精密时间间隔测量系统方案设计

范晓东,刘光斌

(第二炮兵工程学院,陕西西安710025)

摘要精密时间间隔测量技术在许多研究和应用领域都有十分重要的地位。基于数字信号处理(D SP)和现场可编程门阵列(FPGA)技术,将脉冲计数法和时间延展法相结合,设计了一个精密时间间隔测量方案。该方案测量范围由计数器决定,分辨率则由时间延展单元决定,分辨率为100ps,量程为650L s 。该方法具有设计简单灵活、集成度高等优点,可广泛应用于时间、频率测量领域。

关键词脉冲计数法;时间延展法;D SP;FPGA

中图分类号 TP216 文献标识码 A 文章编号 1003-3106(2010)09-0055-03

Scheme of Precise Time 2interval Measurement System

FAN Xia o 2dong,LIU Guang 2bin

(The Seco nd A rtille ry Engineering Institute,Xi .an Shaan xi 710025,China )

Abstr act Precise time 2interval measurement plays an i mportant role in many research and application fields.Based on D SP and FPG A,this paper desig ns a scheme of precise time interval measurement with the methods o f pulse co unting and time magnifying.The reso lution of this mo dule,decided by the time stretching,is 100ps,and the measuremen t range,decided by the coun ters,reaches 650us.With the advan tages of simple design,agility and hig h integratio n,etc,this method can be widely used in the field o f time and frequency measurement.

Key wor ds pulse counting;time stretching;D SP;FPGA

收稿日期:2010206223

0 引言

高精度时间间隔测量是由多学科、多技术领域交叉形成的一门专业技术,其中包含了数学、物理、材料、信号处理和电子电路等多方面内容。该技术广泛应用在工业、航空航天、大地测量、建筑测量、导航定位、高精度的授时及时间比对、频率源的测试及

科学实验等领域[1,2]

。现已成为军事通信和卫星定位等航空航天国防军事中不可或缺的关键技术。目

前国内外常用的测量方法包括[3]

:脉冲计数法、时间延展法、时间幅度转换法、游标法以及延迟线法。针对上述方法的优缺点,这里采用脉冲计数法与时间延展法相结合,考虑现场可编程门阵列的特点和实现的可能性,结合FPGA 和D SP 技术来设计时间间隔测量仪,具有测量范围大、测量精度高和开发周期短等优点。

1 测时原理

短时间间隔分为精测和粗测2部分进行测量。粗测部分采用脉冲计数法,即在待测时间T 内用周期为T 0的参考时钟进行填充,计数器记录T 内填充的参考时钟整数周期数N,得到时间间隔NT 0,其精

度由参考时钟周期T 0决定。但由于填充时钟与时间间隔边沿的相位关系有随机性,存在如图1所示的小于参考时钟周期的量化误差$T 1和$T 2。精测部分对量化误差采用时间扩展法进行时间延展插

值测量[4]

,利用对电压的积分技术,将$T 1和$T 2扩宽K 倍,再由脉冲计数法测量延展后的T 1和T 2,则可以在不增加参考时钟频率的情况下有效提高时间分辨力K

倍。

图1 测时原理波形图

2 系统设计方案

系统采用专用处理板与通用计算机的组成方案

专题技术与工程应用

2010年无线电工程第40卷第9期55

如图2所示。通用计算机可以设计友善的仪器使用界面和拥有较强的运算能力;专用处理板完成精密时间间隔测量,并对测量结果进行预处理。专用处理板和通用计算机采用PCI 总线连接,板载高速DSP 和FPGA 分别实现测量控制、数据处理和时间

间隔测量。

图2 系统结构

2.1 时间基准

高精度时间基准为时间间隔测量提供精确的时钟参考,其精度和稳定性将直接影响时间间隔测量的精确度[5]。本系统采用10M Hz 的晶振作为时间间隔测量的时间基准。为获得较高精度的分辨率,利用FPG A 内部的锁相环PL L 将时钟参考频率倍频到100M Hz,作为时间间隔测量的时钟参考,并设计外接时间基准通道,用户可根据所需要的测量精度外接不同频率的时间基准。2.2 信号预处理

测量部分的主要功能在开发板上实现,但输入信号不一定适合直接被FPGA 处理,因此,需要设计一个信号预处理模块。信号预处理模块主要实现将信号转化成FPG A 可接受的CM O S 电平数字信号。

该模块主要包括数模转换、模拟比较器2部分,其框图如图3所示。用户可设置信号阈值并通过数模转换器转换为模拟信号,再将被测模拟信号与数模转换器的输出通过模拟比较器A D8561进行比较,滤除小于阈值电压的无效信号,通过比较将模拟信号转换成FPG A 可接收的C M OS 电平信号。其中阈值的设置采用电阻网络通过改变电阻阻值或电压基准来调节比较器的阈值电压,

设计简单。图3 预处理结构

2.3 时间延展回路

实现对小于参考时钟周期的量化误差$T 1和$T 2的时间延展100倍,其结构如图4所示。利用输入信号控制计数器的开始和积分器对基准电压进行积分,积分后电压进行比较[6]。所选取的基准电压U 1

计数器停止计数。

图4 时间延展回路结构

若起始电压值为0,则输出电压U C1和U C2可表示为:

U C 1=1

R 1C 1Q t 0U 1d t =U 1R 1C 1t,U C 2=

R 2C 2Q t 0U 2d t =U 2R 2C 2

t 。当t =T 时,两输出电压相等,U C 1=U C 2,则

U 2R 2C 2(T -$t)=U 1

R 1C 1

T 。若所选取两积分电路电容电阻相同,即R 1=R 2,C 1=C 2,电压积分时间可表示为:

T =

U 2

(U 2-U 1)

$t 。

由上式可见,只要选择合适的基准电压U 1和U 2,可将测量短时间间隔$t 转换为测量较长的时间间隔T 。在相同2条支路中各因素的影响得以抵消,因此该结构对电源噪声、电容或电流的非线性都很不敏感。2.4 FPGA 设计

FPG A 功能的设计实现是本系统的核心之一,其

专题技术与工程应用

2010Radio Engineering Vo1140No 19

主要功能是锁存被测信号每个有效触发时刻的计数器计数值,提取小于参考时钟周期的量化误差$T 1和$T 2送入时间延展回路,以及对放大后的时间信号计数。

利用可编程逻辑器件开发软件QuartusII 完成内部的编程实现。计数器的量程直接影响到短时间测量的范围,因此需要设计较大量程的计数器。8count 是8位二进制同步计数器[7],本系统将2个8count 进行级联,上一级的进位输出端接下一级的时钟输入端,组成一个16位的大量程计数器。又由于参考时钟频率为100M Hz,则16位计数器最大计数的时间范围为650L s 。待测时间波形和量化误差提取设计原理如图5所示,开始和终止脉冲分别作为D 触发器的时钟输入,再经一个异或门形成待测时间间隔T 。以待测时间T 为D 触发器的输入,参考时钟信号为时钟输入,由于D 触发器是上升沿触发,则输出闸门信号。将T 与闸门异或得到量化误差T c ,波形图如图6

所示。

图5

待测信号产生和量化误差的提取

图6 待测信号产生波形图2.5 DSP 设计

采用T MS320C6000系列DSP 芯片作为核心处理器,该系列DS P 采用高级改进哈佛结构,有8个并行的处理单元,具有独立的程序和数据空间允许同时对程序指令和数据进行访问,提供了高度的并行性[8]

。主要功能完成与计算机进行数据交互,及时读取数据,将数据发送出去。在本系统中串行数据

直接转换成并行数据,然后经过地址译码将数据传入D SP 芯片。同样,D SP 发送给计算机的数

据也图7 DSP 程序流程

是通过DS P 的数据总线进入转换芯片转换成符合上位机串口通信的格式发送给上位机。另外D SP 还作为系统工作的数据终端处理器,要实时监视系统测量情况、指令控制以及硬件电路的时序设置,其流程图如图7所示。

3 结束语

时间间隔测量系统设计方案基于D SP 与FPG A 技术,在粗测单元中用脉冲计数法保证时间测量的范围,精测单元中应用时间延展法提高测量的分辨率。该系统不仅测量范围大、精度高,而且具有集成度高、设计简单灵活和使用方便等优点。时间间隔测量系统理论测时范围为650L s,测量的分辨率约为100ps 。±

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北京:机械工业出版社,2005:1-10.

作者简介

范晓东男,(1986-),硕士研究生。主要研究方向:智能仪器仪表。

专题技术与工程应用

2010年无线电工程第40卷第9期57

XX线路工程控制测量方案

中铁十七局京沪高铁土建工程一标段项目经理部第十六工区加密控制点测量成果报告（DK218+256.07—DK228+305）编制：复核：审核：监理工程师：中铁十七局集团京沪高速铁路JHTJ-1标十六工区 2008年6月

目录一、工程概述 (3) 二、施测目的及依据 (3) 三、仪器设备及人员组织情况 (3) 四、外业测量方案 (4) 五、内业数据处理结果分析及总结 (9) 附件：加密平面控制点统计表 (11) 水准控制网平差报告 (12) 加密高程控制点统计表 (27) 平面控制网平差报告 (28) 测量人员名单 (40) 原始记录材料测量证件复印件

加密点控制测量方案一、工程概述京沪高速铁路由北京南站至上海虹桥站，正线1318km，设计速度：350km/h，初期运营速度300km/h。跨线列车运营速度200km/h 及以上。JHTJ-1标段起止里程DK1+750～DK238+470.17，全长223.94km。主要工程：特大桥218110.58m/5座；站场3个；梁场11座；轨道板厂4座；铺轨基地1处。本工区是JHTJ-1标第十六工区，里程范围DK218+256---DK228+305，内含有沧州西站路基站场和沧德特大桥部分，全长10049m，工作范围全部位于沧县纸房头乡包含跨过6个行政村。其中路基站场共有CFG桩33290根，共935343延米；桥梁共有243个桥墩，一个京方桥台，有2280根钻孔桩，计109340延米；共有2个旅客地道桥和4个框构桥。二、测量目的及技术依据为了施工放样的方便及控制精度的要求，按照逐级布网原则在CPI的基础上加密用于线下施工控制的测量控制点，并把CPII点作为导线平差的检核条件。具体依据规范如下： 1、《客运专线无碴轨道铁路工程测量暂行规定》（铁建设[2006]189号） 2、《客运专线无碴轨道铁路铺设条件评估技术指南》（铁建设[2006]158号） 3、《精密工程测量规范》（GB/T 15314-94） 4、京沪客运专线有关会议评估纪要 5、设计院所移交的CPI，CPII坐标高程及相关资料。三、仪器设备及人员组织情况本次测量分两组进行，每组4人，平面组采用索佳SET1130R3全站仪，精度为1mm+1ppm，测角精度为1秒；高程组采用徕卡DNA03

盾构施工控制测量方案

杭州市地铁2号线一期工程SG2-3标杭发厂站—人民广场站盾构施工控制测量方案编制：审核：批准：中铁隧道集团有限公司杭州市地铁2号线一期工程SG2-3标项目经理部二○一一年七月

一、编制依据 1、杭州市地铁2号线工程杭发厂站~人民广场站区间施工设计图及有关说明； 2、《地下铁道、轻轨交通工程测量规范》GB50308—2002； 3、《城市测量规范》CJJ8—99； 4、《新建铁路工程测量技术规范》TB10101—99； 5、《城市轨道交通工程测量规范》GB50308-2008； 6、《建筑变形测量规范》JGJ8-2007； 7、《工程测量规范》GB50026-93； 8、《市政地下工程施工及验收规程》DGJ08-236-1999； 9、《盾构法隧道施工及验收规范》GB50446-2008； 10、杭州地铁公司发布的地铁工程施工测量管理细则。二、工程概况 2.1、工程位置本工程位于杭州市萧山区，其中杭发厂站-人民广场站区间为2号线全地下盾构区间，盾构从人民广场南端头井始发沿市心中路下掘进，先后旁穿北河上的泰安桥和长廊顶河上的华荣桥，抵达杭发厂站北端头后调头，再次始发掘进至人民广场南端头。盾构区间平面位置详见图1.1《工程平面位置图》。

图1.1 工程平面位置 2.2、设计情况【杭～人】区间起讫里程为上行线SDK5+665.328～SDK6+350.666（下行线XDK5+665.328～XDK6+350.666），区间上行线长685.338m（下行线长685.863m）。区间上行线及下行线由直线段和二组缓和曲线组成，曲线半径均为1000m、1500m、。区间上行线及下行线隧道均以0坡出站后以22‰的下坡到达区间最低点后，上行线以21.6‰的上坡(下行线线以21.56‰的上坡)，最后以2‰的上坡进站。线路呈节能V型。本区间竖曲线半径最大为5000m，最小为3000m。隧道拱顶埋深为10.2～15.6m。 2.3、技术标准 1)结构设计使用年限为100年。 2)结构的安全等级为一级。 3)结构按7度抗震设防。 4)结构设计按6级人防验算。 5)衬砌结构变形验算：计算直径变形≤2‰D（D为隧道外径）。 6)管片结构允许裂缝开展，但裂缝宽度≤0.2mm。 7)结构抗浮安全系数不得小于1.05。 8)盾构区间隧道防水等级为二级。三、施工测量流程仪器检测→交桩及控制点复测→测量方案及审批→机载仪器测量→人工复测→监理、建设方复测→施工过程中复测→竣工测量。四、施工平面控制测量 4.1、施工平面控制网的布置原则 (1)、工程测量放样的程序，遵守由总体达到局部的原则； (2)、控制点应满足整体控制要求； (3)、控制点应埋设在牢固不易破坏的位置； (4)、控制点相互之间必须通视，不能满足通视要求应合理设置工作点； (5)、控制点数据采集后需进行闭合，并进行平差计算； (6)、严格控制限界要求，满足设备安装要求，放样时需掌握“宁大勿小”

脉冲激光测距系统中高精度时间间隔测量模块的研究

第26卷第3期2007年6月红外与毫米波学报 J.I nfrared M illi m .W aves Vol .26,No .3June,2007 文章编号:1001-9014(2007)03-0213-04 收稿日期:2006210228,修回日期:2007203205 Rece i ved da te:2006210228,rev ised da te:2007203205基金项目:中国科学院创新三期项目(11100404K221J W19) 作者简介:吴刚(19812),男,湖北武汉人,中科院上海技术物理研究所硕士研究生,电路与系统专业,现主要从事卫星定位系统中的时钟同步研究. 脉冲激光测距系统中高精度时间间隔测量模块的研究吴　刚,　李春来,　刘银年,　戴　宁,　王建宇 (中科院上海技术物理研究所,上海　200083) 摘要:时间间隔的测量精度对脉冲激光测距系统的测量精度起决定作用.为此研制了一高精度时间间隔测量模块, 该模块基于专用时间数字转换芯片开发,采用延迟线插入法技术,最大测量时间可高达200m s,测时分辨率最高可达125p s,对应测距分辨率18.75mm,适用于远距离的测量.给出了硬件和软件设计方法以及模块的测试结果.关　键　词:脉冲激光测距;时间间隔测量;时间数字转换;延迟线插入法中图分类号:T N249 文献标识码:A STU DY ON HI GH RES OLUTI ON TI M E I NTERVAL M EASURE M ENT MODU LE I N PU LSE D LASER RANGI NG S YSTE M WU Gang,　L I Chun 2Lai,　L I U Yin 2N ian,　DA IN ing,　WANG J ian 2Yu (Shanghai I nstitute of Technical Physics,Chinese Acade my of Sciences,Shanghai 200083,China ) Abstract:The p recisi on of the pulsed laser ranging system was decided by the p recisi on of the ti m e interval measure ment . Theref ore,a high res oluti on ti m e interval measurement module was devel oped .The module is based on the s pecial ti m e 2t o 2digital conversi on chi p which adop ts the delay line inter polati on method .The maxi m u m measuring ti m e of the module is 200m s,and the maxi m u m ti m e res oluti on is 125p s,of which the corres ponding distance res oluti on is 18.75mm.The mod 2ule is es pecially suit f or the large distance measure ment .The hard ware and the s oft w are of the module as well as the testing results are als o p resented . Key words:pulsed laser ranging;ti m e interval measure ment;ti m e 2t o 2digital conversi on;delay line inter polati on method 引言脉冲激光测距以其峰值功率高、探测距离远、测距精度高、对光源相干性要求低等优点,在工业、航空航天、大地测量、建筑测量和机器人等领域获得了广泛应用.不同的应用对测量范围与精度有不同的要求,在军事上,测量范围从几百米到几十千米,相应的精度要求从几十厘米到几百米;而在航空航天方面,从航天器间的对接到飞船的着陆,精度则要求在毫米量级.测量系统的测量精度主要依赖于接收通道的带宽、激光脉冲的上升沿、信噪比和脉冲激光传输的时间间隔测量精度,其中时间间隔的测量精度对测距精度起决定作用[1～4] . 到目前为止,时间间隔的测量方法主要有3种: 模拟法、数字法和数字插入法[5] .其中数字插入法是脉冲激光测距中精度最高的,主要有延迟线插入法、模拟插入法和差频测相插入法3种.由德国ACAM 公司设计的一种高精度时间数字转换芯片T DC 2GP1采用的就是延迟线插入法技术. 利用T DC 2GP1芯片,设计和开发了一套基于PC I 总线的时间间隔测量模块.实验结果证明,该模块具有测量范围大、线性好、测量精度高的优点.此模块的开发和利用将有利于提高脉冲激光测距的测量精度. 1　脉冲激光测距系统结构图1为脉冲激光测距系统的方框图.其工作过程是:首先,使整机复原,准备进行测量;同时触发脉冲激光发生器,产生激光脉冲.该激光脉冲有一小部分能量透过分束片,直接送到接收系统,作为计时的

高精度时间间隔测量方法综述_孙杰

综述与评论计算机测量与控制.2007.15(2)　 Com puter Measurement &C ontrol 145 中华测控网chinamca.co m 收稿日期:2006-03-06;　修回日期:2006-05-09。作者简介:孙　杰(1975-),男,安徽合肥人,讲师,主要从事测控技术方向的研究。文章编号:1671-4598(2007)02-0141-04 中图分类号:O63;TP273.5 文献标识码:A 高精度时间间隔测量方法综述孙　杰,潘继飞 (解放军电子工程学院,安徽合肥　230037) 摘要:时间间隔测量技术在众多领域已经获得了应用,如何提高其测量精度是一个迫切需要解决的问题,在分析电子计数法测量原理与误差的基础上,重点介绍了国内外高精度时间间隔测量方法,这些方法都是对电子计数法的原理误差进行测量,并且取得了非常好的效果;最后给出了高精度时间间隔测量方法的发展方向及应用前景。关键词:时间间隔;原理误差;内插;时间数字转换;时间幅度转换 Methods of High Precision Time -Interval Measurement Sun Jie ,Pan Jifei (Electr onic Eng inee ring Institute o f PL A ,H efei 230037,China ) Abstract :Technology of time -interval m easu rement has been app lied in many field s.H ow to improve its precision is an em ergent ques -tion.On the basis of an alyzing electronic counter 's principle and error ,this paper puts emphasis upon introducing high precision time -in ter -val measu rements all over the w orld.All these methods aim at electronic counter 's principle error ,and ob tain special https://www.360docs.net/doc/1710955254.html,s tly ,the pro -gress direction and ap plication foreg rou nd of high precision tim e -interval measurem ent meth od s are predicted. Key words :time in terval ;prin ciple error ;interpolating ;tim e -to -digital conversion ;time -to -amplitude con version 0　引言时间有两种含义,一种是指时间坐标系中的某一刻;另一种是指时间间隔,即在时间坐标系中两个时刻之间的持续时间,因此,时间间隔测量属于时间测量的范畴。时间间隔测量技术在通信、雷达、卫星及导航定位等领域都有着非常重要的作用,因此,如何高精度测量出时间间隔是测量领域一直关注的问题。本文详细分析了目前国内外所采用的高精度时间间隔测量方法,指出其发展趋势,为研究新的测量方法指明了方向。 1　电子计数法 1.1　测量原理与误差分析在测量精度要求不高的前提下,电子计数法是一种非常好的时间间隔测量方法,已经在许多领域获得了实际应用,其测量原理如图1所示。图1　电子计数法测量时间间隔基本原理量化时钟频率为f 0,对应的周期T 0=1/f 0,在待测脉冲上升沿计数器输出计数脉冲个数M ,N ,T 1, T 2为待测脉冲上升沿与下一个量化时钟脉冲上升沿之间的时间间隔,则待测脉冲时间间隔T x 为: T x =(N -M ) T 0+T 1-T 2 (1) 然而,电子计数法得到的是计数脉冲个数M ,N ,因此其测量的脉冲时间间隔为: T ′x =(N -M ) T 0(2) 比较表达式(1)、(2)可得电子计数法的测量误差为Δ=T 1-T 2,其最大值为一个量化时钟周期T 0,产生的原因是待测脉冲上升沿与量化时钟上升沿的不一致,该误差称为电子计数法的原理误差。除了原理误差之外,电子计数法还存在时标误差,分析表达式(2)得到: ΔT ′x =Δ (N -M ) T 0+(N -M ) ΔT 0(3) 比较表达式(3)、(2): ΔT ′x T ′x =Δ(N -M )(N -M )+ΔT 0T 0(4) 根据电子计数法原理,Δ(N -M )=±1,N -M =T ′x /T 0,因此: ΔT ′x =±T 0+T ′x ΔT 0/T 0 (5)T ′x ΔT 0/T 0即为时标误差,其产生的原因是量化时钟的稳定度ΔT 0/T 0,可以看出待测脉冲间隔T x 越大,量化时钟的稳定度导致的时标误差越大。根据以上分析得出电子计数法具有以下特点: (1)测量范围广,容易实现,且能够作到实时处理。(2)存在时标误差与原理误差,限制了其测量精度。电子计数法是一种成熟的时间间隔测量方法,参考文献[1-3]都有一定的说明,有兴趣的读者可以参阅。 1.2　误差克服途径时标误差可以采用高稳定度的时钟来克服,比如铷原子频率标准;量化误差的克服有许多方法,也是国内外研究的热点,可以将其分为以下三类。第一类:提高量化时钟的频率,这带来的问题是时钟频率 DOI 牶牨牥牣牨牰牭牪牰牤j 牣cn ki 牣牨牨牠牬牱牰牪牤tp 牣牪牥牥牱牣牥牪牣牥牥牪

线路工程测量方案技术设计书

线路工程测量方案技术设计书项目负责人：报告编写人：参与编写人：审核人： 2011年9月16日

目录一、前言 (2) 1、工程概况： (2) 2、线路测量目的： (2) 二、技术依据 (2) 三、线路观测的总任务及内容 (3) （1）线路工程的勘测阶段 (3) （2）线路工程的施工放样阶段 (4) （3）工程竣工运营阶段的监测 (4) 四、线路观测的具体任务及内容 (4) 1、准备工作 (4) 2、导线测量 (4) 3、中线测量 (4) 4、纵断面测量 (5) （1）基平测量 (5) （2）中平测量 (6) 5、纵断面图的绘制 (6) 6、横断面的测量 (6) 7、横断面图的绘制 (7) 8、土（石）方量的计算 (7) 9、参照以下要求设计道路的路面和竖向 (7) 五、人员设备配置 (8) 1 、仪器设备如下表 (8) 2 、人员组织 (9) 六、点位的埋设和施测要点 (9) 七、测量成果报告 (9)

线路工程测量方案技术设计书一、前言 1、工程概况： XX位于桂林市雁山镇西南，距离市中心54公平公里，桂南公里西侧约500米，学校目前占地面积3005亩，现雁山校区第二期工程1040亩已获政府批复，其中XX占800亩，本工程属于桂林理工大学雁山校区二期工程。该路线位于XX食堂附近，是通向XX后门的主要通道。该路段长达1.5公里左右，目前是路面是黄土碎石路，其路基所在地区多为荒地，地表比较平坦，无明显起伏，地面自然坡度在三度以内。路线中心一侧有学生宿舍楼和食堂，是同学们活动比较繁华的场所；另一侧则是荒地农田。现由XX测绘工程专业第七组实习小组负责该路段线路工程测量与方案设计。 2、线路测量目的：线路测量之目的和意义在于确定线路的空间位置，在勘测设计阶段主要是为工程设计、施工、运营管理提供必要的基础资料；在施工阶段主要是将线路中线（包括直线和曲线）按设计的位置进行实地测设。各种线形工程的测量工作大体相似，根据此次实习的具体要求其主要目的如下：（1）掌握进行四等和普通水准测量的观测、记录、计算方法；（2）掌握在选定设计方案的路线上进行中线测量、纵断面和横断面测量的作业方法和过程；（3）掌握纵横断面图的绘制方法和工程土（石）方量的计算方法，并熟悉进行路线坡度设计的依据和方法。二、技术依据 1、《工程测量实习工作安排表》 3、《工程测量规范》（GB50026-2007），2008年修订版 4、《公路工程技术标准JT001-97》1997版 5、《公路路线设计规范》（JTG/D20-2006） 6、《城市道路设计规范》（CJJ 37-90） 7、《公路勘测规范》（JTG/C10-2007） 8、《城市道路交通规划设计规范》（GB/50220-95）

时间间隔测量技术综述

高精度时间间隔测量方法综述孙杰潘继飞（解放军电子工程学院，安徽合肥，230037）摘要：时间间隔测量技术在众多领域已经获得了应用，如何提高其测量精度是一个迫切需要解决的问题。在分析电子计数法测量原理与误差的基础上，重点介绍了国内外高精度时间间隔测量方法，这些方法都是对电子计数法的原理误差进行测量，并且取得了非常好的效果。文章的最后给出了高精度时间间隔测量方法的发展方向及应用前景。关键词：时间间隔；原理误差；内插；时间数字转换；时间幅度转换 Methods of High Precision Time-Interval Measurement SUN Jie , PAN Ji-fei （Electronic Engineering Institute of PLA, HeFei 230037, China ） Abstract: Technology of time-interval measurement has been applied in many fields. How to improve its precision is an emergent question. On the bases of analyzing electronic counter ’s principle and error, this paper puts emphasis upon introducing high precision time-interval measurements all over the world. All these methods aim at electronic counter ’s principle error, and obtain special effect. Lastly, the progress direction and application foreground of high precision time-interval measurement methods are predicted. Key Words: time interval; principle error; interpolating; time-to-digital conversion; time-to-amplitude conversion 0引言时间有两种含义，一种是指时间坐标系中的某一刻；另一种是指时间间隔，即在时间坐标系中两个时刻之间的持续时间，因此，时间间隔测量属于时间测量的范畴。时间间隔测量技术在通信、雷达、卫星及导航定位等领域都有着非常重要的作用，因此，如何高精度测量出时间间隔是测量领域一直关注的问题。本文详细分析了目前国内外所采用的高精度时间间隔测量方法，指出其发展趋势，为研究新的测量方法指明了方向。 1 电子计数法 1.1 测量原理与误差分析在测量精度要求不高的前提下，电子计数法是一种非常好的时间间隔测量方法，已经在许多领域获得了实际应用，其测量原理如图1 量化时钟频率为 0f ，对应的周期001f T =，在待测脉冲上升沿计数器输出计数脉冲个数N M ,，1T ，2T 为待测脉冲上升沿与下一个量化时钟脉冲上升沿之间的时间间隔，则待测脉冲时间间隔x T 为： ()210T T T M N T x -+?-= （1）然而，电子计数法得到的是计数脉冲个数N M ,，因此其测量的脉冲时间间隔为： ()0' T M N T x ?-= （2）比较表达式（1）（2）可得电子计数法的测量误差为21T T -=?，其最大值为一个量化时钟周期0T ，产生的原因是待测脉冲上升沿与量化时钟上升沿的不一致，该误差称为电子计数法的原理误差。除了原理误差之外，电子计数法还存在时标误差，分析表达式（2）得到： ()()00'..T M N T M N T x ?-+-?=? （3）比较表达式（3）（2）： ()()00 ''T T M N M N T T x x ?+--?=? （4）根据电子计数法原理，()1±=-? M N ，0'T T M N x =-，因此： 00'0'T T T T T x x ??+±=? （5） 00'T T T x ??即为时标误差，其产生的原因是量化时钟的稳定度00T T ?，可以看出待测脉冲间隔x T 越大，量化时钟的稳定度导致的时标误差越大。作者简介：孙杰：（1975—），男（汉族），安徽合肥人，解放军电子工程学院讲师潘继飞：（1978—），男（汉族），安徽凤阳人，解放军电子工程学院信号与信息处理专业博士生

时差频标测试知识

多通道双混频时差频标测试系统、概述（一）用途多通道双混频时差频标测试系统是高精度时域参数测量仪器，主要用于测量、比对多个相同频率的阿伦标准偏差、频率偏差、相位差以及频率值，广泛应用于时间频率实验室原子频标的守时，各级计量部门的频标计量，还可以应用于无线电导航、航空、通信、天文、物理研究、计测等领域。（二）特点高稳定频率标准度时域频率稳定的测量方法一般有频差倍增测频法、频差倍增测周法、差拍法、双混频时差法和比相法、比时法等。 ?频差倍增测频法测量误差较大，适用于短期稳定度测量，参考频率标准不需要调偏。 ?频差倍增测周法测量误差较小，适用于短期稳定度测量，参考频率标准需要调偏。 ?差拍法测量误差小，适用于短期稳定度测量，参考频率标准需要调偏。 ?比相法、比时法测量误差小，适用于长期稳定度测量，参考频率标准不需要调偏。 ?双混频时差法测量误差小，适用于短期和长期稳定度测量，参考频率标准不需要调偏。很容易实现阿伦方差测量所需无间隙连续采样的频率稳定度测量，而且对时间间隔的测量不需要很高的精度。（三）产品国内外现状国内对商品型DMTD W量系统的研制只有石家庄数英仪器一家单位。国际上生产商品型双混频时差（DMTD测试设备的典型代表是美国Symmetricom和德国的Time Tech。Time Tech公司的8通道相位比较仪10037 （包含4个标准插件和4个高精度插件）。大部分产品主要依赖进口，其中多家单位使用的是Symmetricom和Time Tech的多通道测量系统。（四）技术发展趋势测量本底噪声小，频点宽成为双混频时差法追求的目标；参考和被测频率标准可以进行任意频点测量比对；软件无线电技术为双混频时差测量提供了新的发展平台；双混频时差测量技术将会得到推广应用。二、基本工作原理双混频时差法内设一个媒介振荡器，分别和两比对频标的频率进行混频，产生两个低频信号，低频信号的标称频率一般取1Hz、10Hz、100Hz或1kHz,由被测的频率稳定度最小取样时间决定。最后测量两个低频信号的相位差（时差），通过相位差的变化量求出两频标的相对平均频率偏差，并利用软件计算多种取样时间的频率稳定度。双混频时差测量系统的原理框图如下图：

利用相位估计算法实现ps量级的高精度时间间隔测量

万方数据

２６３０仪器仪表学报第２９卷图５高精度时ＩｂＪ删隔测赶系统样机实物ｎｇ５ＴｈｅｐｈｏｆｏｏｆｔｈｅｌｉｍｅｉｎｌｅｒｖａＩｍｅａｓｕｒｅｍｅｎＩｐｍｍｆｙｐｅ４．２测试结果网６给ｆＩ｛了采样率为ｌ【）ｏＭｓ／ｓ，量化位数为１４比特时，通道ｌ（ＣＨｌ）干¨通道２（ｃＨ２）进行的１００次测量结果。此外，表２给出厂上文提到的３种情况下的各通道的槲位（时延）估计精度和时间Ｊ’日Ｊ隔测量精度。由表中的数据，可以得出如Ｆ结论：１）单通道相位（时间）测量精度和双通道时间间隔测莆精度均在ｌＯｐｓ左右，三种情况的差异不太明显。相对来说，时间间隔测量精度在１００Ｍｓ／ｓ采样率、１４比特量化的最高，优于ｌＯｐｓ；在１００Ｍｓ／ｓ采样率、１０比特量化时最低，略微超过１０ｐｓ。２）实验结果基本上体现不出３种情况下的精度差异，均低于表ｌ的理论精度。这是冈为单通道相位（时间）的估计结果受触发误差和被测频标信号抖动的影响。这两个误差约为１０ｐｓ，远大于相位（时间）估计误差。３）作为双通道差的时间间隔测量结果中消除了被测频标信号抖动的影响，应该精度高于单通道测量结果。但是｝｝１于实验系统巾两块采集卡之问时钟同步存在一定抖动，降低了测量结果的精度，凶而时间问隔的测量精度约为ｌＯｐｓ左右。图６测量结果曲线（１００ＭＳ／８采样率、１４比特最化）¨ｇ．６Ｐｈａｓｅａｎｄ“ｍｅｊｎｌｅⅣａｌｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔｒｅｓｕｌｔｓ（ｓａｍＩ＇ｌｉｎｇｒａｔｅ１００ＭＳ／ｓ，】４ｂ）表２三种采样率下样机精度对比（厶ｒ－１０ＭＨｚ，Ⅳ＝ｌ０“）Ｔａｂｌｅ２Ａｃｃｕｒａｃｙｃｏｍｐａｒ勘ｎｕｎｄｅｒｔｈｒ托ｃ衄ｄｉ６０陋（矗ｆ－１０ＭＨｚ．～＝ｌ０２４）５结论从实验数据与理论结果对比，可以发现由于实验系统各环节引入的噪声，使得测试结果难以反映３种测试情况的差异。综合来看，实验系统达到了ｌＯｐｓ的测肇精度。由于采用两块数据采集卡进行实验，两块卡之间的采样时钟抖动抬高了测量系统的本底噪声。下一步实验中将研制专用的数据采集和处理系统，在一块ＰＣＢ上完成时钟的分配，数据的采集和相位的实时解算，以达到小型化、实时性和更高的精度；同时降低系统造价。如果对触发抖动和采样时钟的抖动处理得比较好，有望达到１ｐｓ精度。此外，还需要进一步将相位（时延）估计算法移植到ＦＰＧＡ上实现，做到实时处理采集数据。这样一来系统的测量速率主要由数据采集决定，对于１０２４点Ｆ盯，２５Ｍｓ／ｓ时数据采集时间为４．０９６×１０～ｓ，则最高测黾速牢可以做到２，４４１４×１０４Ｈｚ。进一步提高采样率或者降低Ｆ丌点数，还可以提高测量速率。如果从实际需求出发．还可以降低ＦｆＴｒ的点数，比如将Ⅳ降为６４，采样率ｆ为２５Ｍｓ／ｓ．比特位数１４ｂ，可以得到的理论测量精度仍然优于０．２ｐｓ。万方数据

线路测量

线路测量。线路工程建设过程中需要进行的测量工作，称为线路工程测量，简称线路测量。二、线路测量的任务和内容线路测量是为各等级的公路和各种管道设计及施工服务的。它的任务有两方面：一是为线路工程的设计提供地形图和断面图，主要是勘测设计阶段的测量工作；二是按设计位置要求将线路敷设于实地，其主要是施工放样的测量工作。整个线路测量工作包括下列内容： 1．收集规划设计区域内各种比例尺地形图、平面图和断面图资料，收集沿线水文、地质以及控制点等有关资料。 2．根据工程要求，利用已有地形图，结合现场勘察，在中小比例尺图上确定规划路线走向，编制比较方案等初步设计。 3．根据设计方案在实地标出线路的基本走向，沿着基本走向进行控制测量，包括平面控制测量和高程控制测量。 4．结合线路工程的需要，沿着基本走向测绘带状地形图或平面图，在指定地点测绘工地地形图（例如桥位平面图）。测图比例尺根据不同工程的实际要求参考相应的设计及施工规范选定。 5．根据设计图纸把线路中心线上的各类点位测设到地面上，称为中线测量。中线测量包括线路起止点、转折点、曲线主点和线路中心里程桩、加桩等。 6．根据工程需要测绘线路纵断面图和横断面图。比例尺则依据不同工程的实际要求选定。 7．根据线路工程的详细设计进行施工测量。 8．工程竣工后，按照工程实际现状测绘竣工平面图和断面图。三、线路测量的基本特点 1．全线性

测量工作贯穿于整个线路工程建设的各个阶段。以公路工程为例，测量工作开始于工程之初，深入于施工的各个点位，公路工程建设过程中时时处处离不开测量技术工作，当工程结束后，还要进行工程的竣工测量及运营阶段的稳定监测。 2．阶段性这种阶段性既是测量技术本身的特点，也是线路设计过程的需要。体现了线路设计和测量之间的阶段性关系。反映了实地勘察、平面设计、竖向设计与初测、定测、放样各阶段的对应关系。阶段性有测量工作反复进行的含义。 3．渐近性线路工程从规划设计到施工、竣工经历了一个从粗到细的过程，线路工程的完美设计是逐步实现的。完美设计需要勘测与设计的完美结合，设计技术人员懂测量，测量技术人员懂设计，完美结合在线路工程建设的过程中实现。四、线路测量的基本过程 1．规划选线阶段规划选线阶段是线路工程的开始阶段，一般内容包括图上选线、实地勘察和方案论证。（1）图上选线根据建设单位提出的工程建设基本思路，选用合适比例尺的地形图（1：5000～1：50000），在图上比较、选取线路方案。现实性好的地形图是规划选线的重要图件，为线路工程初步设计提供地形信息，可以依此测算线路长度、桥梁和涵洞数量、隧道长度等项目，估算选线方案的建设投资费用等。（2）实地勘察根据图上选线的多种方案，进行野外实地视察、踏勘、调查，进一步掌握线路沿途的实际情况，收集沿线的实际资料。特别注意以下信息：有关的控制点；沿途的工程地质情况；规划线路所经过的新建筑物及交叉位置；有关土、石建筑材料的来源。地形图的现势性往往跟不上经济建设的速度，地形图与实际地形可能存在差异。因此，实地勘察获得的实际资料是图上选线的重要补充资料。（3）方案论证根据图上选线和实地勘察的全部资料，结合建设单位的意见进行方案论证，经比较后确定规划线路方案。 2．线路工程的勘测阶段：线路工程的勘测阶段通常分为初测和定测阶段。

时间间隔测量技术

时间间隔测量技术一直接计数法测量原理与直接计数法测量频率基本相同，区别在于测量时间间隔时，控制电子门的闸门时间等于所测的时间间隔。内部晶振振通过倍频或分频产生时基。在电子门打开期间，时基脉冲进入计数条进行计数。设所计的数值为N ，所选的时期为τ0，则所测时间间隔为 ττN =（5-1）时间间隔测量的不确定度通常用绝对误差表示。对上式进行微分得 dN Nd d 00τττ+=第一项是晶振频率不准造成的，第二项与测频时一样，仍然是dN =±1。第一项如用频率准确度表示，则有 00 0τττττ±? ?=d N d 00 ττττ±? =d （5-2）其中：τ—所测时间间隔 ττd —晶振周期或晶振频率准确度图5-1时间间隔测量的直接计数法

由±1计数引入的测量不确定度称为测量分辨力。它等于测量仪所能选用的最小时基τ0。一般最小的时基为10ns ，最好的也只到5ns 。小于10ns 的间隔用其他方法测量，目前有三种游标法、内插法和A/D 变换法。二游标法利用长度测量中游标卡尺的原理。在图5-1中，Δτ1和Δτ2均小于时基τ0，故测不出，此时Δτ1和Δτ2可用游标法测量。现以Δτ1的测量为例，如图5-2所示。图5-2游标法（1）原来的时基τ0称为主时基，需要产生一个副时基τ1，用τ1＞τ0，但两者之差很小，即τ1-τ0≤τ0 当时间间隔起始脉冲A 到达时，触发副时基发生器，副时基信号与信号A 同步，副时基起始脉冲与随后到来的主时基脉冲间隔即为Δτ1。随后两个时基同时运行，由τ1＞τ0，相当于副时基追赶主时基，每追过一个脉冲，两者的间隔就缩短τ1-τ0，当两者间隔为零时，一共追过了N 个脉冲，则Δτ1=N 1（τ1-τ0）。此式可从图5-2中准确得出。由图中可得 11101τττN N =?+) (0111τττ?=?N （5-3） Δτ2的测量略有些差异，如图5-3所示

【CN209783529U】一种高精度激光测量系统【专利】

(19)中华人民共和国国家知识产权局 (12)实用新型专利 (10)授权公告号 (45)授权公告日 (21)申请号 201920523390.9 (22)申请日 2019.04.17 (73)专利权人西安航天计量测试研究所地址 710100 陕西省西安市15号信箱7分箱 (72)发明人马车　常莹　赵米峰　张永攀　杨建　 (74)专利代理机构西安智邦专利商标代理有限公司 61211 代理人汪海艳 (51)Int.Cl. G01B 11/06(2006.01) (ESM)同样的发明创造已同日申请发明专利 (54)实用新型名称一种高精度激光测量系统 (57)摘要本实用新型属于精密测量技术领域，公开了一种高精度激光测量系统，可应用于包括液体火箭发动机微小零部件在内的其他工件的厚度测量。包括底座、紧固螺钉、下限位板、Z向滑块、立柱、上限位盖、承重块、平移台、定位块、吸附平台以及激光位移传感器。底座上安装有立柱和承重块；立柱上分别是上限位盖、下限位板和Z向滑块；Z向滑块和下限位板分别通过紧固螺钉进行夹紧固定，而上限位盖通过自身的螺纹与立柱旋紧；激光位移传感器通过Z向滑块支撑；平移台、吸附平台和定位块通过螺钉与承重块相连接。本专利装置具备高精度(测量不确定度U≤5μm)测量工件厚度的能力。权利要求书1页说明书4页附图3页CN 209783529 U 2019.12.13 C N 209783529 U

权　利　要　求　书1/1页CN 209783529 U 1.一种高精度激光测量系统，其特征在于：包括激光位移传感器(1)和定位台(2)；所述定位台(2)包括平移台(21)及固定在平移台(21)上表面的吸附平台(22)；所述平移台(21)能够沿X、Y向平移及在XY平面内旋转；所述吸附平台(22)为中空腔体，腔体上开有进气口(221)及抽气口(222)，所述进气口(221)位于吸附平台(22)上表面的中间部位；所述吸附平台(22)的上表面用于放置待测工件；所述激光位移传感器(1)用于测量待测工件上表面及吸附平台(22)上表面距激光位移传感器(1)的距离。 2.根据权利要求1所述的高精度激光测量系统，其特征在于：所述定位台(2)还包括用于限制吸附平台(22)位移的定位块(23)，所述定位块(23)上设有固定待测工件的通孔。 3.根据权利要求2所述的高精度激光测量系统，其特征在于：所述定位块(23)与平移台(21)可拆卸连接，定位块(23)底部开有与吸附平台(22)匹配的凹槽，吸附平台(22)位于所述凹槽内，定位块(23)侧壁开有与吸附平台(22)抽气口相通的开孔(231)。 4.根据权利要求2所述的高精度激光测量系统，其特征在于：所述定位台(2)还包括位于平移台(21)底部的承重块(24)。 5.根据权利要求4所述的高精度激光测量系统，其特征在于：还包括底座(4)及立柱(3)，所述立柱(3)与承重块(24)固定在底座(4)上；所述立柱(3)上安装有Z向滑块(25)，所述Z向滑块(25)用于固定激光位移传感器(1)。 6.根据权利要求5所述的高精度激光测量系统，其特征在于：所述立柱(3)上还安装有下限位板(26)与上限位盖(27)；所述下限位板(26)位于Z向滑块(25)的下方，通过紧固螺钉(10)固定在立柱(3)上；所述上限位盖(27)位于立柱(3)的顶端。 7.根据权利要求5所述的高精度激光测量系统，其特征在于：还包括隔震平台，底座(4)设置在隔震平台上。 8.根据权利要求1所述的高精度激光测量系统，其特征在于：所述平移台(21)包括底板(211)、X向平移板(212)、Y向平移板(213)及旋转台(214)；所述底板(211)上设有X向凹槽，所述X向平移板(212)底部设有凸起，所述凸起能够在X 向凹槽内滑动；所述X向平移板(212)上表面设有Y向凹槽，所述Y向平移板(213)底部设有凸起，所述凸起能够在Y向凹槽内滑动；所述旋转台(214)包括伺服电机(215)、小齿轮及大齿轮，伺服电机(215)的输出轴与小齿轮连接，所述小齿轮与大齿轮啮合；所述吸附平台(22)固定在大齿轮的上表面。 2

高精度时间间隔测量方法

施工控制测量方案

目录 1．工程概况 (1) 1.1工程概况 (1) 1.2主要工程数量 (1) 2.编制依据 (2) 3.适用范围 (2) 4. 测量人员的组成及仪器设备 (2) 5.平面控制测量 (3) 5.1洞外平面控制测量 (3) 5.2隧道平面控制测量 (5) 6.高程控制测量 (6) 6.1.技术设计 (6) 6.2.高程控制网的建立及水准点的埋设 (6) 6.3.水准仪和水准尺检校 (6) 6.4.普通水准测量实施 (7) 6.5.精密水准测量实施 (7) 7.测量资料管理及上报 (8) 8.质量保证措施 (9) 1、全站仪、水准仪应按《高速铁路工程测量规范》等有关规定进行周期检定，在测量作业前也应按《测规》要求进行必要的检验和校正，以确保测量数据的准确性。 (9) 2、作业条件和操作程序必须严格按照《高速铁路工程测量规范》、《全球定位系统GPS铁路测量规程》标准执行。 (9) 3、对外业实测成果，内业计算资料、现场放样资料必须进行复核，经复核无误的成果才能采用，确保资料的准确性。 (9) 4、由于诸多施工因素影响，在利用已测GPS点、水准点测量前，已先检测、判明已知点是否位移、沉降，以确保起算数据的准确。一旦发现控制点的稳定性有问题时，立即对原控制网进行复测。 (9) 5、导线测量中，坚持换手复测制度，减少人为误差(看错、读错、记错)的出现。 (9) 6、各种桩位、基点的埋设应严格按要求进行，并加强桩点的保护工作，避免破坏现象。 (9) 9.总结 (10) 本隧道施工平面控制网和高程控制网，通过平差计算，精度指标各项指标均符合《高速铁路工程测量规范》（TB10601-2009）中有关要求，洞内平面坐标成果和高程成果满足施工测量要求，可以采用。 (10)