基于fpga的飞秒激光飞行时间测距仪中高速信号处理的研究

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1、基于FPGA的飞秒激光飞行时间测距仪中高速信号处理的研究Theresearchofhigh-speedsignalprocessinginthetime-of-flightrangefinderoffemtosecondlaserbasedonFPGA学科专业：光电子与光子学技术研究生：许立明指导教师：宋有建副研究员天津大学精密仪器与光电子工程学院二○一五年十二月中文摘要本文研究课题以卫星编队飞行为背景，然而编队卫星间实时、高精度的绝对距离测量是保证卫星编队飞行的前提。传统激光测距方法主要分为脉冲飞行时间测距和光学干涉测距两大类，但

2、均不能实现这种大尺度、高精度的绝对距离测量。由于飞秒激光器的脉冲宽度在飞秒量级，具有超高的时间分辩率，这给距离测量带来了新的可能。此外，它还可以做到全保偏光纤化，具有较高的集成度和稳定性。因此，本课题旨在开发一种能够满足卫星编队飞行、精密工业制造等应用的集成化飞秒激光测距仪，主要开展了以下工作。1.搭建了一台高重复频率的飞秒激光器作为测距光源，基于平衡光学互相关技术，对约3m处的目标进行绝对距离测量。实验结果表明该方法具有很高的测距精度，可以达到52nm以上。然而，由于该方法只能对特定距离进行测量，盲区很大，并且需要高压设备调节腔长

3、，体积难以缩小。因此，这种测距方法不适合星载应用。2.搭建了两台具有2KHz重复频率差的光纤激光器作为光源，基于非线性光学采样，对约2m处的合作目标进行测量。通过连续测量取平均，在进行20次平均时，得到了0.8μm的测距精度，基本满足指标要求。但是用作信号处理的数字化仪不满足集成化要求。3.根据双飞秒激光测距原理，开发了嵌入式的高速信号处理单元。它搭载了14bit、105MSPS的AD9640对脉冲信号进行采集，并采用了具有高速并行特性的FPGA对离散信号进行处理。在文中，先对高斯拟合原理进行了分析、验证，然后利用基本运算设计开发了

4、自适应滤波、高斯拟合和方程组求解等算法，并用FPGA内部逻辑单元实现。当该模块参考到原子钟时，测量结果可溯源。综合上述工作，本文通过对高速信号处理的研究实现了一种基于FPGA的飞秒激光飞行时间测距仪，它能够在数米范围内实现微米精度的绝对距离测量，并且测量结果可溯源。此外，它还具有环境稳定性好、体积小、更新速率高和开机可用等特点。关键词：绝对距离测量飞秒激光飞行时间FPGA高斯拟合ABSTRACTThesatelliteformationflyingistheresearchbackgroundofthisarticle.Howeve

5、r,therapidandprecisemeasurementsofabsolutedistancebetweenthesatellitesarecriticalforsatellitemaintainingformation-flying.Traditionalrangingmethodswithlasercanbemainlydividedintotwocategories:pulsetimeofflightranging,andopticalinterferenceranging.However,theybothcan’tsa

6、tisfythelarge-scaleandhigh-preciseabsolutedistancemeasurement.Becausethewidthoffemtosecondlaserpulsesisinfemtosecondlevel,ithasanultra-hightimeresolution,whichbringsabreakthroughfordistancemeasurement.Inaddition,italsocouldbemadeupofallpolarizationmaintainingfiber,whic

7、hmakesthemwithhighintegrationandstability.Therefore,thisartic,withthefollowingresearchwork,istodevelopanintegratedfemtosecondrangefinderwhichcouldsatisfysatelliteformation-flyingandprecisionindustrymanufacture,etc.1.Ahighrepetitionfrequencyfemtosecondlaserisbuiltasligh

8、tsource,basedonbalancedopticalcross-correlation,tomeasuretheabsolutedistancefromanabout3meterstarget.Theexperimentres