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太极计划中的星间激光测距地面电子学验证

邓汝杰 张艺斌 刘河山 罗子人

邓汝杰, 张艺斌, 刘河山, 罗子人. 太极计划中的星间激光测距地面电子学验证[J]. 中国光学(中英文), 2023, 16(4): 765-776. doi: 10.37188/CO.2022-0041
引用本文: 邓汝杰, 张艺斌, 刘河山, 罗子人. 太极计划中的星间激光测距地面电子学验证[J]. 中国光学(中英文), 2023, 16(4): 765-776. doi: 10.37188/CO.2022-0041
DENG Ru-jie, ZHANG Yi-bin, LIU He-shan, LUO Zi-ren. Ground electronics verification of inter-satellites laser ranging in the Taiji program[J]. Chinese Optics, 2023, 16(4): 765-776. doi: 10.37188/CO.2022-0041
Citation: DENG Ru-jie, ZHANG Yi-bin, LIU He-shan, LUO Zi-ren. Ground electronics verification of inter-satellites laser ranging in the Taiji program[J]. Chinese Optics, 2023, 16(4): 765-776. doi: 10.37188/CO.2022-0041

太极计划中的星间激光测距地面电子学验证

doi: 10.37188/CO.2022-0041
基金项目: 国家重点研发计划资助:“引力波探测”重点专项(No. 2020YFC2200104)
详细信息
    作者简介:

    邓汝杰(1998—),男,广东东莞人,硕士研究生,现就读于国科大杭州高等研究院,主要从事引力波探测星间激光测距方面的研究。E-mail: dengrujie20@mails.ucas.ac.cn

    张艺斌(2000—),男,甘肃天水人,硕士研究生,现就读于国科大杭州高等研究院,主要从事引力波探测星间激光通信方面的研究。E-mail:zhangyibin201@mails.ucas.ac.cn

    刘河山(1988—),男,安徽阜阳人,博士,副研究员,2015年于中国科学院大学获得博士学位,现为中国科学院力学研究所副研究员。研究领域涉及激光干涉测距、高精度相位测量、精密指向控制、激光锁相等。E-mail:liuheshan@imech.ac.cn

    罗子人(1980—),男,湖南长沙人,博士,研究员,2010年于中国科学院数学与系统科学研究院获得理学博士学位,现为中国科学院力学研究所研究员。太极计划首席科学家助理,主要从事引力波探测的空间激光干涉测距技术的理论分析和方案设计方面的研究。E-mail:luoziren@imech.ac.cn

  • 中图分类号: P228.5

Ground electronics verification of inter-satellites laser ranging in the Taiji program

Funds: Supported by the National Key Research and Development Program (No. 2020YFC2200104)
More Information
  • 摘要:

    在空间引力波探测太极计划中,激光干涉测距系统是获取引力波信号的直接手段,为了消除激光频率不稳定性对其的影响,需利用时间延迟干涉技术降低噪声的干扰。时间延迟干涉是一种数据后处理方法,要实现该技术的数据构型,需对卫星臂长实现精确的绝对距离测量。本文从太极计划的需求分析出发,分别从信源编码设计、延迟环设计以及数据处理算法等方面介绍测距系统的设计方案。在信源编码中,文章通过分析m序列、gold序列、Weil码三种伪随机码的自、互相关性优劣以及长度选取上的灵活性,最终选择了Weil码并筛选出其自相关性最优的移位-截取组合,将其作为测距系统所用的伪随机码。同时,基于该测距系统,搭建了一套地面电子学验证实验装置,以模拟信号传输的物理过程并验证系统性能。实验主体装置采用一块基于Xilinx公司K7芯片的自研FPGA板卡用以模拟卫星通信测距过程以及实现锁相环、延迟环等功能。实验将24.4 kbps的16位信息码与1.5625 Mbps的1024位Weil码进行BPSK调制,采样频率为50 MHz,通过10~60 m的射频同轴电缆进行传输后,使用质心法对采集数据进行优化,随后测定该距离。实验结果表明:在60 m范围内,测距精度优于1.6 m。实验证明了测距系统原理及设计的可行性,为下一步的光学系统验证奠定了技术基础。

     

  • 图 1  星间绝对距离测量与通信原理图

    Figure 1.  Principle diagram of the inter-satellites absolute ranging and laser communication system

    图 2  测距通信系统结构示意图

    Figure 2.  Schematic diagram of the ranging and communication system

    图 3  信号结构设计

    Figure 3.  Design of the signal structure

    图 4  最优移位-截取点的Weil码自相关图像

    Figure 4.  The autocorrelation figure of Weil codes in the optimal shift-cutoff combination

    图 5  捕获结构示意图

    Figure 5.  Schematic diagram of the acquisition structure

    图 6  跟踪结构示意图

    Figure 6.  Schematic diagram of the tracking structure

    图 7  延迟、超前路的相关值对比

    Figure 7.  The comparison of the correlation value between delay and ahead signals

    图 8  不完全对称的相关峰

    Figure 8.  Asymmetric correlation peak

    图 9  实验流程

    Figure 9.  Experiment flow chat

    图 10  实验装置

    Figure 10.  Experimental equipment

    图 11  不同长度射频线的实验结果。(a)10 m;(b)12 m;(c)20 m;(d)30 m;(e)50 m;(f)60 m

    Figure 11.  Experiment results with different length cables. (a) 10 m; (b) 12 m; (c) 20 m; (d) 30 m; (e) 50 m; (f) 60 m

    表  1  伪随机码自相关性对比

    Table  1.   Autocorrelation comparison of pseudorandom codes

    伪随机码处理(取最优)码长最大自相关旁瓣绝对值dB值
    m序列(本原多项式系数2011)10230.000977−120.39
    遍历插1或010240.0469−86.782
    gold序列(本原多项式系数2011、
    2157)
    10230.06354−84.136
    遍历插110240.082−81.929
    遍历插010240.0859−81.526
    Weil码10310.0611−84.544
    遍历截取7位10240.0625−84.288
    下载: 导出CSV

    表  2  实验结果附表

    Table  2.   Attached table of experimental results

    真实值/m实验平均值/m均方差(测距精度)/m
    109.030.86
    1211.131.21
    2019.241.24
    3030.181.59
    5050.141.35
    6061.231.26
    下载: 导出CSV

    表  3  相关峰移动点数在50 MHz采样频率下对应的距离

    Table  3.   Distances corresponding to the number of shifts of the correlation peak at the 50 MHz sampling frequency

    相关峰移动点数光速时对应距离/m70%光速对应距离/m
    164.2
    2128.4
    31812.6
    42416.8
    53021.0
    63625.2
    74229.4
    127250.4
    148458.8
    下载: 导出CSV
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出版历程
  • 收稿日期:  2022-03-10
  • 修回日期:  2022-04-06
  • 网络出版日期:  2022-06-20

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