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流动卫星激光测距系统的距离选通实现方法

朱建春 李欣 朱威

朱建春, 李欣, 朱威. 流动卫星激光测距系统的距离选通实现方法[J]. 红外与激光工程, 2022, 51(12): 20220200. doi: 10.3788/IRLA20220200
引用本文: 朱建春, 李欣, 朱威. 流动卫星激光测距系统的距离选通实现方法[J]. 红外与激光工程, 2022, 51(12): 20220200. doi: 10.3788/IRLA20220200
Zhu Jianchun, Li Xin, Zhu Wei. Implementation method of range gating for mobile satellite laser ranging system[J]. Infrared and Laser Engineering, 2022, 51(12): 20220200. doi: 10.3788/IRLA20220200
Citation: Zhu Jianchun, Li Xin, Zhu Wei. Implementation method of range gating for mobile satellite laser ranging system[J]. Infrared and Laser Engineering, 2022, 51(12): 20220200. doi: 10.3788/IRLA20220200

流动卫星激光测距系统的距离选通实现方法

doi: 10.3788/IRLA20220200
基金项目: 湖北省自然科学基金(2021 CFB314);中央高校基本科研业务费研究生科技创新基金(ZY20210310)
详细信息
    作者简介:

    朱建春,男,硕士生,主要从事灾害监测技术与仪器方面的研究

  • 中图分类号: P228.5

Implementation method of range gating for mobile satellite laser ranging system

  • 摘要: 现有流动卫星激光测距系统的距离选通模块因硬件架构问题,有稳定性不高、可靠性不强等不足。由于和固定站的设备互不兼容,因此需要研制新的距离选通模块,在兼顾高集成度的同时提升运行稳定性。在基于距离选通与后向散射规避的实现原理基础上,依靠ARM、FPGA嵌入式双核心架构设计全新的距离选通模块。采用人卫激光测距卫星lageos1、ajisai和地球同步卫星compassi3的星历进行距离门参数拟合等测试。经测试,该距离门控模块参数拟合误差小于0.01%,在2 kHz重复频率下单次预期回波时刻计算时间约为34.365 μs,平均后向散射规避点火频率损失率低于1%,在2 kHz重复频率下距离门分辨率优于5 ns,高频率门控信号输出平稳,并且能够满足20 kHz以上的重复频率应用需求,符合预期结果,具有实际应用价值。
  • 图  1  距离选通在卫星激光测距领域中的应用

    Figure  1.  Application of range gating in satellite laser ranging field

    图  2  距离门示意图

    Figure  2.  Schematic diagram of range-gate

    图  3  ajisai卫星后向散射规避示意图

    Figure  3.  Schematic diagram of ajisai satellite backscattering avoidance

    图  4  距离门控实现框图

    Figure  4.  Block diagram of range gating generator

    图  5  距离门控实现路线图

    Figure  5.  Technology roadmap of range gating

    图  6  硬件测试连接图

    Figure  6.  Diagram of hardware connection for testing

    图  7  拟合精度分析实验图

    Figure  7.  Experimental chart of fitting precision analysis

    图  8  激光脉冲处理时间分析

    Figure  8.  Analysis of laser pulse processing time

    图  9  门控信号输出时序

    Figure  9.  Output sequence of RGG

    图  10  距离选通模块分辨率测量实验图

    Figure  10.  Experimental diagram of resolution measurement of range gating module

    图  11  距离门信号抖动结果

    Figure  11.  Result of range-gate signal jitting

    表  1  lageos1卫星、ajisai卫星和compassi3卫星拟合结果对比

    Table  1.   Comparison of fitting results of lageos1, ajisai and compassi3 satellites

    GroupFitting
    parameters
    lageos1ajisaicompassi3
    Theoretical
    fitting value
    Actual fitting
    value
    Theoretical
    fitting value
    Actual fitting
    value
    Theoretical
    fitting value
    Actual fitting
    value

    1
    p012246910.7712246910.777866493.987866493.9842388583.2142388583.21
    p1−23.797102532−23.797123−4.807358846−4.807383−2.133913994−2.133917
    p20.0026950520.002655−0.000652222−0.000652−0.000601398−0.000601

    2
    p012242715.6212242715.627866056.247866056.2442386175.9742386175.97
    p1−22.801517445−22.801567−4.914551171−4.914567−3.214461718−3.214467
    p20.0031102830.003111−0.000310122−0.000310−0.000593678−0.000594

    3
    p012238713.0912238713.097865611.637865611.6342382802.6442382802.64
    p1−21.657421675−21.657433−4.959844197−4.959833−4.28035888−4.280350
    p20.0035089740.0035080.00003786680.000038−0.000583463−0.000584

    4
    p012234929.3712234929.377865165.767865165.7642378478.4242378478.42
    p1−20.37088313−20.370850−4.942574962−4.942633−5.327123541−5.327133
    p20.0038888140.0038280.0003835030.000384−0.000570796−0.000571

    5
    p012231389.4912231389.497864724.247864724.2442373222.5242373222.52
    p1−18.948802236−18.948832−4.863308719−4.863317−6.350358818−6.350400
    p20.0042481040.0042500.0007205870.000721−0.000555738−0.000556

    6
    p012228117.1712228117.177864292.577864292.5742367058.0442367058.04
    p1−17.39867698−17.398653−4.723849386−4.723800−7.345782716−7.345750
    p20.0045844250.0045850.0010417870.001041−0.000538352−0.000538

    7
    p012225134.7112225134.717863876.057863876.0542360011.9142360011.91
    p1−15.728883909−15.728876−4.527048447−4.527033−8.309222925−8.309267
    p20.004895880.0048970.0013403250.001340−0.000518728−0.000519

    8
    p012222462.8412222462.847863479.647863479.6442352114.742352114.70
    p1−13.948542867−13.948517−4.277132092−4.277150−9.236671378−9.236650
    p20.0051802770.0051790.0016136310.001614−0.000496926−0.000497

    9
    p012220120.5812220120.587863107.937863107.9342343400.5842343400.58
    p1−12.067513153−12.067517−3.97890934−3.978917−10.12425534−10.124233
    p20.0054353280.0054350.0018580810.001858−0.000473061−0.000473

    10
    p012218125.112218125.107862765.017862765.0142333907.0842333907.08
    p1−10.096478712−10.096483−3.637756603−3.637767−10.96827452−10.968250
    p20.0056589210.0056600.0020686470.002069−0.000447229−0.000447
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    表  2  后向散射规避点火频率测试结果

    Table  2.   Test results of firing frequency of backscat-tering avoidance

    SecondActual firing
    times
    Number of firing
    loss
    Loss rate of
    firing
    11 984160.80%
    21 986140.70%
    31 985150.75%
    41 986140.70%
    51 984160.80%
    61 986140.70%
    71 985150.75%
    81 986140.70%
    91 985150.75%
    101 986140.70%
    111 984160.80%
    121 986140.70%
    131 985150.75%
    141 986140.70%
    151 985150.75%
    161 986140.70%
    171 984160.80%
    181 986140.70%
    191 985150.75%
    201 986140.70%
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    表  3  距离门信号抖动测试结果

    Table  3.   Test results of range-gate signal jitting

    PointsRange gating output epoch/sRange gate generation epoch/sDifference/s
    120778.0231426703920778.023142634260.00000003613
    220778.0236427803720778.023642744270.00000003610
    320778.0241428902520778.024142854160.00000003609
    420778.0246430000720778.024642963970.00000003610
    520778.0251431098920778.025143073780.00000003611
    620778.0256432208920778.025643184770.00000003612
    $\vdots $$\vdots $$\vdots $$\vdots $
    574520780.8957745108120780.895774474330.00000003648
    574620780.8962746194020780.896274582890.00000003651
    574720780.8967747283720780.896774691870.00000003650
    574820780.8972748384720780.897274801850.00000003662
    574920780.8977749439820780.897774907760.00000003622
    575020780.8982750541520780.898275017570.00000003658
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出版历程
  • 收稿日期:  2022-03-21
  • 修回日期:  2022-05-10
  • 刊出日期:  2022-12-22

流动卫星激光测距系统的距离选通实现方法

doi: 10.3788/IRLA20220200
    作者简介:

    朱建春,男,硕士生,主要从事灾害监测技术与仪器方面的研究

基金项目:  湖北省自然科学基金(2021 CFB314);中央高校基本科研业务费研究生科技创新基金(ZY20210310)
  • 中图分类号: P228.5

摘要: 现有流动卫星激光测距系统的距离选通模块因硬件架构问题,有稳定性不高、可靠性不强等不足。由于和固定站的设备互不兼容,因此需要研制新的距离选通模块,在兼顾高集成度的同时提升运行稳定性。在基于距离选通与后向散射规避的实现原理基础上,依靠ARM、FPGA嵌入式双核心架构设计全新的距离选通模块。采用人卫激光测距卫星lageos1、ajisai和地球同步卫星compassi3的星历进行距离门参数拟合等测试。经测试,该距离门控模块参数拟合误差小于0.01%,在2 kHz重复频率下单次预期回波时刻计算时间约为34.365 μs,平均后向散射规避点火频率损失率低于1%,在2 kHz重复频率下距离门分辨率优于5 ns,高频率门控信号输出平稳,并且能够满足20 kHz以上的重复频率应用需求,符合预期结果,具有实际应用价值。

English Abstract

    • 距离选通技术是利用设置脉冲发射端和脉冲接收端的开关时间,使目标反射回来的激光脉冲刚好在接收端选通工作的时间内到达。人造卫星激光测距使用单光子雪崩二极管(Single Photon Avalanche Diode, SPAD)接收回波信号,由于背景噪声、后向散射等因素的干扰,系统测距效果被严重影响。采用距离选通这种时间滤波技术可以有效降低虚警概率,提高探测成功概率。该项技术不仅可以应用于人造卫星激光测距(Satellite Laser Ranging, SLR)领域,还可以推广到雷达、超声波等领域,在卫星激光测距领域中,距离选通通常被称为距离门或距离门控。

      在国外,奥地利的Graz SLR站最早实现了高重复率激光卫星观测,他们基于现场可编程逻辑门阵列(Field Programmable Gate Array, FPGA)设计了满足2 kHz重复率的距离门电路[1-3]。国内,中国科学院上海天文台、中国科学院云南天文台等都是基于FPGA并配合上位机计算机的方式设计了高精度距离门控电路[4],他们将主回波实时识别处理部分都放在上位机[5]中执行。中国地震局地震研究所于2011年首次成功研制出世界口径最大的流动卫星激光测距系统TROS1000。为了照顾到TROS1000的狭小运行空间的需求,专门为其研制的All-in-One控制系统包含时间频率标准、时间测量、距离选通、转台伺服、气象参数采集、网络通讯等众多功能。系统虽然具有高耦合、低内聚的特点,但也不可避免地出现某些功能稳定性较低的不足。比如,在实际工作过程中,因为别的模块原因,导致距离选通模块突然不工作,而造成卫星测距不连续,数据质量变差。鉴于TROS1000与固定站的系统互不兼容,无法直接使用固定站的距离选通模块,文中提出全新的TROS1000距离选通模块设计思路,在兼顾对设备安装空间要求的同时,解决距离选通模块工作不稳定的不足。

    • 对于千赫兹流动激光测距系统,激光飞行时间将大于激光脉冲发射间隔,所以低频率测距使用的直接计数法已经不能满足测距需要[6-7]图1为距离选通在卫星激光测距领域中的应用示意图。

      图  1  距离选通在卫星激光测距领域中的应用

      Figure 1.  Application of range gating in satellite laser ranging field

      图2为距离门示意图,图中,ti为激光发射时刻,Titi对应的距离门控输出时刻,r为激光发射间隔,tΔ为激光发射时刻和其对应的距离门控输出时刻之间的时间差。当激光发射时,系统记录下激光发射时刻,并根据当前星历信息拟合出预期回波到达时刻,然后在预期回波到达前发出距离门控信号打开SPAD接收回波。通过距离门时序图可以看出,激光发射间隔r小于激光发射时刻和距离门控输出时刻之间的差值,当上一个激光脉冲的回波还未返回时,下一个激光脉冲已经发射了,所以使用直接计数法会引起数据遗漏或硬件资源浪费,对此需要新的计数方法:将计算出的每次距离门控输出时刻放入内存中,在当前时刻到达距离门控输出时刻时发出距离门控信号,把距离门控时刻看成事件[8-11],这样就可以实现高重复率的人卫激光测距。

      图  2  距离门示意图

      Figure 2.  Schematic diagram of range-gate

      考虑到FPGA拥有丰富的知识产权(Intellectual Property, IP)核资源和布线资源,可以采用通过当前时刻和预期回波时刻匹配的方法输出门控信号[12-13]。基本原理是:当激光发射时,系统记录下当前时刻,将预期回波时刻与当前时刻相比较,当两者匹配时发出距离门控信号。

    • 卫星激光测距在经过多年的发展之后,其定轨和预报的精度已经达到米级,而对于一些形状比较规整的目标定轨精度可以达到厘米级,这为提高距离门的精度提供了有利条件[14]。距离门控的计算实际上就是通过计算机对目标卫星的轨道进行预报,并根据预报结果计算出激光在观测站和卫星之间的飞行时间,从而确定单光子信号探测器的打开时刻,进而准确地接收回波。由于预报过程中需要不断地更新数据,导致数据传输以及计算本身都需要面对巨大压力。

      为此,在官方预报的星历中通常按一定时间间隔给出在地固坐标系下的卫星坐标来减少数据量[15],例如,卫星ajisai的星历每30 s给出一组坐标,卫星lageos1的星历每60 s给出一组坐标,卫星glonass105的星历每900 s给出一组坐标,但是,按间隔给出的预报时刻数量无法满足测距的要求,所以在获得预报数据后,还需利用多项式拟合的方法,拟合出预报间隔内公的距离门长度,这样才能达到高频率激光测距所需要的预报数量,多项式的一般形式如公式(1)所示:

      $$ {{y}} = {{{p}}_{{0}}}{{{x}}^{{n}}} + {{{p}}_{{1}}}{{{x}}^{{{n}- 1} }} + {{{p}}_{{2}}}{{{x}}^{{{n}- 2} }} + {{{p}}_{{3}}}{{{x}}^{{{n}- 3} }} + \cdots + {{{p}}_{{n}}} $$ (1)

      考虑到拟合多项式阶数过大会增大计算量且拟合精度过高,而拟合多项式阶数越小虽计算量较小,但会导致拟合精度有限等问题,综上考虑,文中选用最高次数为二次的多项式进行拟合,即每次使用三个参数为一组进行拟合,每个式子形式如公式(2)所示:

      $$ {R_i} = {p_{j2}}{({t_i} - {t_0})^2} + {p_{j1}}({t_i} - {t_0}) + {p_{j0}}$$ (2)

      式中:$ {{{t}}_0} $为每组计时零点;$ {t_i} $为星历给出的每组卫星坐标对应的时刻值;$ {R_i} $为星历给出的$ {t_i} $时刻卫星与测距台站之间的距离;经过计算求出每组数据对应的系数$ {p_{j0}} $,$ {p_{j1}} $,$ {p_{j2}} $。然后将求得的三个系数反代入公式(2),根据激光发射时刻值即可求得对应的台站与卫星之间的距离值$ {R_i} $,其中$ j $表示第$ j $组系数,$ i $表示星历提供的第$ i $个预报时刻。此外,考虑到开启延时和稳定性等因素,所以还需减去一个提前开启量[16]

    • 激光发射后,部分光子会被低空大气散射回到接收器视场内形成接收盲区。在高重复率卫星激光测距中,回波信号十分微弱,很容易淹没在后向散射的干扰信号中,导致回波信号接收失败。后向散射的干扰范围一般为百微秒量级[17-20],激光返回时间则在毫秒量级以上,所以在低频率激光测距中后向散射并不会对测距形成干扰。但在高频率激光测距中,点火、回波信号是相互交错的,所以后向散射会对回波接收造成严重影响。根据最早实现高重复率卫星激光测距的Graz站估计,假如后向散射影响时间是200 μs时,1 kHz重复率下系统回波损失将达到20%,在2 kHz重复频率下回波损失将达到40%[21]。后向散射的规避是卫星激光测距中的重要部分,目前各个台站普遍采用点火延迟的方式规避后向散射干扰,以ajisai卫星(轨道高度1485.9~1503.7 km)的后向散射规避为例,图3所示为其后向散射规避示意图(1 kHz重复频率)。

      图  3  ajisai卫星后向散射规避示意图

      Figure 3.  Schematic diagram of ajisai satellite backscattering avoidance

      后向散射规避的原理是防止在每次激光发射后的几百微秒内(该范围是后向散射影响区,无法接收到有用的回波信号)有之前发射的激光回波正好反射到达接收端。点火延迟法就是在该次激光实际发射前,事先判断是否有回波信号在该次激光点火的后向散射干扰区域内到达,如果没有则正常点火,如果有,则延迟该次激光点火时刻直至受影响的回波信号接收完毕后再发出点火信号,这样就可以保证回波被正常接收。由于当前以1 kHz重复频率为例,所以点火间隔为1000 μs,由ajisai卫星轨道高度计算可知,激光发射后10000 μs左右回波到达。图中,Tb是后向散射影响范围,Td是点火信号延迟长度,在以ajisai卫星为代表的低轨卫星中,Tb为百微秒量级,Td一般为几百微秒[17],为了方便表示,此处后向散射影响范围Td取200 μs,点火信号向后延迟200 μs。对于不同的轨道高度和大气能见度,TbTd会有所变化[22]。点火延迟法原理简单,实现容易,但由于部分激光被延迟发射,导致系统的点火频率略微降低,从而相较于之前会损失一点回波个数。文中将后向散射规避电路集成在了距离门控电路上用于规避该散射的干扰。

    • 目前,随着专用集成电路的不断发展与完善,FPGA具有实时性好、布线资源丰富、可重复编程等优点。考虑到模块的灵活性与实时性等方面,加入进阶精简指令集机器(Advanced RISC Machine, ARM)芯片,充分发挥两种芯片的优势,使用ARM、FPGA“双核心”架构设计一种满足流动卫星激光测距要求的距离门控电路。

      距离门控实现框图如图4所示,ARM用于多项式拟合与预期回波时刻的计算,FPGA用于产生基准时钟、存储预期回波时刻、比较预期回波时刻和产生距离门控信号。

      图  4  距离门控实现框图

      Figure 4.  Block diagram of range gating generator

      FPGA中的锁相环(Phase Locked Loop, PLL)可以将系统时钟倍频至200 MHz,用来作为整个模块的基准时钟,时钟分辨率达到5 ns。为了保证实时性,ARM与FPGA之间依靠可变静态存储控制器(Flexible Static Memory Controller, FSMC)总线吞吐大量数据,该总线的传输速度最高可达48 Mbps,满足高频率激光测距的要求。

      卫星激光测距领域使用国际激光测距服务(International Laser Ranging Service, ILRS)的官方预报星历综合预报格式(Consolidated Prediction Format, CPF)文件,该文件包括文件头、数据记录和结束三部分,其中数据记录部分每一行代表一定的时间间隔,给出观测对象的空间位置等状态参量,所以使用该星历可通过插值计算求得目标历元的状态量。根据距离门控算法中提出的二阶多项式拟合算法的设计策略,每次使用三个参数参与计算,因此,观测计算机在星历中按时间顺序连续选取三行状态参量作为一组连同台站坐标一起发送给ARM,ARM拟合完的参数用于计算预期回波时刻。FPGA根据主波探测器记录激光发射时刻,并将其发送给ARM。ARM根据当前时刻的拟合参数和激光发射时刻计算出对应的预期回波时刻,按顺序存入FPGA内部生成的先入先出队列(First Input First Output, FIFO)中。预期回波时刻被取出放入比较器与当前时刻比较,一致时发出一个门控信号打开SPAD接收回波[7]。新设计的距离门控电路集成了后向散射规避功能,通过激光点火模块控制激光器发射激光的时刻。距离门控实现路线图如图5所示。

      图  5  距离门控实现路线图

      Figure 5.  Technology roadmap of range gating

    • 考虑到实际应用场景,对距离门控模块进行模拟测试,测试下位机平台为基于一片STM32 F4系列芯片(ARM核心)和一片CylconeIV系列芯片(FPGA核心)搭建的距离门控电路,使用逻辑分析仪对电路工作情况进行采样后在上位机计算机显示。

      实验通过FPGA产生固定频率脉冲模拟激光发射,其中,FPGA和ARM之间采用FSMC通信,用于高速传输激光发射时刻和预期回波时刻,观测计算机通过串行总线与距离门控模块通信,用于星历坐标、台站坐标的输入和测试结果的显示。通过逻辑分析仪对信号进行采样,并对其验证分析。硬件测试连接图如图如图6所示。

      图  6  硬件测试连接图

      Figure 6.  Diagram of hardware connection for testing

    • 模块每三组参数拟合一次,多项式拟合的过程就是求$ {p_0} $,$ {p_1} $,$ {p_2} $三个参数的过程,$ {p_0} $,$ {p_1} $,$ {p_2} $三个参数作为系数参与每次激光预期回波时刻的多项式计算,所以,$ {p_0} $,$ {p_1} $,$ {p_2} $三个参数的准确度是整个拟合过程的关键点,拟合的准确度直接影响着最后的距离门控信号输出时刻的准确度。为了验证拟合效果,选用了三颗不同轨道高度的ajisai卫星(1485.9~1503.7 km)、lageos1卫星(5860~5960 km)和compassi3地球同步卫星(37790.2 km)的实际星历数据进行拟合实验,拟合精度分析实验图如图7所示,拟合结果对比如表1所示。

      图  7  拟合精度分析实验图

      Figure 7.  Experimental chart of fitting precision analysis

      表 1  lageos1卫星、ajisai卫星和compassi3卫星拟合结果对比

      Table 1.  Comparison of fitting results of lageos1, ajisai and compassi3 satellites

      GroupFitting
      parameters
      lageos1ajisaicompassi3
      Theoretical
      fitting value
      Actual fitting
      value
      Theoretical
      fitting value
      Actual fitting
      value
      Theoretical
      fitting value
      Actual fitting
      value

      1
      p012246910.7712246910.777866493.987866493.9842388583.2142388583.21
      p1−23.797102532−23.797123−4.807358846−4.807383−2.133913994−2.133917
      p20.0026950520.002655−0.000652222−0.000652−0.000601398−0.000601

      2
      p012242715.6212242715.627866056.247866056.2442386175.9742386175.97
      p1−22.801517445−22.801567−4.914551171−4.914567−3.214461718−3.214467
      p20.0031102830.003111−0.000310122−0.000310−0.000593678−0.000594

      3
      p012238713.0912238713.097865611.637865611.6342382802.6442382802.64
      p1−21.657421675−21.657433−4.959844197−4.959833−4.28035888−4.280350
      p20.0035089740.0035080.00003786680.000038−0.000583463−0.000584

      4
      p012234929.3712234929.377865165.767865165.7642378478.4242378478.42
      p1−20.37088313−20.370850−4.942574962−4.942633−5.327123541−5.327133
      p20.0038888140.0038280.0003835030.000384−0.000570796−0.000571

      5
      p012231389.4912231389.497864724.247864724.2442373222.5242373222.52
      p1−18.948802236−18.948832−4.863308719−4.863317−6.350358818−6.350400
      p20.0042481040.0042500.0007205870.000721−0.000555738−0.000556

      6
      p012228117.1712228117.177864292.577864292.5742367058.0442367058.04
      p1−17.39867698−17.398653−4.723849386−4.723800−7.345782716−7.345750
      p20.0045844250.0045850.0010417870.001041−0.000538352−0.000538

      7
      p012225134.7112225134.717863876.057863876.0542360011.9142360011.91
      p1−15.728883909−15.728876−4.527048447−4.527033−8.309222925−8.309267
      p20.004895880.0048970.0013403250.001340−0.000518728−0.000519

      8
      p012222462.8412222462.847863479.647863479.6442352114.742352114.70
      p1−13.948542867−13.948517−4.277132092−4.277150−9.236671378−9.236650
      p20.0051802770.0051790.0016136310.001614−0.000496926−0.000497

      9
      p012220120.5812220120.587863107.937863107.9342343400.5842343400.58
      p1−12.067513153−12.067517−3.97890934−3.978917−10.12425534−10.124233
      p20.0054353280.0054350.0018580810.001858−0.000473061−0.000473

      10
      p012218125.112218125.107862765.017862765.0142333907.0842333907.08
      p1−10.096478712−10.096483−3.637756603−3.637767−10.96827452−10.968250
      p20.0056589210.0056600.0020686470.002069−0.000447229−0.000447

      表1可知,在三颗卫星各选取的十组数据里,实测拟合值与理论拟合值十分接近,实测拟合值通过下位机芯片计算得到,理论拟合值由上位机计算机计算得到。每个参数的误差为对应的实测拟合值减去理论拟合值,再根据样本标准差的计算公式$S = \left( {{{\displaystyle\sum\nolimits_{i = 1}^n {{{(x_i - \bar x)}^2}} }}/{{n - 1}}}\right)^{1/2}$分别求出三颗卫星的拟合误差样本标准差,即为拟合精度。其中,n为样本个数,${{{x}}_{{i}}}$为每个参数的误差,$ \overline x $为参数的误差平均值。经计算,lageos1拟合结果误差为0.001997%,ajisai拟合结果误差为0.001600%,com-passi3拟合结果误差为0.001303%。模块拟合精度误差小于0.01%,在下位机中拟合的目标可行,达到流动卫星激光测距的要求。

    • 实时性一直是高频率激光测距的一项重要指标,在每秒发出千次甚至万次脉冲的情况下,对于计算用时的把握直接关系到激光测距能否成功。模块中ARM芯片用于参数拟合、上位机通信和计算预期回波时刻。计算预期回波时刻的计算时长是否能够满足高频率距离门控模块对于时序方面的要求,还需要进行验证分析。实验中ARM芯片开始进行预期回波时刻计算时拉高通用输入输出(General Purpose Input Output, GPIO)端口,结束预期回波时刻计算时拉低GPIO端口,利用FPGA的逻辑分析仪可以观察到一次完整的预期回波时刻计算时间,结果如图8所示。

      可以看出:基准时刻开始于8C49h,结束于A722h,总共持续6874个时钟周期,约为34.365 μs。当前模拟激光发射频率为2 kHz,基准时钟频率为200 MHz,即每十万个基准时钟周期发射一次脉冲,所以不会与下一次激光发射相冲突,经过计算,激光来回于台站与卫星的时间达到百万个时钟周期以上,所以该模块可以实现2 kHz频率以上的激光测距,理论上可以满足20 kHz以上的观测频率。

      图  8  激光脉冲处理时间分析

      Figure 8.  Analysis of laser pulse processing time

    • 预期回波时刻与当前时刻在FPGA内部的比较器中进行比较,当预期回波时刻等于当前时刻时输出距离门控信号,距离门发生器(Range Gate Generator, RGG)输出门控信号时序如图9所示。

      图  9  门控信号输出时序

      Figure 9.  Output sequence of RGG

      由于受到FSMC总线位数(16位)的限制,设计中的预期回波时刻与当前时刻分别由两组四个16位计数器组成的64位计数表示,其中,两个16位计数器组成的高32位计数代表“粗”计数,两个16位计数器组成的低32位计数代表“细”计数。图中,RGG为距离门控输出,rgg_moment1与rgg_moment_2组成预期回波时刻“细”计数,rgg_moment3与rgg_moment_组成预期回波时刻“粗”计数,accurate_moment_low与accurate_moment_high组成当前时刻 “细”计数,second_moment_low与second_moment_high组成当前时刻“粗”计数,当预期回波时刻与当前时刻一致时,输出距离门控信号。图中连续两个预期回波时刻“粗”计数都为1C72h,“细”计数分别为5645BEDh和565E28Bh,计算得到两次时刻相差499990 ns。以上实验结果满足2 kHz重复频率的距离门控间隔为500000 ns的要求,表明距离门控模块能够产生连续稳定的RGG信号。

    • 由于被测卫星离观测台站的距离太过遥远,卫星激光测距接收的信号十分微弱,仅有单光子数量级,这也导致单次激光的回波接收成功率较低。高重复频率激光测距的诞生就是为了通过增大激光发射次数来提高总体接收到的激光回波次数,这也说明激光发射(点火)频率对于高频率激光测距系统而言是十分重要的,点火频率的下降也会导致回波的接收数量下降。文中通过点火延迟法对后向散射干扰进行自动规避,由于部分点火信号需要规避后向散射的影响而被延迟,所以在单位时间内的实际激光发射次数会相较于原来激光发射次数有所下降。故需要对实际激光发射次数进行测量,以此判断经过后向散射规避延迟后,单位时间内系统的实际点火次数是否损失过多。单位时间(1 s)点火损失次数为不进行后向散射规避时的每秒点火次数(理论点火次数)与进行后向散射规避时的每秒实际点火次数(实际点火次数)之间的差值,点火频率损失率为每秒点火损失次数与每秒理论点火次数的比值。测试采用ajisai卫星星历在2 kHz重复率(每秒理论点火2 000次)下的模拟测试,在距离门控模块正常运行过程中按1 s为间隔对实测点火次数进行连续20 s采样,并计算每秒点火损失次数和点火频率损失率。后向散射规避点火频率测试结果如表2所示。

      表 2  后向散射规避点火频率测试结果

      Table 2.  Test results of firing frequency of backscat-tering avoidance

      SecondActual firing
      times
      Number of firing
      loss
      Loss rate of
      firing
      11 984160.80%
      21 986140.70%
      31 985150.75%
      41 986140.70%
      51 984160.80%
      61 986140.70%
      71 985150.75%
      81 986140.70%
      91 985150.75%
      101 986140.70%
      111 984160.80%
      121 986140.70%
      131 985150.75%
      141 986140.70%
      151 985150.75%
      161 986140.70%
      171 984160.80%
      181 986140.70%
      191 985150.75%
      201 986140.70%

      表2中列举了系统在每秒内的实际点火次数、每秒点火损失次数和点火频率损失率,其中,每秒点火损失次数通过理论点火次数(2 kHz)减去实际点火次数得到,点火频率损失率通过每秒点火损失次数除以理论点火次数(2 kHz)得到。点火频率损失率反映了由点火延迟法造成的点火数量损失对系统总体回波接收数量的影响程度。结果表明,文中后向散射自动规避电路在模拟运行中起到了精确规避作用,在对ajisai卫星的测试中平均点火损失率仅不到1%,系统点火频率损失小,并不会对系统最后的回波数据量造成明显影响,所以文中后向散射规避功能满足预期要求。

      图  10  距离选通模块分辨率测量实验图

      Figure 10.  Experimental diagram of resolution measurement of range gating module

    • 距离门信号分辨率测试采用AMS公司的GPX2评估板作为测量装置,评估板使用TDC-GPX2芯片作为测量核心,在双通道高分辨率工作模式下,可以在5 ns脉冲间距下达到10 ps均方根(Root Mean Square, RMS)的最大分辨率[23]。GPX2评估板计算距离门控信号产生时刻与距离门控信号输出时刻的差值,差值的变化范围反映了距离门控信号的抖动范围,即是距离门控信号的分辨率。图10为距离选通模块分辨率测量实验图,实验采用ajisai卫星轨道进行预报,在2 kHz频率下测试结果如表3所示。

      图11是距离门信号抖动结果,X轴为测试选取的点数,Y轴为距离门信号输出时刻与产生时刻的差值。差值最大值为37.84 ns,差值最小值为35.36 ns,差值的峰峰值为2.48 ns。图11显示距离门的分辨率优于5 ns,说明新的距离选通模块硬件设计是可行的,能够实现高重复率激光测距的连续观测。

      表 3  距离门信号抖动测试结果

      Table 3.  Test results of range-gate signal jitting

      PointsRange gating output epoch/sRange gate generation epoch/sDifference/s
      120778.0231426703920778.023142634260.00000003613
      220778.0236427803720778.023642744270.00000003610
      320778.0241428902520778.024142854160.00000003609
      420778.0246430000720778.024642963970.00000003610
      520778.0251431098920778.025143073780.00000003611
      620778.0256432208920778.025643184770.00000003612
      $\vdots $$\vdots $$\vdots $$\vdots $
      574520780.8957745108120780.895774474330.00000003648
      574620780.8962746194020780.896274582890.00000003651
      574720780.8967747283720780.896774691870.00000003650
      574820780.8972748384720780.897274801850.00000003662
      574920780.8977749439820780.897774907760.00000003622
      575020780.8982750541520780.898275017570.00000003658

      图  11  距离门信号抖动结果

      Figure 11.  Result of range-gate signal jitting

    • 为了缓解目前流动卫星激光测距系统在野外环境下距离选通模块工作稳定性较低的问题,文中设计了一种适用于流动激光测距的距离选通实现方法,在兼顾TROS1000对设备安装空间的要求下,提升了距离选通模块的稳定性。该模块采用ARM+FPGA架构,充分利用了ARM芯片的接口资源和突出的数据处理能力、FPGA的并行能力和稳定性,以此达到更优的性能。文中详细介绍了距离门控实现原理和距离门控算法,并根据人卫激光测距常用典型轨道的lageos1卫星、ajisai卫星和地球同步卫星(compassi3)的星历进行距离门各项性能的测试。测试结果表明,新的距离选通模块参数拟合精度误差小于0.01%,单次激光脉冲处理时间达到34.365 μs,后向散射干扰规避点火频率损失低于1%,距离门分辨率优于5 ns,门控信号输出平稳,各性能指标均达到固定卫星激光测距台站标准[4],所以文中设计的距离选通模块可以应用在流动卫星激光测距系统的高重复频率实际观测当中。

参考文献 (23)

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