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。

皮秒级16通道精密事件计时器研制

精密时间测量是高精度守时、授时、用时的基础,目前精密时间测量的设备主要依赖进口,尤其是皮秒级精密多通道的事件计时器。笔者研制的皮秒级16通道精密事件计时器,每个通道触发信号采用独立时间戳技术,通道间不存在测量死区,且不受指定的开门、关门信号或者参考通道的影响,可以灵活测量统计各个通道间触发信号的时间间隔,或者单个通道多个触发信号的时间间隔,拓宽了应用范围。皮秒级16通道精密事件计时器采用高速时间-数字转换的方式,并引入自动校准的方法来保证测量的准确度和稳定度,使测量分辨率优于5 ps,测量稳定度优于0.6 ps@1000 s,0.2 ps@10000 s。

事件计时器在卫星激光测距中的应用

传统时间间隔的测量速率受限于被测事件的时间间隔,事件计时概念的引入可以很好地提高测量速率。事件计时器是高重频(kHz级)卫星激光测距(SLR)技术的主要设备。该文介绍了事件计时器A032-ET的性能以及其在卫星激光测距中的应用,为我国开展高重频SLR研究提供了技术支持。

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.

Guidetech GT668SLR-1事件计时器在卫星激光测距中的应用研究

高重频卫星激光测距系统中,激光脉冲飞行时间通过事件计时器分别测量主波和回波时刻获得。为了采用更高重频且高精度的事件计时器,将Guidetech公司的GT668SLR-1事件计时器应用于中国科学院云南天文台的1.2 m望远镜激光测距系统,对其结构原理进行分析,并利用其测量由信号发生器产生的固定信号、地靶测距和卫星测距等试验,采集数据的处理结果达到激光测距精度要求,由此判定GT668SLR-1事件计时器可用做卫星激光测距系统的时间测量单元。

激光时频传递中高精度事件计时器性能分析方法

自由空间激光时频传递是未来空间高精度时频传递的重要技术发展方向。高精度的事件计时器是实现自由空间激光时频传递的关键核心设备,提出了组合确定性因素和随机因素的性能评估模型,通过测量精密频率源的时序数据得到不同事件计时器基于最小二乘的频率准确度、频率漂移率,表征频率稳定度的时域方差包括Allan方差、Modified Allan方差、Time方差和Hadamard方差,依据幂律谱模型分离出事件计时器测量数据的随机游走噪声、调频白噪声、调频闪烁噪声、调相白噪声和调相闪烁噪声五种随机噪声。对比分析了性能处于同一量级的两种典型高精度事件计时器A033和GT668的性能差异,在频率测量准确度上,A033事件计时器优于7×10^(-12),而GT668事件计时器优于3.1×10^(-12),频率漂移率A033为2.096×10^(-15),而GT668则是-1.071×10^(-15),短期(1 d)稳定性Allan标准差由7×10^(-12)变化到4×10^(-12);GT668在随机游走噪声曲线走势上更为稳定,调频闪烁噪声和调频白噪声没有明显差异。实验表明,通过文中性能分析方法可以对高精度事件计时器性能进行评估分析,对其准确性和可靠性进行判定,为高精度事件计时器的使用提供分析依据。

高精度事件计时器的设计与实现

高频率、大范围和高精度是现代卫星/月球激光测距(SLR/LLR)的发展趋势,需要高精度事件计时器作为其时间测量单元。分析研究了事件计时器测量时间的原理,并基于时间数字转换(TDC)和现场可编程门阵列(FPGA)技术,用TDC芯片测量微小时间间隔,同时结合FPGA芯片设计和实现整个高精度事件计时器。进行了信号周期测量实验,结果表明,该测量仪准确度高,标准偏差值优于50 ps,系统误差小于11 ps,量程为24 h,温度漂移小于100 fs/℃,短期稳定性好于±3ps/h。

高重复频率卫星激光测距实验研究

介绍了上海天文台开展高重复频率激光测距实验和卫星实测情况。通过研制事件模式距离门控电路，开发高实时性测距控制软件，引进高精度事件计时器，利用重复频率为1kHz、能量2mJ的半导体泵浦激光器，以60cm激光测距仪为平台，成功实现了对（800～7000）km卫星的高重复频率激光测距，所获得的回波数据是常规低重复频率测距的2～3个数量级。

阵列探测技术在激光测距中的应用

高精度的空间碎片观测数据对航天器碰撞预警具有重要意义,激光测距技术是目前空间目标距离测量中精度最高的一种技术,但大多数空间碎片上并未携带角反射器装置,激光测距回波信号较弱。阵列探测技术可以提高回波信号较弱的空间碎片激光测距探测成功概率,中国科学院云南天文台2015年开始开展基于阵列探测技术的激光测距试验,2017年成功将阵列超导纳米线单光子探测器和多通道事件计时器等阵列探测技术应用于激光测距试验系统中,分别在2017年3月和2018年3月的激光测距试验中,成功采集2×2和4×4阵列激光测距数据。其中探测到最小目标为轨道高度约1 000 km、大小为雷达截面(Radar Cross Section,RCS) 0.045 m^2的空间碎片;探测到最远目标为斜距约5 000 km、大小为RCS 18.25 m^2的空间碎片。

10赫兹漫反射激光测距控制系统的设计与实现

设计和实现了云南天文台1.2 m望远镜10 Hz共光路漫反射激光测距控制系统,包括激光器、信号探测器和测时设备等的控制。并将系统应用于实际观测中,使用结果表明系统运行正常,且已成功实现了部分空间碎片的漫反射激光测距。将测时设备换为事件计时器后,该系统可直接用于激光测月试验。

我国月球激光测距研究与进展

月球激光测距是国内外所瞩目的宏伟目标,代表着单光子探测技术的高峰。文中概述了全球月球激光测距的现状以及21世纪初月球激光测距的发展趋势;分析了我国开展月球激光测距的意义。最后介绍了云南天文台1.2m望远镜进行月球激光测距的发展战略和科学目标。

云南天文台卫星激光测距中的测时仪器

详细论述了时间间隔计数器和事件计时器的工作原理,并阐述了云南天文台卫星激光测距系统中现有测时设备的性能,以及进行了信号周期测量实验。结果表明:测量信号边沿较好时,事件计时器OTL100P的标准偏差优于时间间隔计数器SR620。OTL100P具有直接测量事件发生时刻的特点和高测量精度的优势,能满足云南天文台将来多脉冲激光测卫、测月对测时系统的要求。

夏威夷大学天文研究所的激光人卫测距系统

本文作者于1982年9月赴夏威夷大学天文研究所哈列阿克拉激光测月站进修。该站受美国国家宇航局(NASA)资助,按NASA的统一计划,每周五天提供人卫轨道的测距数据,以Lageos卫星为主。该站测距数据的质量与收集率在世界各主要测站间是名列前茅的,系统可靠性极好。本文将着重介绍该站的人卫测距系统,有关激光器、收发光路、计算机控制和计时系统,主要部件的性能测试方法和数据评价等的简要原理及现况。

云台1.2m望远镜共光路千赫兹卫星激光测距系统

千赫兹(kHz)激光测距是增加卫星激光测距观测数据和提高标准点精度的有效措施之一。分析研究了基于共光路的kHz激光测距系统的实现原理和方法,包括光路、电路和计算机控制等。给出了使用旋转快门实现共光路kHz激光测距的新思路,开发1.2 m望远镜共光路kHz激光测距系统。该系统已用于常规观测,实际观测结果表明,系统性能较好且工作稳定,地靶测距精度约为5 mm,卫星测距精度优于2.0 cm。

上海天文台亚厘米级单次测距精度的卫星激光测距试验

2001年8月,中国科学院上海天文台与捷克技术大学合作在上海天文台进行了亚厘米级单次测距精度的卫星激光测距试验 采用皮秒事件计时器作为激光往返脉冲的时间间隔测量仪器,配合原有的发射和接收系统,对Lageos-l,2,Starlette,Stella,Topex和ERS-2等卫星进行了测距试验.分析表明:对这些卫星的单次测距精度达到了7～8 mm.为了对比,原有的测距系统同时对这些卫星进行了测量,单次测距精度为12～15mm.表明新测距系统的测量精度比原有系统提高了约 80％.同时还对原有测距系统的系统偏差进行了检测.

北京人卫激光观测站kHz激光测距系统升级实现

本文介绍了北京人卫激光观测站的kHz激光测距系统的改造与实现情况,并对kHz卫星激光测距系统的实测结果进行了简析,比较了不同激光发生器的测距激光。研究结果表明,该站的kHz卫星激光测距系统已经初步实现,且观测数据量和观测精度较以往低重复频率激光发生器都有所改善。