基于飞行时间法的纳秒量级时间间隔测量系统研制

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飞行训练数据网络管理系统的基础设计

Байду номын сангаас
２管理系统基本软件架构的选择
ＢＳ／架构和ＣＳ／架构是目前网络管理信息系统中最流行的两大阵营，它们各有优劣，相互竞争。ＣＳ／架构，全称为Ｃｉｎ／ｅｖｒ（ｌｔｒｅ客户端／ｅＳ服务器）架构，由美国Ｂｄ公司最早研发，它通过设计将任务合理地分配到客户端和服务器ｏｄ端，减小了系统的数据通讯开销，能够充分发挥两端硬件的优势。早期开发的网络软件系统多以此作为首选设计架构。其服务器通常采用性能较高的小型机，同时使用大型数据库系统，而客户端需要安装专用配套软件以进行两端的信息交流。Ｂ构，也叫做Ｂｏｓｒｅｖｒ（览器／觫ｒｗｅ／ｒｅ浏Ｓ服务器）架构，在这种架构下，用户界面完全通过网页浏览器来实现。一部分事务运算处理在浏览器上实现，但是主要的事务逻辑在服务器端进行运算。Ｂ构，主要是膨利用了不断成熟的ｗＷｗ浏览器技术，结合浏览器可解释运行的多种脚本语言（Ｂｐ和Ｊｓｒｔ）和ＡｃｖＸｖｔａｃｐ等ｉｔｅ￣术，用普通的浏览器就实现ｉ了原来需要专用复杂软件才能实现的强大功能，同时节约了开发成本，成为了一种全新的软件系统构造技术。目前所要开发的飞行训练数据网络管理系统使用用户数量多，地域跨度较大（跨省市甚至跨国界），客户端应用以简单的信息录入、浏览为主，不涉及复杂的运算和功能，同时还要求不断根据训练管理需求及法规变化随时进行管理内容和工作流程的调整，非常符合Ｂ构的应用觫条件。因此笔者最终选定Ｂ构作为系统开发的基础模式。
导用户通过最简便的步骤、最少的运算量达到用户请求的目的，常使通用流程图来说明这一过程。根据Ｂ软件开发模式的需求，从先安全后效／Ｓ率的原则出发，笔者结合项目的实际功能，设计出了本系统各种用户进行系统操作时的通用处理程序流程。

GNSS测量原理及应用

GNSS测量原理及应用一、GNSS测量原理（以GPS为代表）（一）、GPS基本原理GPS导航系统的基本原理是测量出已知位置的卫星到用户接收机之间的距离，然后综合多颗卫星的数据就可知道接收机的具体位置。

要达到这一目的，卫星的位置可以根据星载时钟所记录的时间在卫星星历中查出。

而用户到卫星的距离则通过记录卫星信号传播到用户所经历的时间，再将其乘以光速得到（由于大气层电离层的干扰，这一距离并不是用户与卫星之间的真实距离，而是伪距（PR）：当GPS卫星正常工作时，会不断地用1和0二进制码元组成的伪随机码（简称伪码）发射导航电文。

GPS系统使用的伪码一共有两种，分别是民用的C/A码和军用的P(Y）码。

C/A 码频率 1.023MHz，重复周期一毫秒，码间距1微秒，相当于300m；P码频率10.23MHz，重复周期266.4天，码间距0.1微秒，相当于30m。

而Y码是在P码的基础上形成的，保密性能更佳。

导航电文包括卫星星历、工作状况、时钟改正、电离层时延修正、大气折射修正等信息。

它是从卫星信号中解调制出来，以50b/s调制在载频上发射的。

导航电文每个主帧中包含5个子帧每帧长6s。

前三帧各10个字码；每三十秒重复一次，每小时更新一次。

后两帧共15000b。

导航电文中的内容主要有遥测码、转换码、第1、2、3数据块，其中最重要的则为星历数据。

当用户接受到导航电文时，提取出卫星时间并将其与自己的时钟做对比便可得知卫星与用户的距离，再利用导航电文中的卫星星历数据推算出卫星发射电文时所处位置，用户在WGS-84大地坐标系中的位置速度等信息便可得知。

可见GPS导航系统卫星部分的作用就是不断地发射导航电文。

然而，由于用户接受机使用的时钟与卫星星载时钟不可能总是同步，所以除了用户的三维坐标x、y、z外，还要引进一个Δt即卫星与接收机之间的时间差作为未知数，然后用4个方程将这4个未知数解出来。

所以如果想知道接收机所处的位置，至少要能接收到4个卫星的信号。

基于TDC的激光测距传感器飞行时间测量研究

２１ＴＣＧＰ．Ｄ — ２芯片时间间隔测量原理ＴＣＧ２是ＡＡ公司通用ＴＣ系列的新一代产Ｄ —ＰＣＭＤ品Ｊ它是综合脉冲计数法和延迟线插入法来进行时间间，隔测量的，同时具有测量范围大和测时精度高等优点。
一
图４为利用ＴＣＧ２设计的高精度时『间隔测量模Ｄ —Ｐ日Ｊ
７２
传感器与微系统
第３０卷
波长为９５ｍ，０峰值功率２ｎ５ｗ。接收系统聚焦透镜前加上干涉滤光片，以减少背景光和杂闪光的影响，降低ＡＤ探Ｐ测器输出信号中的背景噪声。
发射激
在ＴＣＧ２芯片内部，Ｄ—Ｐ一方面通过锁相环提高计数频
图３ＴＣ— ２芯片测量单元ＤＧＰ
Ｌ＝ｃ２，ｔ／
（）１
该芯片内部有控制寄存器、结果寄存器和状态寄存器，
式中
，为目标距离，为光速。根据式（）｜Ｃ１可得脉冲测距
通过对控制寄存器的配置，使芯片工作在不的测量范可
（ｎｕｎｔｕｅｏｔｓａｄＦｎｃａｉｓＣｉｅｅＡｃｄｍｙｏｃｎｅ，ｆｉ３０１ＣｉａＡｈｉｓｔｔｆＩｉＯｐｉｎｉｅＭｅｈｎｃ，ｈｎｓａｅｆｉｃｓＨｅｅ２０３，ｈｎ）ｃＳｅ
ＡｂｔａｔＬｓｒｒｎｉｇｓｎｏａｕｅｔｅｄｓａｃｅｗｅｅｓｒａｄｔｒｅｙｃｌｕａｉｇｔｅｆｇｔｔｆｓｒｃ：ａｅａｇｎｅｓｒｍｅｓｒｈｉｔｎｅｂｔｅｎｓｎｏｎａｇｔｂａｃｌｔｈｉｈｉｏｎｌｍｅｌｓｒｐｌｅＳｈｒｃｓｏｆｌｓｒｔｎｅｖｌｉａｂｓｃｂａｏｏｍｅｓｒｈａａｉｔｆｔｅｓｎｏ．ａｅｕｓ．ｏｔｅｐｅｉｉｎｏａｅｉｍｅｉｔｒａｓａｉｅｃｎｔａｕｅｔｅｃｐｂｌｙｏｈｅｓｒＡｉｓｅｉｌｔ — ｉｉｌｏｖｒｅｈｐｉｓｄｔｅｅｏｉｈｒｓｌｔｎｔｎｅｖｌｍｅｓｒｍｅｔｍｏｕｅＴｅｐｃａｉｄｇｔ — ｎｅｔｒｃｉｓｕｅｏｄｖｌｐａｈｇｅｏｕｉｉｉｔｒａａｕｅｎｄｌ．ｈｍｅａｃｏｍｅｐｉｃｐｅｏｅｌｓｒａｇｎｆＴ — ２ｉｉｔｄｃｄ，ｎｅｓｆｗｒｎａｄａｅｒａｉｔｎａｅｐｅｅｔｄａｒｉｌｆｔａｅｎｉｇｏＤＣＧＰｓｎｒｕｅａｄｔｏａｅａｄｈｒｗｒｅｌａｉｒｒｓｎｅｓｎｈｒｏｈｔｚｏｗｅ１Ｔｅｔｓｒｓｌｈｗｔａｈｄｌａｉｈｍｅｓｒｍｅｔｆｑｅｃ．ｈｉａｕｅｎｒｃｓｎｏｌｈｅｔｅｕｔｓｏｈｔｔｅｍｏｕｅｈｓｈｇａｕｅｎｒｕｎｅＴｅｔ．ｓｅｍｅｍｅｓｒｍｅｔｐｅｉｉｆｏｓｇｅｐｌｅｉｌｓｈｎ１０ｐｉｏｄｌｅｒｙｗｉｈｃｎｓｔｆｈｅｕｒｍｅｔｆｓｅｄｍｅｓｒｍｅｔａｄｉｌｕｓｓｅｓｔａ０ｓｗｔｇｏｉａｉ，ｈｃａａｉｙｔｅｒｑｉｎｈｎｔｓｅｎｓｏｐｅａｕｅｎｎｐｅｉｉｎｉｉｅｅｔａｐｉａｉｎ．ｒｃｓｏｎｄｆｒｎｐｌｔｓｆｃｏＫｅｒｓｐｌｄｌｓｒｒｎｉｇ；ｔｎｅａａｕｅｎ；ｔ — ｉｉｌｃｎｅｅｙｗｏｄ：ｕｓａｅａｇｎｅｉｉｔｒｌｍｅｓｒｍｅｔｉｄｇｔ — ｏｖｒｒｍｅｖｍｅａｔ

脉冲飞行时间测量

摘要脉冲飞行时间测量法是脉冲激光测距的关键技术，它广泛运用于激光测距。

脉冲激光测距是通过测量激光脉冲发射信号（主波）和接收信号（回波）之间的时间间隔，就可以得知空间物体的距离。

主波和回波被光电探测器接收，再放大整形后，通过门电路，开启和关闭计数器，计数器对基准脉冲计数，计得的脉冲数目就代表所要测的飞行时间。

脉冲飞行时间的测量关键在于对回波信号的正确处理，其时间测量技术主要在于：采用时刻鉴别法判定计时点，时间间隔测量法测量主波和回波的时间间隔，模数转换技术提高测量精度、减小计时误差。

本文设计的时间测量电路由光电探测电路、放大电路、阈值电路、门电路、LED显示电路、单片机主控制电路构成。

各模块电路采用集成芯片，LED动态扫描显示，测时精度为1us。

关键词:单片机；脉冲激光测距；脉冲飞行时间；计数器；LED动态扫描ABSTRACTPulse flight time measurement method was the key technique that the pulse laser measured the distance, which was made use of in laser to measure to be apart from extensively. The pulse laser measuring the distance that passed to measure time interval between transmiting (main wave) and then receiving (reflection) , so the distance of the space object could be known. Both of main wave and reflecting wave were received by the photoelectric detector, then passed an electric circuit after enlarging again orthopedics to open and close to a count-machine , and a count-machine to count to the basis pulse, which was accounted of the pulse number which was the flight time. The key of the flight time measurement was the right processing of the reflecting wave, and its time measurement technique mainly lay in:Adopting time distinguishing judged to time point, time interval measurement measure between main wave and reflecting wave's interval, analog signals and digital signals conversion technique improved measuring accuracy and reduced the error of the measuring time. Time measurement circuit include the the photoelectric detecting circuit,enlarging circuit, the doorsill circuit,Logic circuit,LED circuit,Microcontroller active control circuit.Each mold circuit adopted integration chip, and the LED dynamic scan and manifestation, while measuring accuracy is 1us.Keyword:Microcontroller;The pulse laser measuring distance;the pulse flight time; the count-machine; the LED dynamic scan目录摘要 (I)ABSTRACT.................................................................................................................................... I I 第一章绪论 (1)第二章脉冲激光飞行时间测量的技术研究 (3)2.1 时间间隔测量方法 (3)2.2 时刻鉴别方法 (4)2.3 模数转换技术在时间测量中的应用 (6)第三章测量电路设计方案 (7)第四章飞行时间测量电路硬件设计 (10)4.1 光电探测器电路 (10)4.2 放大电路 (12)4.3 阈值电路 (13)4.4 门电路 (14)4.5 LED显示电路 (15)4.6 单片机主控制电路 (18)第五章飞行时间测量电路软件设计 (21)5.1 主程序流程设计 (21)5.2 计数模块 (23)5.3 中断服务程序 (24)5.4 动态显示 (25)参考文献 (27)致谢..................................................................................................... 错误!未定义书签。

固定翼时间域航空电磁勘查系统研发进展

固定翼时间域航空电磁勘查系统研发进展胡平;李文杰;李军峰;孟庆敏;王绪本;陈晓东;刘莹莹【摘要】基于国产Y12IV型轻型固定翼飞机平台,开展了专用飞机改装、大磁矩发射、三分量接收、海量数据实时收录等关键技术攻关,研制了具有完全自主知识产权的固定翼时间域航空电磁勘查系统样机;成功开展了半航空试验试飞,系统样机功能、性能等达到了世界先进水平.固定翼时间域航空电磁勘查系统研发取得关键进展.%This paper expounds the advances in the development of a novel prototype fixed-wing airborne time-domain electromagnetic system, including the research progress of the aircraft modification, high power transmitting, multi-component receiving, and real-time data logging. A semi-airborne field test on the ground transmitting and onboard receiving was carried out, and the result achieved the anticipated goal. Some of the key features of the FTEM system prototype have reached world advanced levels.【期刊名称】《地球学报》【年(卷),期】2012(033)001【总页数】6页(P7-12)【关键词】时间域航空电磁法;发射磁矩;多分量接收;飞机改装;半航空试验【作者】胡平;李文杰;李军峰;孟庆敏;王绪本;陈晓东;刘莹莹【作者单位】中国地质科学院地球物理地球化学勘查研究所,河北廊坊065000;中国地质科学院地球物理地球化学勘查研究所,河北廊坊065000;中国地质科学院地球物理地球化学勘查研究所,河北廊坊065000;中国地质科学院地球物理地球化学勘查研究所,河北廊坊065000;成都理工大学,四川成都610059;中国地质科学院地球物理地球化学勘查研究所,河北廊坊065000;中国地质科学院地球物理地球化学勘查研究所,河北廊坊065000【正文语种】中文【中图分类】P631.325;P631.326固定翼时间域航空电磁法(Fixed-wing Airborne Time-domain Electromagnetic Methods,缩写为FTEM)具有探测深度大、测量精度高的技术特点,是我国急需的快速高效的大深度矿产勘查装备技术。

5G基站纳秒级时间同步技术分析

通信网络技术基站纳秒级时间同步技术分析高衡，王显，郑硕超（三维通信股份有限公司，浙江杭州网络中，各个基站之间需要精确的时间同步，以确保网络正常运行和提供高质量的服务。

因此，需要纳秒级时间同步技术，保证数据可以进行准确的传递，并且不会出现时间上的差异。

文章总结了基站纳米级时间同步的关键技术，分别是信号传输技术、信号测量技术及信号网络的性能和可靠性，使5G基站；纳秒级时间同步；信号调节Analysis of Nanosecond Time Synchronization Technology for 5G Base StationsGAO Heng, WANG Xian, ZHENG Shuochao(Sunwave Communications Co., Ltd., HangzhouG networks, precise time synchronization is required between base stations to ensure the normalhigh-quality services. This requires球导航卫星的定时功能是至关重要的一环。

这项技GLONASS、等）提供的定时信号，以确保基站之间的高精1所示，通过分析全球导航系统，可以找出最优的定时基站使用全球卫星导航系统的信号，这些系统由一系列卫星组成，通过向地面发送定时信号来提供全球范围的导航和定位服务。

基站需要将来自卫星系统的定时信号转化为纳米级别的时间同步，要求基站具备高度精密的时钟同步技术，以确保信号的准确传输和接收。

为保持信号的精度，基站使用先进的信号传输技术，通过适应性调整以应对信号传输应基站之间可能存在的时延差异，从而实现更精确的时间同步。

为进一步优化基站的时间同步，卫星可能会发送辅助的定时信号，帮助基站更精确地校准其本地时钟。

同步卫星双向定时技术在间同步中的意义在于可以实现双向的时间信息传递，使基站和卫星之间能够共同调整地优化时间同步。

高精度时间间隔测量系统

ｓｙｎｃｏｚｔ０ｓｓｔｍｓｈｒｎｉａｉｎｙｅ．Ｔｈｅｅｕｔｈｏｗｓｈｔｈｅｒｓｌｓｔａｔｍｅｓｅｅａｃｕｒｃｙｔｅｙｔｍｉ１ｓ，ｔｒｓｌｔｏｉａｕｒｍｎｔｃａｏｆｈｓｓｅｓｎｈｅｅｏｕｉｎｓ１２５ｐｓ，ａｈｅｍｅｓｅｅａｎｄｔａｕｒｍｎｔｒｎｇｅｉ～９．ｓ１ｎｓ９９Ｓ
ＸｉｎｎｇＹａ（ｔｎｌＴｉｅｖｃｎｅＮａｉａｍｅＳｒｉｅＣｅｔｒ，ＣｈｉｅｅＡｃｄｍｙｏｉｎｅ，Ｘｉｎ７００）ｏｎｓａｅｆＳｃｅｃｓ ’ １６０ａ
ＡｂｔａｔＴｉｅｉｅｖａｅｓｅｅｓｉｅｙｉｐｏｔｎｔｉｉｅｓｎｃｏｚｔｏｎｓｔｍｓｓｒｃ：ｍｎｔｒｌｍａｕｒｍｎｔｓｖｒｍｒａｎｔｍｙｈｒｎｉａｉｙｓｅ．Ｔｈｉｒｉｌｓｒｂｓｉｅｓａｔｃｅｄｅｃｉｅａｔｍ
ＣＵ模块的主要功能是接收和处理数据，现时间间隔测Ｐ实量系统与其他器件的通信，制整个系统的工作时序；控时
时间频率系统中时间同步一直都是一个被广泛关注
的问题，时间间隔的测量又是时间同步中非常关键的部而
也相对比较昂贵。因此，制一种专门用于时间同步系统研的时间间隔测量系统就显得很有必要。

基于延时复用技术的短时间间隔测量方法

基于延时复用技术的短时间间隔测量方法杜保强;周渭【摘要】提出了一种基于延时复用技术的新的短时间间隔测量方法.根据基于时-空关系的时间间隔测量原理,将若干延时单元组成延迟链.延迟链的输出被反馈到系统输入端并与输入信号进行单稳态触发逻辑判断,判断结果被重新送回到重合检测电路中去,实现一个延迟链可以多次重复使用的循环检测,扩展了基于时-空关系的时间间隔测量范围,提高了测量系统的稳定性.实验和分析结果表明了该方法的科学性和先进性,其测量分辨率可达到100皮秒至10皮秒量级.结合现场可编程门阵列(FPGA)片上技术,新方案设计的测量系统具有结构简单、成本低廉的优点.【期刊名称】《天津大学学报》【年(卷),期】2010(043)001【总页数】7页(P77-83)【关键词】时-空关系;短时间间隔;延时复用;循环检测;误差分析【作者】杜保强;周渭【作者单位】西安电子科技大学测最与仪器系,西安,710071;河南职业技术学院信息工程系,郑州,450046;西安电子科技大学测最与仪器系,西安,710071【正文语种】中文【中图分类】TM935.15随着航空航天、激光测距、精密定位、粒子飞行探测及其他高科技领域的技术发展，对时间间隔尤其是短时间间隔的测量精度提出了更高要求．高精度的时间间隔测量方法有基于模拟时间扩展的计数法、基于模/数(analog-to-digital，AD)变换器的模拟时间-幅度转换法、基于冲激振荡器的时间游标法、抽头延迟线法和差分延迟线法等[1]．时间扩展计数法采用模拟内插技术，使所测时间间隔相对大小缩小1,000倍，计数器分辨力提高了3个量级，但存在±1个计数误差，转换时间长，非线性度大，不常使用.时间-幅度转换法利用现代高速ADC，结合离散器件可达到1～20,ps的分辨力，若采用专用集成电路(application specific integrated circuit，ASIC)替代离散器件且与发射极耦合逻辑(emitter coupled logic，ECL)电路配合使用，可使精度达到10 ps，但这种方法模拟部分难以集成，非线性难以消除；SR620就是用该法实现了最高达20,ps的测量分辨力.时间游标法是一种以时间测量为基础的计数方法，类似于机械游标卡尺的原理，其测量关键在于能较为准确地测出整周期数外的零头或尾数，以提高时间的分辨力和准确度，避免了±1个计数误差，但这种方法需要高稳定度的可启动振荡器和高精度的重合检测电路，制作调试技术难度大、造价高，且受抖动的影响，转换时间长，制作工艺复杂.抽头延迟线法是由一组延迟单元组成，理论上这组延迟单元传播时延相等，而时间间隔的测量是通过关门信号对开门信号在延迟线中的传播进行采样实现的；这种方法分辨力较高，且实现线路简单，易于集成在数字电路上，可与锁相环(phase locked loop，PLL)或延时锁相环(delay locked loop，DLL)配合实现高精度测量．商用HP5371A就采用该结构，其分辨力达到200,ps，此结构若在现场可编程门阵列(field-programmable gate array，FPGA)中实现，其分辨力为100,ps.差分延迟线法是在抽头延迟线法的基础上发展而来的，采用互补金属氧化物半导体(complementary metal oxide semiconductor，CMOS) FPGA的差分延迟线法可以实现200,ps的分辨力和43,s的量程，有的还可以达到100,ps的分辨力，若采用0.7,μm CMOS工艺的ASIC，可以实现30,ps的分辨力[2-3]．这种测量方法分辨力最高，易于集成在数字电路上，但结构比抽头延迟线法复杂.近年发展起来的基于时空关系的时间间隔测量方法也能达到10皮秒级至皮秒级的超高测量分辨力，但测量范围很窄[4]．针对以上几种测量方法的优缺点，笔者提出了一种基于延时复用技术的新的短时间间隔测量方法．新方法不仅巧妙地解决了传统时间间隔测量中存在的±1个计数误差问题及高分辨力与窄测量范围之间的矛盾，而且简化了电路结构，降低了成本．电磁波信号在导线中的传输速度具有高度的准确性和稳定性，这是自然界中物质存在的固有方式．大量实验表明，信号在传输导线中的传输速度约为2×108,m/s，那么纳秒和皮秒在导线中的传输延迟分别为20,cm和0.2,mm，这是比较容易处理的长度段[5]．根据这一自然现象，对时间量的测量就可以转化为对长度量的测量，其原理如图1所示．将开门信号和关门信号整形为窄脉冲后，分别送入双路延迟线．开门一路延时单元DL1在长度上略大于关门一路的延时单元DL2，它们之间微差的大小取决于要达到的测量分辨力．延迟线末端匹配电阻是为了防止信号在延迟线中反射传播．根据时空对应关系，两路延时单元在长度上的微差就体现了在传输延迟时间上的相位差，这样被延时的开门信号将与关门信号发生重合．此时在每个延时单元处设置相位重合检测电路，将重合信息送入译码器，通过译码器就可以得到被测短时间间隔[6-7]．这种测量原理的关键在于能准确测出少于一个延时单元的时间，当延时单元的长度差设置在毫米级或亚毫米级时，能够达到10皮秒级至皮秒级的测量分辨力．由图1可知，如果双路延时单元的相位差为PD，被测时间间隔为tx，那么开门信号经过n个PD的延迟后将与关门信号发生重合；通过对重合信号检测点的取样，则可知道此时开门信号经过了几级延时单元．根据发生重合时所经过的延迟级数就可以计算出被测时间间隔tx= nPD．这里，相位差PD是根据信号传输速度、被测时间间隔的范围及测量要达到的分辨力来确定的．其工作波形如图2所示．基于时-空关系的时间间隔测量方法，由于它的延时单元是无源的，所以噪声小，功耗低[8-9]．但这也同时带来了一个缺点，就是驱动器的负载重，并且每个延时单元后面需要加一个重合检测电路，这意味着分辨力越高，负载越重[10]．为了解决这一问题，系统采用了插入缓冲器的方法在小范围内扩大量程范围．每隔一定数量的延时单元，在开门一路和关门一路分别插入相同的缓冲器，对衰减的信号进行限幅放大，使其能够驱动后级的延时单元．2.1 新方案设计由图1可知，基于时-空关系的时间间隔测量系统虽然具有极高的测量分辨力，但测量范围却很窄．若想进一步扩展测量范围，则必须增加延迟单元的个数并插入大量的检测器和缓冲器．随着延迟单元个数的增加，传输线中存在的各种损耗也随之增加，信号在传输线中衰减；而且大量重合检测电路的引入，使得电路的负载很重，且分辨力越高，需要的重合检测电路就越多，最后导致电路无法正常工作．为了使电路能继续正常工作，系统在双延时电路中插入了相同的缓冲器，使信号在缓冲器的作用下得到放大，增强了驱动能力，扩大了测量范围．但缓冲器的引入不是无限制的．因为缓冲器的引入会给电路带来很大的噪声，增大了开门信号和关门信号的边沿抖动性，最终导致系统的重合检测性能极不稳定．因此，基于时-空关系的时间间隔测量系统仅适用于小范围的测量．针对分辨力和测量范围之间的矛盾，系统采用了一种基于延时复用技术的新的测量方案.新方案主要由延迟链模块、单稳触发及计数模块、重合检测模块、锁存译码模块(针对重合检测)、计数锁存模块、附加延时修正模块及数据处理模块组成，如图3所示．根据图3所示方案，将若干延时单元组成延迟链，将延迟链的输出信号反馈到系统输入端，与原始输入信号一起经过一个单稳态触发逻辑判断；判断结果被重新送回到重合检测电路中去，实现一个延迟链可以多次复用的循环检测，从而将它的测量范围扩展到原来的N倍．其中每循环1次，就会产生1个计数脉冲，单稳态触发逻辑内部计数器的输出就会自动加1．这样若计数器输出为N，则被测短时间间隔的大小为式中： N为计数器输出可达到的最大值；T为差分延时链的测量范围；m为延时链最后一次循环中重合检测电路检测到的重合单元个数；τ为开始信号经过的每个延时单元的延时时间，即系统的测量分辨力．2.2 整形和控制电路整形电路采用施密特触发器，将输入信号整形为脉冲信号，要求脉冲的上升沿达到1,ns级，且抖动小于50,ps．无源延时链的分辨力为250,ps，测量范围为5,ns.要扩展这一延时链的测量范围，计数器部分采用频率至少为200,MHz的时钟，主要用于扩大测量范围至毫秒级，FPGA芯片经过PLL倍频后可以满足这一要求[11-12]．控制电路采用单片机89C52控制，在将重合检测信息传送到单片机之前，需要电平转换电路将工作电平由ECL电平转换至晶体管-晶体管逻辑(transister-transister-logic，TTL) 电路电平，然后单片机将数据解码、处理之后，交由显示单元显示，后者通过RS-232接口将测试数据传输到PC上位机，也可以接受上位机的控制命令．2.3 附加延时电路和DLL附加延时修正模块的主要作用是为了抵消开门信号在传输过程中的附加延时，消除系统误差，保持开始信号和关门信号之间的时间关系不变，提高测量精度．这里采用延时链和分压延迟相结合的方法来实现延时修正．延时链主要是由FPGA中的基本延时单元组成，原理和开门信号经过的延迟模块相同，它主要用于对附加延时的粗调.这里开门信号的主要附加延迟为开门信号触发单稳触发模块时与时钟不同步的延时误差；分压延迟主要采用电阻的分压比来实现延迟的细调，其电路原理及波形原理分别如图4和图5所示，输入信号为Vi，输出信号为Vo，则Vo的电压值始终为ViR2/(R1+R2)．由于Vo=ViR2/(R1+R2)，则Vo始终小于Vi，当Vi到达触发电平时，Vo需要经过td时间后，才能到达触发电平，所以相当于Vo的上升沿到来的时间比Vi要滞后td．根据这个原理，可以通过改变电位器R2的阻值来改变延时量．理论上分压可调延迟电路调节延迟量的范围为0～∞，延迟量由R1/R2的值来决定．在本系统中，此电路是用于微调关门信号的延迟量，来补偿开门信号的附加延迟，所以R1应远小于R2．实验表明，R1取100,Ω，R2取10,kΩ时比较合适；而且使用分压可调延迟电路在修正关门信号延迟量的同时，对关门信号上升沿的陡峭程度影响不大．当然，分压可调延迟电路当R1/R2的值固定时，其延迟量还受到输入信号的电压上升率的影响．考虑到延迟链中每段延时线在长度上的不均匀性和由此带来的非线性测量误差，系统在每个延时单元上附加了延时锁相环DLL——锁时环，以保证信号在传输过程中的时延稳定性[13]．延时锁相环DLL是锁相环PLL的另一种形式，它与传统PLL的不同之处在于它用压控延时线电压控制延迟线路(voltage control delay line，VCDL)代替传统PLL中的压控振荡器(voltage-controlled oscillator，VCO)电路并且不需要分频器电路，如图6所示．压控延迟模块VCDL是DLL中的一个关键部分，其结构如图7所示．一个理想的输出延迟时间应该和控制电压呈线性关系．由图7可以看出，m5、m7与m6、m8组成主延迟单元，ml、m2和m3、m4分别构成镜像电流源，为延迟单元提供电流；而m9和m12控制延时参数大小，整个电路有良好的线性．DLL中另一个部分是鉴相器和电荷泵，主要功能是将延时信号与参考信号对比，得到其相位差信息．电荷泵再将该相位差转换为误差电压信号，控制延时单元调整延时，使得延时线的总延时与参考信号的周期相等．DLL电路主要是用来将量程由纳秒级扩展到百纳秒级，且要保证延时单元的延时准确性和稳定性[14]．2.4 单稳态触发及计数电路图8为单稳态触发及计数的集成电路部分．其中Clk为系统时钟，选为200,MHz，用来控制开门_输出信号的脉宽及周期，使其等于延时链的延时范围；Start和Stop信号分别为待测时间间隔的开门和关门信号；Reset为系统的全局复位信号；Start_Feedback为延时链的输出反馈信号；Start_Out为开门信号经过单稳触发模块后输入到延时链中的开门信号；Count_Out为开门信号在延时链中的循环次数计数器的输出．集成电路的单稳触发部分，每一个开门信号或者延时链的输出反馈信号上升沿都会触发输出一定脉宽的脉冲信号，要求脉冲信号的周期等于延时链的总延时长度，目的是为了重合检测时易于判断相位重合点及译码的方便，因此输出脉冲的低电平时间也要受到控制，防止出现系统测量误差．集成电路的计数部分，在关门信号到来之前，每来一个延时链的输出反馈信号，计数器输出就加1，直到关门信号到来之后，才停止计数．计数值即为开门信号在延时链中的循环次数，同时锁存重合检测电路的输出，以此计算得到在延时链中不足一圈的那部分时间间隔的大小，最后计算得到所测时间间隔大小．2.5 新方案的FPGA实现基于FPGA的时间间隔测量系统实现框图如图9所示．基于对系统测量速度、功耗、体积、成本及可靠性方面的考虑，系统在具体实现上采用了FPGA集成电路，即将延迟链模块、单稳触发及计数模块、重合检测模块、锁存译码模块、计数锁存模块、附加延时修正模块及数据处理模块等逻辑电路全部集中在FPGA芯片上，使各部分达到最佳优越性能[15]．开门信号和关门信号经整形后被送往FPGA，微控制单元(micro controller unit，MCU)从FPGA中采集数据并进行处理，最后计算结果在液晶显示器(liquid crystal display，LCD)上显示出来．至此，基于延时复用技术的FPGA实现方案不仅巧妙地解决了高分辨力与窄测量范围之间的矛盾，而且还简化了电路结构，同时系统的稳定性也得到了极大提高．目前，基于图9的时间间隔测量系统已研制出样机，经实际测试能够达到10皮秒级至皮秒级的分辨力．3.1 测量实验根据图3所设计的时间间隔测量方案，具体在FPGA中实现．在参考频率为200 MHz的情况下，若设置测量分辨力为20,ps，则最大测量误差为20,ps，其测量精度为2.5,ps．在FPGA中通过计数器和参考频率产生一系列时间间隔，分别与HP5370B所测时间间隔进行比较，其测试结果如表1所示．从表1可以看出，HP5370B与新测量系统的比较结果存在的最大误差是20,ps.分析其误差原因，主要是新系统延时单元的不均匀性所形成的非线性累积误差造成的，此外还有随机误差．对于系统误差和非线性误差，可通过软件修正的方法对测试结果进行修正，从而提高系统的测量精度．3.2 误差分析3.2.1 延迟线的延时误差由于延时导线的不均匀性会导致延时单元误差σ，并且随着延时单元的增加，造成非线性累积误差[16]INLDNLσ．通过对重合检测电路临界点的观察，得出各个延时单元的延时．非线性累积误差状况如图10所示，测量结果的均方值为8.6 ps．3.2.2 量化误差量化误差是系统在时间数字化过程中产生的误差[17]，如图11所示．由图可知，若被测时间间隔为tx，在测试过程中，可能得到2个结果tx1或tx2，其中tx1≤tx2，且tx≤tx2=tx1+Δt，Δt为测量分辨力，其不确定度为ε1和ε2．于是，由量化产生的随机误差可以用二项分布的标准差来表示，即式中：p为xt取值为2xt的概率；1p-表示xt取值为1xt的概率．由此可知，当0.5p=时，系统的最大量化误差为/2tσ=Δ．若对式(2)在01p≤≤范围内进行积分，便可以得到平均标准偏差利用多次测量平均的方法可以减小量化误差．当测量次数为M次时，平均标准偏差为按式(4)计算，量化误差测量结果为102 ps．3.2.3 随机误差随机误差主要是内部噪声和外部噪声所引起的触发误差造成的．内部噪声主要是时钟相位噪声和电源噪声等．外部噪声主要是电路之间的干扰造成的，必须有耦合路径才可能出现外部干扰，包括传导耦合、容性耦合和感性耦合．容性耦合是由于两个导体之间的电场引起的，而感性耦合是由于电流变化引起磁场变化造成的．3.2.4 重合检测电路带来的误差这种误差主要表现在重合检测电路本身重合检测存在的误差和不同重合检测电路的离散性造成的误差．在实际测量中，延时开门信号和关门信号的上升沿之间并非严格重合而是存在一个微小时间差Δt′，如图12所示．由于重合检测电路的性能受到多种因素的影响，如噪声、失配等，于是两个相同结构的重合检测电路之间也存在差异．所以，这个差异应该是Δt′±δ，其中δ为重合检测电路检测的误差，Δt′则可以理解为系统误差[18]．重合检测的误差是影响测量不确定度的主要因素之一，它主要由脉冲信号上升沿的稳定性和重合检测电路的噪声性能所决定．3.2.5 软件修正软件修正就是根据多次测量的结果，建立一个误差修正值的查找表，将其存储在内存中．然后在实际的测量中，通过查找表中预先设定的修正值，可以对测试结果的系统误差和非线性误差进行修正，从而改善系统的精度．基于时-空关系的时间间隔测量系统具有极高的测量分辨力，它是以电磁信号在导线中传输的时延稳定性这一自然现象为基础的新的测量原理和方法，它能测出少于1个延时单元的时间，但其测量范围很窄，因而限制了它的广泛应用．为了进一步扩展其测量范围和完善这种全新的理论，笔者提出了一种基于延时复用的时间间隔测量方法．这种方法利用反馈和单稳触发逻辑判断技术，实现了一个延迟链可以重复使用的循环检测，不仅扩展了其测量范围，通过对测量误差的硬件补偿和软件修正，其测量分辨力和测量精度也得到了进一步提高．改善后的实际测试结果表明，新方法所能达到的测量分辨力为37 ps，测量精度为23 ps，这和理论分析的所能达到皮秒量级的测量分辨力和精度是一致的．由于系统在具体实现上采用了FPGA，并在传输路径上附加了锁时环，因而大大简化了电路结构，降低了成本．随着微电子技术的发展，这种新技术将有可能对现代时频测控技术的进一步发展具有一定的推动作用．【相关文献】［1］王海，周渭，宣宗强，等. 一种新的时间间隔测量方法[J]. 西安电子科技大学学报，2008，35(2)：267-271.Wang Hai，Zhou Wei，Xuan Zongqiang，et al. Novel short time interval measurement method[J]. Journal of Xidian University，2008，35(2)：267-271(in Chinese).［2］周晓平. 导航定位中高分辨率的时间处理技术的研究[D]. 西安：西安电子科技大学机电工程学院，2009.Zhou Xiaoping. Research on the High Resolution TimeProcessing Technology in Navigation Positioning[D]. Xi’an：School of Mechano-Electronic Engineering，Xidian University，2009(in Chinese).［3］李琳. 基于时-空关系的时间间隔测量[D]. 西安：西安电子科技大学机电工程学院，2008.Li Lin. Time Interval Measurement Based on Time-Space Relationship[D]. Xi’an：Schoolof Mechano-Electronic Engineering，Xidian University，2008(in Chinese).［4］ Li Lin，Zhou Wei. A time-to-digital converter based on time-space relationship [C]//2007 IEEE Frequency Control Symposium. Geneva，Switzerland，2007：815-819. ［5］ Zhou Wei. A time interval measurement technique based on time-space relationship processing[C]//2006 IEEE Frequency Control Symposium. Honolulu，HI，2006：260-266.［6］偶晓娟，周渭. 基于时-空关系的时间间隔与频率测量方法研究[J]. 仪器仪表学报，2006(4)：36-39.Ou Xiaojuan，Zhou Wei. Reasearch on the method of time interval and frequency measurement based on the relationship of time-space[J]. Chinese Journal of Scientific Instrument，2006(4)：36-39(in Chinese).［7］伏全海，周渭. 基于CPLD的时间间隔测量仪[J].计量技术，2004(7)：5-8.Fu Quanhai，Zhou Wei. Time interval measurement instrument based on CPLD[J].Measurement Technique，2004(7)：5-8(in Chinese).［8］江玉洁，周渭. 新型频率测量方法的研究[J]. 仪器仪表学报，2004，25(1)：30-33.Jiang Yujie，Zhou Wei. A study of new methods about frequency measurement[J]. Chinese Journal of Scientific Instrument，2004，25(1)：30-33(in Chinese).［9］周渭. 基于时空和时相关系的时频处理方法[J].宇航计测技术，2007(增)：72-77.Zhou Wei. Time and frequency processing methods based on time-space and time-phase relationships[J]. Journal of Stronautic Metrology and Measurement，2007(Suppl)：72-77(in Chinese).［10］李君雅. 基于无源和有源延迟链的频率时间测量方法及研究[D]. 西安：西安电子科技大学机电工程学院，2009.Li Junya. Frequency and Time Measurement Method and Study Based on Passive and Active Delay Chain[D]. Xi’an：School of Mechano-Electronic Engineering，Xidian University，2009(in Chinese).［11］ Zhou Hui，Zhou Wei. A time and frequency measurement technique based on length vernier [C]//2006 IEEE Frequency Control Symposium. Honolulu，HI，2006：267-272.［12］ Kalisz J. Review of methods for time interval measurements with picosecond resolution [J].Metrologia，2004，41(1)：17-32.［13］ Xie Dingkai，Zhang Qichao，Qi Gaosun，et al. Cascading delay line TDC with 75 ps resolution and a reduced number of delay cells[J]. Review of Scientific Instruments，2005，76：240-246.［14］偶晓娟. 皮秒级时频处理原理及电领域传输速度异常现象研究[D]. 西安：西安电子科技大学机电工程学院，2007.Ou Xiaojuan. Study on Time-Frequency Processing Theory with ps Resolution and Abnormal Phenomenon of Transfer Speed in Electronic Field[D]. Xi’an：School of Mechano-Electronic Engineering，Xidian University，2007(in Chinese).［15］王海. 精密时频测量和控制技术研究[D]. 西安：西安电子科技大学机电工程学院，2007. Wang Hai. Researches on High-Accuracy Measurement and Control Techniques for Time-Frequency[D]. Xi’an：School of Mechano-Electronic Engineering，Xidian University，2007(in Chinese).［16］ Szplet R，Kalisz J，Szymanowski R. Interpolating time counter with 100 ps resolution on a single FPGA device[J]. IEEE Transactions on Instrumentation and Measurement，2000，49：879-882.［17］ Kalisz J，Pawlowski M，Pelka R. Error analysis and design of the nutt time-interval digitizer with picosecond resolution[J]. J Phys E：Sci Instrum，2007，20：1330-1341. ［18］ Jansson J P，Mantyniemi A，Kostamovaara J. A CMOS time-to-digital converterwith better than 10 ps singleshot precision[J]. IEEE Journal of Solid-State Circuit，2006，41：1286-1296.。

航空瞬变电磁

航空瞬变电磁（ATEM）响应中IP效应研究进展航空瞬变电磁法（Airborne Transient Electromagnetic，简称ATEM），又称时间域航空电磁法（Time-Domain Airborne Electromagnetic）属于航空电磁法的一种。

目前，方法已在国外被广泛应用于地质填图、矿产勘查、水文地质监测等领域。

具有如下几个特点：成本低、效率高和地形适应性强。

该方法特别适合大面积的普查工作，并且能够在地面难以进入的恶劣环境如森林、沙漠、沼泽、湖泊等地区开展地球物理测量工作。

航空电磁探测的根本目的是通过对测量的电磁场数据的分析来判断地下导电、导磁介质的分布状况。

因此，与地面的电磁法探测一样，航空电磁数据处理解释是一项相当重要的研究工作，同时，这也是一项非常复杂的工作，尤其是大规模测量数据的成像和反演。

目前，国内航空电磁法数值正演（研究特定地下电磁介质模型的电磁响应）和反演成像方面已经有了一些初步的研究，但是在时间域航空电磁法成像和反演解释方面，由于理论相对复杂，这方面的研究成果相对较少，主要集中在二维、三维正演模拟和一维反演与定性解释。

而在国外，因为技术相对成熟，研究的热点集中于三维正演和三维反演解释。

在数值模拟上，由于航空电磁法与其他的可控源电磁勘探方法釆用的技术方面没有实质性差异，区别只是在于测量装置、方式以及釆集参数方面。

尽管各类电磁法存在着这些差异，但不论釆用何种源与接受装置，经典电磁场所满足的方程组始终不变。

从数值方法求解方程组的角度出发，而不是局限于某一种具体的电磁勘探方法讨论，可能会更好地反映电磁场数值模拟（包括正演计算和反演成像）的规律与挑战。

国际上对航空瞬变电磁数值模拟的研究开展较早，20世纪60年代就有学者研究了时间域的理论响应，并进行了相应的仿真研究，到90年代已经实现了二、三维的正演模拟。

国内航空瞬变电磁法的发展较早，但由于各种条件的限制发展缓慢。

近些年，随着国家对航空物探的重视，航空电磁法的理论研究和仪器开发研制等多项项目已被列入国家重大科研项目中。

应用模拟内插法实现纳秒级精度时间间隔测量

应用模拟内插法实现纳秒级精度时间间隔测量【摘要】随着科学技术的进步，对时间间隔测量要求的精度也越来越高。

传统的测量方法无法满足纳秒级精度的要求，因此需要应用模拟内插法实现纳秒级精度时间间隔测量。

本文将介绍模拟内插法的原理与实现方法，并提出一种基于模拟内插法的纳秒级精度时间间隔测量方案。

一、模拟内插法的原理模拟内插法是一种基于模拟器件的测量方法，通过对输入信号进行内插，将输入信号的时间分辨率提高到纳秒级别。

其原理如下：1.时钟信号的生成：通过参考时钟信号的生成器，产生一个稳定而精确的时钟信号。

2.输入信号的采样：通过采样器对输入信号进行采样，获得输入信号的时刻信息。

3.时钟信号与采样信号的比较：将输入信号与时钟信号进行比较，确定输入信号在时钟信号周期内的相位。

4.内插电路：通过模拟器件进行内插计算，将输入信号的时间分辨率提高到纳秒级别。

5.时间间隔的计算：根据内插的结果，计算出两个输入信号的时间间隔。

二、应用模拟内插法实现纳秒级精度时间间隔测量的步骤基于上述原理，可以实现纳秒级精度时间间隔测量，具体步骤如下：1.选择合适的参考时钟信号生成器，确保其输出的时钟信号稳定而精确。

2.设计合适的采样器电路，能够对输入信号进行实时采样，并获得时刻信息。

3.将采样得到的信号与时钟信号进行比较，确定输入信号在时钟信号周期内的相位。

4.设计合适的模拟内插电路，通过模拟器件对输入信号进行内插计算，提高时间分辨率到纳秒级别。

5.根据内插结果，计算出两个输入信号的时间间隔。

6.校准与误差处理：对系统进行校准，确保测量结果的准确性。

如果存在误差，进行误差分析与处理。

三、基于模拟内插法的纳秒级精度时间间隔测量方案基于上述步骤，可以提出一种基于模拟内插法的纳秒级精度时间间隔测量方案。

1.选择合适的参考时钟信号生成器，例如高频晶振或GPS接收器。

2.设计高速高精度的采样器电路，例如使用快速模数转换器（ADC）进行采样。

3.采用高速的比较器电路，将采样得到的信号与参考时钟信号进行比较。

PNT体系视角下卫星导航与不依赖卫星导航技术融合发展研究

一、前言时间和空间是宇宙万物运行的基本属性，现代社会运行对精准可靠的定位导航授时（PNT）信息高度依赖。

全球卫星导航系统（GNSS）以全天候、全天时、低成本的优势，成为当前社会运用最广泛的PNT手段，普及应用于交通运输、电力、金融等领域，转化催生了基于位置服务的新兴产业。

然而，随着经济社会、国防建设对卫星导航依赖度的不断加深，卫星导航信号弱、易被遮挡和干扰、不能覆盖室内/水下/深空等固有缺陷凸显。

整体上，统筹发展各类PNT技术弹性互备的综合PNT体系成为各方共识。

美国作为GNSS领域的“先行者〃，针对全球定位系统（GPS）面临的潜在威胁，着力构建国家综合PNT体系。

在将GPS作为国家PNT体系的基石，加强核心地位并提升系统安全性、可靠性的同时，积极发展不同物理机制、不同工作模式的不依赖卫星导航技术（以下简称不依赖技术），旨在促进多PNT手段融合应用，提升PNT体系的弹性及韧性；先后发布了国家PNT体系执行计划，全源导航定位、伪卫星导航、微自主PNT、随机信号导航等PNT新技术研究计划，基于GPS融合无线电PNT源、自主PNT系统以构建全球、区域、自主3层PNT体系计划，以多样化PNT系统提高关键基础设施韧性的国家PNT韧性提升研发计划，弹性PNT参考架构及PNT体系弹性概念功能等级。

我国在北斗卫星导航系统（北斗系统）全面建成及推广应用的基础上，就综合PNT体系展开了前瞻探索：论述了综合PNT体系、弹性PNT体系、智能PNT的基本概念，综合PNT、智能PNT关联的核心技术，综合PNT与微PNT的关系；提出了"5+1+N〃的综合PNT体系发展构想，基于北斗系统的国家综合PNT体系概念、建设目标及思路，形成了PNT体系弹性的指标分类、多源自主导航系统未来发展技术体系。

整体上，国内外关于PNT体系的已有研究分布在体系架构、基本概念、发展策略、核心技术方面。

PNT体系概念覆盖面宽、技术类别繁多，加之各类技术都有适用场景及局限性、对体系的贡献率存在差异性，在不同工程背景、约束条件下的相关体系建设思路与设计结果不尽相同。

基于时间数字转换技术的超短时间间隔测量

Ｃ接口，成ＴＩ完）Ｃ的控制和测量结果的当要求脉冲激光在近距离（米范围内）几进行高片机与ＴＤ读取与处理；）２可实现时间间隔最小到２ｎ的超短ｓ精度测距时，将会遇到纳秒级时间间隔测量的问题。
崔景霖，荣刚，马Fra bibliotek 明，颖郭
（西安机电信息研究所。陕西西安７０６）１０５
摘要：当要求脉冲激光在近距离（几米范围内）进行高精度测距时，将会遇到纳秒级超短时间间隔测量的问
题。采用时间数字转换技术（简称ＴＩ：实现了时间间隔最小到２ｎ的超短间隔的时间测量，能实现皮秒级Ｘ）ｓ并
Ｕｌｒ－ｈｒｎｔｒａｅｓｒｍｅｔＢａｅｎＴＤＣｃｎｉｅｔａｓｏｔＩｅｖｌＭａｕｅｎｓｄｏＴｅｈｑｕＣＵＩＪｎｑｉ，ｉｇｎＲ０ＮＧｎ，Ａｉｇ，ＧａｇＭＭｎＧＵｏｎＹｉｇ
的测量分辨率，解决了传统的脉冲计数法在超短时间间隔测量领域无法适用的问题，可应用于近距离下精确定
距或连续测距。
关键词：激光测距；超短时间间隔测量；时间数字转换中图分类号：Ｊ３．文献标志码：文章编号：０８１９｛０９０－１－４Ｔ４４２Ａ１０－１４２０｝４０９０－０
ｇｎｔｉｈｒａｅｉｗｈｎｓｏｔｒｎ．ｇｉｇ
Ｋｅｒｓ：ａｅａｇｎ；ｌａｓｏｔｉｔｒａｅｓｒｍｅｔＴＤＣｙｗｏｄｌｓｒｒｎｉｕｔ－ｈｒｎｅｖｌａｕｅｎ；ｇｒｍ

全球定位系统概述

1.什么是全球定位系统（GPS）全球定位系统（Global Positioning System - GPS）是美国从本世纪70年代开始研制，历时20年，耗资200亿美元，于1994年全面建成，具有在海、陆、空进行全方位实时三维导航与定位能力的新一代卫星导航与定位系统。

经近10年我国测绘等部门的使用表明，GPS以全天候、高精度、自动化、高效益等显著特点，赢得广大测绘工作者的信赖，并成功地应用于大地测量、工程测量、航空摄影测量、运载工具导航和管制、地壳运动监测、工程变形监测、资源勘察、地球动力学等多种学科，从而给测绘领域带来一场深刻的技术革命。

全球定位系统(Global Positioning System,缩写GPS)是美国第二代卫星导航系统。

是在子午仪卫星导航系统的基础上发展起来的，它采纳了子午仪系统的成功经验。

和子午仪系统一样，全球定位系统由空间部分、地面监控部分和用户接收机三大部分组成。

按目前的方案，全球定位系统的空间部分使用24颗高度约2.02万千米的卫星组成卫星星座。

21+3颗卫星均为近圆形轨道，运行周期约为11小时58分，分布在六个轨道面上（每轨道面四颗），轨道倾角为55度。

卫星的分布使得在全球的任何地方，任何时间都可观测到四颗以上的卫星，并能保持良好定位解算精度的几何图形（DOP）。

这就提供了在时间上连续的全球导航能力。

地面监控部分包括四个监控间、一个上行注入站和一个主控站。

监控站设有GPS用户接收机、原子钟、收集当地气象数据的传感器和进行数据初步处理的计算机。

监控站的主要任务是取得卫星观测数据并将这些数据传送至主控站。

主控站设在范登堡空军基地。

它对地面监控部实行全面控制。

主控站主要任务是收集各监控站对GPS卫星的全部观测数据，利用这些数据计算每颗GPS卫星的轨道和卫星钟改正值。

上行注入站也设在范登堡空军基地。

它的任务主要是在每颗卫星运行至上空时把这类导航数据及主控站的指令注入到卫星。

基于时间数字转换技术的超短时间间隔测量

～一一一一
４讨论
本文引入Ａｇｉｌｅｎｔ８１１１０Ａ码形发生器，即
所谓时间数字转换技术，其是一种基于信号和逻辑门电路绝对传输时间的新型时间间隔测量方法。时间数字转换技术测量时，被测短时间间隔开启信号穿过非门链，此时被测时间间隔结束信号会把各延时单位此刻的状态转存入配套的动态存储器内，而此状态信息会被数据预处理，再被传人单片机，最后经单片机处理后求出被测时间间隔。该技术测量时间间隔具有如下特点：时间值无需经Ｄ／Ａ转换而直接转换到数字码；ＴＤＣ与单片机接口可实现ＴＤＣ测量控制和ＴＤＣ测量结果的获取即处理；ＴＤＣ可完成２ｎｓ的超短时间间隔测量；ＴＤＣ测量具备６５ｐｓ的分辨率，即０．９８ｃｍ的单次测量精度。现就时间数字转换技术（ＴＤＣ）的具体计算做
ＴＤＣ的校准要求测量１个／２个参考时钟周期，且需把测量数据以ＣＡＬ１／ＣＡＬ２的形式存储到指定位置。此时，ＴＤＣ内部计算单元ＡＬｕ便可做相应的校准计算，其计算＝ＡＨＩＴ（ＣＡＬ２一ＣＡＬ１）
测距往往遭遏纳秒级超短时间间
和温度，需就ＴＤＣ做校准测量，而ＴＤＣ的校准测量多由ＴＤＣ内部的标定电路和锁相电路
完成。
３．５定５￣ＡＬＵ的计算方式
ＴＤＣ的脉冲信号输入通道包括ｓｔｏｐｔ／２通道和ｓｔａｒｔ通道，且可就任何两个通道信号间的时差做自由定义。较为常见的计算方式包括ｓｔｏｐ１・ｓｔａｒｔ和ｓｔｏｐ１一ｓｔｏｐ２，其中ｓｔｏｐＩｓｔａｔｒ为计算脉冲开始信号与停止信号问的时差；ｓｔｏｐ１一ｓｔｏｐ２计算方式的脉冲开始信号为ｓｔｏｐ２通道、脉冲停止信号为ｓｔｏｐＩ通道、触发信号为ｓｔａｒｔ通道（仅用作ＴＤＣ测量过程的启动）。后者可通过平均法实现测量精度的提高，但其输出频率较前者低。

基于fpga进位链的时间数字转换器设计

摘要I摘要时间数字转换器(Time-to-Digital Converter, TDC)是一种用来测量时间的电路，它将连续的时间信号转换为数字信号，从而实现时间测量的数字化。

它主要的应用包括飞行时间测量(Time-Of Flight, TOF)、正电子成像技术(Positron Emission Tomography, PET)、以及激光、雷达、示波器等多种科学和工程领域。

高精度TDC 电路的设计可分为全定制设计和基于FPGA 的半定制设计两种。

相对于全定制设计(Application Specific Integrated Circuit, ASIC)设计周期长和开发成本高等问题，基于FPGA 的TDC 电路设计具有灵活性高，开发周期短，成本低以及可移植性高等特点。

因此随着测量精度的要求不断提高以及FPGA 技术的发展，在FPGA 上设计高精度的时间间隔测量电路具有重要研究意义。

本文首先对TDC 的不同的设计方法进行了介绍与比较并综合考虑到Xilinx Virtex-5 FPGA 芯片内部结构和资源，确定了TDC 系统整体设计方案。

采用自顶向下的方式将TDC 主要分成了“粗”计数模块和“细”测量模块分别进行设计，“粗”计数模块由两个分别工作在上升沿和下降沿的普通二进制计数器实现；“细”测量模块都是由抽头延迟链、触发器阵列、温度计编码电路、校准电路构成。

抽头延迟链是由Virtex-5芯片中CARRY4级联而成，通常一个CARRY4可以引出四抽头(CO0, CO1, CO2, CO3），即4个延迟单元，但是CARRY4的超前进位特性引起的温度计码“冒泡”现象会造成编码电路更加复杂以及逻辑资源消耗更多，同时该结构的TDC 系统的积分非线性和微分非线性较大以及会出现“空道”的现象。

本文通过对CARRY4进行了优化设计，即每个CARRY4只引出了两个抽头(CO0, CO3)，从而消除了“冒泡”现象，使得优化后的TDC 编码速度更加的简单、资源消耗的更少。

量子通信中的精密时间测量技术研究共3篇

量子通信中的精密时间测量技术研究共3篇量子通信中的精密时间测量技术研究1量子通信中的精密时间测量技术研究量子通信作为近年来备受瞩目的领域，其安全性和快速性表现出了明显的优势，正在逐步走进实际应用。

在量子通信商用化的过程中，需要解决的重要问题之一就是如何实现高精度的时间测量技术。

这是因为在量子通信过程中，精度相应的时间比较短，一般在纳秒甚至更短的时间内，而只有实现了高精度的时间测量技术，才可以在量子通信中充分发挥其独具优势的作用。

在现有的时间测量技术中，最常用的方法就是光学计时方法。

这种方法主要依靠强光与被测物体的反射光进行比对，通过光路长度和相位的变化来测量时间。

但由于量子通信中的精度要求达到纳秒乃至更短的时间，因此现有的光学计时方法还远远不能满足要求。

为了实现更高精度的时间测量技术，近年来人们开始研究使用量子特性来进行时间测量。

量子特性具有超越经典物理的特殊性质，可以利用其特殊的量子态来对时间进行精确测量。

其中比较典型的方法包括利用光子间的纠缠态来进行时间测量，以及利用基于能级的原子钟来进行时间测量。

光子间的纠缠态是指两个光子之间存在一种特殊的量子关联，这种关联会在两个光子之间传递信息。

通过利用光子间的纠缠态来进行时间测量，可以在瞬间测量光子的到达时间。

利用量子测量原理，可以快速地获取精确的测量结果，从而实现精准时间测量。

但这种方法在实际应用中还存在着许多技术上的难点，比如纠缠态的制备和保持等问题。

基于原子钟的时间测量方法是通过记录原子之间的振荡周期来进行时间测量。

原子钟广泛用于时间标准制定和国际时间标准维护等领域。

在量子通信中，利用基于能级的原子钟实现高精度的时间测量也是一种可行的思路。

原子钟具有很高的精度和稳定性，而且还能够减小环境干扰。

但是，基于原子钟的时间测量方法通常需要制备精密的干净实验装置，这使得难度要比纠缠态方法更大。

除了上述方法外，还有基于超导量子干涉仪等新兴的量子测量技术，被用于量子通信中的时间测量。

基于飞行时间法的快中子成像方法及系统[发明专利]

专利名称：基于飞行时间法的快中子成像方法及系统
专利类型：发明专利
发明人：鲍杰,张艳萍,张奇玮,唐洪庆,周祖英,侯龙,阮锡超,聂阳波,刘世龙,王朝晖
申请号：CN201310166449.0
申请日：20130508
公开号：CN103245680A
公开日：
20130814
专利内容由知识产权出版社提供
摘要：本发明涉及快中子成像技术，具体涉及一种基于飞行时间法的快中子成像方法及系统。

该方法采用多块闪烁体单元组成闪烁体阵列，使闪烁体阵列与位置灵敏探测器进行耦合，将耦合后的整个探测器阵列设置在距离中子源较远位置，将样品设置在距离中子源较近位置，利用中子飞行时间方法进行测量，再利用符合方法剔除干扰因素得到每个闪烁体单元探测器上的有效计数，将各闪烁体单元探测器上的有效计数按阵列排列后得到是只有源中子起作用的二维图像。

本发明采用探测器阵列的设计方式，提高了探测效率；飞行时间法测量方式可以有效地去除样品散射中子、环境漫散射本底和γ本底，提高了信噪比。

申请人：中国原子能科学研究院
地址：102413 北京市房山区北京市275信箱65分箱
国籍：CN
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基于飞行时间法的纳秒量级时间间隔测量系统研制刘传军1,2,任琼英2(1.中国科学院研究生院　北京　100080;2.中国科学院空间科学与应用研究中心　北京　100080)摘　要:为了更好地探测空间等离子体成分,研究了一种基于飞行时间法的纳秒量级时间间隔测量系统,分别介绍了该系统的三个组成部分CPU 模块、时间间隔测量模块、数据传输模块。

并着重研究了纳秒量级时间间隔的测量方法,详细介绍了主要时间间隔测量芯片TDC 2GP1。

并对数据传输模块的设计做了简要说明。

实验结果表明,该测量系统的性能可满足探测需求。

关键词:飞行时间法;空间等离子体;时间间隔测量;TDC 2GP1中图分类号:TP23 文献标识码:B 文章编号:10042373X (2008)152127203Measurement of N anosecond Pulse B ased on Time 2of 2FlightL IU Chuanjun 1,2,REN Qiongying 2(1.Graduate School ,Chinese Academy of Sciences ,Beijing ,100080,China ;2.Center for Space Science and Applied Research ,Chinese Academy of Sciences ,Beijing ,100080,China )Abstract :To better explore the space plasma composition ,measurement system of nanosecond time interval based on the time 2of 2flight is studied.The main module for CPU ,time interval measurement and data transmission in this system are intro 2duced in this paper.The measurement method of nanosecond time interval ,the chip of TDC 2GP1are intraduced in a detail.The firmware and drivers of data transmission module are given as well.The result of experiment show that the measurement sys 2tem could meet the demands for space exploration.K eywords :time 2of 2flight ;space plasma ;time interval ;TDC 2GP1收稿日期:20082012031　引　言随着空间探测技术的发展,空间的等离子体成分探测显得越来越重要,尤其对现在正在进行的深空探测,如探月计划。

而空间等离子成分探测最主要的方法就是飞行时间法,既通过测量粒子飞过一定距离所需要的时间来鉴别粒子成分。

目前,国外在等离子体成分探测方面技术已经很成熟,如1984年AM P TE/IRM 上的超热离子电荷分析器[1];1996年FAST 上的飞行时间法能量角质谱仪(TEAMS ),Cluster Ⅱ上的离子成分和分布函数分析器(CODIF )。

然而在国内,该技术还刚刚处于起步阶段,存在很多难点,其中最关键的就是:快电子学技术,也就是说如何用电子学的方法测量出起始脉冲和停止脉冲之间的时间间隔,既粒子的飞行时间,约为纳秒量级,将是整个等离子成分探测器的关键。

也是目前国内离子成分探测中所面临的难题,为了能够探索出一种测量这种纳秒量级时间间隔的方法,首先必须模拟出来这种纳秒量级的时间信号,从而找出一种测量该时间间隔的最好方法。

本文将主要研究基于飞行时间法的纳秒量级时间间隔测量技术。

2　设计原理及系统组成纳秒量级时间间隔测量系统由CPU 模块、时间间隔测量模块、数据传输模块三部分组成,其逻辑框图如图1所示。

图1　时间间隔测量系统逻辑框图其中CPU 模块主要功能是模拟纳秒量级脉冲信号、接收时间间隔测量模块的数据、FIFO 缓存、发送数据到数据传输模块、控制数据传输模块的时序,是整个测量系统的前提和控制中心。

时间间隔测量模块主要用来测量纳秒量级的时间间隔,同时把时间信号转换为数字信号。

数据传输模块接收数据,并进行数据处理,同时将数据传输到PC 机。

PC 机用来存储数据,同时发送指令到数据传输模块。

721《现代电子技术》2008年第15期总第278期测试・测量・自动化　2.1　CPU模块该模块主要是由FP GA芯片、电源转换电路、时钟模块及配置电路组成。

其中最主要的部分为FP GA芯片,它是整个CPU模块的核心。

CPU模块的主要功能:(1)模拟纳秒量级脉冲信号[2]。

利用现有的技术方法模拟出来,时间间隔为纳秒量级的脉冲信号,为验证后续测量系统做准备。

(2)接收时间间隔测量模块的数据,将时间间隔测量模块数据存储到内部FIFO。

(3)FIFO缓存、发送数据到数据传输模块。

利用FP GA内部的逻辑门,通过编程实现2个4kB的FIFO,用于缓存数据,同时将数据发送到数据传输模块。

(4)控制测量模块和数据传输模块的时序。

作为整个测量系统的控制中心,为后续的测量模块和数据传输模块提供时序控制和读、写方式等。

其中模拟纳秒量级脉冲信号是整个CPU模块的关键,在本系统中,通过选用了Xilinx公司Virtex22系列FP GA,利用其内部的DCM(数字时钟管理器,Digit2 al Clock Manager)模块将时钟信号倍频到300M Hz左右,通过计数的方法来产生起始脉冲和停止脉冲,从而产生纳秒量级的时间间隔信号。

2.2　时间间隔测量模块时间间隔测量系统是整个电子学系统的关键。

它的性能的好坏直接决定着时间间隔测量系统的精度。

本测量方案选用了德国ACAM公司的高精度时间间隔测量芯片TDC2GP1。

该芯片采用44引脚TQ FP封装,具有TDC测量单元、16位算术逻辑单元、RL C测量单元及与8位处理器的接口单元4个主要功能模块。

其性能指标如下[3]:①双通道,250p s的分辨率或者单通道125p s的分辨率。

②每个通道可进行四次采样,排序则可达8次采样。

③两个通道的分辨率完全相同,双脉冲分辨率大约为15ns。

④有两个测量范围:3ns～716μs;60ns～200ms (有前置配器,只使用于单通道)。

⑤双通道的8个事件可以一个一个的任意测量,没有最小时间间隔限制。

⑥分辨率调整模式:通过软件对分辨率进行石英准确性调整。

⑦有四个端口用来测量电阻、电容和电感。

测量输入的边缘灵敏性是可调的。

⑧有效的内置16位运算器,测量结果可以被校准或者乘以一个24位的整数。

⑨运算器用于计算的时间是独立于外部时钟的,整个校准和乘法的时间大约为4μs。

⑩内部最多可存储4个校准值或者8个非校准测量值。

校准和控制时钟频率为500k Hz～35M Hz(高于100M Hz将用到内部的前置配器)。

工业温度范围为-40～+85℃;工作电压:217～515V;低功耗,可用电池驱动。

TDC2GP1提供了三种测量方式供用户选择,其具体参数和时序逻辑如下所示:(1)测量范围一GP1提供了两个测量通道,每个通道的分辨率是250p s,它基本的测量范围是15位。

两个通道具有完全相同的分辨率,共用一个STA R T信号和至多四个独立的STOP输入信号进行比较,最小时限为15ns。

STAR T和STO P信号必须持续215ns以上,否则芯片无法辨识。

STO P信号之间可进行相互的比较,无最小时限。

量程为3ns～716μs。

两个通道可进行排序,这样可使1通道允许8个脉冲输入,但通道2的STO P输入被忽略。

测量时序如图2所示。

图2　测量范围一的测量时序(2)测量范围二为进行大量程时间测量,芯片引入了一个16位的前置配器。

该模式下芯片只有通道1可用,正常精度模式下允许4个脉冲输入。

STOP信号之间不能相互比较,仅STOP与STSR T信号可进行比较。

最大量程60ns～200ms。

测量时序如图3所示。

图3　测量范围二的测量时序其测量原理如下:输入STA R T信号芯片内部迅速测量出这个信号与下一个校准时钟上升沿的时差t PC1,之后计数器开始工作,得到此前置配器的工作周期数period。

这时重新激活芯片内部测量单元,测量出输入821测控技术刘传军等:基于飞行时间法的纳秒量级时间间隔测量系统研制的STOP 信号的第一个脉冲上升沿与下一个校准时钟上升沿的时差t PC2,t PC3是STO P 信号的第二个脉冲上升沿与校准时钟上升沿的时差。

t cal1十一个校准时钟周期,t cal2是两个校准时钟周期。

根据图6可以得出STAR T 信号与STO P 信号第一个脉冲的时间间隔为:time =period ×(cc +t PC1-t PC2t cal2-t cal1)cc 表示前置配器的计数值。

(3)精度可调整模式在此模式下两通道数值有非常精确的校准环路,精度可以通过程序中的设置来调整,精度可调整模式不需要STAR T 信号。

因此最多只能通过通道1和通道2共引入8个STOP 输入,此时任意两个STOP 信号均可以进行比较,量程为3ns ～318μs ,但芯片耗电量比较大,大约为25mA 。

其测量时序如图4所示。

图4　精度可调模式的测量时序上述三种测量方式,各自都有自己的特点,适用于不同的条件,测量的分辨率也有很大不同。

在具体应用中,可以根据所测等离子体的能量范围和通道个数以及所要求的分辨率,来具体的选择适用哪种模式。

在该测量系统中,需要两个通道同时测量,而且需要大量程测量,所以选择测量范围一,具体的寄存器配置如下:Reg0:0x48;Reg1:0x4B ;Reg2:0x01;Reg3:0xXX ;Reg4:0x40;Reg5:0xXX ;Reg6:0x02;Reg7:0x01;Reg8:0x00;Reg9:0x00;Reg10:0x80。

2.3　数据传输模块该模块主要包括U SB2.0控制器(Cy7c680132128)、PC 机,以及驱动和固件程序等。

在整个测量系统中,为了更好的与PC 机进行通信,并获得很快的数据传输的速度,最终选用U SB 接口(Universal Serial Bus ),它是一种新的接口标准,有很多优点如即插即用、支持热插拔、传输速度快、可通过扩展连接多达127个U SB 设备等。

本设计选用的是Cyp ress 公司的EZ 2U SBFX2系列芯片中的C Y7C68013,这是一种带U SB 接口的单片机芯片,虽然采用低价的8051单片机,但仍然能获得很高的速度。