衛(wèi)星激光測距高速數(shù)據(jù)處理解決方案

激光測距相對于其他測距，如微波測距,，往往具有探測距離遠,、測距精度高,、抗干擾能力強,、保密性好,、體積小,、重量輕的特點,。使用脈沖能量高、峰值功率大的激光器,，是衛(wèi)星激光測距系統(tǒng)獲得較高測距能力的前提,，同時，系統(tǒng)的其他模塊也有相應(yīng)配套要求,，如數(shù)據(jù)處理部分同樣要求速度快,、精度高。北京坤馳科技有限公司針對激光高速脈沖測距系統(tǒng)的特殊應(yīng)用,，研制出了一款可用于衛(wèi)星激光測距的高速數(shù)據(jù)處理解決方案。

系統(tǒng)簡介：

衛(wèi)星激光測距技術(shù)集光機電于一身,涉及計算機軟,、硬件技術(shù),光學(xué),、激光學(xué)、大地測量學(xué),、機械學(xué),、電子學(xué)、天文學(xué),、自動控制學(xué),、電子通訊等多種學(xué)科。因此SLR測距儀系統(tǒng)十分復(fù)雜,消耗較大,故障率較高,同時受天氣因素制約,維護起來也比較困難,需要花費較大的人力物力,但它又是目前精度高的絕對觀測技術(shù)手段,。

其測距原理為：由激光器對被測目標(biāo)發(fā)射一個光脈沖,，然后接收系統(tǒng)接收目標(biāo)反射回來的光脈沖，通過測量光脈沖往返的時間來算出目標(biāo)的距離,。 

系統(tǒng)框圖：

系統(tǒng)組成：

衛(wèi)星激光測距系統(tǒng)按照各部分用途大致分為：激光發(fā)射,、激光接收、信息處理和信息傳輸四大部分,。

• 激光發(fā)射部分的作用是產(chǎn)生峰值功率高,，光束發(fā)散角小的脈沖激光,，使其經(jīng)過發(fā)射光學(xué)系統(tǒng)進一步準(zhǔn)直后，射向所測衛(wèi)星,。

• 激光接收部分是接收從被測衛(wèi)星反射回來的微弱激光脈沖信號,，經(jīng)接收光學(xué)系統(tǒng)聚焦后，照在光電探測器的光敏面上,，使光信號轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘柌⒔?jīng)過放大,。

• 信息處理部分的主要作用是進行衛(wèi)星測站預(yù)報，跟蹤衛(wèi)星,，測量激光脈沖從測距系統(tǒng)到被測衛(wèi)星往返一次的時間間隔t,，并準(zhǔn)確顯示和記錄在計算機硬盤上，再由人工或自動方式形成標(biāo)準(zhǔn)格式,。

• 信息傳輸部分的作用是通過通訊網(wǎng)絡(luò)接收軌道預(yù)報參數(shù)和其它指令（下傳）,，上傳觀測結(jié)果所形成的標(biāo)準(zhǔn)格式數(shù)據(jù)等。

硬件介紹

光學(xué)模塊

依據(jù)測量距離,、測量方法的不同用戶功能可選用各種不同性能的激光器,、發(fā)射望遠鏡、接受望遠鏡,、光電倍增管等不同光學(xué)部件與儀器,。

原理簡圖：

千赫茲皮秒激光器為第四代衛(wèi)星激光測距之激光器。下一代衛(wèi)星測距用激光器為雙波長激光器,。

數(shù)據(jù)處理模塊

 性能指標(biāo)：

•  10bit  2GSPS ADC,，單通道。

•  低噪聲模擬前端,，支持+/-5V~+/-200mV信號輸入,，50Ω阻抗 BNC接口。

•  板載128MB DDR2內(nèi)存,。

•  16個可編程GPIO,，可用于系統(tǒng)控制。

•  高穩(wěn)定度,，超低低抖動時鐘發(fā)生器,。

•  低噪聲電源設(shè)計。

•  LED顯示,，指示含有畸變信號的數(shù)量和狀態(tài),。

•  FPGA實現(xiàn)實時信號特征檢測算法功能。

•  FPGA目標(biāo)跟蹤,、距離實時計算算法,。

•  USB 2.0 接口，用戶可以通過USB進行參數(shù)配置以及接收計算結(jié)果,。

•  寬溫設(shè)計-20℃~+90℃

•  供電需求,，單電源12DC輸入,，1A電流。

•  外形尺寸：220mmX90mm

采集系統(tǒng)框圖：

硬件外形：

性能保證：

1,、量化精度等指標(biāo)：

Fs=2Gsps,；   Fin=500MHz ；   SNR:42 dBc;   ENOB:7 bit;   THD:45dBc,；   SFDR:48dBc,。

2.Clock jitter的消除：

該方案中采用溫度補償晶體TCXO以及業(yè)內(nèi)頂級的 Jitter cleaning CLK Generator芯片來保證clock的穩(wěn)定性，Clock jitter的消除以及極低的Phase noise,。采用本時鐘解決方案,，其總的clock jitter在系統(tǒng)中完全能做到<1ps。< span="">

3.合理的設(shè)計方法

合理的高速數(shù)模混合PCB設(shè)計,，充分論證信號完整性和電源完整性,，PCB版圖如下：

衛(wèi)星激光測距（Satellite Laser Ranging：SLR）是隨著現(xiàn)代激光、光電子學(xué),、 計算機和空間科學(xué)發(fā)展而建立起來的一門嶄新觀測技術(shù),。由于它具有獨特的測距方式和較高的測量精度,已在地學(xué)領(lǐng)域廣泛應(yīng)用。目前,其觀測資料已可用于地球物理學(xué),、地球動力學(xué),、大地測量學(xué)、天文學(xué)和地震預(yù)報等多種學(xué)科應(yīng)用,。