用于飞秒激光跟踪仪的数据采集与处理系统及设备的制作方法

本实用新型涉及激光测距技术领域，特别是涉及一种用于飞秒激光跟踪仪的数据采集与处理系统及设备。

背景技术：

20世纪末期出现的新型飞秒激光器，使激光测距技术出现了革命性的转机，迅速成为国际上测距研究的一大热点，由于飞秒激光频率梳光源目前还处于实验室阶段，测距仪的小型化无法实现，双飞秒激光频率梳测距仪类似的产品还没有出现，国内外的学者和研究人员将主要的精力集中在测距方法和光源的研究中，相对于双频飞秒激光梳测距方法研究的学术研究价值，它的后续数据处理算法以及数据采集与处理系统的研究则更多的表现了工程价值。

由于飞秒激光的重复频率达到50MHz以上，测距系统具有一定复杂度，设计数据采集与处理系统仍然具有相当大的挑战性，以往研究人员构建的实验平台不能实现数据的实时处理，他们收集到足够多的原始数据，然后在PC机上进行处理，因此设计专用的数据采集与处理平台对新型飞秒激光跟踪仪的研制非常重要。

技术实现要素：

本实用新型的主要目的在于克服现有技术的不足，提供一种用于飞秒激光跟踪仪的数据采集与处理系统及设备,解决飞秒激光跟踪仪研制中数据采集与处理系统无法兼备小型化、实时性的难题。

为实现上述目的，本实用新型采用以下技术方案：

一种用于飞秒激光跟踪仪的数据采集与处理系统，包括数据采集模块、数据存储与传输模块以及数据处理模块，所述数据采集模块与所述数据存储与传输模块相连，所述数据存储与传输模块与所述数据处理模块相连，所述数据采集模块用于对来自光电探测器的模拟电信号进行信号调理并转换为数字信号，所述数据采集模块输出的数字信号通过所述数据存储与传输模块传送到所述数据处理模块，所述数据存储与传输模块用于调节所述数据采集模块与所述数据处理模块之间的数据传输，所述数据处理模块用于处理所述数字信号以得到被测距离值。

进一步地：

所述数据采集模块包括信号调理模块和与所述信号调理模块相连的A/D转换模块。

所述信号调理模块包括低通滤波模块和与所述低通滤波模块相连的信号放大模块。

所述数据采集模块和所述数据处理模块设置有连接外部设备的接口，所述接口用于将测量的结果和采集的原始数据传输给外部设备显示或处理。

还包括与所述数据采集模块相连的采样时钟模块，所述采样时钟模块用于提供一个与飞秒激光跟踪仪的参考光路脉冲激光频率梳相适应的相位可调时钟驱动。

一种用于飞秒激光跟踪仪的数据采集与处理设备，包括所述数据采集与处理系统以及与所述数据采集与处理系统相连的光电探测器，所述光电探测器用于将探测到的飞秒激光的光信号转换为模拟电信号并传送至所述数据采集与处理系统

本实用新型的有益效果：

本实用新型用于飞秒激光跟踪测距仪中，可对测距时的光学信号进行快速实时的数据采集与处理。在对飞秒激光跟踪测距仪高速的数据采集时会产生大量的采集数据，这会加大数据处理模块运行负担甚至导致无法运行，本实用新型在数据采集模块和数据处理模块之间设置一个数据存储与传输模块，可以有效调节数据采集与处理之间大量数据的传输与运算速度。本实用新型能够解决跟踪仪在开发过程中无法实现实时性、小型化的瓶颈，实现集成数据采集、计算以及存储三大功能于一体，其数据采集与处理实时性高，体型小，可以广泛用于小型化实时性高的飞秒激光测距设备中。

优选地，设置一个采样时钟模块，该采样时钟模块为数据采集模块提供一个与飞秒激光跟踪仪中的参考光路脉冲激光频率梳相适应的相位可调时钟驱动，达到时钟驱动与光频疏同步，能使测距信号的干涉峰被准确无误地采集。

附图说明

图1为本实用新型一种实施例的数据采集与处理系统的结构框图。

图2为本实用新型一种实施例的数据采集模块和数据处理模块的结构示意图。

图3本实用新型具体实例的飞秒激光跟踪仪的数据采集与处理系统整体框图。

具体实施方式

以下对本实用新型的实施方式作详细说明。应该强调的是，下述说明仅仅是示例性的，而不是为了限制本实用新型的范围及其应用。

参阅图1，在一种优选的实施例中，一种用于飞秒激光跟踪仪的数据采集与处理系统，包括数据采集模块、数据存储与传输模块、数据处理模块以及采样时钟模块，所述数据采集模块与所述数据存储与传输模块相连，所述数据存储与传输模块与所述数据处理模块相连，所述数据采集模块用于对光电探测器输出的模拟电信号进行信号调理并转换为数字信号，所述数据采集模块输出的数字信号通过所述数据存储与传输模块传送到所述数据处理模块，所述数据存储与传输模块用于调节所述数据采集模块与所述数据处理模块之间的数据传输与处理，所述数据处理模块用于处理所述数字信号以得到被测距离值，所述采样时钟模块连接所述数据采集模块，用于提供一个与飞秒激光跟踪仪中的参考光路脉冲激光频率梳相适应的输出相位可调节的时钟驱动。在高速的数据采集之后产生大量的采集数据，会加大数据处理模块运行负担甚至导致无法运行，故在数据采集模块和数据处理模块之间增设一个数据存储与传输模块，通过其有效调节数据采集与处理之间大量数据的传输与运算速度。

参阅图2，在优选的实施例中，所述数据采集模块包括信号调理模块和与所述信号调理模块相连的A/D转换模块。所述信号调理模块包括低通滤波模块和与所述低通滤波模块相连的信号放大模块。

在优选的实施例中，所述数据采集模块和所述数据处理模块设置有连接外部设备的接口，所述接口用于将测量的结果和采集的原始数据传输给外部设备显示或处理。

数据处理模块可以采用现有的硬件模块实现其数据处理和计算功能，可包括(但不限于)实现：干涉信号截取、互相关运算、FFT运算，直线拟合以及距离值计算。

在本实用新型的一些实施例中，光电探测器将光信号转换为电信号，数据采集模块主要是实现对光电探测器输出的模拟电信号转换为数字信号，并传送到FPGA进行后续处理。数据采集模块的功能包含信号调理和A/D转换两大部分。数据采集模块将光电探测器输出的电信号进行信号放大与调理，然后将调理过的理想信号输送给AD转换单元进行模数转换，AD转换单元将模拟信号转换为数字信号输送给FPGA进行存储和计算。并可设计相应的外部设备的接口，将测量结果和采集的原始数据按要求传输给外部设备显示或处理。

该激光跟踪仪光路设计中使用高频飞秒脉冲激光频率梳对测距光路进行时间上的延展，采样时钟模块为数据采集提供一个与参考光路光频疏同步的时钟驱动，使测距信号的干涉峰被准确无误地采集，采样时钟模块能够输出相位可以调节的高精度、低抖动采样时钟。采样时钟模块可利用集成了高精度锁相环和高频VCO的时钟发生器(如ADI公司生产的AD9522-0芯片，支持多种参考输入时钟，具有自动或者手动参考时钟切换、输出时钟保持、多种锁定指示、同步输出和零延时等功能)。基于这种时钟发生器，可利用相位延迟特性，分别设定不同的延迟参数，在不同的延迟参数下进行数据采集，选择较好的干涉信号对应的相位值作为采样相位延迟参数。

工作时，数据处理模块实时获取被测距离值的关键部分，协调各模块工作，利用采集数据快速计算距离值；实时计算处理采集信号，并将测距结果传输给上位机界面进行显示。

实例

双飞秒激光测距系统的干涉光路是一个迈克尔逊干涉仪。测量中，飞秒激光脉冲序列在被测目标表面反射后和参考光形成一个具有稳定延时的双脉冲序列，本振光对其进行光学采样，然后脉冲序列击打在光电探测器上，从而输出电脉冲信号，电脉冲信号包含着距离信息。本振光单独击打在光电探测器上形成电子系统需要的采样时钟参考，通过它可以将电脉冲信号离散为数字信号。数据采集与处理系统对该数字信号做高速，实时的数据处理，便可以得到测量距离。数据采集与处理系统包含：数据采集模块、数据存储与传输模块、数据处理模块、采样时钟模块。数据采集与处理系统整体结构如图3所示。

如图3所示，整个数据采集与处理系统包含三个主要的系统接口。其中接口1连接光路中的光电探测器输出，接口2连接采样时钟参考，参考是由本振光击打在光电探测器上形成的，可以保证采样时钟和本振光的频率相同，接口3输出测量结果。SMA同轴连接器是一种应用广泛的小型螺纹连接器，它具有频带宽、性能优、高可靠、寿命长的特点，适合用作数据采集与处理系统的接口1、2。串口是一种广泛应用的数字接口，它应用范围广泛，接口协议简单，易于开发，接口3的输出波特率在10Mbps以下，自定义的虚拟串口可以满足要求，它的逻辑电平是LVDS(低压差分信号)可以保证良好的信号完整性，根据项目的要要可以简单定义工作协议。

在系统的功能模块中，采样时钟模块接收本振光产生的参考时钟，对该信号进行去抖，调相以及变换逻辑电平以获得适合数据采集模块需要的采样时钟。鉴于本振光击打在光电探测器上输出的是电脉冲，该模块的输入参考需采用交流耦合。该模块的输入参考时钟需要超过100MHz，输出的采样时钟的相位延时精度需要达到1ns，最大的延时需要达到一个采样时钟周期。采样时钟决定着A/D采样的精度。

光电探测器输出的脉冲电信号经由接口1进入数据采集模块，该模块首先对其进行放大(缩小)，差分转换，滤除信号中的高频成分等操作，然后在采样时钟的驱动下，将其离散为数字信号，最后把数字信号按照合适的电平标准送到系统缓存中。为了最大限度的利用ADC的输入范围，这个模块的模拟输入范围需要灵活调节。根据理论研究，ADC的数字分辨率最低为14bits，采样率需要超过100MSPS。

数据处理模块实时的读取数字信号和环境传感器参数，经过高速、实时的运算，将结果从接口3处输出。数据处理算法包含查找峰，自相关，FFT，相位拟合等一系列的数学运算，这些计算在通用的计算机处理系统(包含专用的数字信号处理器DSP)中需要耗费大量的运算时间，不能实现结果的实时处理，FPGA作为一种半定制集成电路，它能够使用硬件描述语言(Verilog或者VHDL)将抽象的算法转化为数字电路，通过流水线的工作方式保证了数据处理的速度和可靠性，是数据处理逻辑理想的实现载体。数据处理逻辑接受的数字信号的宽度为16bits，它的处理速度需要超过100MHz。此外，采用一个单片机作为系统主控，它能够弥补FPGA在控制方面的不足(消耗资源多，时序分析复杂，成本高)。同时它集成了标准的UART和SPI硬件接口，可以直接读取环境传感器(接口为RS-485)中的环境参数，以及利用SPI接口可以向平台中的其他模块传送命令参数。结果输出模块将FPGA计算的距离转换为LVDS电平标准，同时并强驱动能力，它输出的波特率需要超过32×Δfbps，2Mbps的波特率即可满足大多数的测距应用。

PGA片内的存储资源非常有限，一般为2～10Mb，不能暂存太多的调试数据，因此采用一个在线的数据存储和传输模块，它利用FPGA内剩余的资源实时采集原始数据或者数据处理逻辑的中间数据，将数据在线的存储在大容量的DDR SDRAM中。在采集到需要的数据后，使用离线的方式将数据传输到PC机上并且验证数据的正确性，以进一步发现数据采集与处理系统调试中的一些问题。DDR SDRAM的数据传输采用双沿传输，为了保证数据采样和传输的便利，选择8bits宽度的颗粒，根据离线数据处理的经验，512MB的缓存可以满足要求。

数据采集与处理系统可使用三个SMA同轴连接器作为与探测器输出信号连接的系统接口，其中两个是测量数据输入接口，一个是参考时钟输入接口；一个USB调试接口；一个供电电源接口；一个上位机通信接口；一个环境传感器接口。两路AD数据采集通道，一个由一只FPGA芯片及其外部辅助芯片组成的数据传输与处理功能模块，一个由两片DDR组成的存储结构，一个主要由C8051单片机形成的系统控制模块。

经过测评，数据采集与处理系统可以有效的应用在实验室设计的飞秒激光跟踪仪中对测距光信号进行实时处理并以1000PT/S速度输出显示被测距离值。

以上内容是结合具体/优选的实施方式对本实用新型所作的进一步详细说明，不能认定本实用新型的具体实施只局限于这些说明。对于本实用新型所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本实用新型构思的前提下，其还可以对这些已描述的实施方式做出若干替代或变型，而这些替代或变型方式都应当视为属于本实用新型的保护范围。