用于飛秒激光跟蹤儀的數據采集與處理系統及設備的制作方法

本實用新型涉及激光測距技術領域，特別是涉及一種用于飛秒激光跟蹤儀的數據采集與處理系統及設備。

背景技術：

20世紀末期出現的新型飛秒激光器，使激光測距技術出現了革命性的轉機，迅速成為國際上測距研究的一大熱點，由于飛秒激光頻率梳光源目前還處于實驗室階段，測距儀的小型化無法實現，雙飛秒激光頻率梳測距儀類似的產品還沒有出現，國內外的學者和研究人員將主要的精力集中在測距方法和光源的研究中，相對于雙頻飛秒激光梳測距方法研究的學術研究價值，它的后續數據處理算法以及數據采集與處理系統的研究則更多的表現了工程價值。

由于飛秒激光的重復頻率達到50MHz以上，測距系統具有一定復雜度，設計數據采集與處理系統仍然具有相當大的挑戰性，以往研究人員構建的實驗平臺不能實現數據的實時處理，他們收集到足夠多的原始數據，然后在PC機上進行處理，因此設計專用的數據采集與處理平臺對新型飛秒激光跟蹤儀的研制非常重要。

技術實現要素：

本實用新型的主要目的在于克服現有技術的不足，提供一種用于飛秒激光跟蹤儀的數據采集與處理系統及設備,解決飛秒激光跟蹤儀研制中數據采集與處理系統無法兼備小型化、實時性的難題。

為實現上述目的，本實用新型采用以下技術方案：

一種用于飛秒激光跟蹤儀的數據采集與處理系統，包括數據采集模塊、數據存儲與傳輸模塊以及數據處理模塊，所述數據采集模塊與所述數據存儲與傳輸模塊相連，所述數據存儲與傳輸模塊與所述數據處理模塊相連，所述數據采集模塊用于對來自光電探測器的模擬電信號進行信號調理并轉換為數字信號，所述數據采集模塊輸出的數字信號通過所述數據存儲與傳輸模塊傳送到所述數據處理模塊，所述數據存儲與傳輸模塊用于調節所述數據采集模塊與所述數據處理模塊之間的數據傳輸，所述數據處理模塊用于處理所述數字信號以得到被測距離值。

進一步地：

所述數據采集模塊包括信號調理模塊和與所述信號調理模塊相連的A/D轉換模塊。

所述信號調理模塊包括低通濾波模塊和與所述低通濾波模塊相連的信號放大模塊。

所述數據采集模塊和所述數據處理模塊設置有連接外部設備的接口，所述接口用于將測量的結果和采集的原始數據傳輸給外部設備顯示或處理。

還包括與所述數據采集模塊相連的采樣時鐘模塊，所述采樣時鐘模塊用于提供一個與飛秒激光跟蹤儀的參考光路脈沖激光頻率梳相適應的相位可調時鐘驅動。

一種用于飛秒激光跟蹤儀的數據采集與處理設備，包括所述數據采集與處理系統以及與所述數據采集與處理系統相連的光電探測器，所述光電探測器用于將探測到的飛秒激光的光信號轉換為模擬電信號并傳送至所述數據采集與處理系統

本實用新型的有益效果：

本實用新型用于飛秒激光跟蹤測距儀中，可對測距時的光學信號進行快速實時的數據采集與處理。在對飛秒激光跟蹤測距儀高速的數據采集時會產生大量的采集數據，這會加大數據處理模塊運行負擔甚至導致無法運行，本實用新型在數據采集模塊和數據處理模塊之間設置一個數據存儲與傳輸模塊，可以有效調節數據采集與處理之間大量數據的傳輸與運算速度。本實用新型能夠解決跟蹤儀在開發過程中無法實現實時性、小型化的瓶頸，實現集成數據采集、計算以及存儲三大功能于一體，其數據采集與處理實時性高，體型小，可以廣泛用于小型化實時性高的飛秒激光測距設備中。

優選地，設置一個采樣時鐘模塊，該采樣時鐘模塊為數據采集模塊提供一個與飛秒激光跟蹤儀中的參考光路脈沖激光頻率梳相適應的相位可調時鐘驅動，達到時鐘驅動與光頻疏同步，能使測距信號的干涉峰被準確無誤地采集。

附圖說明

圖1為本實用新型一種實施例的數據采集與處理系統的結構框圖。

圖2為本實用新型一種實施例的數據采集模塊和數據處理模塊的結構示意圖。

圖3本實用新型具體實例的飛秒激光跟蹤儀的數據采集與處理系統整體框圖。

具體實施方式

以下對本實用新型的實施方式作詳細說明。應該強調的是，下述說明僅僅是示例性的，而不是為了限制本實用新型的范圍及其應用。

參閱圖1，在一種優選的實施例中，一種用于飛秒激光跟蹤儀的數據采集與處理系統，包括數據采集模塊、數據存儲與傳輸模塊、數據處理模塊以及采樣時鐘模塊，所述數據采集模塊與所述數據存儲與傳輸模塊相連，所述數據存儲與傳輸模塊與所述數據處理模塊相連，所述數據采集模塊用于對光電探測器輸出的模擬電信號進行信號調理并轉換為數字信號，所述數據采集模塊輸出的數字信號通過所述數據存儲與傳輸模塊傳送到所述數據處理模塊，所述數據存儲與傳輸模塊用于調節所述數據采集模塊與所述數據處理模塊之間的數據傳輸與處理，所述數據處理模塊用于處理所述數字信號以得到被測距離值，所述采樣時鐘模塊連接所述數據采集模塊，用于提供一個與飛秒激光跟蹤儀中的參考光路脈沖激光頻率梳相適應的輸出相位可調節的時鐘驅動。在高速的數據采集之后產生大量的采集數據，會加大數據處理模塊運行負擔甚至導致無法運行，故在數據采集模塊和數據處理模塊之間增設一個數據存儲與傳輸模塊，通過其有效調節數據采集與處理之間大量數據的傳輸與運算速度。

參閱圖2，在優選的實施例中，所述數據采集模塊包括信號調理模塊和與所述信號調理模塊相連的A/D轉換模塊。所述信號調理模塊包括低通濾波模塊和與所述低通濾波模塊相連的信號放大模塊。

在優選的實施例中，所述數據采集模塊和所述數據處理模塊設置有連接外部設備的接口，所述接口用于將測量的結果和采集的原始數據傳輸給外部設備顯示或處理。

數據處理模塊可以采用現有的硬件模塊實現其數據處理和計算功能，可包括(但不限于)實現：干涉信號截取、互相關運算、FFT運算，直線擬合以及距離值計算。

在本實用新型的一些實施例中，光電探測器將光信號轉換為電信號，數據采集模塊主要是實現對光電探測器輸出的模擬電信號轉換為數字信號，并傳送到FPGA進行后續處理。數據采集模塊的功能包含信號調理和A/D轉換兩大部分。數據采集模塊將光電探測器輸出的電信號進行信號放大與調理，然后將調理過的理想信號輸送給AD轉換單元進行模數轉換，AD轉換單元將模擬信號轉換為數字信號輸送給FPGA進行存儲和計算。并可設計相應的外部設備的接口，將測量結果和采集的原始數據按要求傳輸給外部設備顯示或處理。

該激光跟蹤儀光路設計中使用高頻飛秒脈沖激光頻率梳對測距光路進行時間上的延展，采樣時鐘模塊為數據采集提供一個與參考光路光頻疏同步的時鐘驅動，使測距信號的干涉峰被準確無誤地采集，采樣時鐘模塊能夠輸出相位可以調節的高精度、低抖動采樣時鐘。采樣時鐘模塊可利用集成了高精度鎖相環和高頻VCO的時鐘發生器(如ADI公司生產的AD9522-0芯片，支持多種參考輸入時鐘，具有自動或者手動參考時鐘切換、輸出時鐘保持、多種鎖定指示、同步輸出和零延時等功能)。基于這種時鐘發生器，可利用相位延遲特性，分別設定不同的延遲參數，在不同的延遲參數下進行數據采集，選擇較好的干涉信號對應的相位值作為采樣相位延遲參數。

工作時，數據處理模塊實時獲取被測距離值的關鍵部分，協調各模塊工作，利用采集數據快速計算距離值；實時計算處理采集信號，并將測距結果傳輸給上位機界面進行顯示。

實例

雙飛秒激光測距系統的干涉光路是一個邁克爾遜干涉儀。測量中，飛秒激光脈沖序列在被測目標表面反射后和參考光形成一個具有穩定延時的雙脈沖序列，本振光對其進行光學采樣，然后脈沖序列擊打在光電探測器上，從而輸出電脈沖信號，電脈沖信號包含著距離信息。本振光單獨擊打在光電探測器上形成電子系統需要的采樣時鐘參考，通過它可以將電脈沖信號離散為數字信號。數據采集與處理系統對該數字信號做高速，實時的數據處理，便可以得到測量距離。數據采集與處理系統包含：數據采集模塊、數據存儲與傳輸模塊、數據處理模塊、采樣時鐘模塊。數據采集與處理系統整體結構如圖3所示。

如圖3所示，整個數據采集與處理系統包含三個主要的系統接口。其中接口1連接光路中的光電探測器輸出，接口2連接采樣時鐘參考，參考是由本振光擊打在光電探測器上形成的，可以保證采樣時鐘和本振光的頻率相同，接口3輸出測量結果。SMA同軸連接器是一種應用廣泛的小型螺紋連接器，它具有頻帶寬、性能優、高可靠、壽命長的特點，適合用作數據采集與處理系統的接口1、2。串口是一種廣泛應用的數字接口，它應用范圍廣泛，接口協議簡單，易于開發，接口3的輸出波特率在10Mbps以下，自定義的虛擬串口可以滿足要求，它的邏輯電平是LVDS(低壓差分信號)可以保證良好的信號完整性，根據項目的要要可以簡單定義工作協議。

在系統的功能模塊中，采樣時鐘模塊接收本振光產生的參考時鐘，對該信號進行去抖，調相以及變換邏輯電平以獲得適合數據采集模塊需要的采樣時鐘。鑒于本振光擊打在光電探測器上輸出的是電脈沖，該模塊的輸入參考需采用交流耦合。該模塊的輸入參考時鐘需要超過100MHz，輸出的采樣時鐘的相位延時精度需要達到1ns，最大的延時需要達到一個采樣時鐘周期。采樣時鐘決定著A/D采樣的精度。

光電探測器輸出的脈沖電信號經由接口1進入數據采集模塊，該模塊首先對其進行放大(縮小)，差分轉換，濾除信號中的高頻成分等操作，然后在采樣時鐘的驅動下，將其離散為數字信號，最后把數字信號按照合適的電平標準送到系統緩存中。為了最大限度的利用ADC的輸入范圍，這個模塊的模擬輸入范圍需要靈活調節。根據理論研究，ADC的數字分辨率最低為14bits，采樣率需要超過100MSPS。

數據處理模塊實時的讀取數字信號和環境傳感器參數，經過高速、實時的運算，將結果從接口3處輸出。數據處理算法包含查找峰，自相關，FFT，相位擬合等一系列的數學運算，這些計算在通用的計算機處理系統(包含專用的數字信號處理器DSP)中需要耗費大量的運算時間，不能實現結果的實時處理，FPGA作為一種半定制集成電路，它能夠使用硬件描述語言(Verilog或者VHDL)將抽象的算法轉化為數字電路，通過流水線的工作方式保證了數據處理的速度和可靠性，是數據處理邏輯理想的實現載體。數據處理邏輯接受的數字信號的寬度為16bits，它的處理速度需要超過100MHz。此外，采用一個單片機作為系統主控，它能夠彌補FPGA在控制方面的不足(消耗資源多，時序分析復雜，成本高)。同時它集成了標準的UART和SPI硬件接口，可以直接讀取環境傳感器(接口為RS-485)中的環境參數，以及利用SPI接口可以向平臺中的其他模塊傳送命令參數。結果輸出模塊將FPGA計算的距離轉換為LVDS電平標準，同時并強驅動能力，它輸出的波特率需要超過32×Δfbps，2Mbps的波特率即可滿足大多數的測距應用。

PGA片內的存儲資源非常有限，一般為2～10Mb，不能暫存太多的調試數據，因此采用一個在線的數據存儲和傳輸模塊，它利用FPGA內剩余的資源實時采集原始數據或者數據處理邏輯的中間數據，將數據在線的存儲在大容量的DDR SDRAM中。在采集到需要的數據后，使用離線的方式將數據傳輸到PC機上并且驗證數據的正確性，以進一步發現數據采集與處理系統調試中的一些問題。DDR SDRAM的數據傳輸采用雙沿傳輸，為了保證數據采樣和傳輸的便利，選擇8bits寬度的顆粒，根據離線數據處理的經驗，512MB的緩存可以滿足要求。

數據采集與處理系統可使用三個SMA同軸連接器作為與探測器輸出信號連接的系統接口，其中兩個是測量數據輸入接口，一個是參考時鐘輸入接口；一個USB調試接口；一個供電電源接口；一個上位機通信接口；一個環境傳感器接口。兩路AD數據采集通道，一個由一只FPGA芯片及其外部輔助芯片組成的數據傳輸與處理功能模塊，一個由兩片DDR組成的存儲結構，一個主要由C8051單片機形成的系統控制模塊。

經過測評，數據采集與處理系統可以有效的應用在實驗室設計的飛秒激光跟蹤儀中對測距光信號進行實時處理并以1000PT/S速度輸出顯示被測距離值。

以上內容是結合具體/優選的實施方式對本實用新型所作的進一步詳細說明，不能認定本實用新型的具體實施只局限于這些說明。對于本實用新型所屬技術領域的普通技術人員來說，在不脫離本實用新型構思的前提下，其還可以對這些已描述的實施方式做出若干替代或變型，而這些替代或變型方式都應當視為屬于本實用新型的保護范圍。