衛星激光時差測量儀探測方法研究

史豐豐,程夢飛,李　博,王　磊

(北京衛星導航中心,北京 100094)

衛星激光時差測量儀探測方法研究

史豐豐,程夢飛,李博,王磊

(北京衛星導航中心,北京 100094)

摘要：星載時差測量儀是實現激光星地精密時差測量的關鍵設備,其采集數據總有效率的高低決定激光星地時間同步精度。但由于激光技術的數據采集率受天氣及背景噪聲影響較大,為提高時差測量儀的探測能力,降低大背景噪聲對數據總有效率的影響,分別應用門控技術[1]和調整下傳速率兩種策略針對激光時差測量儀進行實驗。實驗結果：在大背景噪聲條件下可以提高時差測量儀數據總有效率20%以上。

關鍵詞：激光時間比對;時差測量儀;門控;下傳速率

doi:10.13442/j.gnss.1008-9268.2015.02.019

中圖分類號：TP391.41

文獻標志碼：A

文章編號：： 1008-9268(2015)02-0088-04

收稿日期：2015-02-10

作者簡介

Abstract:Onboard time difference measurer is the key equipment to realize the precise time measurement between satellite and the earth by laser, and its efficiency determines the precision of time synchronization. However, due to the efficiency of data acquisition by laser was affected by the weather and the background noise, the two methods of threshold control and transmission rate adjustment have been experimented in order to improve the detection ability and reduces the influence of background noise. The results show that they can improvement the efficiency of 20% above in the condition of large background noise.

0引言

隨著科學技術的發展,高精度時間同步在國民經濟建設諸如通信、電力、交通等領域有著廣泛的應用,在衛星導航、太空探索等領域時間同步精度要求甚至達到納秒或亞納秒量級[2]。目前時間同步精度主要采用單向和雙向兩種方法,激光時間傳遞作為雙向法的一種,該技術的優點是有效的抵消衛星位置或地面位置不準確而造成的測量誤差,以及路徑中的反常電離層、對流層的干擾所引起的時延誤差,同步精度可以優于1 ns[3].然而,激光技術的數據采集率受天氣及背景噪聲影響較大[4],星載時差測量儀是實現激光數據采集的關鍵設備,為解決大背景噪聲條件下數據總有效率低的問題,本文首先介紹了激光星地時間比對及星載時差測量儀的基本原理,而后介紹了門控技術及下傳速率調整兩種策略在星載時差測量儀上的應用,通過實驗可以看出應用這兩種策略能夠在大背景噪聲條件下大幅提高數據采集總有效率,對激光星地時間同步具有現實意義。

1激光星地時差測量原理

1.1　激光星地時間比對基本原理

(1)

圖1　激光星地時差測量原理圖

1.2　激光星地時差測量儀原理

聯系人： 李 博E-mail54041212@qq.com

激光時差測量儀原理樣機主要包括激光探測器和計時器, 激光探測器的核心器件是捷克技術大學提供的40μm單光子雪崩二極管芯片,特點是靈敏度高(單光子),對綠光(Nd:YAG倍頻激光波長) 量子效率高(20%),不需要放大器,時間游動小(<150ps)[7]。高精度計時器采用內插測時方法,把時間間隔分為大數部分為ΔT和精細部分ΔT1和ΔT2,采用較低頻率作為參考時基,大數部分ΔT可利用普通數字計數器對參考時基進行計數,精細部分ΔT1和ΔT2,是由兩個輸入的脈沖與參考時基最接近的脈沖間的相位差,由高精度時間數字轉換芯片TDC測量。時間間隔Ti=ΔT+ΔT1-ΔT2.激光時差測量儀原理框圖如圖2所示。

圖2　激光時差測量儀原理框圖

2門控技術

2.1　實驗方法

利用20 Hz時頻信號作為門控信號,通過分光鏡送一路給PIN管以產生每秒20次脈寬為1.8 μs的門控信號和SR620的開門信號,另一路通過反光鏡經過較長的光路后送至激光探測器,激光探測器輸出作為SR620的關門信號。 SR620得到數據為TS,通過串口送至計算機進行分析。測試過程使激光探測器在此門控信號期間處于單光子靈敏度接收狀態,其余時間處于低靈敏度狀態。

在無燈光照射(模擬低背景噪聲)和不同強度的燈光照射(模擬不同背景噪聲)情況下,分別測試有無門控狀態下的時差測量的精度和探測概率。激光探測器門控試驗框圖如圖3所示。

圖3　激光探測器門控試驗框圖

2.2　數據分析

表1示出了不同噪聲下激光探測器有無門控測量結果。

表1　不同噪聲下探測器有無門控測量結果比對表

圖4是不同噪聲下探測器有無門控的探測概率對比圖。可以看出在大噪聲情況下,有門控的探測成功率明顯高于無門控的情況。在噪聲大于13 MHz時,無門控狀態下無有效信號。采用門控技術可以大幅提高噪聲條件下的有效探測率。

圖4　不同噪聲下測量儀有無門控的探測概率對比圖

3測量數據下傳速率調整

3.1　實驗方法

激光時差測量儀工作模式為20 Hz,激光脈沖輸入頻率大于20 Hz時則數據溢出,測量儀仍以20 Hz速率記錄數據。因此模擬環境采用20 Hz激光脈沖輸入,時差測量儀在不同背景噪聲的情況下,分別采用1 Hz和20 Hz兩種速率記錄數據并下傳。經過分析分別得出不同背景噪聲情況下,兩種下傳速率的測量精度和探測概率。

搭建地面模擬環境,由激光器提供20 Hz的激光脈沖,激光經分光鏡一路送給事件計時器記錄激光發射時刻TS,另一路送給激光時差測量儀,由激光計時器電性件提供給激光探測器門控信號。激光時差測量儀將20 Hz數據以及1 Hz(在采集到的20組數據中機選1組)的激光探測信號TS下傳至工控機。激光時差測量儀下傳框圖如圖5所示。

3.2　數據分析

表2示出了在不同噪聲情況下,將探測到的20 Hz全部數據下傳和1 Hz數據下傳結果。在噪聲>15 MHz時,表中的“無有效信號”表示測量數據中檢測不出有效信號。

圖5　下傳速率調整實驗框圖

表2　20 Hz與1 Hz速率數據下傳結果對比

從表2可以看出,相等的探測時間內,采用20 Hz速率下傳的有效信號的個數比1 Hz速率下傳要多10倍以上。在大噪聲的情況下,20 Hz數據下傳明顯有利于信號檢測。在不同背景噪聲下測量儀分別采用20 Hz和1 Hz速率下傳方式的探測概率對照如圖6所示。

圖6　不同噪聲下測量儀不同速率下傳 方式的探測概率對照圖

4結束語

激光時差測量儀經過門控實驗及下傳速率調整實驗表明,激光探測器增加門控措施,對于在大噪聲狀態下提高激光信號探測概率22%。時差測量儀采用20 Hz速率全部數據下傳提高了激光探測效率18%,兩種策略在實際應用中可同時采用,更有利于激光時差測量儀在大噪聲狀態下探測有效信號。因此,上述兩項實驗策略能夠顯著改善時差測量儀在大噪聲狀態下的探測能力。

參考文獻

[1] 王元明,楊福民,黃佩誠,等.星地激光時間比對原理樣機及地面模擬比對試驗[J].中國科學G輯, 2008(2)：217-224.

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[3] 李鑫, 楊福民, 激光時間傳遞技術進展[J].天文學進展,2004: 50-52.

[4] 王曉晗,楊旭海.衛星雙向法時間頻率傳遞中Sagnac效應的計算分析[J].儀器儀表學報, 2006, 27(6): 628-630.

[5] 楊福民,莊奇祥,蘇錦源.利用激光脈沖進行時間傳遞實驗[J].科學通報, 1983，28(12)：738.

[6] 李博,李博宇,呂京龍.激光星地時差測量技術研究[C]//2013全國時間學術會議,2013:29-30.

[7] 孫宏偉,李志剛,李煥信.衛星雙向時間比對原理及比對誤差估算[J].宇航計測技術, 2001, 21(2): 55-58.

史豐豐(1976-),男,高級工程師,主要從事衛星導航專業。

程夢飛(1987-),女,助理工程師,主要從事衛星導航專業。

李博(1981-),男,助理工程師,主要從事衛星導航專業。

王磊(1983-),男,助理工程師,主要從事衛星導航專業。

Study on Measure Methods of Satellite Laser Time

Difference Measuring Instrument

SHI Fengfeng,CHENG Mengfei,LI Bo,WANG Lei

(BeijingSatelliteNavigationCenter,Beijing100094,China)

Key words: Laser time comparison; time difference measuring instrument; gate control technology; data passing-down rate