一种基于FPGA的实时等光频间隔重采样的方法

本发明涉及调频激光干涉测量，具体涉及一种基于fpga的实时等光频间隔重采样方法。

背景技术：

1、随着工业水平的提高，在工业测量中对于测量精度和速度的要求也越来越高，其中调频激光干涉测距作为一种高精度、大尺寸绝对测距，被广泛应用于许多工业测量场所中。调频激光干涉测距，通过计算测量信号与参考信号合成的拍频信号的频率来解算带测距离，然而激光器频率调制的非线性会导致合成测量拍频信号的频谱展宽，从而影响测量精度。为解决由于调频非线性导致的测距精度降低则需要增加一路参考测量光路，利用参考路产生的更高频率的参考拍频信号，通过提取参考信号的峰谷值点，得到调频激光等间隔的点，对测量拍频信号进行等光频间隔重采样，来消除测量拍频信号频谱的展宽。然而，由于增加了参考光路对测量信号进行重采样，在利用传统的通过采集卡，将测量拍频信号和参考拍频信号传输到上位机进行数据处理的方法，则会在一定程度上增加上位机数据处理速度和负担。因此，本发明为了解决调频激光测距信号数据量大、上位机数据处理时间过长的问题，提出了一种基于fpga的等光频间隔重采样的方法，能够在实现采集调频测距信号的同时，实时对测量拍频信号进行等光频间隔重采样。

技术实现思路

1、本发明的目的是克服现有技术中的不足，提供一种基于fpga的实时等光频间隔重采样方法，克服了现有技术对调频激光测距信号处理时间过长的缺点，能够实现在数据采集的同时，实时对测量拍频信号进行等光频间隔重采样，达到实时校准激光器调频非线性的目的。

2、本发明是通过以下技术方案实现的：

3、一种基于fpga的实时等光频间隔重采样方法，包括以下步骤：

4、步骤1、搭建调频连续波激光测距等光频间隔重采样光路，该光路包含测量干涉光路和参考干涉光路，由可调谐激光器发射出频率线性调制的连续波激光，经过第一分束器分别进入测量干涉光路和参考干涉光路，得到两个拍频信号，其中参考干涉光路的拍频信号频率大于测量干涉光路的拍频信号；

5、步骤2、使用ad采集模块通过fpga的时钟处理单元提供的同一采样时钟下采集得到两个光路的拍频信号，通过fpga的可编程输入输出单元得到测量干涉信号dataa和参考干涉信号datab；

6、步骤3、使用fpga的逻辑资源块处理参考干涉信号datab得到峰谷值点；

7、步骤4、使用得到的峰谷值点对测量干涉信号dataa进行重采样。

8、在上述技术方案中，步骤1中，进入测量干涉光路的光经第二分束器分别进入到第一耦合器和环形器中，环形器的出光口连接到准直透镜照射到待测目标后原路返回，后经过环形器的回光口输入到第一耦合器中合成拍频信号由第一光电探测器探测；进入参考干涉光路的光经第三分束器分为两束分别直接进入第二耦合器和经过长光纤进入第二耦合器，进入第二耦合器的光合成拍频信号后由第二光电探测器探测。

9、在上述技术方案中，所述的步骤3执行以下操作：

10、首先，将在fpga设定的采样时钟下ad采集模块采集到的参考干涉信号datab，通过一个在同一采样时钟下的数字低通滤波器，滤除信号中的毛刺得到一个平滑的近似正弦的信号data；

11、其次，将信号data在采样时钟下通过非阻塞赋值给data1；

12、再次，将data_1在采样时钟下通过非阻塞赋值给data2；

13、然后，建立有限状态机，共包含三个状态：

14、状态1：通过在采样时钟的上升沿对比data1和data2的大小，当判断当前data1大于data2时，进入状态2；当判断当前data1小于data2时，进入状态3；

15、状态2：通过在采样时钟的上升沿对比data1和data2的大小，当判断当前data1大于data2时，继续在下个采样时钟上升沿对比data1和data2的大小；当判断当前data1小于data2时，记录当前时钟为信号data延迟两个时钟后的峰值点并返回状态1；

16、状态3：通过在采样时钟的上升沿对比data1和data2的大小，当判断当前data1小于data2时，继续在下个采样时钟上升沿对比data1和data2的大小；当判断当前data1大于data2时，记录当前时钟为信号data延迟两个采样时钟后的峰值点并返回状态1；

17、最后，设置外部并行计时器，当达到设置的数据采集时间后结束采样。

18、在上述技术方案中，在步骤4中，将测量干涉信号dataa在同一采样时钟下通入与参考干涉信号datab相同阶数的低通滤波器，之后将滤波后的信号延迟两个采样时钟；当判断为信号data延迟两个采样时钟的峰谷值点后，将延迟两个采样时钟的测量干涉信号在当前时钟存入异步fifo缓存器，当fifo中的数据量满足一次传输长度后，用远高于采样时钟的频率将fifo中的数据读出，将经过重采样后的数据传输到上位机。

19、本发明的优点和有效效果如下：

20、本发明的方法依靠fpga并行运算处理的能力，在采集到调频测距系统中测量干涉拍频信号和参考干涉拍频信号的同时提取参考干涉拍频信号中的峰谷值点，对测量干涉拍频信号进行等光频间隔重采样，实现了实时对调频连续波激光测距信号进行等光频间隔重采样处理，在很大程度上减少了传输的数据量，在数据采集的同时完成的大部分的运算任务，减轻了上位机的运算压力，提高了调频连续波激光测距的速度。本发明能够极大缩短运算时间，能够满足工业化应用的需求。

技术特征：

1.一种基于fpga的实时等光频间隔重采样方法，其特征在于，包括以下步骤：

2.根据权利要求1所述的基于fpga的实时等光频间隔重采样方法，其特征在于：步骤1中，进入测量干涉光路的光经第二分束器分别进入到第一耦合器和环形器中，环形器的出光口连接到准直透镜照射到待测目标后原路返回，后经过环形器的回光口输入到第一耦合器中合成拍频信号由第一光电探测器探测；进入参考干涉光路的光经第三分束器分为两束分别直接进入第二耦合器和经过长光纤进入第二耦合器，进入第二耦合器的光合成拍频信号后由第二光电探测器探测。

3.根据权利要求1所述的基于fpga的实时等光频间隔重采样方法，其特征在于：所述的步骤3执行以下操作：

4.根据权利要求1所述的基于fpga的实时等光频间隔重采样方法，其特征在于：在步骤4中，将测量干涉信号dataa在同一采样时钟下通入与参考干涉信号datab相同阶数的低通滤波器，之后将滤波后的信号延迟两个采样时钟；当判断为信号data延迟两个采样时钟的峰谷值点后，将延迟两个采样时钟的测量干涉信号在当前时钟存入异步fifo缓存器，当fifo中的数据量满足一次传输长度后，用远高于采样时钟的频率将fifo中的数据读出，将经过重采样后的数据传输到上位机。

技术总结
本发明公开了一种基于FPGA的实时等光频间隔重采样方法。该方法依靠FPGA并行运算处理的能力，在采集到调频测距系统中测量干涉拍频信号和参考干涉拍频信号的同时提取参考干涉拍频信号中的峰谷值点，对测量干涉拍频信号进行等光频间隔重采样，实现了实时对调频连续波激光测距信号进行等光频间隔重采样处理，在很大程度上减少了传输的数据量，在数据采集的同时完成的大部分的运算任务，减轻了上位机的运算压力，提高了调频连续波激光测距的速度。本发明能够极大缩短运算时间，能够满足工业化应用的需求。

技术研发人员：翟宇润,张福民
受保护的技术使用者：天津大学
技术研发日：
技术公布日：2024/3/31