无线激光通信与测距一体机的测距精度分析
无线激光通信与测距一体机的测距精度分析
作者:胡玮;蒋大钢;邓科;陈彦;幺周石
无线激光通信相对同样技术指标的射频通信来说,具有体积小、质量轻、功耗低、抗干扰、抗截获等诸多优点,尤其适合于太空通信、光纤“最后一千米接入”等应用场合。随着高灵敏度探测器和大功率激光器等光电子器件的成熟发展,以及用户对通信系统自身的诸多指标要求更加苛刻,无线激光通信研究已经形成了新一轮的研究热潮。激光测距仪技术的研究已经经历了几十年,已成功应用于车速、车距测量等交通管制领域,以及距离告警、半主动激光制导等军事领域。在空间应用领域,激光测距技术越来越广泛的用于高精度星间位置测量。
结合无线激光通信与激光测距技术的空间应用,杨红宇等提出了星间激光通信兼测距技术方案[2]。文中将在此方案基础上,兼顾在太空以及大气环境中的应用,进一步梳理技术细节,提出并实现无线激光通信与测距一体机的通用方案,并从探测器信噪比、温度这两个主要因素入手,分析它们对测量精度的影响。
1 系统设计
无线激光通信与测距一体机的实现原理是:在两个无线光通信终端间,经过 ATP(跟踪捕获对准)过程实现链路锁定后,可以根据任务需求,选择进行通信或是进行测距。
进行测距时,甲方端机发射脉冲;乙方端机接收该脉冲后,再反馈一个脉冲给甲方端机;在甲方收到该脉冲后,又再次发射脉冲,如此反复,形成一系列脉冲序列。激光脉冲的发射和接收先后衔接、自动循环,从而得到一个周期信号。测量该信号的周期就可以得到激光脉冲的飞行时间,从而可计算出距离,为得到更为准确的信号周期,可采用多周期计数平均的计算方法。
这一脉冲形成过程类似于反馈式脉冲测距技术,但在技术上和应用上是有巨大区别的:(1)测距过程是由两台光通信端机合作完成,无须大功率脉冲激光器对目标进行照明;(2)测距所使用 的探测器、前放、驱动源和激光器均与光通信模块高度共享;(3)可测距离近似于无线光通信链路长度,而且可以进行跟踪测距。
另外,该技术与利用伪随机码估计通信链路传输延迟[5]的测距技术相比,减弱了对高精度同步时钟的要求,降低了技术复杂程度。
2 精度分析
时间判决精度和电路延迟是测距的主要因素,而时间判决精度又与波形信噪比有关。对于无线激光通信与测距一体机来说,测距是建立在无线光通信链路上的,尽管无线光通信链路设计都至少留有 3 dB 余量,但若测距距离超过设计距离,或是受大气衰减严重,都有可能使接收光功率迅速恶化。实验测试部分将研究功率下降对测距脉冲的影响。
另外,电路传输延迟是与温度密切相关的,一般没有理论曲线。硬件设计时,脉冲计数电路采用限幅放大器对脉冲整形,该器件传输延迟随温度变化。另外,整形后脉冲输入 ECL 电路,尽管 ECL 电路适合高速处理,但其功耗太大,进而导致限幅放大器温度增加。实验测试部分将针对性研究系统中这一局部高温器件延迟与温度的关系。
3 实验测试
实验采用 300 MHz 计数时钟,计数累计周期为100,保持两终端距离约 5.5 m 不变,调整接收功率由 1 mW 衰减到 0.01 mW。平均周期、周期标准差与相对光功率可以看出,随着相对光功率降低至 0.1 时,周期标准差与相对光功率的关系偏离理论拟和曲线。相对光功率在 0.1~1 变化时,实验曲线与理论曲线相当复合。
从平均周期与相对光功率曲线可以看出:(1)相对光功率在 0.35~1.00 变化时,平均周期基本保持在36.07 ns 左右;(2)相对光功率在 0.15~0.35 变化时,平均周期增加,这是由于信号较弱时,放大输出未饱和,上升沿斜率较低,导致计数判决时间延长,从而使得周期增加。(3)当相对光功率降低到 0.15 以下时,平均周期出现不稳定变化。这种现象可能是由于噪声较大、脉冲毛刺过多导致计数不稳定。
平均周期与温度的测量时间曲线如图 5 所示。实验时,对 ECL 高温器件温度测量,工作时温度从 20 ℃上升至 55 ℃后基本保持不变,延迟变化约为150 ps,对应测量距离变化为 2.25 cm,这一测量误差即使采用多周期测量方法也无法弥补。因此,如果需要采用多周期测量使测量误差降为亚毫米量级[8],必须对硬件进行温控。
4 结 论
无线光通信与测距模块在硬件上共享探测器、前放、驱动源和激光器,只需添加整形和计数电路就可以对无线光通信端机进行改造。理论分析和实验表明,信噪比和温度影响测距精度。为减少周期测量标准差、避免测量周期因信噪比较低而产生剧烈波动,本系统接收功率应大于 0.5 mW。另外,采用多周期计数可以使测量精度达到亚毫米量级,但是实验测得温度变化 30 ℃,测量距离将因电路延迟而变换2.25 cm,因此,高精度测距必须进行温控。
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