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。     

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。     

天线时延标定在卫星导航技术中的应用

卫星导航系统通过信号传播时延的测量来实现定位、导航和授时,信号传播时延测量计算需要已知天线时延,天线时延标定准确度是影响系统服务精度的关键因素。叙述了卫星导航系统中天线时延的定义及通常测量方法,提出了2种利用卫星导航系统自身测距能力的天线时延标定方法,介绍了天线相位中心测量方法,并给出了卫星导航系统应用中的天线相位中心点坐标的归算方法。     

基于卫星反射器的转发式激光时间传递试验研究

基于星载曲面镜的转发式激光时间传递具有零时延、高可靠性和高准确度等优势，但由于缺少合适的卫星试验平台，该技术目前仅限于理论分析，尚未获得有效试验数据及性能评估结果。本文将相邻的两套卫星激光测距（SLR）系统作为试验台站，以激光卫星上搭载的反射器作为转发载荷，开展了转发式激光时间传递试验研究。首先，介绍了转发式激光时间传递的基本原理及理论；然后，对上海天文台SLR系统进行适应性改造，搭建了转发式激光时间传递试验系统，并开展了不同激光卫星的实测试验；最后，分析获得的时间传递结果，研究影响该技术性能的主要因素。试验结果表明：该技术可以获得优于100 ps的精度以及ns的准确度，单向工作模式可行，为转发式激光时间传递的发展提供了有力支撑。     

导航设备时延测量技术分析

为了提高无线电卫星导航定位系统(RNSS)的精度,需要对导航设备时延进行精确测量。给出了导航设备的时延测量方法,研究了使用专用时延传递设备进行时延测试的实现方案,介绍了专用时延传递设备对接收链路和发射链路进行时延测量的方法,指出了该方法的创新性和实际测试过程中的应该注意的问题,给出了测试结果及误差分析。     

基于μC/OS-II的嵌入式激光测距系统

本文介绍一种基于ARM9的激光测距系统的硬件原理设计和软件设计方案。以ARM9处理器为控制核心,采用相位法激光测距技术,首先用正弦信号调制半导体激光器的发射激光,然后将被测物反射的激光用光电探测器转换为电信号,采用相位测量技术测量出发射信号与接收信号的相位差,从而计算出与被测物的距离。最后使用实时操作系统μC/OS-Ⅱ作为系统控制核心,以确保测量精度。     

非合作目标脉冲相位式激光测距仪的测程研究

对于非合作目标的中程距离测量, 从测距范围、测量精度、速度和可靠性的折衷方面来讲, 脉冲相位式激光测距法优于常规的脉冲法测距和连续波相位法测距。在脉冲相位式激光测距中提出采用连续发射的正弦调制脉冲信号提高发射激光的峰值功率以提高测程, 但发射激光的平均功率被保持很低保证了发射激光对人眼的安全。同时根据硅雪崩光电二极管(Si-APD)噪声谱密度理论, 设计了具有温度补偿和反馈电阻噪声补偿的激光测距仪前放接收模块, 详细分析了背景光, 反向高压和反馈电阻对于Si-APD接收性能的影响。实验表明：根据该方法设计的前放接收模块使测距仪接收系统获得最大信噪比, APD工作在最佳倍增状态,从而提高测距仪的探测灵敏度和最大测程。     

SBG加装卫星激光测距仪研制报告

SBG型卫星跟踪望远镜加装激光测距仪可对人造卫星测距和测向。本文重点介绍该仪器的装置情况,主要技术性能;介绍总体设计方案,解决的主要技术问题和激光测距的主要试验结果。利用接收概率公式、测距方程和分配的激光发射、激光接收等部件技术指标、参数对激光测距系统的作用距离和测距精度进行理论分析和计算。地面水平激光测距和卫星激光测距结果表明,理论分析和计算结果是正确的,达到和超过了原设计指标。云南天文     

抛物面天线接收时延抖动分析和对策

抛物面天线是卫星导航地面站的重要组成设备,负责完成卫星与地面站时间同步上行信号发射和下行信号接收,也是伪距测量的重要设备,因此要求抛物面天线工作时自身时延值相对稳定。针对地面站天线在跟踪卫星信号时接收时延抖动现象展开了故障排查,进行了问题原因分析。指出了天线旋转关节及馈线连接方式是影响天线时延稳定性的重要因素,并给出了解决天线时延抖动现象的方法。     

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.     

北斗卫星全球激光测距观测及数据应用

卫星轨道精确测定是卫星导航系统提供导航服务的基础。北斗卫星导航系统是我国自主研发的新一代卫星导航系统,卫星上均装载了激光反射器,以厘米或毫米级精度卫星激光测距作为北斗卫星精密测轨与微波测量系统的独立外部标校手段。为增强北斗卫星的激光观测能力,上海激光测距站在白天光束监视、望远镜精跟踪、噪声滤波等方面进行了性能改进,在国际激光联测台站中首先实现同步轨道卫星白天激光观测;基于国际激光联测机制,组织国际激光测距站开展北斗卫星全球激光观测实验,获取了28个台站对北斗卫星的激光观测数据,弥补了国内台站地域局限性,为国内卫星获取国外台站观测数据提供了途径。利用全球台站激光观测数据开展了北斗卫星激光独立定轨、广播星历精度检核等研究,并将结果应用于北斗卫星导航系统性能评估。     

脉冲雷达测距时间-电压转换方法

针对传统的雷达测距方法中实现皮秒级的时间测量比较困难;微波计数器及TDC-GP时间数字转换芯片可以达到皮秒量级的时间测量,但价格昂贵,不能得到广泛应用。文中提出了一种基于时间-电压转换原理,通过积分运算电路将时间的测量转化为电压的测量,进而达到测量距离的目的。实验结果表明,当系统采用14位A/D转换可以实现6.1ps的时延测量,当系统采用16位A/D转换,可以测得1.5 ps的时延。该方法实现简单,并且降低了雷达系统的成本,远距离和近距离的测量均适用,不存在距离模糊问题。     

光行差对高轨卫星激光测距的影响分析

随着卫星激光测距技术的发展,高轨卫星激光测距的数据量明显提高。由于高轨卫星距离远回波弱,这就要求望远镜系统能精确地对准卫星目标才能接收到有效回波。首先分析了影响望远镜对准的光行差因素,即卫星运行的速度光行差和发射激光运行引入的光行差。文中以Glonass系列高轨卫星为例,重点研究了发射激光束运行引入的光行差偏移量,并且计算出测站测量Glonass系列卫星的光行差角偏移量为26rad。在实际高轨卫星激光测距中对Glonass系列卫星进行了数十次的测距实验验证,证明了文中对光行差影响的分析是正确的。通过文中的研究可以提高高轨卫星激光测距的捕获机率,大大提高高轨卫星观测效率。     

HY-2卫星激光反射器理论分析及激光测距实验

激光反射器作为一种被动无源光学合作目标,是人造卫星激光测距系统中的重要组成部分。对于运行在低轨卫星中的激光反射器,既要在较大的激光入射角范围提供服务,又要将角反射器阵列结构所引入的综合测距误差控制在一定范围内,以保证高精度的激光测距,因此绝大多数采用半球形阵列结构。文中以我国海洋二号卫星激光反射器为例,对半球形激光反射器的远场衍射分布、相对有效反射面积分布、距离更正误差分布和激光测距综合精度等核心技术参数进行理论分析。并以国内流动式卫星激光测距系统TROS1000对海洋二号卫星激光反射器进行追踪和激光测距实验,测量结果表明,激光测距内符合精度为1.1 cm,理论分析与实测结果相符。标志着海洋二号卫星激光反射器性能优良,这对以后激光卫星反射器的设计具有指导意义。     

基于激光测距传感器的铁轨测距系统

介绍了基于激光测距传感器的铁轨测距系统的设计原理。采用DLS-A15型激光测距传感器作为距离检测设备,实现对铁轨之间距离的检测及显示。在设计过程中,给出了系统的硬件设计原理及程序设计方法。用DLS-A15型传感器进行测距时,主、从单片机利用RS232C串行通讯向传感器同时发测距命令,传感器接收此命令并对被测铁轨发射一束激光,铁轨反射回的激光信号被传感器转换为序列信号,然后再经RS232C串行通讯返回给AT89C52接收。主、从单片机利用并行I/O口进行通讯,主单片机将接收的正确数据与从机送来的正确数据相加后再加上激光测距传感器之间的固定距离,即为铁轨的检测距离。该铁轨测距系统已经试用。实践表明该铁轨测距系统具有测距速度快、准确度高、易于实现等优点。     

地球卫星新型激光测距系统

为了改进地球卫星间距离的激光测距测量精度,发展了一种新技术。这个方法是利用一个锁模激光发射器和一个装有偏转电极的象变换管,测量激光脉冲到远距离的后向反射器和返回的飞行时间。发射和返回光脉冲信号聚焦在象变换管的光电阴极上,而它的偏转板由一个非常稳定的振荡器产生高压120兆赫正弦波触动。由两个光脉冲在输出荧光屏上成象的相对位置,能够精密测量飞行时间超过偏转正弦周期的某个大的积分的N倍的小数部分。N值借助于一个辅助测量获得,测量时发射和返回光脉冲用光电倍增管接收,信号输出采用开门和关门通用的时间间隔计数器。已经建成系统的一种实验室试验方案并在屋顶上进行了测试,全长(来回)大约80米。在这个全长测量中,用激光测距系统所得结果的统计偏差相当于±1.3厘米的误差(标准误差)。因为单程距离测量的误差应该是全程的一半,所以这个结果意味着测距精度±7毫米。由激光测量得到的全长平均值和用常规的方法(即用一个钢尺)测得的结果相符达到±1厘米(小于共同的实验误差)。     

激光地球动力学卫星(LAGEOS)的发射前试验

前言激光地球动力学卫星(以下简写为LA-GEOS),于1976年5月3日,自威士顿试验靶场发射并到达预定轨道。虽然另外一些卫星也被用作地面激光测距系统的目标,但这是第一颗专用于激光测距的卫星。为此,在国家宇航局(NASA)的地球和海洋动力学应用计划(EODAP)中,以及在加强地球物理研究激光测量系统的国际性努力中,LAGEOS起着关键性作用。它的寿命预期可达几十年,并可提供现有几种激光测量系统以及下一代系统进行跟踪。为使现有系     

激光测距中激光功率实时监测系统设计与实现EI北大核心CSCD

在激光测距过程中,实时获取激光发射功率数据可为后续数据精度处理分析及激光测距系统故障点排查提供重要依据。通过实时测量激光发射链路中的反射镜透射光,利用前期获取的反射镜透射光与反射镜反射光之间的对应关系,采取相对测量的方式获取实时的反射光功率,达到实时监测激光发射功率的效果,并基于中国科学院云南天文台53 cm双筒望远镜激光测距系统搭建实验平台进行验证。实验结果表明,该激光功率实时监测方法能够在激光发射链路无损耗的前提下实时获取激光发射功率;反射光功率与透射光功率具有良好的线性关系,其Spearman相关系数为0.9991,线性关系稳定可靠,满足长时间激光测距的需求;验证了该方法的可行性,可适用于各类空间目标激光测距的激光功率实时监测中。     

激光卫星测距的信号处理与测距精度

一般的激光测距系统包括:激光发射器,激光接收装置及信息处理装置。后者将接收的主、回波信号进行处理,记下其间隔时间,就可算出被测距离。R_x=(1/2)CT_x (1)其中C为光速,T_x为被测时间。实则,距离测量就是时间测量。测时精度也即测距精度。影响精度的因素有,发射的稳定性,大气延时,光电转换元件电子渡越时间的不稳定性,角反射器分布对回波形状的影响,时间测量装置的测时分辨率以及回波幅度起伏对定时精度的影响。本文将通过时间测量来讨论信     

带数字驱动的高集成2～18GHz时延放大多功能MMIC

基于E/D15PHEMT工艺研制了一款2~18GHz用于相控阵雷达的时延放大多功能MMIC芯片。本芯片是一款集成了放大器、单刀双置开关、六位大波长时延器、数字驱动器等功能的多功能芯片,芯片尺寸为5mm×5mm。测试结果表明:发射接收增益皆大于-2dB,P-1在整个频带内达到12dBm。时延最小步进为10ps,最大时延量630ps,时延精度在发射和接收模式下为标称值的±4%,寄生调幅小于2dB。该芯片能够抗基于HBM的250V静电电压。