CN102680960B

CN102680960B - 一种高精度测距验证系统及方法

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Publication number: CN102680960B
Application number: CN201210145252.4A
Authority: CN
Inventors: 金仲和; 郭学卫; 王春晖
Original assignee: Zhejiang University ZJU
Current assignee: Zhejiang University ZJU
Priority date: 2012-05-10
Filing date: 2012-05-10
Publication date: 2014-06-25
Anticipated expiration: 2032-05-10
Also published as: CN102680960A

Abstract

本发明公开了一种高精度测距验证系统及方法，验证系统包括光学部分和平移台，其中光学部分包括激光器、光电调制器、光强放大器、光电解调器，以及连接各个器件的光纤，用于模拟空间远距离；而平移台包括控制器，移动台，固定台和螺杆，以及分别安装在移动台和固定台的发送天线和接收天线，用于实现空间精确距离的调节。本发明通过调节移动台与固定台间的距离，采样移动前后的传输距离，通过计算采样数据的均方差得到测距系统的稳定度，通过对比采样数据的平均值，并与移动台实际移动的距离对比，得到测距系统的测距精度。本发明充分利用光纤通信的优越性，模拟了数百公里的空间距离，屏蔽了外界环境的干扰，有效验证了测距系统的稳定度和精度。

Description

一种高精度测距验证系统及方法

技术领域

本发明涉及光纤通信和星间测距领域，尤其涉及一种高精度测距验证系统及方法。

背景技术

目前，在飞行器测控中，测距占有重要的地位，因为无论是深空飞行、导弹跟踪，还是卫星轨道的测定等航天应用，都离不开距离的测量。高精度星间测距系统是低低卫卫跟踪重力卫星的关键有效载荷，通过处理高精度的星间距离和距离变化率数据，可以恢复出地球重力场。地球重力场的精确测量对大地测量、地球物理、地球动力学和海洋学等学科的发展具有极其重要的意义。2002年3月德美合作成功发射的GRACE(GravityRecovery And Climate Experiment)卫星，其最核心的有效载荷为高精度K波段微波测距系统，测距精度优于10um，测速精度可达到1um/s，可以测出地球表面重力场异常所引起的卫星间距的变化。随着小卫星技术的不断进步，小卫星网在通信、遥感和导航等领域起到越来越重要的作用，星间测距是皮卫星编队的重要保障，对小卫星本身进行高精度定位是保证卫星网正常工作的前提。

现在常用的测距系统包括载波测距和伪码测距，载波测距是通过计算本地发送的载波和接收的载波的相位差进行测距的，根据测距信号发送和接收的相位变化量，计算出传输距离。而伪码测距是根据测距信号发送和接收的延时来计算出传输距离。

可见，远距离高精度测距系统在军事和航天领域已经显得越来越重要了，这些测距系统的研究最终需要一个精度高、长度长的距离来进行验证和校准。但是对于大部分的研究院所，很难找到一个开阔的几十甚至上百公里的空间距离，如果要求这个空间距离精确到微米级，基本上是不可能实现的。

发明内容

本发明的目的是提供一种高精度测距验证系统和方法，通过模拟精度高距离远的空间距离，验证测距系统的测距稳定度和测距精度。

一种高精度测距验证系统，用于验证测距系统的稳定度和测距精度，所述测距系统包括测距信号产生电路和测距信号处理电路，所述验证系统包括光学部分和平移台，所述光学部分包括依次相连的激光器，光电调制器和光电解调器，以及连接各器件的光纤，用于模拟测距系统的测距远距离；所述平移台包括发送天线和接收天线，所述发送天线与接收天线之间距离精确可调；所述光电调制器与测距信号产生电路相连，用于将测距信号调制到激光上；所述光电解调器的输出端与平移台的发送天线相连，所述测距信号处理电路与平移台的接收天线相连，用于计算测距信号传输距离并输出。

所述光电调制器连接有直流偏置电路，通过调节直流偏置电压使调制后的信号失真最小，增益最大。光电调制器采用了强度调制器，该调制器是基于马赫曾德干涉原理的波导型电解质光调制器件，通过调节直流偏置电压可以使调制后的信号失真最小，增益最大。

所述光电调制器与光电解调器之间设置有光强放大器，用于放大光功率。光强放大器采用了EDFA，在1550nm处具有增益高、功率高等特性。

所述平移台还包括移动台和固定端，以及连接移动台和固定端的导轨，所述发送天线与接收天线分别设置在移动台和固定端上。所述平移台还包括控制器，用于控制移动台在导轨上移动，设置移动台与固定端之间的精确距离。本平移台绝对定位精度可以达到5μm，重复定位精度可以达到2μm，可以精确地定位发送天线与接收天线间的间距，从而确定测距系统的精度。

本发明还提出了一种高精度测距验证方法，用于验证测距系统的稳定度和测距精度，包括步骤：

（1）、将测距信号调制在激光上，通过光纤传输后，解调出测距信号；

（2）、将解调出的测距信号通过发送天线发送，经过一段精确设定的距离后通过接收天线接收；

（3）对接收信号进行处理输出测距信号传输的距离；

（4）在规定的时间内按照固定的时间间隔采样输出的测距信号传输的距离，计算采样数据的平均值和均方差，以所述均方差作为所述测距系统的稳定度；

（5）调整发送天线与接收天线间的距离，重复步骤（3），（4）；

（6）计算两次测量结果的平均值差值，与发送天线与接收天线调整距离进行比较，得出测距系统的测距精度。

本发明中所述的规定时间内按照固定时间间隔，通常固定时间间隔可以设置为0.1-1秒，采集一定数量的数据即可，为了数据的准确性，通常采样数据在300-2000个左右比较合适，规定的时间可以根据所需要的采样数据进行设定。

所述光纤用于模拟测距系统的测距远距离，通过接入光强放大器对光功率进行放大，以达到传输距离的要求。由于光纤可以在较小的空间内盘绕防止，因此实现100Km以上的传输距离比较容易，为了保证远距离的传输，加入光强放大器可以有效延长光的传输距离。

所述发送天线与接收天线设置在平移台上，所述平移台包括移动台和固定端，以及连接移动台和固定端的导轨，所述发送天线与接收天线分别设置在移动台和固定端上。所述平移台还包括控制器，用于控制移动台的在导轨上移动，设置移动台与固定端之间的精确距离。

本光学系统可以精确地模拟空间远距离，是一种方便且十分有效的远距离测量验证方式，为精准测距系统提供一种便捷准确的验证平台。可以很好地被应用到航天、精密仪器制造、高精度定位系统、道路交通测量、资源勘探等领域。目前，该系统已经在卫星测距两大主要测距系统（载波测距和伪码测距）中得到了验证，相信以后在其他领域还可以得到很好的应用。

附图说明

图1是整个高精度测距系统验证平台连接框图；

图2是本发明验证系统光学部分连接结构图；

图3是本发明验证系统平移台结构图；

图4是验证平台在载波测距系统中的连接框图；

图5是载波测距系统在此光学系统中的验证结果；

图6是验证平台在伪码测距系统中的连接框图；

图7是伪码测距系统在此光学系统中的验证结果。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明技术方案做进一步详细说明，以下实施例不构成对本发明的限定。

本发明高精度测距验证系统与所要验证的测距系统的连接如图1所示，其中测距系统包括测距信号产生电路和测距信号处理电路，验证系统包括光学部分和平移台，其中光学部分包括激光器、光电调制器、光强放大器、光电解调器，以及连接各个器件的光纤，用于模拟空间远距离；而平移台包括控制器，移动台，固定台和螺杆，以及分别安装在移动台和固定台的发送天线和接收天线，用于实现空间精确距离的调节。

激光器的输出端通过光纤与光电调制器的光学输入端连接，光电调制器另外两个电学输入口分别接直流偏置电压和测距信号产生电路提供的测距信号，光电调制器的输出端通过光纤与光强放大器的输入端连接，光强放大器的输出端通过光纤与光电解调器的输入端相连，光电解调器的输出端与平移台相连，平移台输出与信号处理电路的输入端相连。

测距信号产生电路将测距信号输入光电调制器，光电调制器将测距信号调制到激光上，经过光纤的传输和光强放大器对光功率放大，再通过光电解调器解调出测距信号。

解调出的测距信号接入平移台的发送天线发送，平移台的接收天线接收测距信号，该发送天线与接收天线间的距离可以通过控制器精确调节，送入测距信号处理电路计算出测距信号的传输距离，即测距信号发射机的输出口到测距信号处理电路的入口的距离。

假设测距信号的传输距离为D，平移台的移动台和固定台之间的可调节间距为L，验证平台中由光纤、射频电缆和光学仪器组成的固定间距为S，则传输距离D等于可调间距L与固定间距S的和。

在测距系统中主要注重两个指标：稳定度和精度，稳定度即测量距离的均方差，精度即测量距离的绝对误差。以下就本发明验证平台验证测距系统的稳定度和精度的工作原理进行具体说明。

首先，平移台固定不动，将本发明验证平台接入测距系统，测距信号经过验证平台后在信号处理电路中混频、采样并解算出传输距离D，并以每0.1s输出一个传输距离值，计算输出数据的均方差和平均值。

在一段长时间内采集数据，求得的均方差值即为该测距系统的稳定度，平均值即为此链路长度的实际值记作D″。

然后，调节平移台移动台和固定端的间距L，设定移动距离为L′，再次重复上述的步骤，计算采集的数据的均方差和平均值D′，则平移台的移动量L″=D′-D″，计算L″'同实际移动量L′的差值：ΔL=L′-L″，此差值即为该测距系统的测距精度。

具体地，本发明光学部分器件连接结构如图2所示，激光器选用的是分布反馈激光器，在长距离、大容量的光纤通信系统中，分布反馈激光器可以降低色散的影响，使激光器工作在单纵模状态下，以降低光谱宽度。激光器波长为1550nm，1550nm波长处，光纤的衰减系数最小，其典型值为，在1310nm波长，0.3~0.4dB/Km；在1550nm波长，0.15~0.25dB/Km。而且光纤放大器EDFA（掺铒光纤放大器）的工作波长为1550nm。

光纤采用了G.653（DSF）色散位移光纤，色散位移光纤在1550nm处色散为零，该光纤不利于多信道的WDM传输，用的信道数较多时，信道间距减小，容易发生四波混频，导致信道间发生串扰。由于本发明验证系统中光纤的信道为1，所以不会出现四波混频，并且使载波信号的色散为零，避免了由于激光的色散而导致的脉宽展宽和信号失真。另外，色散位移光纤为单模光纤，由于光在光纤中传播是基于光的全反射原理，所以光在光纤中不是沿直线传播的。单模光纤中仅以一种模式（基模）进行传播，而高次模全部被截止，不存在模式色散，基模是平行于光轴直线传播的光线，所以光在单模光纤中的传播轨迹是以平行于光纤轴线的形式以直线方式传播的，即光纤的长度代表了激光实际传播的距离。

光电调制器采用了强度调制器，该调制器是基于马赫曾德干涉原理的波导型电解质光调制器件。调制方式属于间接调制，是在光源的输出通路上外加调制器对光波进行调制，是利用晶体传输特性随电压变化来实现对光波的调制，这种调制方式可将调制速率至少提高一个数量级而且不会影响光源的稳定工作。强度调制是指激光的功率随着调制信号的幅度变化呈正比例变化，光接收器一般都是直接地响应其所接收的光强度变化，所以这种调制方式有利于接收机的直接检波。该调制器是将输入光分成两路相等的信号分别进入调制器的两个光支路，这两个光支路采用的材料是电光性材料，即其折射率会随着外部施加的电信号大小而变化，由于光支路的折射率变化将导致信号相位的变化，故两个支路的信号在调制器的输出端再次结合时，合成的光信号是一个强度大小变化的干涉信号。通过这种办法，将电信号的信息转换到了光信号上，实现了光强度调制。

光强放大器采用了EDFA，在1550nm处具有增益高、功率高等特性。在干线或远距离光纤通信中，光信号需进行长距离传输，由于受光发送机输出功率，光接收机接收灵敏度，光纤传输线路的衰耗和带宽（或色散）的限制，光发送机和光接收机之间的最大传输距离是有限的。若传输距离超过这个限度，信号传输质量就会下降，甚至中断；为了既能延长传输距离，又要保证信号传输质量，必须在传输信号尚未劣化前，就进行处理，处理后，再继续传输。

光电解调器采用直接检波，从光纤中传输来的已调光波信号入射到光电检波器的光敏面上，光电检波器将光信号解调成电信号，然后进行电放大处理，还原成原来的信号，因为光纤输出的光信号很微弱，所以为了有效地将光信号转换成为电信号，要求光电检波器有高的响应度、低的噪声、快的响应速度。在实际应用中，光电检测器有两种类型，一种是PIN光电二极管(PIN-PD)；另一种是雪崩光电二极管(APD)。PIN光电二极管主要应用于短距离、小容量的光纤通信系统中；APD主要应用于长距离、大容量的光纤通信系统中。因为在长途光纤通信系统中，仅有毫瓦数量级的光功率从光发射机输出后，经过几十千米光纤衰减，到达光接收机处的光信号将变得十分微弱，如果采用PIN光电二极管，则输出的光电流仅几个纳安。为了使数字光接收机的判决电路正常工作，就需要采用多级放大。但放大的同时会引入噪声，从而使光接收机的灵敏度下降。雪崩光电二极管在电信号进入放大器之前，先在光电二极管内部进行放大，克服了PIN光电二极管的上述缺点。本系统中采用了肖特基势垒雪崩光电二极管，响应度为0.6A/W，响应时间为18.5ps，具有良好的检波性能。

具体地，平移台包括控制器、移动台，固定台和螺杆，如图3所示，还包括发送天线和接收天线，一个安装在移动台，另一个安装在固定台；移动台安装在螺杆上，沿着螺杆水平移动。平移台使用了精密步进电机传动控制运动导轨线性移动，其控制器为PC机，通过串行通信口控制电机的步进分数，传动导轨带动了移动台和移动台上的天线移动。整个平台的移动由PC机控制，从而避免了人为移动平台的不准确和走动造成的多径效应对测量结果的干扰。移动台在导轨上的移动范围可以达到500mm，绝对定位精度可以达到5μm，重复定位精度可以达到2μm，最大速度可以达到60mm/s。平移台的距离测量结果由测量步进电机运动转数乘以传动比例得到，以验证载波测量的准确性。两个天线之间可以加入一块介质板，提供更大的衰减，以避免天线间距离过近造成的近场效应对测量结果的影响。平移台采用步进电机控制的螺杆实现，步进电机和滚珠螺杆通过高品质弹性联轴节连接，消偏性能好。

控制器可独立控制多种型号步进电机和数字伺服电机，最多控制4轴，高达10M的脉冲输出速率，高达10M的编码器反馈速率，满足最高精度要求，能够分别对各轴设置初速度、恒速度、加速度、运动距离等参数。

平移台的重复定位精度和绝对定位精度高，重复定位精度可以达到2μm，绝对定位精度可以达到5μm，移动台在导轨上的移动范围可以达到500mm，最大速度可达60mm/sec，特别适合高速往复使用。

实施例1，通过本发明验证平台验证载波测距系统，如图4所示。载波测距系统将测距信号通过载波发射机将测距信号输入光电调制器，测距信号经过验证平台后，经测距系统的距离计算模块计算出测距的距离。

载波测距是通过计算本地发送的载波和接收的载波的相位差进行测距的，假设本地产生的高频载波信号的初始相位为Φ₀，经过验证平台传输之后，相位会有一定的延迟，设从该验证平台输出的载波信号相位为Φ₁（Φ₁值的大小随着光纤长度和平移台的两台之间距离而变化），那么载波经过该验证平台的这段时间内，信号的相位变化量ΔΦ=Φ₁-Φ₀，根据信号的相位变化量，测距信号处理电路计算出传输距离D，进而计算出测距系统的稳定度和测距精度。

实验过程中光纤的长度及光纤的折射率会随着外界温度和应力等条件的改变而改变，因此在使用本平台验证高精度测距系统时，要确保这些外界条件恒定。

如图5所示，为载波测距系统的验证结果，通过测距信号处理电路载波跟踪、混频、采样、比相、滤波得出距离值。本实施例测试采集了360个距离值，统计并计算该360个距离值的均方差，得出该载波测距系统的测距稳定度为86um。

测距精度的测量原理同稳定度的测量，不同的是测量测距精度时，需要移动平移台，通过改变平移台来改变测距信号的相位延迟，通过得到的相位差值来计算平移台的移动距离，将计算的移动距离值和实际的移动距离值比较即为测距系统的测距精度。

实施例2，通过本发明验证平台验证伪码测距系统，如图6所示，是伪码测距系统的测距原理及同该测距验证平台的连接图，其连接方式同载波测距系统中的连接方式相似。与载波测距不同的是，伪码测距系统的载波不携带距离信息，而是调制在载波上的伪码序列携带距离信息。因此，在本地测距信号生成端需要伪码序列生成器并且需要将伪码序列调制到高频载波上再发送给后端链路。另外伪码测距的延时量提取和载波测距也有不同，本系统采取了直接相关法，即将接收到的测距信号分别与本地子码进行相关计算，对于除钟码以外的子码，通过相关可以得到该子码对应的码片偏移量，码片偏移量与钟码相关结合，得到最终的测量结果。其中，该验证平台中光纤的长度和平移台的移动距离会影响到测距信号的延时量Δt，测距信号处理电路通过Δt来计算传输距离，从而来验证伪码测距系统的稳定性和测距精度。

如图7为伪码测距系统的验证结果，纵坐标单位为ns，通过测距信号处理电路载波跟踪、混频、采样、码元相关、滤波得出延时值。通过采集1500个延时值，统计并计算出该1500个点的均方差T，然后将该延时值T转化为距离值，得到该伪码测距系统的测距稳定度为1.4m。

本光学系统真正实现了远距离高精度的空间距离模拟，从根本上解决了测距系统中对空间距离的需求，大大地缩短了测距系统研究周期，并且在很大程度上提高了测距的精度。

以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其进行限制，在不背离本发明精神及其实质的情况下，熟悉本领域的技术人员当可根据本发明作出各种相应的改变和变形，但这些相应的改变和变形都应属于本发明所附的权利要求的保护范围。

Claims

1.一种高精度测距验证系统，用于验证测距系统的稳定度和测距精度，所述测距系统包括测距信号产生电路和测距信号处理电路，其特征在于，所述验证系统包括光学部分和平移台，所述光学部分包括依次相连的激光器，光电调制器和光电解调器，以及连接各器件的光纤，用于模拟测距系统的测距远距离；所述平移台包括发送天线和接收天线，所述发送天线与接收天线之间距离精确可调；所述光电调制器与测距信号产生电路相连，用于将测距信号调制到激光上；所述光电解调器的输出端与平移台的发送天线相连，所述测距信号处理电路与平移台的接收天线相连，用于计算测距信号传输距离并输出；

所述平移台还包括移动台和固定端，以及连接移动台和固定端的导轨，所述发送天线与接收天线分别设置在移动台和固定端上；

所述平移台还包括控制器，用于控制移动台在导轨上移动，设置移动台与固定端之间的精确距离。

2.如权利要求1所述的验证系统，其特征在于，所述光电调制器连接有直流偏置电路，通过调节直流偏置电压使调制后的信号失真最小，增益最大。

3.如权利要求1所述的验证系统，其特征在于，所述光电调制器与光电解调器之间设置有光强放大器，用于放大光功率。

4.一种高精度测距验证方法，用于验证测距系统的稳定度和测距精度，其特征在于，包括步骤：

（3）对接收信号进行处理输出测距信号传输的距离；

（6）计算两次测量结果的平均值差值，并利用平均值差值与发送天线与接收天线调整距离进行比较，得出测距系统的测距精度。

5.如权利要求4所述的验证方法，其特征在于，所述光纤用于模拟测距系统的测距远距离，通过接入光强放大器对光功率进行放大，以达到传输距离的要求。

6.如权利要求4所述的验证方法，其特征在于，所述发送天线与接收天线设置在平移台上，所述平移台包括移动台和固定端，以及连接移动台和固定端的导轨，所述发送天线与接收天线分别设置在移动台和固定端上。

7.如权利要求6所述的验证方法，其特征在于，所述平移台还包括控制器，用于控制移动台的在导轨上移动，设置移动台与固定端之间的精确距离。