脉冲激光测距时间间隔测量及误差分析

在脉冲激光测距时间间隔测量系统中，传统的数字时钟计数法受限于计数时钟的频率，测量精度不高。由于模拟插入法具有测量范围大、线性好、测量精度高的优点，广泛应用于脉冲激光测距时间间隔测量系统中。介绍了模拟插入法时间间隔测量的原理，设计了其测量系统及相应的测试电路。利用该系统进行了实验研究，达到了100ps的时间间隔测量精度，对应于1．5cm的测距精度。最后，进行了测量误差分析。     

脉冲激光测距中高速精密时间间隔测量研究

在脉冲激光测距系统中,设计实现了基于FPGA和TDC-GP21的高速精密时间间隔测量系统。采用TDC-GP21的高精度测量模式,配置TDC-GP21完成了时间间隔测量,通过校准测量对测量结果进行补偿修正,提高了系统的测量精度;设计了多级嵌套状态机实现高速SPI通信,减小了系统单次测量周期;分析了影响测量精度的因素,比较分析了3种时刻鉴别方法的漂移误差,设计了高通阻容时刻鉴别模块,减小了系统的非线性误差。实验分别进行了基于FPGA脉冲信号的时间间隔测量和激光测距试验,对比验证了系统的测量误差,分析了系统在测量区间的线性度。实验结果表明,系统可以实现高速稳定测量,线性度良好,重复测量频率达1kHz,测量精度在±100ps内。     

基于TDC-GP1的高精度激光测距研究

激光测距中,时间间隔的测量精度对测距精度起决定作用。针对时间间隔的测量精度问题提出了一种基于TDC-GP1计数芯片高精度测量方法,把时间间隔直接转化为高精度的数字,并结合软硬件的实现方法,通过DSP芯片控制TDC-GP1进行单通道的时间间隔测量,由内部粗计数器和精延时通道合作完成时间间隔测量,直接将待测时间间隔转换成数字量读出。实验结果表明,该模块测量频率快,单脉冲测量精度可达100 ps以内,线性度良好,可满足不同应用中的测速和精度要求。     

基于TDC7201芯片的高精度激光脉冲飞行时间测量模块研究

设计了一种高精度、高线性度、轻小型激光脉冲飞行时间测量模块。结合TDC7201芯片在时间测量方面的优势,将其作为时间测量核心部分,并将STM32F103RET6微控制器作为主控芯片来控制整个模块的工作。实验结果表明,该模块在12 ns~100 μs时间间隔范围内的时间测量精度最高可达4.1 ps;测量结果的线性拟合相关系数为1,且能够测量激光脉冲主波与5个回波之间的时间间隔。该模块可满足基于硅光电倍增管(Silicon Photomultiplier, SiPM)的脉冲式激光测距系统的高精度、高线性度、多回波、轻量化等实际应用需求。     

基于CPLD和单片机的激光测距时间间隔测量

为了达到提高时间间隔测量精度的目的,采用复杂可编程逻辑器件和单片机实现脉冲激光测距时间间隔测量系统中的模拟内插法的方案,设计了测量系统与测试电路,并对该方案进行了验证,得到了200ps精度的时间间隔测量系统.结果表明,可编程逻辑器件的使用可大大简化电路结构,使得整个系统结构简单化.采用该设计方案的激光测距系统具有体积小、可靠性高的特点.     

脉冲激光测距系统中高精度时间间隔测量模块的研究

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200ms,测时分辨率最高可达125ps,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.     

基于TDC-GP22的脉冲激光测距系统设计

为满足激光测距领域大量程、高精度、高分辨率的应用需求,设计了一种高精度脉冲激光测距系统。系统基于最小可分辨45ps的专用计时芯片TDC-GP22实现高精度、高分辨率的时间间隔测量,并采用高带宽放大电路及恒比定时时刻鉴别方法提高系统精度。详细论述了TDC-GP22时间间隔测量模块的硬件设计及软件流程。实验结果表明,该系统的测量分辨率达45ps,对时间间隔1μs内的测量精度可达60ps,对应150m测距精度可达1cm;对时间间隔1μs以上的测量精度可达1ns,对应千米级测距精度可达0.15m,满足高精度距离测量的应用需求。     

面向SNSPD系统的可拓展时间抖动测量模块

针对超导纳米线单光子探测器(SNSPD)应用需求的多样化,设计了一款面向SNSPD的可拓展时间抖动测量模块。基于对SNSPD系统时间抖动测量原理的分析,设计了数字化单元、时间数字转换(TDC)单元和现场可编程门阵列(FPGA)单元,实现对SNSPD输出信号的数字化、时间信息测量以及数据读取。对该模块TDC单元的分辨率、线性度和时间精度分别标定,测试结果表明TDC单元的分辨率好于55ps,测量数据呈线性,100ns以内时间精度低于36ps。通过结合实用化SNSPD系统,实现了100ps左右的时间抖动表征,并与商用时间相关单光子计数(TCSPC)模块进行对比,验证了该模块对于SNSPD系统时间抖动测量的可行性。     

一种带有亚稳态消除电路的TDC设计方案

时间间隔测量技术在原子物理、激光测距、定位定时等方面有着重要的应用,因此,高精度的时间数字转换电路(Time-to-Digital Converter,TDC)在科学研究和工程实践中扮演着重要的角色;但是TDC在进行时间间隔测量量化时往往受到亚稳态制约,影响了TDC的分辨率、线性度,甚至会出现错误的输出结果。本文通过加入相位判断逻辑,可以完全消除TDC量化时间间隔时遇到的亚稳态问题。本文提出的TDC设计方案,工作频率512MHz,测量精度250ps,测量范围1μs,功耗400μW。     

一种短时间间隔测量方法的研究及其FPGA实现

介绍了基于FPGA(Field-Programmable Gate Array)实现高精度时间间隔测量的系统结构及关键技术.采用锁相环对时钟源进行倍频、相移产生多路相关联的参考时钟,对短时间间隔进行双边沿采样测量,从而等效提高时钟频率,减小量化误差,提高了时间间隔测量的分辨率.最大分辨率可达625ps,测量范围优于20s,为更高精度的时间间隔测量提供更小的测量范围,从而为精细测量专注于更高的分辨率和测量精度打下基础.     

皮秒级精度可编程数模混合CMOS方波延时器

提出了一种基于数模混合CMOS电路的能实现皮秒级精度、线性化、延时时间、精度和范围可编程、能复制输入波形的小体积、低功耗、低成本及可单芯片化的方波延时器.分析了回路的工作原理,并利用Tanner EDA工具进行建模和仿真.结果表明采用0.6μm数模混合CMOS工艺,通过8位延时控制和2位范围选择信号,可实现最高约20ps/LSB的延时分辨率和最大约28ns的延时范围.     

百皮秒级三维选通成像时序控制系统

为克服传统选通成像控制系统功能简单、结构单一、时序控制精度不高的不足,提出了一种基于FPGA和延时线应用技术的百ps级三维选通成像控制系统,其中,FPGA控制精度为10 ns,延时线精度高达150 ps。为提高系统的可操作性,设计了上位机界面程序,可灵活改变系统各控制参数。通过微控制器的程序设计,完成USB上下位机的通信和系统各部件的控制,通过FPGA硬件语言描述产生ns级时序粗调信号,延时线产生百ps级精调信号。另外增加了像增强器MCP增益控制和脉冲激光器功率控制,并对控制信息进行实时显示。实验室测试和整机实验均表明系统设计正确,USB传输稳定,可有效产生时序触发信号,并完成MCP增益、激光器功率控制,可稳定工作于三维选通成像等技术领域。     

高精度多波束激光雷达时间间隔并行测量技术研究

基于延迟线内插原理,设计了一种基于FPGA的多路时间间隔并行 测量方法。该方法可以解决多波束激光雷达的同时测量问题,其通道可达52波束。本文系统主要由 脉冲整形电路、测量电路以及数据处理模块等组成。实验结果表明,各通道的综合 测时均方差范围为59.55～70.06 ps,各通道平均值的均匀性为446.8 ps,一致性误 差较小。由于具有性能稳定、精度高、体积小以及使用方便等优点,该系统可以为高精度多通道信息获取技 术在多波束机载激光雷达中的广泛应用提供技术基础。     

一种大尺度二维直线度精密测量的新方法

本文提出了一种远距离、大范围二维直线度测量的新方法．该方法采用特殊设计的十字线准直激光器及线阵CCD，通过特殊的光学系统结构设计，能在0-20m距离内连续测量，直线度范围可达70mm，精度优于0．1mm，实际测量结果表明，该方法可适应野外作业环境。     

Continuously Variable Optical Delay Line Based on a Chirped Fiber Bragg Grating

In this letter, a continuously variable optical delay line (ODL), useful for phased array antennas, is experimentally demonstrated. The ODL operates at a single optical wavelength and it is based on a linearly chirped fiber Bragg grating (LCFBG). Continuous true time delay is achieved by changing the temperature of the LCFBG. In order to limit the actuating temperature range, the grating was bonded to a metallic support and the effect of the thermal apparent strain was considered. The time-delay response of the system is measured with an optical signal modulated with double sideband technique at a frequency of 2 GHz. The experimental results demonstrate a time-delay resolution of 3.1 ps employing a temperature controller with a stability of plusmn0.1 degC and a maximum time delay of 96 ps over a temperature range of 16 degC-40degC. The time-delay-temperature characteristic offers a slope of 3.8 ps/degC with a mean-square deviation from the linearity of 3.5 ps. Such a delay line, by operating at a single optical wavelength and by using a simple actuating system, offers many advantages being low cost, compactness, and reliability. The main limitation to the ODL resolution is due to the amplitude ripple of the LCFBG used and a performance enhancement can be obtained with specifically tailored LCFBG     

采用可调谐激光器提高光纤延迟线精度的研究

为了提高一种3bit可变光纤延迟线的延时精度,提出一种采用可调谐激光器作为系统光源的技术,利用光纤的材料色散特性即光纤的折射率随传输波长变化而改变的特点,来改变延时光纤中信号存储的时间,从而达到提高光纤延迟线延时精度的目的。仿真结果表明,采用该种技术的光纤延迟线系统,平均延时误差从4.1ps下降到了1.3ps,延时精度得到了显著提高。     

高精度光纤时间频率一体化传递

为满足各工程应用领域对于高精度时间频率同步的需求,降低系统复杂度,保障大规模光纤时频传递网络的顺利建设,该文提出基于伪码调制技术的光纤时间频率一体化传递方法,设计并搭建了光纤时间频率一体化传递系统,完成了光纤单向和双向时频一体化传递。在单向时频传递试验中,分析了温度变化对于系统传输时延的影响;在双向时频传递试验中,实现了时间频率的高精度传递,系统附加时间传递抖动为0.28 ps/s, 0.82 ps/1000 s,附加频率传递不稳定度为4.94×10–13/s, 6.39×10–17/40000 s。试验结果表明,该方法实现了时间、频率一体化高精度同步,且系统附加时间传递抖动优于目前各光纤时间同步方案。     

电子束曝光系统中精密工件台的测量系统

介绍了电子束曝光技术的原理。根据精密工件台对测量系统的需要,设计了三轴工件台测量系统布局方式,并简单介绍了激光干涉测量系统所需元器件数量的计算方法。重点讨论了双频激光干涉测量原理、双频光束与运动方向敏感性的关系以及读出装置信号处理方法。在此基础上,对研制的电子束曝光系统精密工件台进行了直线性和垂直性实验测试,其测量分辨率达到0.6nm,测量重复性精度达到±0.06μm,测量绝对误差达到0.011μm。结果表明,采用双频激光测量系统可确保工件台系统测量和定位准确性。