超高重频卫星激光测距时序电路实现及应用

高重频卫星激光测距(Satellite Laser Ranging,SLR)具有精度高、捕获快、观测数据量大、可靠性高等优势。但随着重复频率提升至百千赫兹以上,现有测量时序电路无法达到系统运行处理速度和实时后向散射规避等要求。本文提出超高重频卫星激光测距时序电路设计方法,采用FPGA代替控制计算机进行门控距离实时计算,精确产生门控信号控制探测器开启,并使用了收发交替的方式实时调整激光点火信号以规避后向散射干扰。能够自主完成激光测距中距离门控输出时刻的计算、存储和信号输出,最高工作频率大于500 kHz,满足百千赫兹超高频率测距的要求。该系统已成功应用于上海天文台100 kHz重复率SLR,标准点精度突破200μm,验证了基于FPGA的测距时序电路的正确性和潜力。该电路设计简单、分辨率高、上位机交互方便,为百kHz~MHz的超高重频SLR系统时序控制电路设计提供有效解决方案。

基于1.06 μm波长的空间合作目标及碎片高精度激光测距试验

常规卫星激光测距大多数采用532 nm波长激光,但受激光能量和大气透过率低等瓶颈制约,在微弱目标探测如碎片激光测距、月球激光测距中使用难度较大.本文介绍了基于1.06μm波长的激光测距技术,分析了1.06μm测距技术在激光能量、大气传输、背景噪声、单光子探测等方面相对于532 nm激光测距的优势,分析了其应用于微弱目标激光测距的前景,提出了针对1.06μm激光测距系统的改造方案,在上海天文台532 nm卫星激光测距系统的基础上,完成了系统改造,国内首次利用1.06μm增强的In Ga As探测器实现对合作目标的高精度厘米级激光测距,证明了1.06μm波长激光测距技术在系统噪声和测量效率等方面的优势,并且实现了该波长对1500 km空间碎片目标的高精度激光测距,为未来远距离微弱目标高精度近红外波段激光测距提供了紧凑、低成本、易操作的测量技术方案.

单站发射多站接收的空间目标激光测距技术

激光测距作为空间目标测定轨精度最高的技术，对非合作目标的测量精度比微波雷达、光电探测等技术高1～2个数量级，非常有利于非合作目标的精密定位、轨道复核及精确编目，保障在轨空间飞行器的安全。激光在非合作目标表面会发生漫反射，返回光斑弥散、回波微弱，采用大口径望远镜接收系统是必要的。鉴于大口径望远镜研制难度大，提出基于单站发射多站接收的空间目标激光测距新方法，即采用多接收望远镜增加接收面积，实现目标测量能力提升。通过分析单站发射多站接收的激光测距技术特点，基于双望远镜系统开展空间合作目标测量实验，验证了多望远镜接收激光信号的可行性，为该测距技术发展奠定了实验基础。

飞秒稳定度事件计时器设计及激光时间比对应用

事件计时器可实现输入事件时刻的高精度、高稳定测量,且工作频率不受测量间隔限制,是星地激光时间比对中不可或缺的设备.为满足飞速发展星载原子钟的评估要求,对星地激光时间比技术中激光发射、到达和返回时刻的测量提出亚飞秒稳定度和皮秒精度需求.采用FPGA配合计时芯片THS788开发了高精度事件计时器,测量精度约8 ps,非线性误差皮秒级,测量频率大于10 kHz;将基准时钟分频后作为校准信号,实现时延漂移的实时标校,时刻测量稳定性提升5倍以上.将该计时器应用在星地激光时间比对载荷,载荷测量稳定性(Time DEViation,TDEV)优于0.07 ps@300 s和0.84 ps@1 day.计时器达到国际主流产品A033-ET水平,既满足10-18量级准确度原子钟的时频传递需求,又可用于毫米级精度卫星激光测距,具有较好的推广应用价值.

高精度卫星激光测距在北斗卫星导航系统应用及发展

卫星激光测距(SLR)是卫星轨道测量中精度最高的一种技术,广泛应用于卫星精密定轨、卫星轨道精度检核、激光时间比对等,是导航系统卫星轨道精确测定的重要组成部分。本文结合中国科学院上海天文台SLR系统及北斗卫星国际激光联测,取得全球激光台站观测数据,为实施全球导航卫星系统联合研究提供了条件;发展了100 kHz高重复频率SLR技术并应用于北斗卫星激光观测,标准点数据精度达百微米水平,有效提升了导航卫星激光观测数据质量;同时描述卫星激光测距技术在北斗导航系统其他应用情况,包括卫星独立定轨、广播星历精度检核、星地激光时间比对等。

Blackfin处理器及嵌入式μClinux在数据采集系统中的应用

本文介绍了一款高性价比的嵌入式处理器,并提供了带USB、以太网、TFT LCD的嵌入式数据采集系统解决方案,以及BT531的U-Boot和μClinux的编写移植,大大简化了数字设备日益繁多的功能和外设驱动的开发。

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。

欧洲空间原子钟组ACES与超高精度时频传递技术新进展

高精度时间频率的产生和超高精度时频信号的传递是现代物理学、天文学和计量科学的基础。空间原子钟组计划(Atomic Clock Ensemble in Space,ACES)是由欧洲空间局实施的基于国际空间站(International Space Station,ISS)微重力环境下的新型空间微波原子钟实验验证项目。概要介绍ACES项目基本情况,重点介绍ACES项目的主要科学和技术目标,围绕科学目标而形成的ACES组成结构,并梳理涉及的关键技术,特别介绍了ACES将应用的超高精度时频传递技术,为我国自主研究并实现相关空间时间频率系统及其应用提供参考。最后简述了我国正在建设的空间站时频系统主要情况和实施计划。

白天卫星激光测距望远镜指向误差修正方法研究

白天卫星激光测距时,由于望远镜机架受太阳辐照和温度变化等因素影响,指向误差时变性较大,影响了对白天卫星的精确跟踪指向。针对卫星过境天区,提出了一种通过白天恒星监视,实现望远镜局部指向误差快速修正的方法,消除环境温度变化效应,实现高精度望远镜指向。以中国科学院上海天文台60 cm口径卫星激光测距系统为平台,应用短波截止滤光技术,实现了对亮于3等恒星的白天监视;并在卫星过境天区选择到6到7颗恒星进行观测,建立望远镜局部指向误差修正模型,以满足白天激光观测需求。该方法对白天卫星测距特别是高轨卫星等具有一定应用价值,也可推广到其他需白天目标观测的望远镜系统。

卫星激光测距的电控系统设计与实现

给出的卫星激光测距的二轴系统实现了通过软件控制望远镜coude光路调整、接收系统SPAD和APD的自动切换、视场光阑大小的自动调节、以及发射光束指向的精确控制。该系统是基于MPC07运动控制卡,通过人机交互界面进行实时控制,旨在实现不同功能的调节,提高卫星激光测距的自动化程度。详细介绍了该系统的硬件组成、技术指标及软件工作方式。

基于有限元的车载作业平台液压支撑结构设计分析

在北方野外铀矿场进行铀矿地浸生产井清洗作业时,由于地面坑洼不平、坡度等,车辆的作业平台达不到车载清洗设备作业要求。因此,依据矿场现场生产环境要求,设计出一种可满足车载作业平台液压支撑调平结构,通过SolidWorks软件建立液压调平支撑结构的三维模型。使用Ansys Workbench软件进行静力分析,得到液压支撑结构的应力应变结果,并根据分析结果优化模型,验证该液压支撑结构的安全性和可行性,为试验的样机提供了理论参考。

以智能科技提高邮政处理中心运行水平的路径探析

文章介绍了部分快递企业和中国邮政应用智能分拣技术的实践,分析了邮政全网处理中心运行中存在的问题,并探讨了智能科技在邮政全网推广应用的路径。

基于Ansys Workbench的水压压力试验装置的静力学分析

依据实际生产环境要求设计出一种可以模拟3 MPa水压环境的压力试验装置并确定出实验装置的工作原理、机械结构、材料和安装形式。按照GB150《压力容器》的相关要求,完成水压压力试验装置的结构设计和强度校核算,利用SolidWorks软件建立压力容器的三维模型,采用有限元设计方法(FEA),使用Ansys Workbench软件进行静力学分析,验证了该试验装置的安全性和可行性,为组合式的水压压力容器的设计提供了思路和校验依据。

铀矿井高压水清洗装置的设计及其侧向支撑的分析

在实际生产中,地浸采铀各井场生产井常发生过滤器堵塞和管壁结垢,导致生产井流量持续性下降,需要及时清洗。目前,现有的管道清洗设备和清洗方法不能满足要求。根据地浸采铀生产井的实际工况,结合高压水清洗,设计了一种高压水洗井装置,采用理论计算和有限元分析的方法,重点对侧向支撑模块进行了分析。通过对比现有清洗方法和设备,该装置功能完整、结构紧凑,适合地浸采铀生产井使用,也为小口径管道高压水清洗装置的设计提供了一种新的设计思路。

1064nm波长卫星激光测距技术和实验研究

卫星激光测距（SLR）是目前卫星单点测量精度最高的测距技术，通常采用532nm波长激光器，由1064nm基频光倍频得到。而1064nm波长激光在大气传输特性、远场光束特性、远场光的单位能量光子数和激光器功率等方面都较532nm有优势，更有利于增强系统的探测能力，尤其在开展微弱信号目标的探测方面。进行了1064nm波长卫星激光测距技术研究，分析了构建1064nm波长卫星激光测距系统主要技术和难点，提出了相应的解决方案，在国内首先开展1064nm波长高精度卫星激光测距实验，获得了初步的测量结果，为该测量技术发展和应用打下了很好基础。

单向激光测距及其测量试验

激光测距是空间飞行器轨道测定精度最高的一种技术。传统激光测距是测量激光信号的往返传输时间实现空间飞行器距离和轨道的测定。对于超月球距离的空间飞行器,该测量方式已不适用,必须采用单向激光传输,激光能量随距离平方衰减,其作用范围可超过月球达到行星际空间,这将是行星际激光测距的重要测量方式。利用地面激光测距系统,对一颗载有光子探测器和时间计时器的同步轨道卫星成功进行了单向激光测距实验,并与该卫星激光往返传输所测量的卫星距离进行了比较和分析,验证了单向激光测距的可行性。该测量实验为进一步研究单向激光测距技术及我国行星际空间飞行器激光测量终端系统设计提供了一定的参考。

空间激光链路时频传递算法及仿真分析

利用空间高精度时频系统提供的超高精度时间频率信号,可以开展一系列空地时频传递和基础物理实验,支撑相对论及相关理论的高精度检验。针对空间激光链路时频传递算法进行了理论推导及仿真分析。首先,从星地激光双向时间比对理论公式出发,对比分析了X型星地双向时间比对与Lambda型星地双向时间比对的优缺点。其次,针对空间站轨道高度讨论了相对论效应对坐标时与原时转换的影响。最后,讨论了空地时频比对数据不连续性对空间站高精度原子钟稳定性评估的影响。结果表明:(1)基于激光测距方式的Lambda型双向时间比对可以抵消一阶多普勒对上下行距离项差异的影响,且Sagnac项影响的增大可忽略;(2)星地时间比对中坐标时和原时转换的相对论项对空间站位置的速度精度提出了高要求,为实现1×10-18量级的频率偏差比对精度,空间站地心距精度要求为1dm,速度精度要求为0.1 mm/s;(3)受空间站对地可见性影响,仅利用国内测站无法通过星地链路进行中短期原子钟稳定性的评估。

基于温漂自动补偿的高稳定性Si-APD单光子探测器

硅雪崩光电二极管(Si-APD)的雪崩电压对温度极大地限制了基于Si-APD的单光子探测器在全天候野外条件下的实际应用。提出了一种可以在大环境温度变化范围内稳定工作的Si-APD单光子探测技术。通过制冷与数字偏压补偿相结合的技术,自动补偿Si-APD的工作温度漂移,保持稳定的雪崩增益。实验证明在-40~45℃的温度范围内采用该技术的单光子探测器工作稳定。实验结果表明采用温漂自动补偿的技术后,Si-APD单光子探测器具备了在温度变化较大的外场稳定运行的能力,为机载或星载光子计数激光测量提供了高稳定性的单光子探测技术。

Dynamic time-correlated single-photon counting laser ranging

We demonstrate a photon counting laser ranging experiment with a four-channel single-photon detector(SPD). The multi-channel SPD improve the counting rate more than 4×10~7 cps, which makes possible for the distance measurement performed even in daylight. However, the time-correlated single-photon counting(TCSPC) technique cannot distill the signal easily while the fast moving targets are submersed in the strong background. We propose a dynamic TCSPC method for fast moving targets measurement by varying coincidence window in real time. In the experiment, we prove that targets with velocity of 5 km/s can be detected according to the method, while the echo rate is 20% with the background counts of more than 1.2×10~7 cps.