基于Chirp信号时间内插的高精度时间间隔测量方法的研究

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1、ByZhaohuiBUADissertationSubmittedtoUniversityofChineseAcademyofSciencesInpartialfulfillmentoftherequirementForthedegreeofDoctorofScienceShanghaiAstronomicalObservatory,ChineseAcademyofSciencesOctober’2012致谢111LIIIHIllllllllllHIilllllllllllllqllllY2382304深深感谢我的父母，感谢他

2、们多年的养育与教诲，感谢我的家人对我一如既往的支持与关怀!衷心感谢我的导师黄佩诚研究员，本论文是在导师的精心指导下顺利完成的。在我攻读博士学位期间，黄老师在学业、工作和生活上的悉心指导、言传身教和细致关怀令我终身难忘。他毫无保留地传授专业知识，为我提供最好的科研条件，是良师，更是益友。我还必须特别感谢张秀忠研究员，张老师多年来一直关心着我的学习和科研工作，为我提供了许多帮助与指导，培养了我进行科学研究应具有的严谨态度与创新精神，使我受益良多。感谢师弟朱人杰、吴亚军以及张仁焕研究员、舒逢春研究员、郑为民研究员等对本课题的硬件调试

3、和算法研究提供的大力帮助。感谢时频技术研究室的江贤峰、郭芳、王淑华、姚萍、李项美等同事对本课题的实验测试提供的帮助。感谢好友陈欣杨、陈加荣、王锦清等对本课题提供的许多帮助。感谢上海理工大学的郑政研究员和张春文老师对我的关心与支持。感谢我的爱妻和岳父岳母对我生活上的尽心照料与关怀，感谢他们对我学业与事业的大力支持。感谢一切关心和支持我的亲朋好友们。卜朝晖2012年10月基于Chirp信号时间内插的高精度时间间隔测量方法的研究摘要高精度的时间间隔测量是一个有着重要战略意义的课题。它在卫星导航定时定位、航天测控、雷达及激光测距、天文

4、实验、原子物理、通信等领域有着广泛的应用，对国民经济与国防建设意义重大。论文从科学研究的需求出发，致力于高精度时间间隔测量方法的研究，提出了一种新的高精度时间间隔测量方法，单次测量可以达到亚皮秒(<1psrms)量级的测量精度。该方法利用Chirp信号作为时间内插信号，时间内插可以起到时间拉伸的作用，通过将时间拉伸便可以获得多个测量值，这相当于将单次测量转化为多次测量，在接下来的处理中，由于互相关运算的平均效果，总的测量误差将会被大大降低，从而可以确保时间间隔测量的高分辨率和高精度。论文首先介绍了目前几种主要时间间隔测量方法的

5、优缺点和所能达到的测量性能指标，进而提出了一种崭新的高精度时间间隔测量方法，随后详细论述了该测量方法的原理与实现。通过对Chirp信号深入细致的研究，阐明了用它作为时间内插信号可以使时间间隔的测量精度得到大幅提高；研究并推导出了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，利用该算法可以极大地提高时间间隔测量的分辨率；详细推导了整个测量系统的误差传播模型，并利用该模型，着重分析了4类主要噪声(射频放大器的噪声、激励的噪声、时钟和采样的抖动(jitter)以及ADC的量化噪声)引起的测量误差，进而提出了减小测量误差的具体措

6、施；通过仿真验证了这种高精度时间间隔测量方法的正确性与有效性，并通过大量实验验证了该方法的可靠性与实用性；详细地研究了一种基于分数阶傅里叶变换的去噪算法，利用它可以滤除混入Chirp信号的大部分噪声，使信噪比得到大幅提高。最后，论文对研究成果进行了简要总结，给出了测量系统设计的一些主要性能参数，并对未来的研究工作提出了展望。这种高精度时间间隔测量技术，达到了目前国际领先水平，同时降低了工程实现的难度，增加了测量的可靠性与实用性。关键词：时间间隔测量，时间内插，互相关，拟合，Chirp信号IIAbstractHigh-preci

7、siontimeintervalmeasurementisastrategicsubject，砌chwilldrawgrowlngattentioninme劬眦e．ItiswidelyusedinthefiddsofsatellitenaVigatlon，aerospaceMeasurementandControl，laserranging，radar,atomicphysics，astronomyobservations,comm砌cations，etc．High．precisiontimeintervalmeasureme

8、nttechniquesplayaslgnific趾troleinthenationaleconomyandnationaldefenseconstruction·111edissertationisdedicatedtotheresearchofnovelhigh‘prec