星载激光测距仪的高精度时间间隔测量单元_图文(精)
脉冲激光测距中高精度时间间隔的测量
脉冲激光测距中高精度时间间隔的测量宋建辉;袁峰;丁振良【期刊名称】《光学精密工程》【年(卷),期】2009(017)005【摘要】考虑时间间隔测量对脉冲激光测距系统的意义,提出了一种新的高精度时间间隔测量方法.该方法在现场可编程门阵列(FPGA)中实现了脉冲计数法、多相采样法和延迟链法的结合.采用脉冲计数法对被测时间间隔进行"粗值"测量,保证大的动态测量范围.利用FPGA内部锁相环产生N路同频率,相位均匀分布的时钟信号作为计数时钟,基于等精度测频原理,将被测时间间隔的测时分辨率提高到Tclk/N.利用FlipFlop锁存器形成延时链,对被测信号与相邻计数时钟的时间间隔进一步量化.该方法解决了传统多相采样技术中由于倍频次数高导致相移分辨率降低的问题,在不增加计数时钟和有限延迟链数量的前提下,得到较高测时分辨率.测试结果表明,该时间间隔测量模块的动态测量范围为163.8 μs,测时过程相对较短,当进行多次重复测量时,测量的标准误差在71 ps以内,基本满足实际应用的精度要求.【总页数】5页(P1046-1050)【作者】宋建辉;袁峰;丁振良【作者单位】哈尔滨工业大学,自动化测试与控制系,黑龙江,哈尔滨,150001;哈尔滨工业大学,自动化测试与控制系,黑龙江,哈尔滨,150001;哈尔滨工业大学,自动化测试与控制系,黑龙江,哈尔滨,150001【正文语种】中文【中图分类】TN247【相关文献】1.脉冲激光测距系统中高精度时间间隔测量模块的研究 [J], 吴刚;李春来;刘银年;戴宁;王建宇2.脉冲激光测距时间间隔测量技术 [J], 王洪喆;辛德胜;张剑家;张宏臣;裴雷3.脉冲激光测距中高精度时间间隔系统设计 [J], 田海军;杨婷;赵杨辉4.基于FPGA脉冲激光测距高精度时间间隔的测量 [J], 蔡红霞;刘继勇5.脉冲激光测距中高速精密时间间隔测量研究 [J], 岱钦;毛有明;吴凯旋;吴杰;李业秋因版权原因，仅展示原文概要，查看原文内容请购买。
星载激光测距仪全波形测距技术
星载激光测距仪全波形测距技术论文：星载激光测距仪全波形测距技术概述：随着航空航天领域的不断发展，高精度测距技术在导航、通信、遥感等领域中得到了广泛应用。
其中，激光测距技术因其高精度、高速度、无干扰等优点被广泛关注。
本文重点介绍了星载激光测距仪的全波形测距技术，分析了其原理及优势，并对其在实际应用中的一些问题进行了探讨。
一、星载激光测距仪全波形测距技术原理星载激光测距仪以卫星为平台，利用高功率的激光器发射穿透大气层的激光束，然后接收回传的时间差信号，通过计算出时间差来得出待测物体的距离。
所谓全波形测距技术，是相对于传统的单次测距而言的。
传统的激光测距仪仅仅是记录第一个反射点的时间差，而全波形测距则是对整个激光脉冲进行记录和分析，包括直接反射、多次反射以及散射等信息。
因此，全波形测距技术能够提供更多的信息，从而能够获得更精确的距离数据。
二、星载激光测距仪全波形测距技术的优势1. 高精度：全波形测距技术能够记录从激光器发射到回传及经过多次反射等回传过程中的所有时间信息，能够提供更精确的距离数据；2. 无干扰：由于激光测距技术是通过光学方式进行测量的，因此不会受到电磁干扰等因素的影响，从而保证了高度的测量精度；3. 高速度：激光传播速度非常快，因此响应速度很快，能够更快地进行数据采集；4. 多元信息：全波形测距技术能够提供多种信息，除了距离测量外还能够获得散射率、透过率等信息，能够提供更大的数据量，为后续数据处理带来更多可能。
三、星载激光测距仪全波形测距技术的应用星载激光测距仪全波形测距技术在导航、地图、地形建模、森林管理、海洋观测等领域得到了广泛的应用。
例如，在森林管理中，全波形测距技术能够提供更为精确的树高、枝干密度等数据，从而帮助森林管理者更好地进行森林资源的管理。
在海洋观测领域，全波形测距技术能够提供更为准确的水深、水底地形等信息。
四、星载激光测距仪全波形测距技术存在的问题1. 复杂度：全波形测距技术需要对整个激光脉冲进行记录和分析，因此其数据处理复杂度较高，需要大量的计算资源和时间；2. 气象因素：由于星载激光测距仪的工作环境复杂，受到气象因素等因素的干扰较大，因此需要对环境因素进行处理和校正；3. 成本问题：全波形测距技术相比于传统的单次测距技术较为复杂，因此其成本较高，需要在技术和经济上进行评估。
激光测距非常详细ppt课件
8.2 脉冲激光测距
激光测距的基本公式为：
d 1 ct 2
c——大气中的光速
t——为光波往返所需时间
由于光速极快，对于一个不太大的D来说，t是一个很小的量，
例：设D=15km，c=3×105km/sec
则t=5×10-5sec
由测距公式可知，如何精确测量出时间t的值是测距的关键。由 于测量时间t的方法不同，产生了两种测距方法：
卫星激光测距－激光器 ：
总的来讲在其它条件相同时，发射激光的脉冲能量 越高，脉宽越窄，重复率越高，峰值功率越大，则 系统的测距能力越高。
千赫兹皮秒激光器为第四代卫星激光测距之激光器。 下一代卫星测距用激光器为双波长激光器。
测距误差分析
（1） 测距系统仪器误差 – 激光脉冲宽度误差 – 时间间隔测量误差 – 主波计时探测误差 – 回波计时探测误差 – 时钟同步误差 – 时钟频率标准误差
卫星激光测距技术集光机电于一身,涉及计算机软、硬件技术, 光学、激光学、大地测量学、机械学、电子学、天文学、自动控制 学、电子通讯等多种学科。因此SLR测距仪系统十分复杂,消耗较大, 故障率较高,同时受天气因素制约,维护起来也比较困难,需要花费 较大的人力物力,但它又是目前精度最高的绝对观测技术手段。
即Ii=IN·Cosi 则该漫反射体称作“余弦幅射体”或“郎伯幅射体”。 设激光发射光轴与目标漫反射面法线重合，且主要反射 能量集中在1rad以内（约57°） 则Ω=πu2=π
则Pe Pt T / Pt T 1 2
式中：ρ——目标漫反射系数 Tα——大气单程透过率
3、测距仪光接受系统能接受到的激光功率Pr
SPAD
接收望远镜
转台
测距精度与激光脉宽
测距精度是由于激光脉冲前后沿时间差造成的；
高分十四号激光测量系统在轨几何定标与初步精度验证
第 31 卷第 11 期2023 年 6 月Vol.31 No.11Jun. 2023光学精密工程Optics and Precision Engineering高分十四号激光测量系统在轨几何定标与初步精度验证曹彬才1，2*，王建荣1，2，胡燕1，2，吕源1，2，杨秀策1，2，卢学良1，2（1.地理信息工程国家重点实验室，陕西西安 710054；2.西安测绘研究所，陕西西安 710054）摘要：高分十四号卫星搭载了一台三波束激光测距系统，用于辅助双线阵光学相机开展全球1∶10 000无地面控制点立体测图。
由于振动及环境等因素变化，激光测高仪的几何参数相比实验室测量参数会发生改变，必须开展高精度在轨几何定标。
针对高分十四号激光载荷的特点，构建了激光测高严格几何模型，在大气改正、潮汐改正的基础上，利用地面探测器阵列捕获的激光光斑开展激光器在轨几何定标与精度验证。
实验结果表明：高分十四号激光测量系统标定后3个波束的高程精度（1σ）分别优于0.190，0.256和0.220 m，达到设计指标，可作为高程控制点开展业务化生产。
关键词：高分十四号卫星；激光测高仪；在轨几何定标；精度验证；高程控制点中图分类号：P237 文献标识码：A doi：10.37188/OPE.20233111.1631On-orbit geometric calibration and preliminary accuracy verification of GaoFen-14 （GF-14） laser altimetry system CAO Bincai1，2*，WANG Jianrong1，2，HU Yan1，2，LÜ Yuan1，2，YANG Xiuce1，2，LU Xueliang1，2（1.State Key Laboratory of Geo-information Engineering， Xi'an 710054， China；2.Xi’an Research Institute of Surveying and Mapping， Xi'an 710054， China）* Corresponding author， E-mail： cbconthe-way@Abstract： The Gaofen-14 （GF-14） satellite is equipped with a three-beam laser altimeter system aimed at assisting the two linear-array optical camera to perform global 1∶10 000 mapping without ground control points. Owing to mechanical vibration and environmental changes， the geometric parameters of the laser altimeter would deviate from those measured in the laboratory； thus， it is necessary to perform high-preci⁃sion on-orbit geometric calibration. In this study， a strict geometric model of the laser footprint was con⁃structed according to the characteristics of the GF-14 laser load. Through atmospheric correction and tidal correction， the laser spot captured by the ground detector array was used to perform on-orbit geometric cal⁃ibration and accuracy verification. The test results indicate that the elevation accuracies of the GF-14 three-beam laser altimeter are 0.190， 0.256， and 0.220 m， which satisfy the design target and can be used as the elevation control point for operational production.文章编号1004-924X（2023）11-1631-10收稿日期：2022-11-04；修订日期：2022-11-28.基金项目：地理信息工程国家重点实验室自立项目（No.D19901-SKLGIE2022-ZZ-01）；青年自主创新科学基金资助项目（No.2023-01）第 31 卷光学精密工程Key words： GF-14 satellite；laser altimeter；on-orbit geometric calibration；accuracy verification；eleva⁃tion control point1 引言星载对地观测激光雷达通过向地面发射激光脉冲，探测激光器到目标之间的距离，结合卫星姿态、位置及激光指向信息，获得激光足印点精确的三维空间坐标。
激光长度测量ppt课件
Δf2：多普勒频移
f2
2V f2 c
f2dl 输出脉冲数： N
N l 2 2
2
2
l
PM2移动距离
特点： 具有很强的抗干涉性：单频激光干涉仪光强变化50%就不能 作。而对双频激光干涉仪，即使光强损失95%，仪器仍能正常 工作。 测量范围大（>60m）。
衍射测量
细丝的夫琅和费衍射和测径原理
细丝的直径测量
L
X
N sin d
NL XN d
相邻两条纹的间距：
L b d
激光脉冲测距原理
原理:通过发射激光脉冲控制计时器开门，接收返回的激光脉冲 控制计时器关门，测量出激光光束在待测距离上往返传播的时 间完成测距的。其计算公式为：
1 d ct 2
激光脉冲测距仪对光脉冲的要求 光脉冲应具有足够的强度。 光脉冲的方向性要好。 光脉冲的单色性要好。 光脉冲的宽度要窄。 d
解决办法：采用多个调制频率(即 n 个测尺)进行测距。 短测尺(称为精尺)测定精确的小数。 长测尺(称为粗尺)测定距离的大数。 比如： 精测距离 （精尺为10 m，f ＝15MHz)： 6.678 m 1 粗测距离 （粗尺为2000m，f2 ＝75kHz)： 1350 m 仪器显示距离 1356.678 m
O 干板 O’ O’’ 干板
L
L
干涉条纹A
PCB
激光散斑法
角度测量
1. Sagnac效应和角速度测量 环形干涉仪的不动时，顺时 针和反时针传播一周所需时 间相同，即
L t c
当干涉仪转动时，两束光 （顺时针和反时针）传播的时 间之差为：
4 S L tc c
激光长度测量
激光长度测量
激光测距(非常详细).ppt
?
? ? 2? L c
L? c ?? 2nf 2?
?t
短距离、
高精度， 精度可达 毫米级。
三、卫星激光测距
作为激光测距应用的最重要成果之一 ——卫星激光测距 Satellite Laser Ranging ,简称为 SLR）技术起源于二十世纪六 十年代，是目前单次测距精度最高的卫星观测技术，其测距精度已 达到毫米量级，对卫星的测轨精度可达到 1-3 cm。
激光测距是通过测量激光光束在待测距离上往返传播的时间来换算出 距离的，其换算公式为：
d ? ct 2
测距方法分类
脉冲测距法：测距仪发出光脉冲，经被测目标反射后，光 脉冲回到测距仪接收系统，测量其发射和接收光脉冲的时 间间隔，即光脉冲在待测距离上的往返传播时间t。脉冲法 测距精度大多为米的量级； 相位测距法：它是通过测量连续调制的光波在待测距离上 往返传播所发生的相位变化，间接测量时间t。这种方法测 量精度较高，因而在大地和工程测量中得到了广泛的应用。
第九讲 激光测距
电子工程学院光电子技术系
主要内容
8.1 概述 8.2 脉冲激光测距 8.3 多周期脉冲激光测距 8.4 相位激光测距
8.1 概述
激光测距的特点
激光测距仪与其它测距仪(如微波测距仪等)相比， 具备的特点： ? 探测距离远测距精度高 ? 抗干扰性强 ? 保密性好 ? 体积小 ? 重量轻
一、脉冲激光测距
由激光器对被测目标发射一个光脉冲，然后接收系统接收目标 反射回来的光脉冲，通过测量光脉冲往返的时间来算出目标的距离：
d ? ct 2
测程远，精度与激光脉宽有关，普通的纳秒 激光测距精度在米的量级 。
t 的测量：
开
结
始
束Байду номын сангаас
应用于激光雷达的高精度时间间隔测量方法
仪表技术与传感器
Ｉｎｓｔｒｕｍｅｎｔ Ｔｅｃｈｎｉｑｕｅ ａｎｄ Ｓｅｎｓｏｒ
２０１７ Ｎｏ������ １１
应用于激光雷达的高精度时间间隔测量方法
严培辉，陈殿仁，李兴广，陈 磊，王远洋
（ 长春理工大学电子信息工程学院，吉林长春 １３００２２）
摘要：针对当前脉冲激光测距雷达中时间间隔测量精度低的问题，文中提出了一种高精度时间间 隔测量方法。 该方法采用双环形振荡器作为时间内插器，利用其输出的可控频率时钟信号对时间间隔 做内插和逼近，实现时间间隔的粗测量和精测量，然后结合改进的时域互相关算法对测量结果做估计。 实验结果表明，当环形振荡器的时钟为 ５０ ＭＨｚ 时，时间测误差小于 ２０ ｐｓ。 关键词：激光雷达；时间间隔测量；时间内插器；延时锁定环；环形振荡器；时域互相关 中图分类号：ＴＮ８７４ 文献标识码：Ａ 文章编号：１００２－１８４１（２０１７）１１－０１０４－０４
第 １１ 期
严培辉等：应用于激光雷达的高精度时间间隔测量方法
１ ０５
号的采样数据，作时域互相关运算，得到时间间隔的 估计。 再将粗测时间间隔、细测时间间隔和估计值相 加得到最终的时间间隔测量值。
基金项目：国家自然科学基金重点支持项目（ ９１４３８０２４） 收稿日期：２０１６－１２－０３
求极高，因此还处于实验室研究阶段。 本文针对以上 问题，提出了采用双环形振荡器作为时间内插器，将 时间内插法［５－６］ 和逐步逼近法［７－８］ 相结合，再利用时域 互相关算法做估计的高精度时间间隔测量方法。 １ 时间间隔测量的基本原理
Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ａｉｍｉｎｇ ａｔ ｔｈｅ ｐｒｏｂｌｅｍ ｏｆ ｌｏｗ ｐｒｅｃｉｓｉｏｎ ｏｆ ｔｉｍｅ ｉｎｔｅｒｖａｌ ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔ ｉｎ ｐｕｌｓｅ ｌａｓｅｒ ｒａｎｇｉｎｇ ｒａｄａｒ，ａ ｈｉｇｈ ｐｒｅｃｉｓｉｏｎ ｔｉｍｅ ｉｎｔｅｒｖａｌ ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔ ｍｅｔｈｏｄ ｗａｓ ｐｒｏｐｏｓｅｄ ｉｎ ｔｈｉｓ ｐａｐｅｒ． Ｉｎ ｔｈｉｓ ｍｅｔｈｏｄ， ａ ｄｏｕｂｌｅ ｒｉｎｇ ｏｓｃｉｌｌａｔｏｒ ｗａｓ ｕｓｅｄ ａｓ ｔｈｅ ｔｉｍｅ ｉｎｔｅｒ⁃ ｐｏｌａｔｉｏｎ ｄｅｖｉｃｅ， ｗｈｉｃｈ ｕｓｅｄ ｔｈｅ ｃｏｎｔｒｏｌｌａｂｌｅ ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ ｃｌｏｃｋ ｓｉｇｎａｌ ｏｆ ｔｈｅ ｏｕｔｐｕｔ ｔｏ ｄｏ ｉｎｔｅｒｐｏｌａｔｉｏｎ ａｎｄ ａｐｐｒｏｘｉｍａｔｉｏｎ ｏｆ ｔｈｅ ｔｉｍｅ ｉｎｔｅｒｖａｌ， ａｎｄ ｔｏ ｒｅａｌｉｚｅ ｔｈｅ ｃｏａｒｓｅ பைடு நூலகம்ｎｄ ｐｒｅｃｉｓｅ ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔ ｏｆ ｔｉｍｅ ｉｎｔｅｒｖａｌ． Ｔｈｅｎ， ｔｈｅ ｍｅａｓｕｒｅｄ ｒｅｓｕｌｔｓ ｗｅｒｅ ｅｓｔｉｍａｔｅｄ ｂｙ ｔｈｅ ｉｍｐｒｏｖｅｄ ｔｉｍｅ ｄｏｍａｉｎ ｃｒｏｓｓ⁃ｃｏｒｒｅｌａｔｉｏｎ ａｌｇｏｒｉｔｈｍ． Ｔｈｅ ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌ ｒｅｓｕｌｔｓ ｓｈｏｗ ｔｈａｔ ｔｈｅ ｅｒｒｏｒ ｏｆ ｔｉｍｅ ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔ ｉｓ ｌｅｓｓ ｔｈａｎ ２０ ｐｓ ｗｈｅｎ ｔｈｅ ｒｉｎｇ ｏｓｃｉｌｌａｔｏｒ ｃｌｏｃｋ ｉｓ ５０ ＭＨｚ． Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ｌａｓｅｒ ｒａｄａｒ； ｔｉｍｅ ｉｎｔｅｒｖａｌ ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔ； ｔｉｍｅ ｉｎｔｅｒｐｏｌａｔｏｒ； ｄｅｌａｙ ｌｏｏｐ； ｒｉｎｇ ｏｓｃｉｌｌａｔｏｒ； ｔｉｍｅ⁃ｄｏｍａｉｎ ｃｒｏｓｓ⁃ｃｏｒｒｅｌａｔｉｏｎ
最新6-卫星测高(1-2-3)资料ppt课件
25
1、卫星轨道误差
4）跟踪站坐标误差
不能准确确定跟踪站相对于地球中心的位置 是这种误差最主要来源。SLR可以准确确定 跟踪站坐标相对于地球中心的位置。 问题：
➢ 气候恶劣导致数据中断 ➢ 大多数SLR站集中在北半球 ➢ 大陆上而不是全球均匀分布
平均海面高模型
海洋重力场
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4、卫星测高发展现状
卫星测高任务已成为国际海洋和气象计划的组成部分 ➢ 世界海洋环流实验WOCE ➢ 气候变化及预测WCRP ➢ 全球海洋观测系统GOOS ➢ 观测厄尔尼诺（El Niño）现象的热带海洋-全球大气
TOGA
➢ 全球海洋数据同化实验GODAE 在上述计划中，卫星测高数据与这些计划观测数据的融 合处理，可以获取更多的相关信息，大大拓展了原有计 划的研究领域。 目前，卫星测高已成为全球气候观测系统GCOS和全球 大地测量观测系统GGOS的一个重要组成部分。
发射时间：2001年12月 发射机构：美国宇航局和法国空 间局 发射目的
主要目标是以不低于T/P的精度水 平来测定全球的海面地形，从T/P 和JASON-1高精度、长时间连续 观测数据得到全球的海面地形；
研究海洋环流，全球气候变化。 轨道参数
高度：1336km，轨道倾角：66⁰， 重复周期：10天
海面观测精度
它以卫星为载体，借助 于
空间技术 电子和微波 激光等高新技术
来量测全球海面高。
3
GEOS3－地球动力学实验海洋卫星
发射时间：1975年4月9日 发射机构：美国宇航局 发射目的：海洋地形观测，是第一颗专门 用于测高的海洋地形卫星 轨道高度：840km 轨道倾角：115° 轨道径向精度可达2m 受到存储能力的限制，GEOS3只进行了 三年约1680个小时的数据采集和观测， 直到1978年12月任务结束。 卫星轨道高，造成返回信号强度减弱和星 下点足迹变大，使用脉冲压缩技术解决, 该技术的应用使得分辨率的提高成为可能 。
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第34卷第10期2007年10月中国激光CHIN ESE JOU RNA L OF LA SERSV ol. 34, No. 10O cto ber , 200705 文章编号:0258 7025(2007 10 1422星载激光测距仪的高精度时间间隔测量单元雷琳君11, 2, 杨燕, 陈卫标11(中国科学院上海光学精密机械研究所, 上海201800; 2中国科学院研究生院, 北京100039摘要高精度时间间隔测量单元(T IU 是星载激光测距仪的关键部件。
基于现场可编程门阵列(F PGA 研制出了满足星载要求的高精度、高集成度时间间隔测量单元。
该单元采用数字计数法结合数字延迟线插入法的技术, 在0. 5~10km 的测量距离范围内, 时间分辨率为500ps 。
通过地面检测, 在全程范围内保持了良好的线性度, 标准偏差小于270ps 。
该单元同时具备测量脉冲回波宽度的能力, 可以获取目标的脉冲展宽信息。
由于单元选用的元器件都具有航天产品性能, 因此其设计和技术指标可满足星载激光测距仪的应用。
关键词测量; 时间间隔测量单元; 星载激光测距仪; 数字延迟线插入; 现场可编程门阵列中图分类号 P 225. 2; T M 935. 15 文献标识码 AHigh Accuracy Time Interval Unit for Spaceborne Laser Range FinderLEI Lin jun121, 2, YANG Yan , CH EN Wei biao11Shanghai I nstitute of Op tics and Fine M echanics , T he Chinese A cad emy of S ciences , S hang hai 201800, ChinaGr aduate Univer sity of Chinese A cademy of Sciences , Beij ing 100039, ChinaAbstract H ig h accuracy time interv al unit (T IU is an impo rtant component in a spacebo rne laser range finder. Ahighly integ rated T IU w ith hig h accuracy is developed based on field pr og rammable g at e a rra y (FP GA for spacebo rne application by co mbining digital co unting and dig ital delay line interpolation techniques. T he t ime resolution is abo ut 500ps w hen the measurement range is fr om 0. 5km to 10km. Detect ion on the g ro und verifies that a linea r relationship is kept all t he rang e, and the standa rd er ro r is less than 270ps. T he unit also can measur e the w idth of the r et ur ned laser pulses and obtain the pulse br oadening character istics due to different ta rgets. Because every co mpo nent in the unit has candidate pr oduct of aerospace, and t he desig n and technicalpar amet er s can be used in hig h accuracy r ang e measur ement fo r laser range finder. Key words measurement; time interv al unit; spacebor ne laser rang e finder ; digital delay line inter po latio n; field pr og rammable g ate arr ay1 引言星载激光测距仪一般通过测量卫星到照射表面的激光脉冲的飞行时间来得到距离信息。
由于地面目标特征的差异(如粗糙度、倾斜度等 , 往往会造成反射激光的脉冲展宽, 因此获取反射激光的脉冲宽度也可间接地得到目标的基本特征[1]。
高性能的时间间隔测量和回波脉冲宽度检测是星载激光测距仪的一项关键技术。
传统的时间间隔测量的方法是采用分立元件或几个功能独立的集成电路搭建电路,收稿日期:2007 02 05; 收到修改稿日期:2007 05 09电路复杂, 体积庞大, 分辨率低, 电路的可靠性降低。
为此, 近几年来, 国外研制出时间数字转换器(T DC 的专用集成电路(ASIC 芯片, 如德国ACAM 公司研发的TDC GP1[2], 西欧核子中心(CERN 开发的高性能时间数字转换器(H PTDC [3]等。
专用时间数字转换芯片是定型的, 目前有满足星载要求的专用时间数字转换芯片。
目前国内星载激光高度计等空间激光测距仪还停留在低精度计数器阶段, 集成度非常低。
随着现场可编作者简介:雷琳君(1982 , 女, 浙江人, 硕士研究生, 主要从事高集成度时间间隔测量技术的研究。
E mail:siluhuay u610@163. com导师简介:陈卫标(1969 , 男, 上海人, 研究员, 博士生导师, 主要从事激光遥感、遥测, 激光雷达方面的研究工作。
E mail:wbchen@mail. shcnc. ac. cn10期雷琳君等:星载激光测距仪的高精度时间间隔测量单元程门阵列(FPGA 的迅猛发展, 集成度越来越高, 功能越来越强大, 有些芯片已经达到了专用集成电路的工艺水平, 并且已有少量型号具备宇航级产品性能。
基于现场可编程门阵列的单元电路, 体积小、集成度高、可靠性强, 在航天设备中得到越来越广泛的应用。
本文基于一款宇航级的现场可编程门阵列芯片, 设计和研制出星载激光测距仪所需的时间间隔测量单元(TIU 和脉冲宽度测量单元, 将直接应用到正在研制的星载激光测距仪中。
的间隔以及回波脉冲的宽度。
测量发射脉冲与回波脉冲的间隔及回波脉冲的宽度都是对时间间隔的测量。
目前时间间隔测量主要有三种方法[4]:模拟法、数字法和数字插入法。
模拟法利用了电容的充放电, 测量精度非常高, 但线性度差, 测量范围小, 电路体积较大, 受温度影响大, 在大测距范围的星载激光测距仪中不宜使用; 数字法用同步时钟脉冲对时间间隔进行计时, 线性度好, 测量范围大, 但是测量精度受时钟频率所限, 即使采用1GH z 的时钟, 精度也只在纳秒量级; 数字插入法是通过采用数字法结合各种不同插入方法来对时间进行精确测量, 可以同时得到高单脉冲测量精度和高线性, 能够适应高速、大测量范围和高精度的领域[5]。
考虑到现场可编程门阵列的特点和实现的可能性, 提出了采用数字计数法( 粗时间测量结合数字延迟线插入方法( 细时间测量来实现测量的方案[6~11], 如图1所示。
2 时间间隔测量单元的设计和实现2. 1 基本测量原理无论是近距离的星间测距, 还是中低轨的激光测高, 一般采用距离选通技术, 故真正高精度测距的范围在10km 以内。
因此本文的设计目标为:测量量程达到10km , 测距精度优于0. 1m , 重复频率大于50H z, 同时希望能够测量发射脉冲与回波脉冲图1数字计数结合数字延迟线插入的时间间隔测量方法F ig. 1P rinciple o f T IU w ith method of dig ital co unting and digital inter po lating起始(start 信号上升沿与停止(stop 信号上升沿之间的时间间隔T 1及停止信号的宽度T 2可分别分为三部分进行测量。
计数器1, 2分别记录T 1, T 2内填充的参考时钟周期的整数个数N 1, N 2, 以此得到第一个时间间隔N 1T 0, N 2T 0, 其精度由参考时钟周期T 0决定, 一般采用几百兆频率的时钟, 对应精度为几纳秒量级, 实现粗测。
待测时间间隔开始和结束处小于一个时钟周期的两个短时间间隔(T 1对应N a a , N b b ; T 2对应N b b , N c c , 则分别由量化时间为 a , b , c 的延迟插入模块转换为数字量得到,其精度由量化时间决定, 一般可达几百皮秒甚至更小的量级, 实现细测。
相应的, 待测的两个时间间隔分别可计算得到T 1=N 1T 0+N a a -N b b , T 2=N 2T 0+N b b -N c c 。
(1 (2延迟插入模块包含一条具有固定延时时间的延迟单元串连而成的延迟线和一个编码单元, 其结构如图2所示。
每个延时单元包含一个缓冲器和一个低电平触发器, 缓冲器用来对输入信号进行延时, 触发器用来锁存延迟线的状态。
假设要测量信号中国激光 34卷STA 上升沿与信号ST B 上升沿之间的时间间隔, 让信号STA 在延迟线上传输, 每经过一个延时单元, 延时 a , 若到达一个延时单元时ST A 上升沿在STB 上升沿之前, 则触发器锁存状态1, 反之, 若STA 上升沿在ST B 上升沿之后, 触发器锁存状态0。
由于采用了反馈, 只有ST A 信号经过后上升沿跑到STB 上升沿之后的延迟单元锁存的状态是1,其他延迟单元的状态为0。
如果延迟线上第N a 个延迟单元的状态为1, 则待测时间间隔为N a a 。
编码单元将延迟线的状态码转换为二进制码。
图2延迟插入模块的组成F ig. 2Setup of delay inter po lat ion module2. 2 时间间隔测量单元的实现选用Actel 公司的ProASIC Plus 系列现场可编程门阵列中的APA300芯片来实现时间间隔测量单元。
该芯片基于Flash 技术, 非挥发可重复编程, 包含300, 000系统门, 备有符合M IL ST D 883B 级筛选标准的密封封装, 低功耗, 被列在航天优选目录内。
但它的缺点是功能少于商业芯片, 设计灵活性欠佳。
整个时间间隔测量单元的设计在Actel 公司的集成开发环境Liber o IDE 中完成, 采用Ver ilog H DL 语言结合电路图输入的方法自顶向下设计实现, 其结构如图3所示。