一种基于双相数字锁相放大器的光斑质心定位系统及方法

本发明涉及光电跟踪，尤其涉及一种基于双相数字锁相放大器的光斑质心定位系统及方法。

背景技术：

1、随着空间光通信、激光测控、精密光电跟踪技术不断发展，atp（acquisition,tracking and pointing，光束捕获、跟踪与对准）系统成为实现远距离激光通信的核心单元，光斑位置检测作为atp系统的核心反馈环节，其定位精度、实时性与抗干扰能力直接决定伺服系统跟踪稳定性与光束对准精度。

2、实际工况中，激光探测信号极易受到太阳光、雨雪雾霜、环境杂散光干扰，背景噪声幅值常会完全淹没有用微弱激光信号；同时搭载探测设备的载体高速运动时会产生多普勒频移，造成激光载波信号频率漂移，常规光斑检测方案难以同时应对强噪声与频率偏移问题。现有一类采用四象限光电探测的太赫兹光斑定位系统采用分立硬件架构，系统硬件集成度低，信号传输存在明显延迟，内部定位算法逻辑简单，无法适配载波频率漂移场景，系统积分电容长时间工作易出现饱和失效；另一类基于四象限传感器的激光光斑定位方案依赖卡尔曼滤波降噪与梯度修正算法，算法阈值依靠人工经验设定，标定流程繁琐，对非均匀光强场景容错率低，面对复杂杂光环境时抗干扰性能不足。

3、因此，上述技术均无法同时兼顾微弱激光信号提取、载波频率自适应跟踪、高集成度硬件架构与复杂光照环境稳定定位的需求，难以满足空间光通信atp系统高精度光斑质心检测的使用要求。

技术实现思路

1、本发明的目的是提供一种基于双相数字锁相放大器的光斑质心定位系统及方法，解决上述技术问题。

2、为实现上述目的，本发明提供了一种基于双相数字锁相放大器的光斑质心定位系统，包括四象限光电探测器、信号放大与采集模块、fpga（field programmable gatearray，现场可编程门阵列）信号处理模块、串口通信模块、上位机模块；

3、四象限光电探测器接收激光信号并转换输出四路光电流信号；

4、信号放大与采集模块对四路光电流信号完成放大、滤波预处理并输出电压信号，同步并行完成四路电压信号模数转换；

5、fpga信号处理模块包含自适应频率跟踪模块、双相数字锁相放大器模块，自适应频率跟踪模块自动识别信号载波频率并生成正交参考信号，双相数字锁相放大器模块结合正交参考信号相敏检波解调得到四路i/q（in-phase / quadrature，同相分量/正交分量）有效直流分量；

6、串口通信模块将四路i/q有效直流分量串行传输至上位机模块；

7、上位机模块接收解调数据并解算、显示光斑质心位置。

8、优选的，信号放大与采集模块包含依次级联的跨阻放大电路、可调增益放大电路、50hz陷波电路、抗混叠滤波电路以及四通道16位adc（analog-to-digital converter，模数转换器）；

9、跨阻放大电路将光电流转换为电压并一级放大，转换公式为：

10、；

11、式中，

v为输出电压值，

i为输入光电流，

r

f为反馈电阻且为电路放大倍数；

12、可调增益放大电路由fpga通过prcx_a0、prcx_a1、prcx_wr引脚控制，实现1倍、10倍、100倍、1000倍四档增益调节；

13、50hz陷波电路为双运算放大器构成的q值可调双t陷波电路，滤除50hz工频干扰，q值代表陷波电路品质因数；

14、抗混叠滤波电路为双运算放大器构成的有源低通滤波器，抑制高频噪声、防止adc采样混叠；

15、四通道16位adc采用单端输入，转换控制、时钟、串行数据接口均与fpga相连，由fpga统一完成采样控制与数据读取，16位代表adc模数转换精度。

16、优选的，自适应频率跟踪模块包含fft（fast fourier transform，快速傅里叶变换）载频预估单元、dds（direct digital synthesizer，直接数字频率合成器）振荡器、平方锁相环；

17、fft载频预估单元对adc输出数字信号做fft变换，fft为快速傅里叶变换，提取频域最大值完成载波频率粗估计；

18、dds振荡器基于fft预估频率生成两路正交正弦参考信号，dds为直接数字频率合成器；

19、平方锁相环基于粗估载频完成频率精准锁定，修正dds输出信号频率直至与待测信号载波同频。

20、优选的，fft载频预估单元向dds振荡器输出频率控制字的换算公式为：

21、；

22、式中，

f

o为dds振荡器输出信号的目标输出频率，

f

clk为fft工作频率，num为fft最大谱线位置，

l为fft转换点数，

n为dds的二进制累加器数字位宽，

k为dds中心频率所对应的频率控制字。

23、优选的，双相数字锁相放大器模块包含两路对称的相敏检波单元与多级窄带低通滤波器；每路相敏检波单元含乘法器，多级窄带低通滤波器依次cic滤波器（cascadedintegrator-comb filter，级联积分梳状滤波器）、isop补偿滤波器、半带滤波器、fir平滑滤波器（finite impulse response filter，有限长单位冲激响应滤波器）；

24、cic滤波器对信号完成一级降采样抽取，cic为级联积分梳状滤波器；

25、isop补偿滤波器补偿cic滤波器通带衰减；

26、三级半带滤波器对信号完成二级降采样；

27、fir滤波器对降采样后信号平滑滤波输出纯净i/q直流分量，fir为有限长单位冲激响应滤波器，i为同相直流分量，q为正交直流分量。

28、优选的，上位机模块执行如下解算逻辑：

29、首先还原串口接收的四路i/q直流分量，计算单象限光斑电压值，其公式为：

30、；

31、式中，

r为光斑电压值，

a为目标信号幅值，

i为i路解调出的直流分量，

q为q路解调出的直流分量，

a

r为正交参考信号幅值；

32、然后基于四象限光斑电压值

ri、

rii、

riii、

riv归一化求解光斑质心坐标：

33、;

34、式中，

x

r为光斑质心x轴定位坐标，

y

r为光斑质心y轴定位坐标，

ri、

rii、

riii、

riv依次为四象限解算出的光斑电压值。

35、一种基于双相数字锁相放大器的光斑质心定位方法，应用于本发明所述的系统，包括以下步骤：

36、s1、四象限光电探测器接收激光信号，转换输出四路光电流信号；

37、s2、对四路光电流信号依次执行跨阻放大、程控二级增益放大、50hz工频陷波、抗混叠有源低通滤波，输出四路预处理电压信号；

38、s3、采用四通道16位adc同步并行采集四路电压信号，完成模数转换并将数字信号送入fpga；

39、s4、fpga自适应频率跟踪模块对四路数字信号处理，自动识别并锁定信号载波频率，生成两路同频正交正弦参考信号；

40、s5、双相数字锁相放大器将四路数字信号分别与正交参考信号做相敏检波乘法运算，经多级窄带低通滤波滤除二倍频分量，得到四路i/q有效直流分量；

41、s6、fpga通过串口将四路i/q直流分量传输至上位机，上位机完成单象限光斑电压解算、归一化光斑质心坐标求解与位置可视化显示。

42、优选的，s4的自适应频率跟踪具体包括：

43、s41、fft载频预估模块对数字信号做fft变换，取频域最大谱线位置完成载波频率粗估计；

44、s42、将粗估载频换算为dds振荡器的频率控制字，dds初步输出两路正交正弦参考信号；

45、s43、平方锁相环完成载波精准锁定：将dds两路正交正弦相乘生成二倍频信号，与平方后的输入待测信号鉴相，相位差经环路滤波器调节dds频率控制字，收敛后dds输出与待测载波同频的正交参考信号。

46、优选的，s5的相敏检波与滤波具体包括：

47、s51、待测信号分别与两路正交参考信号乘法混频，输出两路混频信号，混频信号包含有效直流分量、二倍频分量、噪声乘积项，其中输入信号

s(

t)为：

48、；

49、正交参考信号

s

r0(

t)和

s

r1(

t)为：

50、；

51、式中，为待测信号角频率，为待测信号初始相位，

t为当前时刻，为环境噪声项，为参考信号初始相位；

52、s52、对两路混频信号依次经过cic降采样、isop通带补偿、三级半带滤波器二次降采样、fir平滑滤波，滤除二倍频分量与噪声，输出纯净i/q直流分量。

53、优选的，s6上位机解算具体包括：

54、s61、解析串口串行数据，还原四路信号对应的i、q直流分量，利用光斑电压值计算公式分别计算四个象限光斑电压幅值；

55、s62、代入四象限电压值，通过平均质心归一化公式求解光斑x、y轴质心坐标；

56、s63、实时显示计算得到的光斑质心坐标，输出脱靶位置数据，脱靶位置数据为光斑质心相对探测器中心的偏移量。

57、因此，本发明采用上述一种基于双相数字锁相放大器的光斑质心定位系统及方法，具有的有益效果为：

58、1、融合四象限光电探测、自适应频率跟踪、双相数字锁相解调、多级信号滤波多类核心技术，一体化解决强背景杂光、工频噪声环境下微弱激光信号难以提取，以及载体多普勒效应引发载波频率漂移、解调结果失真的行业痛点，适配空间光通信atp系统复杂工作工况。

59、2、信号链路采用模拟预处理降噪搭配数字端多级窄带滤波协同架构，依靠平方锁相环完成载波频率精准锁定，结合相敏检波乘法运算分离目标有效分量，可在强噪声基底中稳定提取纯净i/q直流信号，输出高信噪比光斑检测数据，显著提升光斑质心坐标解算精度，全面增强系统整体抗干扰性能。

60、3、整套信号采集、频率跟踪、锁相解调运算集成于单fpga并行实现，硬件集成度高、信号传输时延小，对边缘畸变、光强分布不均的光斑具备良好适配能力，大幅提升复杂光电探测与光束跟踪场景下光斑定位精度与系统长期运行稳定性。

61、4、完善了微弱光斑信号锁相解调定位实现方案，为远距离激光测控、精密光电跟踪设备提供可靠技术支撑，能够有效推动双相数字锁相解调技术在空间光通信、工业光束自动对准相关领域的落地与普及应用。

62、下面通过附图和实施例，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。