專利名稱：基于直接數(shù)字合成dds技術(shù)的dsp連續(xù)波激光相位測距系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
連續(xù)波激光相位法測距。
背景技術(shù)：
連續(xù)波激光相位法測距的方法分為模擬測相法(延遲測相法)測距和數(shù)字測相法測距。
用數(shù)字電路進(jìn)行相位測量，是精密測距技術(shù)進(jìn)入新階段的一個(gè)標(biāo)志。自動(dòng)數(shù)字測相具有速度快、精度高、成果便于自動(dòng)處理、直接進(jìn)行距離顯示等優(yōu)點(diǎn)，目前在各種短程測距儀中已普遍采用。
在數(shù)字相位測距中，首先信號(hào)源大多采用晶振，然后通過頻率綜合和鎖相的方法獲得其他幾個(gè)測量頻率。雖然能夠?qū)崿F(xiàn)距離的精密測量，但是由于種種原因還存在以下一些問題1、信號(hào)源一般選用晶體振蕩器作為精測主振，不可避免存在一定的頻率漂移和相位抖動(dòng)，成為進(jìn)一步提高測距的精度和穩(wěn)定度的瓶頸；而且系統(tǒng)使用電子開關(guān)進(jìn)行精、粗尺頻率的切換，其響應(yīng)速度和可靠性都不夠理想；2、由于采用差頻測相，系統(tǒng)要求產(chǎn)生頻差恒定的主振和本振信號(hào)，現(xiàn)在通常采用高頻晶振作為精測頻率，然后通過頻率綜合和鎖相的方法獲得其它幾個(gè)測量頻率。這種方法存在頻率分辨率低、跟蹤速度慢、電路實(shí)現(xiàn)復(fù)雜的缺點(diǎn)，影響系統(tǒng)的總體性能。
實(shí)用新型內(nèi)容本實(shí)用新型的目的是提供一種基于直接數(shù)字合成DDS技術(shù)的連續(xù)波激光相位測距系統(tǒng)，在數(shù)字相位測距儀中采用DDS信號(hào)源，提高頻率的精度和穩(wěn)定性，提高頻率分辨率、頻率的跟蹤、響應(yīng)和變換速度，調(diào)頻范圍大，電路實(shí)現(xiàn)簡單，體積功耗下降，使用方便，提高數(shù)字相位測距儀的總體性能。
采用直接數(shù)字合成器(DDS-Direct Digital Synthesis)來作為數(shù)字化的頻率信號(hào)源，不僅精度高，而且由于不受環(huán)境溫度等因素影響，性能非常穩(wěn)定。通過簡單的數(shù)字式控制就可以產(chǎn)生系統(tǒng)的主振和本振頻率，并且能夠靈活地進(jìn)行測尺頻率的切換。因此，把DDS技術(shù)引入到在相位測距系統(tǒng)中，對提高測距系統(tǒng)的精度，以及使其向小型化、輕量化和多功能化發(fā)展，具有重要意義。
一、DDS技術(shù)直接數(shù)字頻率合成技術(shù)DDS的一個(gè)顯著特點(diǎn)是在數(shù)字處理器的控制下能夠精確而快速地處理頻率和相位，其固有的特性包括相當(dāng)高的頻率和相位分辨率，頻率的可控范圍可達(dá)μHz級，相位控制小于0.1°；能夠進(jìn)行快速的信號(hào)變換，其內(nèi)部數(shù)字模擬轉(zhuǎn)換器DAC的轉(zhuǎn)換速率為300百萬次/秒。隨著數(shù)字技術(shù)和半導(dǎo)體技術(shù)的發(fā)展，DDS芯片能集成包括高速DAC器件在內(nèi)的部件，功能增加，體積減少，功耗下降到mW級。
DDS技術(shù)是用數(shù)字控制方法由一個(gè)參考頻率源產(chǎn)生多種頻率。它利用奈奎斯特準(zhǔn)則對一個(gè)正弦信號(hào)進(jìn)行采樣，控制采樣周期間的相位增量，用當(dāng)前的相位值來尋址ROM表，實(shí)現(xiàn)相碼到幅碼的轉(zhuǎn)換。
DDS系統(tǒng)的核心部分是相位累加器，它由一個(gè)加法器和一個(gè)N位相位寄存器組成，N一般為24～32位。每來一個(gè)外部參考時(shí)鐘fsys，相位寄存器便以步長M遞增。相位寄存器的輸出與相位控制字相加，然后輸入到正弦查詢表地址上。正弦查詢表包含一個(gè)周期正弦波的數(shù)字幅度信息，每個(gè)地址對應(yīng)正弦波中0°～360°范圍的一個(gè)相位點(diǎn)。查詢表把輸入的地址相位信息映射成正弦波幅度信號(hào)，驅(qū)動(dòng)數(shù)字模擬轉(zhuǎn)換器DAC輸出模擬量。DAC輸出的模擬信號(hào)經(jīng)過低通濾波器LPF平滑，就可以得到一個(gè)頻譜純凈的正弦波。
相位寄存器每經(jīng)過2N/M個(gè)fsys。時(shí)鐘后回到初始狀態(tài)，相應(yīng)的正弦查詢表經(jīng)過一個(gè)循環(huán)回到初始位置，整個(gè)DDS系統(tǒng)輸出一個(gè)正弦波。輸出正弦波的周期為T0=1fsys·2NM,]]>頻率為fout=Mfsys2N.]]>基于直接數(shù)字合成DDS技術(shù)的DSP連續(xù)波激光相位測距系統(tǒng)，包括光學(xué)系統(tǒng)、電路單元、混頻放大單元、A/D轉(zhuǎn)換單元、以及DSP控制處理系統(tǒng)，其特征是電路控制部分的信號(hào)源及混頻源為直接數(shù)字合成器DDS，與數(shù)字信號(hào)處理器DSP相配合。
在數(shù)字信號(hào)處理器DSP的可編程控制下，使用兩片直接數(shù)字信號(hào)合成器DDS芯片，DDS的兩路輸出，一路輸出經(jīng)信號(hào)調(diào)制驅(qū)動(dòng)光波發(fā)射，同時(shí)與另一路輸出接到參考混頻中放；另一路輸出接到測量混頻中放，與回程信號(hào)的自動(dòng)增益控制信號(hào)混頻。
兩個(gè)DDS輸出經(jīng)參考混頻中放和測量混頻中放后，其輸出經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)，送入數(shù)字信號(hào)處理器DSP進(jìn)行數(shù)據(jù)處理。其余為信號(hào)幅值比較和LCD顯示。
光學(xué)系統(tǒng)中光源為半導(dǎo)體激光器。
本實(shí)用新型的兩大技術(shù)要點(diǎn)是采用直接數(shù)字頻率合成技術(shù)DDS和利用DSP的FFT變換處理技術(shù)。
本實(shí)用新型光學(xué)系統(tǒng)有半導(dǎo)體激光發(fā)射，發(fā)射光學(xué)系統(tǒng)，回程的光學(xué)接收系統(tǒng)和信號(hào)接收光電轉(zhuǎn)換。
電路單元中采用兩塊DDS芯片，產(chǎn)生兩個(gè)本振和主振頻率信號(hào)，從根本上解決了主振頻率和本振頻率之間的相位抖動(dòng)和頻率漂移的問題。兩混頻中放信號(hào)通過一雙路A/D進(jìn)入數(shù)字信號(hào)處理器，利用DSP強(qiáng)大的數(shù)據(jù)處理功能，完成兩差頻信號(hào)的相位計(jì)算，大大提高了系統(tǒng)的可靠性和精度。
DDS技術(shù)同傳統(tǒng)的相位式測距系統(tǒng)中，大多信號(hào)源的產(chǎn)生采用的模擬鎖相環(huán)(PLL-Phase Lock Loop)技術(shù)相比，DDS技術(shù)擁有傳統(tǒng)的模擬PLL技術(shù)無可比擬的優(yōu)越性，體現(xiàn)在(1)輸出分辨率小。只要相位累加器的位寬足夠大，參考頻率足夠小，則頻率分辨率就可以很小。例如，在125MHz的時(shí)鐘下，32位的頻率控制字可使輸出的頻率分辨率達(dá)0.0291Hz；而模擬鎖相環(huán)合成器的分辨率僅為1KHz。
(2)輸出頻率變換時(shí)間小。模擬鎖相環(huán)的頻率變換時(shí)間主要取決于它的反饋處理時(shí)間和壓控振蕩器的響應(yīng)時(shí)間，通常大于1ms；而DDS的頻率變換時(shí)間主要是DDS的數(shù)字處理延遲，通常為幾十個(gè)ns。
(3)調(diào)頻范圍大。負(fù)反饋環(huán)的帶寬輸出參考頻率決定了模擬鎖相環(huán)的穩(wěn)定調(diào)頻范圍；而DDS在整個(gè)奈奎斯特頻率范圍內(nèi)是近似連續(xù)可調(diào)的。
(4)相位噪聲小。DDS最大的優(yōu)勢就在于它的相位噪聲小。由于數(shù)字正弦信號(hào)的相位與時(shí)間成線形關(guān)系，DDS輸出的相位噪聲主要來源于其參考時(shí)鐘源的相位噪聲，并比之小的多；而模擬鎖相環(huán)的相位噪聲是它的參考時(shí)鐘的相位噪聲的兩倍。
(5)體積小、集成度高、功耗小、設(shè)計(jì)方便。


圖1為可編程DDS系統(tǒng)。
圖2為基于DDS技術(shù)的DSP連續(xù)波激光相位測距系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)簡圖。
圖3為基于DDS技術(shù)的DSP連續(xù)波激光相位測距系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)圖。
具體實(shí)施方法參見附圖。
圖1中，1、頻率控制字，2、位控制字，3、相位累加器，包括□加法器和4相位寄存器組成，5、正弦查詢表，6、數(shù)字模擬轉(zhuǎn)換器，7、低通濾波器LPF。
圖2中，8、數(shù)字信號(hào)處理器，9、頻率合成器DDS，10、參考混頻中放，11、調(diào)制發(fā)射，12、光電接收，13、測量混頻中放，14、A/D轉(zhuǎn)換器。
圖3中，16、信號(hào)調(diào)制驅(qū)動(dòng)，17、半導(dǎo)體激光器，18、發(fā)射光學(xué)系統(tǒng)，19、信號(hào)幅值比較，20、接收光學(xué)系統(tǒng)，21、信號(hào)接收光電轉(zhuǎn)換，22、自動(dòng)增益控制AGC，15、LCD顯示。
本實(shí)用新型包括光學(xué)系統(tǒng)11、12，混頻放大單元10、13，A/D轉(zhuǎn)換器14，數(shù)字信號(hào)處理器DSP8，信號(hào)源產(chǎn)生為頻率合成器DDS 9。系統(tǒng)使用兩片DDS 9。DDS 9的輸出，一路輸出經(jīng)信號(hào)調(diào)制16驅(qū)動(dòng)光波發(fā)射的同時(shí)與另一路輸出接到參考混頻中放10；另一路輸出接到測量混頻中放13與回程信號(hào)的自動(dòng)增益控制AGC 22信號(hào)混頻。
兩個(gè)DDS 9輸出經(jīng)參考混頻中放10和測量混頻中放13后，其輸出給A/D轉(zhuǎn)換器14轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)后，送入數(shù)字信號(hào)處理器DSP 8進(jìn)行數(shù)據(jù)處理。
光學(xué)系統(tǒng)中光源17為半導(dǎo)體激光器，經(jīng)發(fā)射光學(xué)系統(tǒng)18出射，再經(jīng)遠(yuǎn)處的反射鏡反射回接收光學(xué)系統(tǒng)20，再經(jīng)信號(hào)接收光電轉(zhuǎn)換22接收放大后分成兩路，一路經(jīng)信號(hào)幅值比較19，另一路經(jīng)自動(dòng)增益控制22送入測量混頻中放13，顯示部件LCD 15。
權(quán)利要求1.基于直接數(shù)字合成DDS技術(shù)的DSP連續(xù)波激光相位測距系統(tǒng)，包括光學(xué)系統(tǒng)、電路單元、混頻放大單元、A/D轉(zhuǎn)換單元、以及DSP控制處理系統(tǒng)，其特征是電路控制部分的信號(hào)源及混頻源為直接數(shù)字合成器DDS，與數(shù)字信號(hào)處理器DSP相配合。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的激光相位測距系統(tǒng)，其特征是在數(shù)字信號(hào)處理器DSP的可編程控制下，使用兩片直接數(shù)字信號(hào)合成器DDS芯片，DDS的兩路輸出，一路輸出經(jīng)信號(hào)調(diào)制驅(qū)動(dòng)光波發(fā)射，同時(shí)與另一路輸出接到參考混頻中放；另一路輸出接到測量混頻中放，與回程信號(hào)的自動(dòng)增益控制信號(hào)混頻。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的激光相位測距系統(tǒng)，其特征是兩個(gè)DDS輸出經(jīng)參考混頻中放和測量混頻中放后，其輸出經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)，送入數(shù)字信號(hào)處理器DSP進(jìn)行數(shù)據(jù)處理。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的激光相位測距系統(tǒng)，其特征是光學(xué)系統(tǒng)中光源為半導(dǎo)體激光器。
專利摘要本實(shí)用新型公開了一種激光相位測距系統(tǒng)，包括光學(xué)系統(tǒng)、電路單元、混頻放大單元、A/D轉(zhuǎn)換單元、以及DSP控制處理系統(tǒng)，其特征是在數(shù)字信號(hào)處理器DSP的可編程控制下，使用兩片直接數(shù)字信號(hào)合成器DDS芯片，DDS的兩路輸出，一路輸出經(jīng)信號(hào)調(diào)制驅(qū)動(dòng)光波發(fā)射，同時(shí)與另一路輸出接到參考混頻中放；另一路輸出接到測量混頻中放，與回程信號(hào)的自動(dòng)增益控制信號(hào)混頻。和傳統(tǒng)技術(shù)相比，輸出分辨率小，輸出頻率變換時(shí)間小，調(diào)頻范圍大，相位噪聲小，體積小、集成度高、功耗小、設(shè)計(jì)方便。
文檔編號(hào)G01S17/00GK2650149SQ0322079
公開日2004年10月20日 申請日期2003年3月27日 優(yōu)先權(quán)日2003年3月27日
發(fā)明者李季, 陳結(jié)祥, 張毅, 戚俊, 涂碧海, 趙平建, 黃正英 申請人:中國科學(xué)院安徽光學(xué)精密機(jī)械研究所