衛星激光測距高速數據處理解決方案

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，是衛星激光測距系統獲得較高測距能力的前提，同時，系統的其他模塊也有相應配套要求，如數據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的特殊應用，研制出了一款可用于衛星激光測距的高速數據處理解決方案。

系統簡介：

衛星激光測距技術集光機電于一身,涉及計算機軟、硬件技術,光學、激光學、大地測量學、機械學、電子學、天文學、自動控制學、電子通訊等多種學科。因此SLR測距儀系統十分復雜,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手段。

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

系統框圖：

系統組成：

衛星激光測距系統按照各部分用途大致分為：激光發射、激光接收、信息處理和信息傳輸四大部分。

• 激光發射部分的作用是產生峰值功率高，光束發散角小的脈沖激光，使其經過發射光學系統進一步準直后，射向所測衛星。

• 激光接收部分是接收從被測衛星反射回來的微弱激光脈沖信號，經接收光學系統聚焦后，照在光電探測器的光敏面上，使光信號轉變為電信號并經過放大。

• 信息處理部分的主要作用是進行衛星測站預報，跟蹤衛星，測量激光脈沖從測距系統到被測衛星往返一次的時間間隔t，并準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準格式。

• 信息傳輸部分的作用是通過通訊網絡接收軌道預報參數和其它指令（下傳），上傳觀測結果所形成的標準格式數據等。

硬件介紹

光學模塊

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

原理簡圖：

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

數據處理模塊

 性能指標：

•  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內存。

•  16個可編程GPIO，可用于系統控制。

•  高穩定度，超低低抖動時鐘發生器。

•  低噪聲電源設計。

•  LED顯示，指示含有畸變信號的數量和狀態。

•  FPGA實現實時信號特征檢測算法功能。

•  FPGA目標跟蹤、距離實時計算算法。

•  USB 2.0 接口，用戶可以通過USB進行參數配置以及接收計算結果。

•  寬溫設計-20℃~+90℃

•  供電需求，單電源12DC輸入，1A電流。

•  外形尺寸：220mmX90mm

采集系統框圖：

硬件外形：

性能保證：

1、量化精度等指標：

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以及業內頂級的 Jitter cleaning CLK Generator芯片來保證clock的穩定性，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在系統中完全能做到<1ps。< span="">

3.合理的設計方法

合理的高速數模混合PCB設計，充分論證信號完整性和電源完整性，PCB版圖如下：

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