激光应用 激光测量

P225．2 2005042648 基于FPGA的数字相位计在煤矿提升机激光测距系统中的应用=Research of digital phasometer based on FPGA in laser range system of mine hoister[刊,中]／周孟然(中科院安徽光机所．安徽,合肥(230031)),刘文清…／／光学技术,-2005,31(2),-179-181 介绍了用于矿井提升机红外激光位置跟踪系统中的一种新型数字鉴相器的研究方法。该方法是基于现场可编程门阵列(FPGA)器件,并运用快速傅里叶变换(FFT) 算法完成的。阐述了在实时高速测量场合运用FPGA器     

超声波电源中数字鉴相器设计

超声波电源系统中电压电流相位差测量精度影响着换能器振幅稳定性以及系统工作效率。目前基于异或门原理,采用分立数字芯片实现鉴相的方案,存在信号调理电路复杂、线性范围小、精度低等问题。为提高电压电流鉴相精度,该文提出了一种数字鉴相器设计。该数字鉴相器采用正交解调原理鉴相,并使用坐标旋转数字算法在FPGA上实现了鉴相器的设计,简化了电路,减少了杂散信号的干扰。经过Modelsim仿真测试表明在30 dB信噪比条件下鉴相误差为0.21°,最后经过实验测试,数字鉴相器鉴相最大误差绝对值为0.256°,提高了测量精度。     

数字微镜器件的时空特性对相位测量轮廓术的影响

数字微镜器件是一种新型的微电子、微机械、微光学集成器件,可广泛的用于大屏幕投影显示。实际上,数字微镜器件作为一种新型的空间光调制器,在光学信息处理和结构照明型三维传感中也具有广泛的应用前景。介绍了数字微镜器件和数字光处理器的基本原理,分析了数字微镜器件的时间空间特性,用计算机模拟了这种时空特性对相位测量轮廓术的影响。结果表明,数字微镜器件(DMD)可为投影系统在结构照明型光学三维传感中的应用提供指导。     

相位式激光测距全数字锁相环控制系统

针对减小相位式激光测距中的误差,介绍了一种基于现场可编程门阵列（FPGA）实现的全数字锁相环（ADPLL）控制系统的技术原理。此系统可以提高相位频率检测器的精度,同时不受温度和电压的影响,大幅降低相位式激光测距在测相过程中的频率误差。系统主要由数字鉴相器、数字滤波器和数字控制振荡器等逻辑设备组成,系统中的信号全部为数字信号。实验结果表明,当FPGA内部的参考信号为40 Hz时,采样周期为0.025 s,滤波器在300 ms达到约5 V的电压饱和状态。ADPLL系统避免了模拟电路中常常遇到的不全传输、寄生能力、温度浮动及老化等问题,并且可以在使用重置器件的情况下运行,因此很容易测试和复原。     

基于导频技术的数字束流位置测量系统的研制

为改善传统的束流位置测量电子学系统受电子学通道非线性、温度漂移和系统噪声等因素对位置测量精度带来的影响,介绍了一种新型的基于导频技术的数字束流位置测量电子学系统。该系统硬件包括模拟信号采集电子学、数字信号处理电子学和PTC(导频信号耦合)模块;软件包括顶层应用软件和底层驱动,束流信号与导频信号在耦合电路中耦合后,经电子学处理,在FPGA中计算得到归一化后的束流位置信息。实验室测试结果分析,经导频信号归一化处理后能够有效改善各通道随温度变化的现象,束流位置漂移从4.5 μm改善至0.5 μm,分辨率从57.25 nm提升到13.37 nm,并且进行导频信号开关实验更加直观观测导频信号对束流位置测量的在线校正效果。设计的基于导频信号的数字束流位置测量（DBPM）电子学可以高效、实时地实现对加速器束流位置的在线校正,提升电子学系统的实时分辨率性能。     

DC-SQUID磁强计数字控制系统

介绍一种新型的以MCU(微控制器)与FPGA(现场可编程门阵列)作为核心的DC-SQUID(直流电压-超导量子干涉器件)磁强计数字控制系统.该系统可以提供SQUID前端电路所需要的各种控制信号以及前端电路采样信号的放大、滤波等功能.使用MCU与FPGA实现系统的数字化控制、AD采集、LCD(液晶)实时波形显示与控制菜单显示等功能.MCU与FPGA的使用极大增强了系统的灵活性、可维护性与扩展性,方便了用户使用与设备升级.整个控制器已经完成并投入试验室使用.     

DC—SQUID磁强计数字控制系统

介绍一种新型的以MCU(微控制器)与FPGA(现场可编程门阵列)作为核心的DC-SQUID（直流电压-超导量子干涉器件)磁强计数字控制系统，该系统可以提供SOUID前端电路所需要的各种控制信号以及前端电路采样信号的放大、滤波等功能，使用MCU与FPGA实现系统的数字化控制、AD采集、LCD(液晶)实时波形显示与控制菜单显示等功能，MCU与FPGA的使用极大增强了系统的灵活性、可维护性与扩展性，方便了用户使用与设备升级，整个控制器已经完成并投入试验室使用。     

基于FPGA和DDS技术的激光测距仪

针对传统的相位式激光测距仪电路设计复杂、精度难以保证的缺点,把现场可编程逻辑门阵列(FPGA)器件和直接数字频率合成(DDS)信号发生技术应用于传统的相位式激光测距仪的电路设计中,实现了一种结构简单、体积小、可靠性高的短程激光测距系统,测量精度为cm量级。对测距系统误差的主要来源和进一步研究的方向进行了分析。     

数字微镜器件的相位调制性质

为了提高数字微镜器件(DMD)的空间光调制性能,发挥其在光信息处理中的作用,研究了的数字微镜器件相位调制性质。通过分析数字微镜器件的微观物理结构,考察了数字微镜器件的光栅特性;从计算的角度研究了其对相干光波的相位调制,并给出数学描述和实验结果。重点研究了数字微镜器件的衍射光栅特性,分析了其工作原理及微镜偏转导致的镜片空间相对位置的改变,利用闪耀光栅理论计算了偏转微镜间的相位差,得出了数字微镜器件光栅的闪耀规律,实现了闪耀状态。提出了利用不同方向的微镜列状态研究数字微镜器件相位调制性质的方法,推导和模拟了关于数字微镜器件的微结构和工作原理,在数字微镜器件光调制研究方面提供了一些结果,对数字微镜器件在信息光学中的更广泛应用有一定意义。     

基于FPGA延迟链差值的时间间隔测量方法

基于FPGA的时间间隔测量,由于其精度高、成本低、系统结构简单等突出优点,在时间间隔测量领域已成为主要研究方向之一。介绍了一种基于FPGA延迟链差值的时间间隔测量方法,利用片内单元缓冲器与触发器组成的延迟链形成的延迟链差值进行时间间隔测量,整个系统占用了较少的芯片资源。此方法既可为功能电路独立使用,也可通过FPGA中Logic Lock反标注进行系统的移植。此次研究建立在Altera公司的Cyclone系列二代芯片上,时序仿真表明时间间隔测量误差小于1ns,硬件测试精度优于2ns。     

反熔丝FPGA延时电路γ瞬时辐射效应

 简要叙述了反熔丝FPGA的基本结构,介绍了一种FPGA延时电路的工作原理以及利用该电路在“强光一号”脉冲加速器上进行γ瞬时辐照试验的方法,给出了试验测量结果。分析表明：高剂量率γ瞬时电离辐射会破坏FPGA延时电路一个信号周期的工作状态,因此存在功能失效的可能性。但就整体而论,反熔丝FPGA抗瞬时辐射的性能要优于其它许多大规模CMOS集成电路。     

基于增量光栅尺的纵横转换图像细分算法实现

针对现有光栅测量方法不能兼顾高速与高精度的问题,为适应电子制造装备高速运动和高精密定位的位移反馈要求,提出基于增量式光栅尺的纵横转换细分测量原理和相应的图像快速处理算法。为了提高光栅图像采集处理速度,搭建基于FPGA的硬件测试平台,先将采集到的图像进行滤波和二值化处理,然后对图像先进行纵横坐标相加,求取像素点最小值得到交点位移值。实验结果表明:应用纵横转换算法并搭载FPGA测试系统,能够达到0.029 μm的分辨率,精度达到0.3 μm。     

TOT measurement implemented in FPGA TDC

Time measurement plays a crucial role for the purpose of particle identification in high energy physics experiments. With increasingly demanding physics goals and the development of electronics, modern time measurement systems need to meet the requirement of excellent resolution specification as well as high integrity. Based on Field Programmable Gate Arrays(FPGAs), FPGA time-to-digital converters(TDCs) have become one of the most mature and prominent time measurement methods in recent years. For correcting the time-walk effect caused by leading timing, a time-over-threshold(TOT) measurement should be added to the FPGA TDC. TOT can be obtained by measuring the interval between the signal leading and trailing edges. Unfortunately, a traditional TDC can recognize only one kind of signal edge, the leading or the trailing. Generally, to measure the interval, two TDC channels need to be used at the same time, one for leading, the other for trailing. However, this method unavoidably increases the amount of FPGA resources used and reduces the TDC's integrity.This paper presents one method of TOT measurement implemented in a Xilinx Virtex-5 FPGA. In this method,TOT measurement can be achieved using only one TDC input channel. The consumed resources and time resolution can both be guaranteed. Testing shows that this TDC can achieve resolution better than 15 ps for leading edge measurement and 37 ps for TOT measurement. Furthermore, the TDC measurement dead time is about two clock cycles, which makes it good for applications with higher physics event rates.     

基于FPGA的电磁脉冲电场测量系统

为了测量纳秒级前沿的电磁脉冲电场,研制了一种基于现场可编程门阵列(FPGA)的宽频带电磁脉冲电场测量系统,该系统采用单极子天线作为电场探头的接收天线,高速AD采集调理电路输出的电压信号,由FPGA接收AD采样的数据并保存至DDR2和FLASH存储器中;分析了系统的整体方案;对系统的信号调理、采集的触发方式、FPGA控制以及干扰屏蔽等关键技术进行了重点分析;通过电场探头、电磁脉冲模拟器、PTEM暗室、衰减器以及示波器进行了性能和功能验证实验;利用软件将电场探头和示波器测得的信号进行处理和对比;实验表明,所研制的电场探头可以测量前沿大于2.5ns、电场强度为0~50kV/m的脉冲电场,系统线性度好,体积小,抗干扰性能好,测量准确性高。     

基于FPGA的高精度时间间隔测量方法研究与实现

针对脉冲激光测距机的飞行时间间隔测量,介绍了基于FPGA实现高精度时间间隔测量的系统结构及关键技术。利用FPGA内嵌锁相环PLL可得到高速时钟的不同相位输出,可产生稳定的等间隔时间延迟,可实现对短时间间隔的量化测量,达到了优于纳米量级的测量精度。通过与数字插入法相结合,使系统的测量范围达到了200ns～43s。     

次谐波聚束系统固态放大器相位特性

 为研究BEPCⅡ直线加速器次谐波聚束系统使用的两台固态放大器（20 kW/142.8 MHz,10 kW/571.2 MHz）的相位特性,利用基于现场可编程门阵列(FPGA)的数字测量方法对两台固态放大器的脉内相移和相位稳定度进行了测量。测量系统硬件包括频率综合器、FPGA数字信号处理板和PC;软件部分包括FPGA内部算法、通信及PC端界面程序。该测量系统能真实地反映两台固态放大器的相位特性,为次谐波聚束器的相位补偿提供了参考。     

BEPCⅡ逐束团测量系统的研制及应用研究

基于北京正负电子对撞机二期工程储存环,研制了一套逐束团束流测量系统。系统包括模拟前端、数据采集处理控制和显示软件三个部分。储存环束流位置探头的四路信号作为逐束团测量系统的输入,该系统宽带模拟前端完成信号幅度相位的调理,并保证束团间无干扰;四路500 MHz模数转换器对信号采样实现逐束团测量;基于现场可编程门阵列的数字信号处理逻辑计算得到每个束团的位置。系统在线实时束流位置测量分辨率优于4.5μm,同时该测量系统可实现实时逐束团振荡幅度和工作点的测量。系统还拥有存储大容量逐束团原始数据的功能,为日常的机器研究提供了有力的测量手段。     

一种改进式TAC的高精度时间间隔测量系统的实现

设计了一种基于改进式时间-幅度转换器(Time-Amplitude Converter, TAC)的高精度时间间隔测量系统。该系统采用集成运放设计TAC中的电流可控的恒流源,并对TAC内部的积分控制部分加入宽带直流放大电路,来提高时间间隔测量的精确度;采用高精度的模数转换器采样TAC的输出,实现高精度时间间隔测量中的模拟到数字的转换;采用现场可编程逻辑门阵列(Field Programmable Gate Array, FPGA)完成系统软件设计,实现对TAC的控制。通过变换TAC的采样电阻的阻值,使恒流源输出不同的电流对电容进行充电,从而使TAC的输出电压满足高精度模数转换器(Analog-Digital Converter,ADC)采集电压的要求。实验表明,在测量时间范围为1us,800ns,400ns,200ns时,该系统的时间间隔测量的最小时间精度为400皮秒。     

基于FPGA的激光测速仪信号处理方案设计与实现

为满足高动态环境下的激光多普勒测速仪信号处理需要,提出了一种基于现场可编程门阵列(FPGA)的激光测速仪信号处理方案。在FPGA内部完成全部信号处理的内容,利用快速傅里叶变换(FFT)算法得到信号的频谱,利用能量重心法对离散频谱进行校正,开发采样频率自适应算法,兼顾测量准确度与测量范围的要求,最后将结果通过通用串行总线上传个人计算机显示。程序采用流水线方式设计,提高信号处理速度。经过实验验证,数据更新率达到2.4~24kHz,数据延迟时间为123~1230μs,测量准确度优于8×10-4,测量稳定度优于2.5×10-7。