星载激光测距仪的高精度时间间隔测量单元_图文(精)

第34卷第10期2007年10月

中国激光

CHIN ESE JOU RNA L OF LA SERS

V ol. 34, No. 10

O cto ber , 2007

05 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

1

1, 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 A

High Accuracy Time Interval Unit for Spaceborne Laser Range Finder

LEI Lin jun

1

2

1, 2

, YANG Yan , CH EN Wei biao

11

Shanghai I nstitute of Op tics and Fine M echanics , T he Chinese A cad emy of S ciences , S hang hai 201800, China

Gr aduate Univer sity of Chinese A cademy of Sciences , Beij ing 100039, China

Abstract H ig h accuracy time interv al unit (T IU is an impo rtant component in a spacebo rne laser range finder. A

highly 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 technical

par 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 ay

1 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. cn

10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