基于FPGA的高重复率距离门控电路实现

 传统的距离门控电路多采用分立元器件,工作频率和控制精度均十分有限,难于满足重复频率高的测距需求。通过分析高重复率距离门控的时序,提出并实现了一种基于FPGA的高重复率距离门控电路方法。该方法充分发挥了FPGA在运算、存储、时钟管理等方面的优势：采用倍频模块产生的200MHz作为时钟基准,其门控输出分辨率达5ns;利用增强型并口（Enhanced Parallel Port,简称EPP）方式进行门控数据传输,以确保2kHz的高速门控信号输出。完成的距离门控板在上海天文台的高重频（2kHz）卫星激光测距（Satellite Laser Ranging,简称SLR）实验中获得应用,使上海天文台成为国际上少数掌握高重频SLR技术的台站之一。     

高重复率卫星激光测距中后向散射干扰及规避

大气后向散射对高重复率卫星激光测距（Satellite Laser Ranging,SLR）的回波接收产生干扰且随测量频率增加愈发严重,已成为制约SLR工作频率提升的关键因素之一。根据大气散射雷达探测方程,分析了探测系统接收到的大气后向散射光功率及对回波接收的影响,以上海天文台现有收发分离的SLR系统为平台,通过试验验证了分析的合理性;据此厘清后向散射干扰产生时序,给出基于激光发射时序控制的后向散射规避方法。通过在高重复率距离门控电路中添加激光点火信号产生模块,并实时判断后向散射干扰情况以控制点火信号是否延迟输出,基于FPGA（Field Programmable Gate Array）完成了后向散射自动规避电路,成功应用在上海天文台高重复率SLR的常规观测中,实现了对散射的完全规避,且对Lageos等重点激光卫星的平均点火频率下降率低于2%,具有很好的推广应用价值。     

高精度事件计时器及其在卫星激光测距应用

高重复率卫星激光测距需采用事件计时方式记录激光发射和接收时刻,作为测距系统精密计时单元。本文介绍了事件计时器测量原理,以及上海天文台基于时间数字转换(TDC)和现场可编程门阵列(FPGA)所设计开发的高精度事件计时器。对该事件计时器性能进行了测试,计时精度优于10 ps,非线性误差在数皮秒内。利用上海天文台卫星激光测距系统,进行了事件计时器控制软件开发,对地面靶目标和卫星进行了观测。根据国际激光测距数据处理中心反馈,卫星测量误差达到国外同类事件计时器水平,满足卫星激光测距应用要求。     

高重复率激光时间比对激光发射时序精确控制

我国空间站即将首次开展高重复率（~kHz）星地激光时间比对,搭载的星载探测器拟采用固定门控开启模式,对地面激光发射时序的控制提出了高实时、高重复率和高精度等要求。基于卫星激光测距（SLR）的距离门控原理,提出高重复率激光时间比对地面激光点火信号精确产生方法,以使上行激光脉冲能在门控信号之后短时间内到达星载探测器,极大减少噪声干扰。该方法可在单片可编程门阵列FPGA中实现,具有重复率大于10 kHz、控制精度5 ns以及软件交互简单等优势,结合方法计算精度和半导体泵浦激光器的纳秒级触发抖动,预计地面激光发射时刻精度最终控制在10 ns以内,满足空间站激光时间比对激光发射时序的控制需求,并可为其他激光时间比对工程的实施提供技术支持。     

长春站卫星激光测距精度的提高和系统稳定性的改进

经过１９９７年８月对中科院长春人造卫星观测站卫星激光测距系统的技术改造,使系统的观测精度和稳定性都有了很大的提高,主要是采用了量子效率高、能自动补偿,时间游动小、快响应的单光子光电雪崩二极管和一套便携式我测距校准系统,以及建立三个近地标准靶等。结果使测距内符匝原来的６ｃｍ左右,提高到现在的小于２ｃｍ（单次）和１ｃｍ左右（标准点数据）,系统的长期稳定性由原来的４ｃｍ左右,提高到现在小于２ｃｍ,系统测     

卫星激光测距合作目标技术现状和进展

卫星激光合作目标技术是卫星激光测距系统的重要组成部分,广泛应用于导弹、人造卫星和月球等激光测距系统中．是实现高精度测距和精密定轨的关键技术。介绍了国内外卫星激光合作目标的技术现状,并展望了其未来发展趋势。     

异步应答激光测距技术测量精度实验

异步应答激光测距与传统反射式激光测距相比,接收激光功率仅与距离的2次方成反比,可极大地提高卫星激光测距的作用距离,并可实现星地时差测量.该技术自提出以来一直是激光测距的重点研究方向,但目前尚未应用于卫星激光测距领域.为了验证该体制的工程可行性,掌握测量精度,文中设计并开展了地面演示验证试验,利用两台地面激光器分别模拟位于地面和航天器的终端,充分模拟真实情况下的星地异步应答激光测距.结果表明:异步应答测距体制方法可行,可用于两终端之间距离和主波时差的精确测量,其测距精度介于两个测距终端对应的反射测距精度之间.     

导航卫星白天激光测距实现方法分析

实现对导航卫星的白天激光测距对增加观测弧段和高精度轨道评估数据量有重要意义。本文分析了针对中高轨道和地球同步轨道导航卫星实现白天激光测距的技术难点,介绍了白天卫星激光测距的噪声抑制和信号识别技术。针对卫星导航系统应用．详述了导航卫星白天激光测距实现方法及初步测量结果．并探讨了提高导航卫星白天激光测距能力的改进方法。     

卫星激光测距数据处理算法的研究进展

简述了卫星激光测距系统研究背景和发展现状,阐述了数据处理算法在卫星激光测距技术中的重要地位和作用,重点介绍了当前国际上普遍采用的一些数据处理算法的发展应用情况以及一些先进的数据处理算法的研究进展,包括屏幕处理技术、泊松统计滤波算法、相关检测算法等.最后展望了卫星激光测距技术及其数据处理算法的发展方向.     

一种应用于卫星导航定位系统的SLR系统架构与实现

卫星激光测距(SLR)是一种高精度测量观测点与卫星之间距离的重要方法,它可以为卫星精密定轨和星地时间同步提供高精度观测数据。本文首先介绍了卫星激光测距基本原理,然后从系统架构角度深入分析了用于卫星导航定位系统的激光测距系统的组成和功能,详细阐述了激光测距中光学系统、控制系统等子系统原理及工作过程。最后,按照本文架构实现的激光测距系统给出了实际的测试结果和精度。实验表明,本文提出的激光测距系统具有较高的测量精度,能够满足我国导航定位系统的测距需求。     

高重复频率卫星激光测距实验研究

介绍了上海天文台开展高重复频率激光测距实验和卫星实测情况.通过研制事件模式距离门控电路,开发高实时性测距控制软件,引进高精度事件计时器,利用重复频率为1 kHz、能量2 mJ的半导体泵浦激光器,以60 cm激光测距仪为平台,成功实现了对(800～7000)km卫星的高重复频率激光测距,所获得的回波数据是常规低重复频率测距的2～3个数量级.     

百kHz重复频率卫星激光测距

对卫星激光测距(Satellite Laser Ranging, SLR)回波数与重复频率、脉冲能量及功率关系进行分析,表明单位时间内相同激光回波数,重复频率越高所需激光脉冲能量和平均功率越低;同时对SLR单次测量精度及标准点数据精度进行分析,表明标准点时长内测距点数越多,SLR标准点精度越高。提出点火脉冲群与门控脉冲群收发交替的工作模式,解决超高重复频率后向散射光噪声对激光回波干扰问题。开发多缓冲区存储模式,使测量软件数据实时处理与储存效率提升4~6倍。基于中国科学院上海天文台60 cm口径SLR系统,以快速事件计时器、脉冲群生成器、低噪声单光子探测器等,采用脉冲间隔5 μs、单脉冲能量80 μJ的皮秒激光,收发交替脉冲群模式下实现100 kHz重复频率低轨至高轨卫星的SLR测量,近地星Hy2b标准点精度达到28.55 μm,远地星Galileo218标准点精度达到136.51 μm,为发展更高重频和高精度空间目标激光测距提供了有效方法。     

偏振调能技术对SLR数据偏差的改善研究

改善激光观测数据偏差对推动毫米级精度卫星激光测距（Satellite Laser Ranging,SLR）技术在全球大地测量观测系统中应用具有重要作用。系统时延标定误差是激光观测数据偏差产生的主要原因,其中地面靶目标测量与卫星测量时的系统差异,以及单光子探测中激光回波强度所引起的光子探测时间游动误差是主要因素。以上海天文台SLR系统为平台,对上述两种测量模式下系统时延及激光回波强度差异进行了分析和修正。利用激光偏振特性,应用半波片-偏振片组合调能技术,实现两种测量模式下光路的零差异切换以及回波强度的实时控制,有效减少光路不同和探测器时间游动效应,激光数据偏差改善了10~20 mm,达到了国际SLR数据质量标准要求。激光偏振技术也可用于高重复率激光测距的激光后向散射规避,提高激光回波数,具有很好的应用推广价值。     

锁模激光器在人卫激光测距中的应用

在人卫激光测距中,激光器的性能至关重要,它对仪器的测程和精度起着决定性的作用。本文将描述锁模激光器的结构、性能及其在人卫激光测距中的应用与发展.     

高峰值功率重频脉冲固体激光器

综述了高峰值功率重频脉冲固体激光器的发展现状，对其中的Ｑ开关、腔倒空、锁模等窄脉冲技术和放大技术进行了分析，展示了高峰值功率重频脉冲固体激光器的发展前景。     

LD单端泵浦Nd:GdVO4声光调Ｑ高重频窄脉宽激光器

激光二极管（LD）泵浦的Q调制高频率、窄脉宽、高峰值功率的固体激光器在激光雷达、激光加工等领域日益得到广泛的应用，而更高调制频率的固体激光器在将来会更受青睐。分析了泵浦功率和输出透过率两个因素在10~100 kHz调制频率下对脉宽的影响程度。研制了LD单端泵浦Nd:GdVO4声光调Q 激光器，实现了重频100 kHz下窄脉宽激光输出。在重频为80 kHz时，获得脉宽17.7 ns，平均输出功率3.49 W，峰值功率2.46 kW和在重复频率为100 kHz时，获得脉宽19.6 ns，平均输出功率3.52 W，峰值功率1.79 kW的效果。     

准分子激光电源磁脉冲压缩开关的磁芯复位研究

为了解决高重复率下准分子激光电源磁脉冲压缩开关的磁芯复位问题,以理论分析为指导,结合磁开关工作特性,设计了一种磁芯精确复位电路,该电路可快速精确复位饱和后的磁开关。将此复位系统应用于准分子激光器脉冲电源测试其性能,复位电流在磁开关饱和后200μs内平息振荡。结果表明,这一磁芯复位系统可满足4kHz重复率下脉冲电源的复位要求。此研究对今后高重复率准分子激光电源的设计是有帮助的。     

基于光子晶体光纤飞秒激光放大器的微纳加工系统

以掺镱大模面积光子晶体光纤(PCF)飞秒激光放大器为光源组建了一套结构紧凑且运行稳定的飞秒激光微纳加工系统,中心波长为1040 nm,重复频率50 MHz,最大平均功率16 W,光栅压缩后脉冲宽度85 fs。利用该套系统在硅片、金属薄膜(Cr膜、Al膜)上演示了微图案的刻划,并与采用重复频率1 kHz的固体钛宝石飞秒激光放大器的加工结果进行对比,发现利用新组建的加工系统进行微纳加工,由于单脉冲能量较小且便于调节,使得刻划微图案时边缘加工效果更容易控制,且避免了加工过程中未加工区域受到的污染,保护了制作衬底。显示了该套系统高重复频率和高平均功率的特性及其在改善微纳加工效果及明显提高加工效率方面的优势。