一种基于单片机时频信号处理的实用方法

一种实用的时间及频率处理方法能够被用于产生精密的时间信号、稳定的相位步跳、频率变化及合成,以及用于精密的时频测量仪器和其它用途中.这种方法是通过改变微计算机机器周期的周期与相位来完成时频信号处理的.它的基础是在微计算机时钟线路中高频时钟信号的脉冲扣除、量化相移及其它锁相及相位处理方法.脉冲扣除和相位延迟可以对不同的应用目的周期性的进行或单步完成,以分别在微计算机的输出处获得频率的变化与合成或相移效果.使用这种方法并在软件控制下,简单的窄频率范围的调整能够在宽频率范围内产生精密的频率及时间信号.在计算机时钟线路中扣脉冲和移相能够改变计算机机器周期的周期与相位.因此在软件的帮助下,计算机输出信号的周期与相位能够被精确地调整.一些频差倍增,相位与时间处理方法、周期扣除方法能在这里采用以获得不同的准确度.使用这种方法,对时间信号处理的准确度能够从几十纳秒到优于1ns.当与其它技术结合时,还可以获得100ps～10ps的准确度.因此该实用技术可以获得广泛的应用.     

影响激光外差高精度计量的几个关键因素

共光路外差干涉仪具有很高的分辨率,但因为安装、调试误差会产生非线性误差,影响系统的测量精度.所以着重分析了影响激光外差计量精度的4个关键因素,即频率混叠、不同被测金属的相位跳变、被测表面的倾斜及物镜的数值孔径;利用激光外差及矢量分析理论,深入研究了频率混叠误差和相位跳变误差的成因、变化规律,并讨论了提高测量系统精度的有效措施.对正确设计和调试激光外差测试系统、提高测量系统精度具有重要意义.     

亚像素条纹边缘提取技术在型面测量上的应用

三维型面非接触测量在工业领域有着广泛的应用前景.双目视觉是一种有效获取三维轮廓信息的方法,其中对大密度的黑白相间条纹进行精确定位和提取,是基于投影光栅图像的光学三维型面测量的关键技术和难点.利用空间编码技术将被测空间划分为若干区域,每个区域对应一个二进制码.条纹落在区域上与唯一的二进制码相对应,就可以对条纹精确定位.利用边缘提取算法获得像素级条纹后,再利用亚像素技术可以进一步对条纹进行高精度提取.介绍了基于灰度矩的和基于多项式拟合的亚像素边缘检测算法.将空间编码和亚像素条纹提取技术相结合,对光栅条纹进行亚像素级定位和提取的技术,与像素级的定位技术相比,能提高图像的定位精度,有效地改善测量系统的性能.      

导频脉冲载波频率的快速捕获与跟踪

针对短时导频脉冲载波频率的同步问题,提出一种快速捕获和跟踪方法.该方法采用相位推算法进行快速载波频率初估计,完成频率的捕获.相位推算法首先利用最小二乘法估计实采样点的相位,再应用相位解卷、一元线性回归和最小二乘法拟合求取信号频率的估值,其测频精度优于常用的Prony算法,在高信噪比情况下逼近实正弦信号的Cramer-Rao界.应用数字下变频和Kay算法实现频率的跟踪,通过建立仿真模型,验证其跟踪精度优于叉积自动频率控制环.在给出的设计实例中,对于脉宽为1ms的导频脉冲,在信噪比大于13dB的情况下,环路频率跟踪的最大误差小于3Hz.      

外差干涉型光纤应变传感技术的研究

研究了一种采用高双折射纤模间干涉的应变传感器。传感器利用注入结电流直接调频的半导体激光（ＬＤ）产生外差干涉，从而实现了干涉相位的线性检测。实验结果显示干涉相位的分辨力为一个干涉条纹的２．５％，其相应的光纤应变是３６×１０－６ｍ。     

光学杠杆式仪器的数字化

光学杠杆式仪器,如:光学比较仪、超级光学比较仪等是常用的计量仪器,把光栅装于物镜焦面上,由标尺光栅的象和指示光栅实物形成“莫尔”条纹,以光电元件转变为电信号,就可以实现数字显示。光学杠杆式仪器数字化的优点是由于具有较高的光学杠杆放大率,因此可以用粗光栅实现高分辨率,而且光栅刻划误差对仪器精度的影响大为减少。但是光学杠杆式仪器数字化的难度较大,这是由于反射镜偏转时使用了物镜与照明光束的不同部位,象差与亮度的变化引起电信号幅值、直流电平与相位的变动,而且信号的频率较高。为了解决这些问题,须要严格控制物镜的象差;采用适当的光栅参数与结构,以及会聚光照明,现已研制成功的光学杠杆式仪器数字化的实例,有光学杠杆放大率为100~x与31.25~x、分辨率为0.1μ的数显光学比较仪,以及光学杠杆放大率为312.5~x、分辨率为0.01μ的数显超级光学比较仪。     

两厘米相位标准的研制

本文介绍了两厘米相位标准的研制情况,该装置采用变频保相、同步锁相的双通道比相系统,具有频率范围宽,动态范围大,准确度高,操作方便,多功能等特点,利用自校准法对装置进行了测试检定。误差分析合理。装置的测量误差小于±0.1°。可用于精密相移测量和有源器件相位稳定性的测量。     

接收机的非理想性对复相关值测量的影响

分析了矩形模型接收机频率响应的非理想性对综合孔径微波辐射计复相关值测量的影响.频率响应非理想性包括中心频率不一致、带宽不一致、群延迟不一致、本振相位不一致及带内波动,它们通过条纹洗涤函数产生复相关值测量误差.分析结果表明,群延迟不一致与本振相位不一致是产生复相关值相位误差的主要原因,中心频率不一致、带宽不一致、群延迟不一致及带内波动是产生复相关值幅度误差的主要原因,通过噪声注入法可校正这些幅度和相位误差,并用以上理论对北航二维综合孔径微波辐射计(BHU-2D)校正前后的误差进行了估计.      

铝基微结构光栅几何参数反演

微结构光栅是一种广泛应用的电子元件。采用随机微粒群优化(SPSO)算法反演了一维铝基衬底矩形光栅的几何结构参数。首先介绍了严格耦合波分析(RCWA)法和微粒群优化算法的基本原理,并采用RCWA法求解了光栅内电磁场问题;然后根据正问题求得的光栅光谱反射率建立目标函数,并采用SPSO算法优化目标函数,反演得到单槽和双槽矩形光栅的周期、凸脊宽度和凹槽深度;最后分析了种群大小和搜索区间对反演结果的影响。结果表明,SPSO算法可以准确地反演光栅几何结构参数,并推荐种群数取30。     

光栅的衍射在高分辨力测长仪器中的应用研究

选用高密度光栅产生衍射条纹 ,研究其信号合成、采集及处理的方法以实现在长度计量中 ,纳米分辨力的计数。     

抗噪相展开算法在投影栅法三维形貌测量中的应用

针对投影栅法三维形貌测量中的相展开算法进行了研究。采用局部连续相位的最小二阶差分的二维抗噪相展开方法对一圆杯子的相主值图进行相展开处理 ,该方法能够自动的绕过相位图中的无效数据区进行相展开 ,结果证明此方法具有较快的速度和较高的测量准确度     

光栅莫尔条纹信号细分方法设计与Simulink仿真CSCD

根据计量光栅莫尔条纹信号高精度细分的要求,提出了一种基于ADC幅值采样和相位解算的光栅细分方法,并利用Simulink搭建仿真模型,使两路正余弦信号通过正余切变换、幅值采样、固定相位步长细分等处理后输出为两路正交编码信号。仿真实验表明,该细分方法在输入理想信号情况下细分倍数主要与ADC采样精度有关,提高ADC采样位数可有效提高最大细分倍数。通过在两路时变sin/cos信号中添加幅值不等、相位不正交以及高次谐波分量等干扰噪声的仿真实验,验证了该方法的细分精度与信号质量有关。     

基于光外差法的宽带示波器滤波器频响测试技术研究CSCD

分析了光外差测试频响的原理,提出了采用光外差法测试宽带示波器滤波器频响的方案,分析了偏振态和波长稳定性对于测试结果的影响。实验结果表明,光外差法测试宽带示波器光电模块频响方案可行,9.953Gbps滤波器下测试,3d B带宽频率处频响重复性小于0.1d B。     

GPS信号捕获与跟踪策略确定及实现

为了检测GPS(Global Positioning System)信号,设计了码环及载波环捕获与跟踪数字系统.序贯搜索与窄间隔超前-滞后型数字延迟锁相环的采用,保证了码相位的可靠捕获与精确跟踪,四相鉴频器、叉积自动频率跟踪算法及科思塔环载波相位跟踪算法的结合,既保证了载波频率(多普勒频移)的捕获速度,又使环路能有效地跟踪频率/相位变化,获得较好的动态性能与噪声性能.控制算法及参数确定的软化实现使系统具有较好的灵活性.基于扩频相关器与数字信号处理器的数字系统验证了上述方案的正确性及有效性.      

激光外差干涉信号处理技术的研究

介绍了两种激光外差干涉信号的处理方法锁相频率解调法及组合频率解调法。此方法适用于需要实时反馈控制以及定位曝光等场合。用此方法,可以使干涉仪的测量分辨力分别达到３ｎｍ和０．５ｎｍ,干涉仪测量棱镜的允许运动速度达到３ｍｍ／ｓ。     

窄线宽单频单偏振环行腔掺铒光纤激光器

为了获得稳定的窄线宽单频单偏振掺铒光纤激光器输出,对采用饱和吸收体的环行腔结构掺铒光纤激光器进行了研究.实验中采用未抽运掺铒光纤作为饱和吸收体形成窄带滤波器,并选用高反射率的光纤光栅作为波长选择元件,同时采用具有高消光比的保偏环行器来获得单偏振激光.窄线宽单频单偏振环行腔掺铒光纤激光器的峰值波长可以通过拉伸光纤光栅进行调谐,调谐的范围为1548~1552nm.当抽运功率为275mW时获得的输出最大功率55.4mW.通过采用光纤延迟自外差法的线宽测试技术测量出该环行腔掺铒光纤激光器的20dB线宽为3kHz,光纤激光器的输出光偏振态长时间稳定在偏振度99.9%.这种窄线宽单频单偏振掺铒光纤激光器可以作为相干激光雷达的稳定信号源.      

基于圆周相关扩频信号的快速捕获改进方法

针对大多普勒频偏、低信噪比条件下长周期伪码的扩频信号捕获问题,提出了一种基于圆周相关扩频信号的快速捕获改进方法。该算法对圆周相关后的结果利用快速傅里叶变换(FFT)进行频率估计,扩大了传统圆周相关法的扫频步进,使扫频步进不再受跟踪环路带宽的限制。理论分析及仿真结果表明,在信噪比为-34 dB、多普勒频率为500 kHz条件下算法可以正确地估计出伪码相位和多普勒频偏。在达到相同的灵敏度条件下,所提算法的平均捕获时间与传统的圆周相关法相比缩短了约47%,与基于FFT的并行频率搜索法相比缩短了约88%。另外,用于频率估计的FFT点数仅占圆周相关点数的1%,故额外增加的硬件资源很少。算法逻辑控制简单,尤其适用于大多普勒频偏、低信噪比及长周期伪码的卫星通信系统。     

基于频偏校正的频率估计算法误差分析

介绍了基于频偏校正的频率估计算法原理,给出了算法在高斯白噪声背景下进行复正弦信号频率估计的标准差计算公式.在采样点数为N的情况下,对m的取值进行优化,得到当m取最接近N/3的整数时,算法的标准差达到最小值.Monte Carlo仿真试验结果表明:m取最接近N/3的整数时,频偏校正算法的标准差小于比值法(加汉宁窗)和相位差法,且在偏离FFT(Fast Fourier Transforms)离散谱线的频率变化范围内比较平缓.当信噪比较大时,优化取值后的算法标准差比m取最接近N/2的整数时小,且更加逼近克拉美-劳下限.     

模拟开关调制的幅相转换电路

为了使光栅测角系统获得较高的分辨率,通常采用鉴相式电子细分。这就需要把频率随转速变化、幅值随转角变化的光栅幅值信号变成频率固定、幅值不变、仅电相角随机械转角变化的相位信号。本文介绍了采用模拟开关调制的幅相转换电路的原理,对选频放大器和模拟开关的精度进行了理论分析,并给出了实验结果。     

基于相位匹配的大视场视觉检测系统

针对三维测量大量程和高精度测量问题,提出一种新型双目视觉检测系统.该系统通过向被测物投射间距可变的光栅条纹,将不同曲率的被测表面进行相位编码,由相位匹配得到被测物稠密的立体匹配点云;再由标定出的摄像机内外参数计算出被测物的精确三维坐标.为了解决传感器单元测量区域较小的问题,系统通过步进电机控制传感器移动,获取大型物体的全场三维数据点云;最后利用四元素法,实现大型物体的三维数据拼接.该系统长度测量标准差为36 μm,角度测量与坐标测量机(CMM)测量结果的相对误差0.2％.给出了某V型面三维实测的数据重建结果.对某大型特件(360 mm×300 mm)经过三维拼接正确复现了其三维形貌.该系统对于解决大型构件三维形貌的在线高精度检测问题具有较高工程应用价值.