卫星激光测距高速数据处理解决方案

激光测距相对于其他测距，如微波测距，往往具有探测距离远、测距精度高、抗干扰能力强、保密性好、体积小、重量轻的特点。使用脉冲能量高、峰值功率大的激光器，是卫星激光测距系统获得较高测距能力的前提，同时，系统的其他模块也有相应配套要求，如数据处理部分同样要求速度快、精度高。北京坤驰科技有限公司针对激光高速脉冲测距系统的特殊应用，研制出了一款可用于卫星激光测距的高速数据处理解决方案。

系统简介：

卫星激光测距技术集光机电于一身,涉及计算机软、硬件技术,光学、激光学、大地测量学、机械学、电子学、天文学、自动控制学、电子通讯等多种学科。因此SLR测距仪系统十分复杂,消耗较大,故障率较高,同时受天气因素制约,维护起来也比较困难,需要花费较大的人力物力,但它又是目前精度高的绝对观测技术手段。

其测距原理为：由激光器对被测目标发射一个光脉冲，然后接收系统接收目标反射回来的光脉冲，通过测量光脉冲往返的时间来算出目标的距离。

系统框图：

系统组成：

卫星激光测距系统按照各部分用途大致分为：激光发射、激光接收、信息处理和信息传输四大部分。

• 激光发射部分的作用是产生峰值功率高，光束发散角小的脉冲激光，使其经过发射光学系统进一步准直后，射向所测卫星。

• 激光接收部分是接收从被测卫星反射回来的微弱激光脉冲信号，经接收光学系统聚焦后，照在光电探测器的光敏面上，使光信号转变为电信号并经过放大。

• 信息处理部分的主要作用是进行卫星测站预报，跟踪卫星，测量激光脉冲从测距系统到被测卫星往返一次的时间间隔t，并准确显示和记录在计算机硬盘上，再由人工或自动方式形成标准格式。

• 信息传输部分的作用是通过通讯网络接收轨道预报参数和其它指令（下传），上传观测结果所形成的标准格式数据等。

硬件介绍

光学模块

依据测量距离、测量方法的不同用户功能可选用各种不同性能的激光器、发射望远镜、接受望远镜、光电倍增管等不同光学部件与仪器。

原理简图：

千赫兹皮秒激光器为第四代卫星激光测距之激光器。下一代卫星测距用激光器为双波长激光器。

数据处理模块

性能指标：

• 10bit 2GSPS ADC，单通道。

• 低噪声模拟前端，支持+/-5V~+/-200mV信号输入，50Ω阻抗 BNC接口。

• 板载128MB DDR2内存。

• 16个可编程GPIO，可用于系统控制。

• 高稳定度，超低低抖动时钟发生器。

• 低噪声电源设计。

• LED显示，指示含有畸变信号的数量和状态。

• FPGA实现实时信号特征检测算法功能。

• FPGA目标跟踪、距离实时计算算法。

• USB 2.0 接口，用户可以通过USB进行参数配置以及接收计算结果。

• 宽温设计-20℃~+90℃

• 供电需求，单电源12DC输入，1A电流。

• 外形尺寸：220mmX90mm

采集系统框图：

硬件外形：

性能保证：

1、量化精度等指标：

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

2.Clock jitter的消除：

该方案中采用温度补偿晶体TCXO以及业内顶级的 Jitter cleaning CLK Generator芯片来保证clock的稳定性，Clock jitter的消除以及极低的Phase noise。采用本时钟解决方案，其总的clock jitter在系统中完全能做到<1ps。< span="">

3.合理的设计方法

合理的高速数模混合PCB设计，充分论证信号完整性和电源完整性，PCB版图如下：

卫星激光测距（Satellite Laser Ranging：SLR）是随着现代激光、光电子学、 计算机和空间科学发展而建立起来的一门崭新观测技术。由于它具有独特的测距方式和较高的测量精度,已在地学领域广泛应用。目前,其观测资料已可用于地球物理学、地球动力学、大地测量学、天文学和地震预报等多种学科应用。