基于硬件卡尔曼滤波的飞秒激光实时绝对测距精度优化方法

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1、基于硬件卡尔曼滤波的飞秒激光实时绝对测距精度优化方法Applicationofhardware-basedKalmanfil-tertoimprovetheprecisionofreal-timefemtosecondlaserabsoluteranging学科专业：仪器仪表工程研究生：唐云剑指导教师：任永杰副教授指杨凌辉讲师天津大学精密仪器与光电子工程学院二零一七年十一月摘要本文课题的研究背景为卫星编队飞行，卫星编队飞行要求卫星之间能够实现高精度、高更新速率的实时绝对测距，然而传统的激光测距方法无

2、法同时满足大尺度与高精度的实时测距，飞秒激光测距仪的应用为实现卫星间的高精度实时测距提供了可能。面向微小卫星平台搭载的双光梳绝对测距仪对集成化、高精度、高更新速率的需求，设计了基于FPGA的数字信号处理模块，植入了卡尔曼滤波算法，在保证高精度的同时，提升了实时性，同时完成了FPGA与卫星平台之间的数据通讯设计。本文主要开展的具体工作如下：1、针对飞秒激光测距仪对高更新速率、高精度距离解算的要求，选用了FPGA可编程逻辑芯片，并且设计了与ALINX核心板相匹配的高速数字信号采集电路。2、参照卫星平台对

3、飞秒激光测距仪的控制协议，编写了基于FPGA的数据发送控制程序、数据校验程序、串口收发程序，并且通过串口转CAN模块CSM100实现了飞秒激光测距仪与卫星平台之间的信息交互。3、为了保证距离数据更新的实时性，同时减小测距结果的不确定性，编写了基于FPGA的卡尔曼滤波算法。将硬件卡尔曼滤波算法植入到飞秒激光测距系统中，对1.5米处的合作靶标开展了测距实验，在1.5kHz的更新速率下，测距标准偏差达到1.47μm，目标以20μm为步长运动时，测距仪能够准确更新目标位置。综上所述，本文主要研究了基于FPG

4、A的卡尔曼滤波程序，在保证飞秒激光测距集成化，便携化的基础上，实现了微小卫星之间的高精度、高更新速率的绝对距离测量，编写了数据发送控制模块，实现了卫星平台对飞秒激光测距仪的实时控制，同时设计了飞秒激光测距仪的高速数字信号采集电路。关键词：飞秒激光测距仪，FPGA硬件设计，数据发送控制，硬件卡尔曼滤波IABSTRACTThesatelliteformationflyingisthebackgroundoftheresearchinthearticle.Thesatelliteformationflyi

5、ngrequiresthesatellitestoachievehighprecision,highupdateratereal-timeabsoluteranging,butthemethodsoftraditionallaserrangingcannotsatisfythelargerangingscaleandreal-timerangingwithhighprecision.Theapplica-tionoffemtosecondlaserrangingfinderprovidesthepo

6、ssibilityofrealizinghighpre-cisionreal-timerangingbetweensatellites.Facingthedemandofintegrated,highpre-cisionandhighupdateratefordouble-combingabsoluterangingfinderequippedtothemicrosatelliteplatform,thisarticdesignedaFPGA-baseddigitalsignalprocessing

7、modulewiththeKalmanfilteralgorithmembedded.Theefficienthardwarefilteringalgorithmscontributetothereal-timedistancemeasurementwithhighprecisionandhelptothecommunicationbeteweentheFPGAandsatellite.Themainworkisasfol-lows:1、Inordertocompletethehighupdater

8、ateandhighprecisiondistancecalculationofthefemtosecondlaserrangingfinder,FPGAlogicchipwaschosedandanhigh-speeddigitalsignalacquisitioncircuitwasdesignedtomatchtheALINXcoreboardwhichwasusedtofininshthesignalprocessing.2、Accordingtothecon