（固体地球物理学专业论文）卫星激光测距仪低噪声接收系统的研制.pdf

一一 m a s t e r sd e g r e ed i s s e r t a t i o n s t u d yo ns l r sl o wn o i s er e c e i v es y s t e m m a s t e rc a n d i d a t e ： ，一 1 u t o r ： m a j o r ： r e s e a r c h ： z h a n gm i n g y a n g t _ i u ola n g y o n g s o l i d e a r t hg e o p h y s i c s 0 b s e r v a t i o nt e c h n o l o g y i n s t i t u t eo f s e i s m o l o g yc h i n a e a r t h q u a k ea d m i n i s t r a t i o n 助j h a n 。c h i n a j u n e ，2 0 0 7 学位论文版权使用授权书 本人完全了解中国地震局地震研究所关于收集、保存、使用学位 论文的规定，同意如下各项内容：按照地震所要求提交学位论文的印 刷本和电子版本；地震所有权保存学位论文的印刷本和电子版，并采 用影印、缩印、扫描、数字化或其它手段保存论文；地震所有权提供 目录检索以及提供本学位论文全文或者部分的阅览服务；地震所有权 按有关规定向国家有关部门或者机构送交论文的复印件和电子版；在 不以赢利为目的的前提下，地震所可以适当复制论文的部分或全部内 容用于学术活动。 学位论文作者签名：彩明户 矽d 7 年7 月乙日 缈7 囊雩鞲雷：弃讯扎2 e 0 7 肇琴青墨瞀名：硼矽 二力夕7 年7 月乙日 年7 月五日 。 、 中国地震局地震研究所 中国地震局地震研究所 学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师指导下，进行 研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本学位论文 的研究成果不包含任何他人创作的、己公开发表或者没有公开发表的 作品的内容。对本论文所涉及的研究工作做出贡献的其他个人和集 体，均已在文中以明确方式表明。本学位论文原创性声明的法律责任 由本人承担。 矽：7 年7 月己日 签名：张明阳 摘要 摘要 卫星激光测距( s a t e l l i t el a s e rr a n g i n g ( s l r ) ) 是六十年代中期出现的一 种高精度空间测量技术，其原理是通过测定激光脉冲至带有反射器的激光卫星往 返飞行时间，从而精确测定卫星的位置和轨道，进而计算测站地心坐标、测站间 基线长度、地球自转参数、地球重力场系数和引力常数等，为建立全球地面参考 系、监测现代地壳运动提供高精度观测数据。卫星激光测距技术是卫星大地测量 的一个重要手段。卫星激光测距仪是集光、机、电为一体的大型高技术、高精密 仪器。随着空间观测技术的不断发展，对于这项技术的要求也越来越多，由于原 有的激光测距仪只能在夜间进行观测，已经不能满足现在的观测需要，因此本文 中对卫星激光测距仪的白天观测技术进行了研究，设计了适用于白天测距的低噪 声接收系统，对装有窄带滤光片的恒温槽进行了重点设计。 本文首先对激光测距技术的发展和现状进行了概述，并引出了白天测距技术 的需求，然后针对此需求进行了设计方案的讨论，提出了两种可行的设计，并选 择了单片机组合复杂可编程逻辑器件的设计方案作为设计思路，以便在此基础上 进行系统的后续设计。 然后，本文对该系统中的关键技术进行了详细的分析以及说明，如单片机和 复杂可编程逻辑器件的接口技术以及单总线技术等。接着进行了系统的硬件选型 和设计，以及系统软件的设计实现，并对调试结果以及系统调试过程中出现的问 题进行了分析说明。 实验表明，本文中设计的低噪声接收系统可以在白天观测时有效地减少信号 噪声，完成了原先的设计目的；并且恒温槽也能稳定地工作在设计的温度，对接 收系统中的温度敏感部件进行恒温控制，同时也可以通过电机对接收光路进行必 要的调整。 实现白天激光测距则不仅能使观测数量增加一倍，而且对提高定轨精度及其 应用研究极为重要。 关键词：卫星激光测距，白天观测，复杂可编程逻辑器件，恒温控制 、 a b s t r a c t a b s t r a c t t h es a t e l l i t el a s e rr a n g i n gi so n ek i n do fh i g ha c c u r a c ys p a c es u r v e yt e c h n o l o g y w h i c ha p p e a r si nt h em i d d l eo f6 0 s ，i t sp r i n c i p l ei st od e t e r m i n a t et h et u r n a r o u n dt i m e u s i n gp u l s eo fl a s e rl i g h tt h r o u g ht h er e f l e c t o ro nt h el a s e rs a t e l l i t e ，i no r d e rt og e tt h e a c c u r a t es a t e l l i t ep o s i t i o na n dt h et r a c k ，t h e nc a l c u l a t et h es u r v e ys t a t i o ng e o c e n t r i c c o o r d i n a t e ，t h eb a s el e n g t hb e t w e e nt h es u r v e ys t a t i o n ，t h ee a r t hr o t a t i o np a r a m e t e r , t h et e r r e s t r i a lg r a v i t a t i o n a lf i e l dc o e f f i c i e n ta n dt h eg r a v i t a t i o n a lc o n s t a n ta n ds oo n ， u s e st oe s t a b l i s h t h e g l o b a lg r o u n d r e f e r e n c e s y s t e m ，t h e m o n i t o rm o d e m d i a s t r o p h i s mp r o v i d e st h eh i g ha c c u r a c yo b s e r v a t i o nd a t a t h es a t e l l i t el a s e rr a n g i n g t e c h n o l o g yi sa ni m p o r t a n tm e t h o do fs a t e l l i t eg e o d e t i cs u r v e y t h es a t e l l i t el a s e r r a n g i n gi n s t r u m e n ti sl a r g e - s c a l eh i g h t e c h ，a n dh i g hp r e c i s i o ni n s t r u m e n tb a s e do n o p t i c s ，m a c h i n ea n de l e c t r i c i t y a l o n gw i mt h ei n c r e a s i n gd e v e l o p m e n to fs p a t i a l o b s e r v a t i o nt e c h n o l o g y ，m o r ea n dm o r er e q u e s ta r ea l s or e g a r d i n g ，b e c a u s et h e o r i g i n a li n s t r u m e n to n l yc a nc a r r yo nt h eo b s e r v a t i o na tn i g h t ，i ta l r e a d yc a n n o ts a t i s f y p r e s e n to b s e r v a t i o nn e e d ，t h e r e f o r ei nt h i sa r t i c l eh a sc o n d u c t e dt h er e s e a r c ht ot h e d a y t i m eo b s e r v a t i o nt e c h n o l o g y ，d e s i g n e dt h el o wn o i s er e c e i v i n gs y s t e mu s e df o r d a y t i m eo b s e r v a t i o n ，a n dh a sc a r r i e do nt h ek e yd e s i g nt oc o n s t a n tt e m p e r a t u r et r o u g h p a r t ，w h i c hi n c l u d e st h en a r r o wb a n d p a s sf i l t e r t h i sa r t i c l ef i r s th a sc a r r i e do nt h e o u t l i n et ot h el a s e rr a n g i n gt e c h n o l o g y d e v e l o p m e n t a n dt h e p r e s e n ts i t u a t i o n ，a n dh a sa n a l y z e d t h i st e c h n i c a ll a t e r d e v e l o p m e n td i r e c t i o n t h e ni nv i e wo ft h i ss y s t e m sd e s i g ng o a l ，h a sc a r r i e do nt h e d e s i g np r o p o s a ld i s c u s s i o n ，p r o p o s e dt w ok i n do ff e a s i b l ed e s i g n s ，a n dc h o s et h e m o n o l i t h i ci n t e g r a t e dc i r c u i tc o m b i n a t i o nc o m p l e xp r o g r a m m a b l el o g i cc o m p o n e n t d e s i g np r o p o s a lt ot a k et h ed e s i g nm e n t a l i t y ，i no r d e rt oc a r r yo nt h es y s t e mi nt h i s f o u n d a t i o nt h ef o l l o w i n gd e s i g n t h e n ，t h i sa r t i c l eh a sc a r r i e do nt h ed e t a i l e da n a l y s i sa sw e l la ss h o w i n gt oi nt h i s s y s t e m e s s e n t i a l t e c h n o l o g y ，l i k e m o n o l i t h i c i n t e g r a t e d c i r c u i ta n dc o m p l e x p r o g r a m m a b l el o g i c a lc o m p o n e n tc o n n e c t i o nt e c h n o l o g ya sw e l la ss i n g l em a i nl i n e t e c h n o l o g ya n ds oo n t h e ni th a sc a r r i e do nt h es y s t e mh a r d w a r ec h o o s i n ga sw e l la s t h ed e s i g n ，a n ds y s t e m ss o f t w a r ed e s i g nr e a l i z a t i o n a n di tc a r r yo nt h ea n a l y s i s e x p l a n a t i o na b o u tt h eq u e s t i o nw h i c hi nt h er e s u l ta sw e l la si nt h es y s t e md e b u g g i n g 中国地震局地震研究所 p r o c e s s t h ee x p e r i m e n ti n d i c a t e d ，i nt h i sa r t i c l ed e s i g n st h el o wn o i s er e c e i v i n gs y s t e m u s e dw h e nt h ed a y t i m eo b s e r v a t i o nc a ne f f e c t i v e l yr e d u c e st h es i g n a ln o i s e ，s oi th a s c o m p l e t e dt h eo r i g i n a ld e s i g ng o a l a n dc o n s t a n tt e m p e r a t u r et r o u g ha l s oc a ns t a b l y w o r ki nt h ed e s i g nt e m p e r a t u r e ，m a k i n gt h es e n s i t i v i t yu n i t sw h i c hi nt h er e c e i v e s y s t e mt o w o r ke x p e c t e d ，a l s ow ec a na d j u s tt h e r e c e v i n go p t i c a ls y s t e mb y c o n t r o l l i n gt h em o t o r r e a l i z a t i o nd a y t i m el a s e rr a n g i n gt h e nn o to n l yc a nc a u s et h eo b s e r v a t i o n q u a n t i t yt od o u b l e ，s oa st oe n h a n c ed e c i d e st h ea x l ep r e c i s i o na n dt h ea p p l i e d r e s e a r c hi se x t r e m e l yi m p o r t a n t k e y w o r d s ：s l r ，d a y t i m eo b s e r v a t i o n ，c p l d ，t e m p e r a t u r ec o n t r o l 目录 目录 摘要i a b s t r a c t i i i 第一章绪论一l 1 1 卫星激光测距技术发展及现状1 1 2 卫星激光测距技术的发展特点2 1 3s l r 取得的成就和近期的发展一3 1 4 本课题工作重点和意义5 第二章系统可行性方案的确定9 2 1 现场可编程逻辑阵列加嵌入式处理器方案9 2 2 单片机加复杂可编程逻辑器件方案1 0 2 3 技术方案的选择1 2 第三章系统中关键技术分析1 3 3 1 单片机与复杂可编程逻辑器件接口讨论1 3 3 2 步进电机的控制1 6 3 3 单总线技术探讨2 4 第四章系统硬件部分设计2 9 4 1 单片机选型2 9 4 2 复杂可编程逻辑器件选型3 3 4 3 电机选型3 4 4 4 电路版图3 5 第五章系统软件设计及实现3 7 5 1 单片机内软件设计3 7 5 2c p l d 内软件设计4 8 第六章系统调试情况及其他5 3 第七章结论5 7 参考文献5 9 作者简介6 2 致谓6 3 llo 第一章绪论 第一章绪论 1 1 卫星激光测距技术发展及现状 卫星激光测距( s a t e l l i t el a s e rr a n g i n g ，s l r ) 是6 0 年代初由美国宇航局 ( n a s a ) 发起的一项旨在利用空间技术来研究地球动力学、大地测量学、地球物理 学和天文学等的技术手段。它就是测量激光脉冲在观测站和卫星之间的往返飞行 时间，从而计算出卫星到测站的距离。在计算过程中，还应对大气中的光速值和 卫星的质心等进行精确的修正，并对测量中的光路和电气系统的时延等进行严格 的标定。卫星激光测距( s l r ) 与甚长基线射电干涉测量( v l b i ) 、卫星全球定 位系统( g p s ) 均为现代空间天文观测技术。 卫星激光测距是利用测量激光在地面与卫星之间的往返传播时间来进行测 距的，这是区别于其它空间观测技术( 如v l b i 、g p s 、s a r 等) 的主要差别，仅单 次测量就可以计算绝对距离、其测量精度与所测距离无关等是s l r 技术的固有特 点，这些因素决定了其在空间大地测量领域不可替代的地位。 经过3 0 多年的发展，s l r 已取得了巨大的成绩。观测的精度由最初第一代 的几米，提高到现在第三代的几厘米甚至亚毫米；观测站由原来的只由n a s a 支 持的几个站壮大到现在的分布于全球近3 0 个国家的4 0 多个观测台站；观测的卫 星也由最初的“探险者- 2 2 号 ( b e - b ) 增加到现在的几十颗心1 。 现在全球的观测站主要由n a s a 网、欧空局网和西太平洋网等3 大网组成。 其中，n a s a 网包括美国本土的5 个站、澳大利亚的a r r o g a t e 、秘鲁( 美国设备) ； 欧空局网包括德国、法国、意大利、英国、荷兰、奥地利、西班牙( 与n a s a 合建) 、 埃及( 与捷克合建) 、瑞士、芬兰、古巴、乌兹别克、乌克兰、拉脱维亚、波兰、 希腊( 与n a s a 合建) ；西太平洋网包括中国、日本、澳大利亚的s t r o m o l o 、俄罗 斯、沙特。而中国网现在有上海站、北京站、武汉站和长春站能够开展常规观测， 它们分别属于中科院上海天文台、国家测绘局测绘科学研究院、中科院测量和地 球物理研究所和国家地震局地震研究所，以及中科院长春人造卫星观测站。上述 全球s l r 观测系统，尽管观测的数量和质量有所差别，但基本上都属于第三代系 统。 全球s l r 已观测过的卫星，按其功能主要分成四类： 第一类是地球动力学卫星( g e o d y n a m i c s ) ，包括a j i s a i ，e t a l o n - l & 2 ， l a g e o s l & 2 ，g f z 一1 ，s t a r l e t t e ，s t e l l a ，w e s t p a c 等。这类卫星是s l r 的主要 中国地震局地震研究所 合作目标，它们通常是实心的球体，表面上布满后向角反射器。这些卫星一般是 轨道高，面质l e d , ，而且，由于这些卫星的形状规则和反射均匀，使得对它们的 距离测量可以高精度地归算到它们的质心，同时也使得大气阻力和辐射压效应与 卫星的指向无关，所以它们的轨道可以定得很准。 第二类是地球遥感卫星( e a r t hs e n s i n g ) ，包括e r s - i & 2 ，t o p e x p o s e i d o n ， g f o 一1 等。这类卫星通常是搭载一些科学仪器，用来研究和监测地球。上述几颗 卫星上都有雷达高度计。这类卫星的形状一般是不规则的，与第一类的不一样， 所以作用到卫星上的大气阻力和太阳辐射压等都很大，有时不可预测。这时，s l r 就为它们的定轨，雷达高度计观测数据的精密标定，以及从海洋水准面的角动量 变化中提取出观测仪器的长期漂移等提供了唯一的手段。 第三类是定位卫星( p o s i t i o n i n g ) ，包括g p s - 3 5 & 3 6 ，g l o n a s s 系列。这类卫 星主要是指美国的全球定位系统g p s ( g l o b a lp o s i t i o n i n gs y s t e m ) 和俄罗斯的 类似于美国全球定位系统的一套卫星导航系统g l o n a s s ( g l o b a ln a v i g a t i o n s a t e l l i r es y s t e m ) 。这些卫星轨道很高，都近2 万公里左右。美国只在g p s 一3 5 和3 6 卫星上安装了后向反射器，主要是用于s l r 和g p s 并置观测，从而进一步 提高g p s 系列卫星的定轨精度。同时，也可以利用s l r 对g p s 上的时间与地面测 站的时间进行比对，进而研究相对论。 第四类是其他一些科学试验卫星( e x p e r i m e n t a l ) 。它们中的很多是短期观 测，如t i p s 卫星是美国海军发射的用于研究卫星间系拉试验，只观测了半年； z e y a 卫星是俄罗斯发射的对高度计进行科学研究的卫星，也只观测了半年。这 些卫星通常不仅形状不规则，而且有时又故意将其上的后向反射器特殊安装，来 达到进行一定科学试验的目的，。 1 2 卫星激光测距技术的发展特点 ( 1 ) 具有白天测距能力的台站增多 白天测距可延长观测弧段，增加观测圈数，对卫星精密定轨非常有用。但白 天天空背景噪声比晚上高几个数量级，观测难度比晚上要大得多是否具备白天 测距能力是评价s l r 站水平的重要指标。近几年来，通过对卫星预报的改进，卫 星的位置和距离预报精度有很大提高。l a g e o s 的位置预报可达1 0 一2 0 ”，距离预 报精度可达到5 m 左右。近地星的预报基本也能达到白天测距的精度要求为了 进一步提高卫星预报精度，i l r s 要求每个观测站在测距完毕后，立即向国际数 据中心发送测距结果，以便及时做出更精确预报。欧洲网已开始在部分站试验准 实时交换测距结果，这对于及早捕获目标有重要作用。在技术上采用实时检测和 2 第一章绪论 调整激光光束方向漂移的方法来提高瞄准精度。同时还通过改进实时跟踪软件， 利用回波信号残差判断法，从白天的强烈背景噪声中检测出卫星回波信号3 。通 过这些技术改进，目前，国际上约一半观测站己具有白天测距能力 ( 2 ) 多功能高精度自动化 新建的测距系统正朝多功能、高精度和高度自动化发展，如德国的多种技术 综合测量设备t i g o 和美国n a s a 的s l r 2 0 0 0 系统饰1 。为了减少人力和物力的消 耗，增加竞争力，新建的测距系统更加重视系统的自动化程度澳大利亚s t r o m l o 站试验的全自动观测已初步获得成功1 ，领先于s l r 2 0 0 0 有的站实现了远程控 制激光观测，如瑞士z i m m e r w a l d 站。 ( 3 ) 重视大气延迟修正和卫星质心改正 随着测时精度的提高，今后影响s l r 精度进一步提高的将是大气延迟修正和 卫星质心改正h 3 因此，这两个问题近几年引起了s l r 界的高度重视。 迄今为止，大气延迟均根据测距站测距时刻的地面气压、温度等大气参数进 行修正。为了提高大气延迟修正精度，有的站开展了双色激光测距的研究。利用 双色激光测距的测量结果可直接修正大气延迟，而不再依赖模型，而且测距精度 更高。如果双色测距的返回脉冲的间距可以测到皮秒( 卵，1 0 1 2 s ) 级，则大气延 迟修正可以精确到毫米级。 卫星质心改正( c o m ) 是卫星激光测距的一个重要参数，它是卫星激光反射器 的分布效应的结果。其效应是由反射器的特性和反射器阵列分布所决定1 。质心 改正误差影响到卫星轨道的计算。因此，必须开展激光反射器的分布效应的研究， 对使用中的卫星给出更准确的c o m 值。同时，国际激光测距界很重视新型的激光 其反射器设计，以适应毫米级激光测距的需要。1 9 9 7 年发射的“西太平洋卫星 w b s t p a c ，其反射器的设计精度达到毫米级1 。1 9 9 8 年俄罗斯提出用l u n e b u r g 透镜原理设计的新型反射器n 们，估计精度比w e s t p a c 还高。 1 3s l r 取得的成就和近期的发展 s l r ( 卫星激光测距) 在过去的4 0 多年里已经取得了很多的成就，主要有以 下的这些方面： 在地球动力学方面，利用对l a g e o s 卫星的多年全球激光联测的资料，可以 精密地解算出各个跟踪站的3 维地心坐标，从而建立起高精度的全球地面参考坐 标系。同时逐年精确测定位于全球不同大陆板块上的各个激光跟踪站之间的基线 长度，便能够推算出这些基线的变化率，显然，这些基线长度的变化反映了板块 的水平运动。 中国地震局地震研究所 在重力场方面，对大量卫星激光测距资料的分析，可以反测并改进表征地球 重力场的一系列参数。由全球几十个跟踪站对l a g e o s 卫星的高精度激光联测也 精化了表征地球的形状和大小的参数以及地心引力常数等。所得的最新结果如 下：赤道半径口。= 6 3 7 8 1 3 6 4 9 0 1 0m ，扁率“厂= 2 9 8 2 5 64 5 0 0 0 00 1 ，重力场 常数g m = 3 9 8 6 0 0 4 4 1 8 x1 0 h 8x1 0 5 m 3 s 吨， 自转角速度彩= 7 2 9 2 1 1 5 x1 0 5 r a d s n 订。 在地球白转方面，地球自转参数包括表征极移( x 。和y 。) 和地球自转速率变化 的3 个分量。从卫星观测距离残差的分析中，离析出地球自转3 参数所产生的效 应部分，从而可反推出这3 个参数的数值。对l a g e o s 十多年的观测，发现l a g e o s 激光测距数据所推算得的日长变化与由气象资料计算所得大气角动量彼此很好 相吻，证实了两者之问的强相关性。同时发现，利用卫星激光测距技术对地球自 转参数测定的精度和分辨率都比用经典技术的测定提高了许多倍。鉴于此，国际 社会在1 9 8 7 年成立了地球自转服务组织i e r s ( i n t e r n a t i o n a le a r t hr o t a t i o n s e r v i c e ) ，并决定自1 9 8 8 年1 月1 日开始不再使用经典技术，而采用人卫激光 测距和其他两种新技术( 当时为月球激光测距l l r 和甚长基线干涉测量v l b i ) 进 行地球自转参数服务工作。 在海洋学等方面，利用s l r 定轨和标定了载有雷达高度计的卫星，为雷达高 度计数据的应用提供了保证。 在卫星定轨方面，上世纪9 0 年代s l r 对定轨学最大的贡献就是对高轨卫星 的精确测量，这些卫星在大气极少的地方运动，受到的大气阻力也极少。例如在 i g e x 一9 8 对g l o n a s s 和g p s - 3 5 和g p s - 3 6 的联测中，用局部控制点对轨道误差进 行计算已经达到1 - 2 c m 的精度n 羽。 s l r 在高度标定中的作用就是在当地地面站上以l c m 精度实现对卫星的定轨。 空间海洋学的研究是建立在测高仪的数据上的，而测高仪的数据精度要靠精确的 轨道整合及高度标定来保证。从对n a s a 和法国空间研究中心( c n e s ) 发射的t o p i x p o s e i d o n 卫星的精密定轨情况来看，由于d o r i s 和s l r 良好的互补性，定轨精度 已达2 - - 3 c mn 3 1 。 在技术方面：激光器，由最初的红宝石激光器、调q 方式、脉宽2 5n s ，到 第二代n d ：y a g 、调q 方式、脉宽4 5 瑚，发展到现在第三代n d ：y a g 、主被动锁 模、脉宽1 0 0 - - - - 2 0 0p s 的激光器。 时间间隔计数器由最初分辨率为1 0 r l s ，发展为分辨率为0 1 瑚的$ 8 1 2 系列， 到现在分辨率为3 5 筇的h p 5 3 7 0 b ，甚至分辨率为几个皮秒的时间事件计数器。 恒定比例鉴别器，最初时不用，然后是恒定阈值鉴别器，再后足使用时间游 4 第一章绪论 动为2 0 0p s 、动态范围为1 0 0 0 ：1 的c a n b e r r a1 4 2 8 恒定比例鉴别器，到现在是 使用时间游动小于3 0 眇、动态范围为1 0 0 ：l 的t c 4 5 4 恒定比例鉴别器m 1 。 光电接收器件，开始是上升时间为1 0 u s 、精度为1 ，z s 的光电倍增管，到上 升时间为2 r l $ 、精度为几百个筇的光电倍增管p m 2 2 3 3 b 或g d b 4 9 ，现在是上升时 间为1 埘或好于1 瑚、精度为几十皮秒的单光子雪崩二级管s p a d 、微通道板光 电倍增管m c p p m t 和雪崩二级管a p d ，还有人在试用精度为几个筇的圆扫描变像 管，来进一步提高精度n 针。 自动化程度从最初的由观测手操作来控制经纬仪的运转，到现在是完全由计 算机按照预报值来控制、驱动经纬仪的运转，可以实行昼夜跟踪观测，同时搜集 数据。 进行双波长激光测距，来修正大气的影响等；建立流动型卫星激光测距系统， 进行并置观测提高数据的质量，同时增加了观测网布局的合理性。 卫星激光测距技术已经取得了长足的发展，但是随着应用的需要，我们还要 对这项技术进行不断的完善，来满足日益增长的功能需求。本文中讨论的流动站 的白天测距技术就是卫星激光测距中目前迫切需要解决的一项技术问题。 1 4 本课题工作重点和意义 由于白天天空背景噪声比夜晚要大1 0 0 倍以上，所以白天卫星激光测距的难 度很大。但实现白天激光测距则不仅能使观测数量增加一倍，对提高精度及应用 研究极为重要。 从综合情况来看，尽管目前的观测获得了相对较多的数据，但比国际上先进 的站尚有较大差距，其原因是不能在白天观测，观测机会减少到1 3 或1 4 。目 前，国内已有几个固定站进行了白天观测技术试验n 们。若能在流动站上实现白天 观测技术，数据量将会大大增加。 但白天测距与以往的夜间观测相比，对接收系统有了更高的要求。这主要是 因为白天的光线较强，各种杂散光的存在会“湮没 激光回波信号，要使接收系 统可以从各种白光中找出返回的激光信号，那就要进行滤波，这就是本文设计低 噪声接收系统的目的所在。 低噪声接收系统的设计方法也有很多种，如引入滤波器电路等的方法，而本 文的设计是采用窄带滤光片进行的滤波的方法。使用中心波长与我们的激光信号 相同的窄带滤光片，就使的只有我们需要的激光信号才可以通过，从而达到了降 低噪卢的目的。图1 1 中是一些常见的窄带滤光片。图1 2 是单腔和多腔窄带滤 光片的波谱图。 中国地震局地震研究所 图1 1 常见窄带滤光片 图1 2 单腔和多腔窄带滤光片的波谱图 对窄带滤光片的性能特性进行了解以后发现，窄带滤光片有温漂特性，现定 性分析如下： 窄带滤光片随环境温度变化发生的漂移可以归因于薄膜材料的折射率温度 系数及其热膨胀系数。窄带滤光片的光学特性对温度变化比较敏感。对于具有正 温度系数的材料，当温度变化很小时，随温度的上升，最主要的影响就是波峰向 6 第一章绪论 长波方向移动；当温度变化较大时，通常滤光片的湿气会放出来，有可能引起波 峰向短波方向移动。 窄带滤光片的中心波长漂移量对环境温度的依赖会有物理厚度变化引起的 漂移，温度折射率变化引起的漂移和热膨胀不匹配引起的漂移。当温度改变时， 热应力使薄膜材料发生弹性形变，从而导致薄膜的厚度和折射率的变化。为了分 析这一过程，可以利用h a r u ot a k a s h a s h i 在分析红外滤光片的温度稳定性时建立 的计算模型。在r o 温度下，膜层的平均折射率为刀。= n o p o + 1 一圪。其中局为平 均聚集密度；n 。为膜系等效折射率。 由于基底热膨胀系数与膜系的热膨胀系数不同，温度变化时，膜系发生弹性 形变。假设基底和薄膜的热膨胀系数是各向同性的，x 方向与y 方向的线性膨胀 相同，忽略微小量，x 、y 方向的热膨胀可表示为 l ，= l ，= 三o 1 + t ( 1 一s ) e 】 在z 方向，即薄膜厚度方向的热膨胀为 l ，= l o ( 1 2 s t e ) 式中，厶为薄膜内任一区域立方体的一条边的长度；e 为杨氏弹性模量；j 为泊松比；f 为x 、y 方向的热应力。 又因为当温度变化不大时，薄膜和衬底的热膨胀可以认为是线性的，故设口、 分别为基底和薄膜的热膨胀系数，则 f ( 1 一s ) e = ( 口一f 1 ) ( t 一瓦) 温度为丁时的薄膜体积可以写成 = 三，三，l ：= l o 1 + 2 ( a 一) ( 1 2 s ) ( 1 一s ) 】 再考虑膜系本身的热膨胀为= 3 v o f l ，则基底热应力和膜系热膨胀2 种效 应的累加有 巧= 鹾【1 + 2 ( a 一) ( 1 2 s ) ( 1 一s ) + 3 】 由此，丁温度下的平均聚集密度只可表示为 b = 局( 1 + 3 f 1 ) ( 1 + 3 p + 彳) 式中a = 2 ( a - f 1 ) ( 1 2 s ) ( t t o ) ( 1 j ) 。 考虑薄膜的变形和自身热膨胀，可得温度为丁时的薄膜总物理厚度为 d ，= d o ( 1 一召+ ) 式中b = 2 s ( a - f 1 ) ( t t o ) ( 1 一s ) ；d o 是温度为瓦时的薄膜厚度。 引入标准化的折射率温度系数( 它由薄膜自身的性质所决定) 万= ( d n d t ) n 令膜系等效折射率随温度变化后的值n r = n o ( 1 + 艿) 卜孺，可以得到温度为r 7 中国地震局地震研究所 时的平均折射率 刀7 = n r 片+ l 一弓 温度升高引起的中心波长漂移为 a 3 , = a z ( n d ) n l d o = a ( n r d 7 n l d o 1 ) 上述理论可以用来定量地分析温度上升所引起的中心波长漂移，其中主要因 素就是材料的折射率温度系数、基底及膜系的热膨胀系数、材料的泊松比和膜层 的聚集密度等。图1 3 是窄带滤光片随温度变化中心波长的漂移变化。 菇j ? ，。菇：0 ，c e n t e r w a v e l e n g t h ( r i m ) ，_ ， 图1 3 窄带滤光片的温漂曲线 因此，为了消除窄带滤光片的温漂现象，本文设计的接收系统加入了恒温槽 的设计。这也是白天测距系统与以往仪器主要的区别所在。恒温槽就是一个箱体 空间，用于给温度敏感的窄带滤光片提供稳定的工作环境。除此之外，低噪声接 收系统的设计还要求对接收光路进行调整，这部分可以通过电机控制来实现。 本文中通过恒温槽的设计以及电机控制来使得所设计的低噪声接收系统能 保证流动激光测距系统t r o s 可以在白天正常地进行观测。 8 8瓦麓基-嚣警弘a。一静慧-霉羲囊薅 第_ 二章系统可行性方案的确定 第二章系统可行性方案的确定 2 1 现场可编程逻辑阵列加嵌入式处理器方案 首先，本文中考虑的设计方案是采用现场可编程逻辑阵列结合嵌入式的处理 器完成。现场可编程逻辑阵列( f p g a ) 是在p a l 、g a l 、e p l d 等可编程器件的基 础上进一步发展的产物。它是作为专用集成电路( a s i c ) 领域中的一种半定制电 路而出现的，既解决了定制电路的不足，又克服了原有可编程器件门电路数有限 的缺点n 7 1 。 f p g a 的基本特点主要有： 1 ) 采用f p g a 设计a s i c 电路，用户不需要投片生产，就能得到合用的芯片。 2 ) f p g a 可做其它全定制或半定制a s i c 电路的中试样片。 3 ) f p g a 内部有丰富的触发器和i 0 引脚。 4 ) f p g a 是a s i c 电路中设计周期最短、开发费用最低、风险最小的器件之 一o 5 ) f p g a 采用高速c m o s 工艺，功耗低，可以与c m o s 、t t l 电平兼容。 在2 0 0 0 年，a l t e r a 发布了n i o s 处理器，这是a l t e r ae x c a l i b u r 嵌入处理 器计划中第一个产品，它成为业界第一款为可编程逻辑优化的可配置处理器。现 在它已经演化为一种s o p c ( 可编程单芯片系统) 工具。f p g a 与n i o s 的结合是把 可编程逻辑的固有的优势集成到嵌入处理器的开发流程中，这样我们就会拥有非 常成功的设计。 现场可编程逻辑器件与嵌入式软核处理器的结合使用，实现了我们以往所不 能实现的s o p c 技术。s o p ( ：是s y s t e mo np r o g r a m m a b l ec h i p ，即可编程片上系 统的缩写。片上可编程系统是指在一片可编程芯片上完成一个整个的系统。s o p c 是一种灵活、高效的解决方案，它将处理器、存储器、i o 口、l v d s 、c d r 等系 统设计需要的东西集成到一个p l d 器件上，构建成一个可编程的片上系统，具有 灵活的设计方式，可裁减、可扩充、可升级，具备软硬件在系统可编程的功能u 8 。 s o p c 的工作环境是a l t e r a 的q u a r t u si i 中的s o p cb u i l d e r 。与其他s o c 设计相比，其优点在于可编程性，利用f p g a 的可编程性进行s o c 设计。通过采 用s o p cb u i l d e r 工具，用户可以很方便地将处理器、存储器和其他外设联接起 来，组成一个完整的嵌入式系统。s o p c 从内部的角度来说，主要包含2 个部分： 图形用户界面( g u i ) 和系统生成程序。图形用户界面内每个组件也可以提供自己 9 中国地震局地震研究所 的配置图形用户界面，g u i 创建系统p t f 文件对系统进行描述；生成程序创建针 对目标器件的系统h d l 描述口9 1 。 s o p c 技术最早是由美国a l t e r a 公司于2 0 0 0 年提出的，是现代计算机辅助 设计技术、电子设计自动化e d a ( e l e c t r o n i c sd e s i g na u t o m a t i o n ) 技术和大规 模集成电路技术高度发展的产物。s o p c 技术的目标是将尽可能大而完整的电子 系统在一块f p c - a 中实现，使得所设计的电路在规模、可靠性、体积、功能、性 能指标、上市周期、开发成本、产品维护及其硬件升级等多方面实现最优化。s o p c 的设计以i p 为基础，以硬件描述语言为主要设计手段，借助以计算机为平台的 e d a 工具，自动化、智能化地自顶向下地进行。 系统级芯片设计是一种高层次的电子设计方法，设计人员针对设计目标进行 系统功能描述，定义系统的行为特性，生成系统级的规格描述。这一过程中可以 不涉及实现工艺。一旦目标系统以高层次描述的形式输入计算机后，e d a 系统就 能以规则驱动的方式自动完成整个设计。为了满足上市时间和性能要求，系统级 芯片设计广泛采用软硬件协同设计的方法进行啪，。 随着百万门级的f p g a 芯片、功能复杂的i p 核和可重构的嵌入式处理器软核 的出现，s o p c 设计成为一种确实可行的、重要的设计方法。设计者可以非常方 便地完成系统集成，软硬件协同设计和验证，最大限度地提高电子系统的性能， 加快设计速度和节约设计成本。 2 2 单片机加复杂可编程逻辑器件方案 本文中所考虑的另一种可行的设计方案是利用单片机作为处理器，再配合可 编程逻辑器件来完成设计。 单片机即是单片微型计算机，是将微处理器、一定容量的r a m 和r o m 以及i o 口、定时器等电路集成在一块芯片上构成的口。单片机具有强大的信息处理、逻 辑分析、决策判断等能