CN106093917A - 基于fpga技术的高精度星载激光高度计地面定标系统 - Google Patents

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张运杰
李新
刘恩超
朱大振
闫静
郭晴晴
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Abstract

本发明公开了一种基于FPGA技术的高精度星载激光高度计地面定标系统，包括有信号采集模块、基于FPGA的高精度定时模块、无线通信模块以及电源模块；所述的信号采集模块包括有硅光电探测器、放大器、信号整理器及单稳态触发器；所述的基于FPGA的高精度定时模块包括有FPGA控制器、GPS高精度授时模块、实时时钟以及数据存储SD卡。本发明的定标系统采用FPGA技术、无线通信技术，实现了星载激光高度计高精度的地面定标，系统采用高集成度设计及无线通信设计，大大方便了实验场地布设，也保证了野外定标实验的高精度、高可靠性。

Description

基于FPGA技术的高精度星载激光高度计地面定标系统
技术领域
本发明涉及遥感定标领域，尤其涉及一种基于FPGA技术的高精度星载激光高度计地面定标系统。
背景技术
星载激光高度计能用于多种科研分析，例如冰层和植被覆盖变化。针对星载激光高度计数据的定量化应用，需要对其进行地面定标验证。地面定标系统需要提供到达地面的激光光斑的地理位置和精确时间信息，用于之后与星上数据比较以验证星载激光高度计的指向角和时间戳。
发明内容
本发明目的是提供一种基于GPRS技术的高精度星载激光高度计地面定标系统。
本发明是通过以下技术方案实现的：
一种基于FPGA技术的高精度星载激光高度计地面定标系统，其特征在于：包括有信号采集模块、基于FPGA的高精度定时模块、无线通信模块以及电源模块；所述的信号采集模块包括有硅光电探测器、放大器、信号整理器及单稳态触发器；所述的基于FPGA的高精度定时模块包括有FPGA控制器、GPS高精度授时模块、实时时钟以及数据存储SD卡；所述的无线通信模块包括有程控无线通信模块及天线；所述信号采集模块通过硅光电探测器接收星载激光高度计激光器发射的激光信号，通过光电转换产生电流信号，该电流信号经放大器放大，再经信号整理器及单稳态触发器处理成有相当带负载能力的窄脉冲，此窄脉冲送至基于FPGA的高精度定时模块的FPGA控制器的I/O口，单稳态触发器会在设计时间范围内对电路复位以便信号采集模块可以重新接收下一次激光信号；GPS高精度授时模块接收GPS定位信息并定时接收GPS时间信息刷新系统时间，FPGA控制器的I/O口接收来自信号采集模块的窄脉冲信号，I/O口产生脉冲事件将触发片内定时程序，FPGA控制器的定时程序记录下此脉冲产生瞬间的时间戳，并将硅光电探测器的序号、位置信息以及该时间戳几个数据作为一条数据记录存入数据存储器SD卡，无线通信模块将该数据上传至管理中心计算机。
所述的基于FPGA技术的高精度星载激光高度计地面定标方法，其特征在于：所述的所述的电源模块为一可更换的小型锂电池。
其中，信号采集模块实现激光光斑的信号接收及转换功能，最终将信号整理成窄脉冲输出；高精度定时模块包含核心器件FPGA作为微控制器，接收来自信号采集模块的窄脉冲；信号采集模块接收到激光信号，产生窄脉冲输出至定时模块的FPGA控制器的I/O口，FPGA控制器接收到此脉冲，以此判断有激光光斑照射并被系统接收，窄脉冲作为触发事件触发FPGA内部程序记录此刻的精确时间戳，随同该探测单元序号(每个探测单元对应着一个地理位置坐标)以及位置信息作为一条数据记录存储于SD卡中，该SD卡可以取下，通过读卡器由上位机专用软件读取，也可作为数据存储器，由FPGA读取其数据并发送至通信模块上传至管理中心计算机。系统工作时，由FPGA程序进行初始化设置，实时接收来自定时模块FPGA传来的数据，并按照通信协议通过无线方式发送至中心计算机。
星载激光高度计测高原理是通过获得激光脉冲发射到接收返回脉冲的时间差推算被测目标和卫星之间的距离，即通过测定激光脉冲往返飞行时间t，通过计算得出距离D=c*t/2（c为光速）。而地面定标系统需要获取激光脉冲到达地面的时间戳Tm及激光光斑的地理坐标，Tm与卫星观测时间tm（tm=tT+t/2, tT为激光高度计激光束发射时间）对比可获得卫星激光脉冲发射时刻的空间坐标，提供的光斑地理坐标帮助确定卫星激光高度计激光束发射指向角，这些定标参数对于估算高度计算中由于卫星姿态、大气消光等因素导致的计算误差至关重要。
本发明的优点是：
本发明将FPGA定时模块与信号采集模块、无线通信模块集成在一起，避免了传统的分离设计方式中，采用电缆连接信号采集模块与定时模块，以至于野外实验时，布设几十甚至上百个探测单元时，需要拉数十上百条电缆，避免了长电缆对信号造成的延时和噪声误触发，大大方便了野外实验场地的布设及实验操作，提高了系统的精度和可靠性。
附图说明
图1为本发明结构示意图。
图2为本发明的系统原理图。
具体实施方式
如图1、2所示，一种基于FPGA技术的星载激光高度计地面定标系统，包括有信号采集模块1、基于FPGA的高精度定时模块2、无线通信模块3以及电源模块4。星载激光高度计地面定标系统放置于一个透明塑料圆柱筒5内。筒顶部开有小孔，放置一特定波长的滤光片，信号采集模块1的光电探测器光敏面正对小孔，从而可以接受设定波长的激光信号。信号采集模块1包含有硅光电探测器6，以及放大器7、信号整理器8、单稳态触发器9。当有激光高度计激光光斑照射到探测器时，信号采集模块1将信号转换处理成一窄脉冲送至定时模块FPGA的I/O口，单稳态触发器9会在设计时间范围内对触发脉冲复位以便信号采集电路可以重新接收下一次激光信号；基于FPGA的高精度定时模块2包含有FPGA控制器10、GPS授时模块11、SD卡数据存储器12、RTC实时时钟13。基于FPGA的高精度定时模块2的系统时间来自GPS授时模块11，实验前接收GPS定位信息，信号采集模块1送来的窄脉冲事件触发FPGA的定时程序，程序记录下此刻的时间戳，时间戳数据随同本探测器单元序号、位置信息作为一条数据记录存入SD卡，并实时通过无线通信模块上传中心计算机，或实验结束后，由中心计算机专用软件读取SD卡数据。无线通信模块3由FPGA片内程序进行初始化设置，实验过程中接收来自定时模块2的数据，按照设计的通信协议上传中心计算机。电源模块4为一可更换的锂电池，工作时供给系统电能。

Claims (3)

1.一种基于FPGA技术的高精度星载激光高度计地面定标系统，其特征在于：包括有信号采集模块、基于FPGA的高精度定时模块、无线通信模块以及电源模块；所述的信号采集模块包括有硅光电探测器、放大器、信号整理器及单稳态触发器；所述的基于FPGA的高精度定时模块包括有FPGA控制器、GPS高精度授时模块、实时时钟以及数据存储SD卡；所述信号采集模块通过硅光电探测器接收星载激光高度计激光器发射的激光信号，通过光电转换产生电流信号，该电流信号经放大器放大，再经信号整理器及单稳态触发器处理成有相当带负载能力的窄脉冲，此窄脉冲送至基于FPGA的高精度定时模块的FPGA控制器的I/O口，单稳态触发器会在设计时间范围内对电路复位以便信号采集模块可以重新接收下一次激光信号；GPS高精度授时模块接收GPS定位信息并定时接收GPS时间信息刷新系统时间，FPGA控制器的I/O口接收来自信号采集模块的窄脉冲信号，I/O口产生脉冲事件将触发片内定时程序，FPGA控制器的定时程序记录下此脉冲产生瞬间的时间戳，并将硅光电探测器的序号、位置信息以及该时间戳几个数据作为一条数据记录存入数据存储器SD卡，无线通信模块将该数据上传至管理中心计算机。
2.根据权利要求1所述的基于FPGA技术的高精度星载激光高度计地面定标方法，其特征在于：所述的无线通信模块包括有程控无线通信模块及天线。
3.根据权利要求1所述的基于FPGA技术的高精度星载激光高度计地面定标方法，其特征在于：所述的电源模块为一可更换的小型锂电池。
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