào)到達(dá)同一光電接收器6，經(jīng)過(guò)光電接收器6處理后的電壓信號(hào)和DDS本振模塊3產(chǎn)生的本振信號(hào)進(jìn)入第二混頻模塊8進(jìn)行混頻，得到含多路正弦波相位的測(cè)距信號(hào)，經(jīng)過(guò)高速雙路A/D轉(zhuǎn)換電路9后，采樣數(shù)據(jù)送入數(shù)字信號(hào)處理器(DSP)1進(jìn)行快速傅立葉(FFT)變換，由算法分別求出各路調(diào)制信號(hào)在被測(cè)距離上往返所產(chǎn)生的相位差，間接測(cè)定激光的往返時(shí)間，進(jìn)一步計(jì)算出各點(diǎn)距離。
如圖2所示，其為本發(fā)明光電接收器的典型電路示意圖，光電接收器采用探測(cè)靈敏度高的雪崩光電二極管(APD)，圖中，U為APD的偏置電源，R1為限流電阻，C為濾波電容，盡可能離APD近，R2為反饋電阻，通過(guò)這個(gè)電路將接收到的光信號(hào)轉(zhuǎn)換成電壓信號(hào)輸出給混頻器10。
如圖3所示，為了保證一定的鑒相精度，要在數(shù)據(jù)采集之前通過(guò)主振頻率uc與本振頻率uL混頻，變成中低頻信號(hào)，由于混頻后的差頻信號(hào)仍保持著原高頻信號(hào)的相位關(guān)系，所以，測(cè)量中低頻信號(hào)的相位差就等于測(cè)量主振信號(hào)經(jīng)被測(cè)距離后的相位延遲量。由于各路信號(hào)同時(shí)返回，經(jīng)寬帶混頻器10和帶通濾波器11后得到的是各路信號(hào)的疊加信號(hào)ul。
本發(fā)明頻分復(fù)用式并行激光測(cè)長(zhǎng)儀中的模數(shù)轉(zhuǎn)換電路選取得是AD公司生產(chǎn)的AD73360模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片，它具有6個(gè)獨(dú)立的采集通道，可實(shí)現(xiàn)多通道同步采集，采集精度為16位，不產(chǎn)生相位差。對(duì)于每一種路測(cè)距信號(hào)，采集后的的兩路數(shù)據(jù)分別為差頻后的低頻或中頻參考信號(hào)和測(cè)量信號(hào)，利用DSP強(qiáng)大的數(shù)據(jù)處理能力對(duì)兩路數(shù)據(jù)分別作快速傅立葉變換，求出其頻譜分布，算出兩路信號(hào)的初始相位，實(shí)現(xiàn)數(shù)字鑒相過(guò)程。
本發(fā)明采用的FFT運(yùn)算原理如下 快速傅立葉變換(FFT)是離散傅立葉變換(DFT)的一種高效運(yùn)算方法，F(xiàn)FT使DFT的運(yùn)算大大簡(jiǎn)化，運(yùn)算時(shí)間一般可以縮短一二個(gè)數(shù)量級(jí)。長(zhǎng)度為N的有限長(zhǎng)序列x(n)的DFT為 式中，WN＝e-j2π/N，稱為碟形因子。
由于N為偶數(shù)，可將N點(diǎn)的輸入序列x(n)分為奇數(shù)序列x1(n)＝x(2n+1)和偶數(shù)序列x2(n)＝x(2n)兩部分，分別做N/2點(diǎn)的DFT變換，可表示為 這樣就將N點(diǎn)DFT分為兩個(gè)N/2點(diǎn)的DFT的運(yùn)算，按照同一原理進(jìn)一步抽取，最終可得出兩點(diǎn)時(shí)域抽取法的信號(hào)流程，如圖4所示。
本發(fā)明采用的鑒相基本原理如下 對(duì)單一頻率的正弦信號(hào)(f＝fm m＝1，2，3...)的采樣序列為 式中，N為總的采樣點(diǎn)數(shù)，q為一整數(shù)(q＝0，1，…，N-1)；其離散傅里葉變換(DFT)為 其中， 所以，X(K)應(yīng)為 當(dāng)k≠q時(shí)，X(k)＝0；k＝q時(shí)， 同理，對(duì)相位為θ的正弦序列的正弦序列，其DFT為 當(dāng)且僅當(dāng)k＝q時(shí)，x(K)≠0，且 可見(jiàn)，頻率為

的序列在k＝q處譜值達(dá)最大，又實(shí)序列x(n)FFT變換的實(shí)部關(guān)于零頻率是對(duì)稱的，而虛部是反對(duì)稱的。所以，在k＝N-q處也會(huì)出現(xiàn)最大譜值。由式(5)即可求出正弦序列x(n)的相位θ。
由以上分析可知，單一頻率的FFT結(jié)果，一般情況下，離散譜上會(huì)出現(xiàn)兩條譜線，在f＝n·Δf處出現(xiàn)功率譜的最大值(式中，f為信號(hào)頻率，Δf為頻率分辨率)。
假設(shè)A/D轉(zhuǎn)換電路9的采樣頻率為fs，做N點(diǎn)的FFT，則頻率分辨率為Δf＝fs/N，即功率譜最大值出現(xiàn)在f＝n·fs/N處，然后，在幅度譜上取相應(yīng)的第n個(gè)頻譜值得實(shí)部Re和虛部Im，按公式 計(jì)算可得出測(cè)量信號(hào)與參考信號(hào)的初始相位，從而計(jì)算出兩信號(hào)的相位差實(shí)現(xiàn)鑒相運(yùn)算。由于是m路信號(hào)并行發(fā)射，占用不同的頻率(相互之間頻差為Δf)，最后相互疊加在一起的，因此每一路信號(hào)(即每一測(cè)量頻率)各對(duì)應(yīng)一個(gè)相位信息。根據(jù)此原理就可以分別求出合成信號(hào)中各頻率信號(hào)的初始相位，從而求得不同點(diǎn)的距離，提高了測(cè)量效率。
綜上所述，本發(fā)明的頻分復(fù)用式并行激光測(cè)長(zhǎng)儀可實(shí)現(xiàn)多路激光并行鑒相測(cè)長(zhǎng)，極大地提高了測(cè)長(zhǎng)的速度和效率，由于得到的是不同點(diǎn)的距離信息，輔助一定的成像技術(shù)還可達(dá)得到三維成像的效果，因此，本發(fā)明可廣泛應(yīng)用在各個(gè)領(lǐng)域的測(cè)長(zhǎng)技術(shù)方面。
權(quán)利要求
1.頻分復(fù)用式并行激光測(cè)長(zhǎng)儀，其特征在于，該測(cè)長(zhǎng)儀主要由數(shù)字信號(hào)處理器(1)、DDS主振模塊(2)、DDS本振模塊(3)、激光調(diào)制與發(fā)射模塊(4)、光電接收器(6)、第一混頻模塊(7)、第二混頻模塊(8)和A/D轉(zhuǎn)換電路(9)組成；數(shù)字信號(hào)處理器(1)發(fā)送控制信號(hào)給DDS主振模塊(2)和DDS本振模塊(3)，DDS主振模塊(2)根據(jù)該控制信號(hào)產(chǎn)生多路主振信號(hào)并發(fā)送給激光調(diào)制與發(fā)射模塊(4)，激光調(diào)制與發(fā)射模塊(4)經(jīng)過(guò)該多路主振信號(hào)的驅(qū)動(dòng)而發(fā)射多束激光，該多束激光照射到待測(cè)目標(biāo)(5)上并發(fā)生漫反射，經(jīng)過(guò)漫反射的多束激光由光電接收器(6)接收DDS本振模塊(3)根據(jù)數(shù)字信號(hào)處理器(1)發(fā)送的控制信號(hào)產(chǎn)生本振信號(hào)，該本振信號(hào)與該多路主振信號(hào)通過(guò)第一混頻模塊(7)進(jìn)行混頻后產(chǎn)生參考信號(hào)；光電接收器(6)將接收的多束激光信號(hào)轉(zhuǎn)換為合成電信號(hào)，并輸出給第二混頻模塊(8)，該合成電信號(hào)與DDS本振模塊(3)產(chǎn)生的本振信號(hào)通過(guò)第二混頻模塊(8)進(jìn)行混頻后產(chǎn)生測(cè)量信號(hào)；A/D轉(zhuǎn)換電路(9)對(duì)上述參考信號(hào)和測(cè)量信號(hào)進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換后輸出給數(shù)字信號(hào)處理器(1)，數(shù)字信號(hào)處理器(1)接收并處理A/D轉(zhuǎn)換電路(9)輸出的兩路數(shù)字信號(hào)。
2.如權(quán)利要求1所述的頻分復(fù)用式并行激光測(cè)長(zhǎng)儀，其特征在于，所述第一混頻模塊(7)和第二混頻模塊(8)主要由混頻器(10)和帶通濾波器(11)組成。
3.如權(quán)利要求1所述的頻分復(fù)用式并行激光測(cè)長(zhǎng)儀，其特征在于，所述激光調(diào)制與發(fā)射模塊(4)為激光器。
全文摘要
本發(fā)明頻分復(fù)用式并行激光測(cè)長(zhǎng)儀涉及激光長(zhǎng)度測(cè)量方法、三維測(cè)量方法和激光三維成像方法的技術(shù)領(lǐng)域，該測(cè)長(zhǎng)儀采用多路頻分復(fù)用調(diào)制、同步鑒相并行測(cè)長(zhǎng)的新技術(shù)，其利用DDS技術(shù)實(shí)現(xiàn)多路激光頻分復(fù)用正弦調(diào)制，利用FFT算法同時(shí)對(duì)多路合成信號(hào)鑒相，然后同時(shí)得到各點(diǎn)距離。本發(fā)明的有益效果是該測(cè)長(zhǎng)儀充分利用了頻分復(fù)用多路調(diào)制，并采用單路光電接收器同時(shí)接收多路漫反射激光調(diào)制信號(hào)，利用DSP高速數(shù)字傅立葉變換技術(shù)實(shí)現(xiàn)多路信號(hào)的同步數(shù)字檢相功能，從而實(shí)現(xiàn)多路激光并行鑒相測(cè)長(zhǎng)，極大地提高了測(cè)長(zhǎng)的速度和效率。
文檔編號(hào)G01B11/02GK101158572SQ20071015791
公開(kāi)日2008年4月9日 申請(qǐng)日期2007年10月31日 優(yōu)先權(quán)日2007年10月31日
發(fā)明者熊木地, 周愛(ài)霞, 何穎秋, 趙榮芳, 郭靜寰 申請(qǐng)人:大連海事大學(xué)