基于声表面波编码器件激励的高精度事件计时测量方法的研究

Event timing measurement play a essential role in the fields of astronomy observations, satellite navigation, precise orbit determination of spacecraft,laser ranging, surveying and mapping, atomic physics, communications, and so on.High-precision event timing measurement, especially that with the single shot precision reaching femtosecond level, is a significant subject. Restricted by the measurement methods and device performance, currently the event timing technique with the single shot precision reaching femtosecond level is a challenge to be solved.The project utilizes surface acoustic wave encoder as a time interpolator,combines the time interpolation method and the characteristic high signal-noise ratio of the cross correlation function of encoded signal, and uses an algorithm completely different with the traditional algorithm based on time-domain cross correlation in the measurement of time delay, together with a targeted and high efficient denoising algorithm, and thus the precision of event timing measurement are improved substantially. Preliminary experiment shows the single shot precision can reach 1.2ps rms. Through further intensive study, and then taking some of the key technologies, the single shot precision is expected to reach femtosecond level,and the event timing device will be developed for practical use .

事件计时测量技术在空间天文探测、卫星导航定位、飞行器精密定轨、激光测距、测绘、核物理、通信等领域起着技术引领的作用。研究高精度事件计时测量方法，尤其是单次测量精度达到飞秒量级的事件计时测量技术，具有十分重要的意义。目前，受测量方法和器件性能的制约，对单次测量精度达到飞秒量级的事件计时技术的研究是一个亟待解决的难题。本项目提出了以声表面波编码器件作为时间内插器，将时间内插法和编码信号自相关函数的高信噪比特性相结合，并利用一种完全有别于传统的时域互相关对时延进行测量的算法，同时配合有针对性的高效的去噪算法，从而可以大幅提高事件计时测量的精度，经过初步实验，获得了1.2ps rms 的单次测量精度，通过进一步的深入研究，采取一些关键技术，以期使事件计时测量获得飞秒量级的单次测量精度，并研制出相应可供实用的事件计时器。

事件计时测量技术在空间天文探测、卫星导航定位、飞行器精密定轨、激光测距、测绘、核物理、通信等领域起着技术引领的作用。目前，我国正在大力发展的空间天文探测、空间飞行器精密定轨、北斗卫星导航定位系统等，这些都对高精度事件计时测量技术提出了更高的要求。研究高精度事件计时测量方法，尤其是单次测量精度达到飞秒量级的事件计时测量技术，具有十分重要的意义。本课题主要研究的主内容包括调制脉冲激励源的研制、对chirp信号的参数进行的优化调整、高精度时延测量算法与去噪算法的实时实现、研究完善了基于相位测量的相关算法和研制出了单次测量精度达到飞秒量级的可供实用的事件计时器样机。实现了飞秒量级时间间隔的实时测量，取得了0.4ps rms的单次时间间隔测量精度；解决了高时基稳定度脉冲激励源的难题，输出的调制脉冲幅度仅为0.8V，大大减小了时基抖动给测量带来的不利影响；确定了chirp信号的优化参数：中心频率为150MHz、带宽为40MHz、色散时宽为5μs，大大降低了工程实现的难度；在FPGA中实时实现了对时延进行测量的算法，提高了事件计时测量的精度；在FPGA中实时实现了基于离散分数阶傅里叶变换的快速算法，完成对chirp信号的去噪处理；在FPGA中实时实现了对高速数据传输接口JESD204b的调试；实现了以Arria10 SoC构架的FPGA作为整个测量系统的控制和信号处理的核心。该项目的成果在北斗三号的守时系统中得以应用，并且还在质谱分析化学中得以应用。

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