一种基于失配传输线的时间间隔测量系统及方法技术方案

本发明专利技术公开了一种基于失配传输线的时间间隔测量系统及方法，所述系统包括：第一阶跃信号产生电路、第一失配传输线、第一脉冲转换电路、第二阶跃信号产生电路、第二失配传输线、第二脉冲转换电路、事件计时器和数据处理单元。本发明专利技术中，通过阻抗不匹配的传输线，将单一触发信号转化为一系列脉冲信号，通过对这些脉冲信号的测量，计算出传输线的时延，再得出触发事件的时间，相当于使用了多次测量取平均值的方法提高了测量分辨率，且由于温度造成的传输时延的变化也可以在算法中进行抑制，故可提升单次测量分辨率。

【技术实现步骤摘要】
一种基于失配传输线的时间间隔测量系统及方法
本专利技术属于时间间隔测量
，特别涉及一种基于失配传输线的时间间隔测量系统及方法。
技术介绍
随着信息化、数字化时代的到来，高精度时间频率已经成为一个国家科技、经济、军事和社会生活中至关重要的参量；其中，高精度时间间隔测量是进行高精度守时、授时、用时的重要基础。在冷原子碰撞的实验研究、Stark效应实验研究、相对论验证等前沿科学实验，雷达测距、激光遥感技术、光纤时间传递等实际工程应用以及社会生活等领域中高精度时间间隔测量有着广泛应用并发挥着不可或缺的作用。目前，高精度时间间隔测量方法有很多种，如抽头延迟线法，时间扩展法，游标法，时间电压转换法等。超高精度的时间间隔测量精度已经达到ps量级，芬兰Oulu大学使用时间-幅度转换法，利用最新的器件获得了1psrms的单次时间间隔测量精度。中国科学技术大学使用多链融合抽头延迟线法获得了4.3psrms的单次时间间隔测量精度。中国科学院上海天文台的科研人员利用声表面波编码器件作为时间内插器，获得了1.2psrms的单次时间间隔测量精度。上海理工大学使用可触发环形振荡器实现了2.8psrms的单次测量精度。综上，现有的高精度时间间隔测量方法对单次触发的被测信号往往只能进行单次测量，进一步提升测量精度难度较大。综上，亟需一种新的基于失配传输线的高精度时间间隔测量系统及方法。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提供一种基于失配传输线的时间间隔测量系统及方法，以解决上述存在的一个或多个技术问题。本专利技术的时间间隔测量方法，可解决现有高精度时间间隔测量方法对单次触发的被测信号往往只能进行单次测量的技术问题，能够抑制器件及温度等因素带来传输时延的变化，可提升单次测量分辨率。为达到上述目的，本专利技术采用以下技术方案：本专利技术的一种基于失配传输线的时间间隔测量系统，包括：第一阶跃信号产生电路，用于接收第一事件产生的开始触发信号，将接收的第一事件的开始触发信号转化为第一事件的阶跃信号输出；第一失配传输线，用于接收第一事件的阶跃信号，使其发生多次反射，输出第一失配传输线末端的电压波形；第一脉冲转换电路，用于接收第一失配传输线末端的电压波形，提取出有效的第一事件的触发信号n次，并转化为第一事件的n个脉冲信号；第二阶跃信号产生电路，用于接收第二事件产生的开始触发信号，将接收的第二事件的开始触发信号转化为第二事件的阶跃信号输出；第二失配传输线，用于接收第二事件的阶跃信号，使其发生多次反射，输出第二失配传输线末端的电压波形；第二脉冲转换电路，用于接收第二失配传输线末端的电压波形，提取出有效的第二事件触发信号m次，并转化为第二事件的m个脉冲信号；事件计时器，用于接收第一事件的n个脉冲信号和第二事件的m个脉冲信号，通过模数转换器分别对第一事件的n个脉冲信号和第二事件的m个脉冲信号进行转换；基于转换后获得的数据，分别记录下系统计时单元的计时值并计算获得第一事件与系统时钟的相位差及第二事件与系统时钟的相位差；基于记录的计时值与获得的相位差，分别计算获得第一事件的计时值和第二事件的计时值；基于第一事件的n个脉冲信号和第二事件的m个脉冲信号，分别计算获得n次第一事件的计时值和m次第二事件的计时值；基于n次第一事件的计时值和m次第二事件的计时值，分别计算获得在第一失配传输线和第二失配传输线上往返一次的时延；数据处理单元，用于基于系统时钟周期、第一事件的计时值、第二事件的计时值以及在第一失配传输线和第二失配传输线上往返一次的时延，分别计算获得第一事件的到来时间和第二事件的到来时间；将两事件的到来时间做差，获得两事件的时间间隔。本专利技术的进一步改进在于，第一脉冲转换电路或第二脉冲转换电路中，提取出有效的第一事件的触发信号n次或第事件的触发信号m次时，对于每一次的第一事件的触发信号或第二事件的触发信号：第一脉冲转换电路或第二脉冲转换电路中的比较器，将获得的第一失配传输线或第二失配传输线末端的电压波形转化为第一事件的方波信号或第二事件的方波信号，由第一脉冲转换电路或第二脉冲转换电路将第一事件的方波信号或第二事件的方波信号的跳边沿转化为第一事件的脉冲信号或第二事件的脉冲信号；其中，第一事件的方波信号或第二事件的方波信号中两个跳边沿的时间间隔为第一失配传输线或第二失配传输线的时延。本专利技术的进一步改进在于，事件计时器包括：第一通道、第二通道、第一模数转换器、第二模数转换器、第一线性斜坡电压产生电路、第二线性斜坡电压产生电路、第一计时判断器、第二计时判断器、第一运算单元和第二运算单元；第一事件的第i个脉冲信号或第二事件的第j个脉冲信号分别输入到第一通道或第二通道，触发第一线性斜坡电压产生电路或第二线性斜坡电压产生电路，输出第一斜坡电压产生信号或第二斜坡电压产生信号；第一模数转换器或第二模数转换器对第一斜坡电压产生信号或第二斜坡电压产生信号进行转换，获得转换后的数据AD1i或AD2j；其中，1≤i≤n，1≤j≤m；通过第一计时判断器或第二计时判断器通过转换后的数据AD1i或AD2j判断是否通过装载系统计时单元的计时值N1i或N2j，由AD1i或AD2j的值计算出第一事件与系统时钟的相位差ΔT1i或第二事件与系统时钟的相位差ΔT2j；第一运算单元或第二运算单元根据N1i、AD1i或N2j、AD2j，计算出第一事件的第i个计时值或第二事件的第j个计时值；基于第一事件的n个计时值和第二事件的m个计时值，分别计算获得在第一失配传输线和第二失配传输线上往返一次的时延。本专利技术的进一步改进在于，第一事件的第i个计时值的计算表达式为：式中，T0为系统时钟周期，为第一事件的第i个脉冲信号通过装载系统计时单元的计时值，为第一事件的第i个脉冲信号与系统时钟的相位差；第二事件的第j个计时值的计算表达式为：式中，T0为系统时钟周期，为第二事件的第j个脉冲信号通过装载系统计时单元的计时值，为第二事件的第j个脉冲信号与系统时钟的相位差；第一失配传输线上往返一次的时延的计算表达式为：式中，T0为系统时钟周期，为第一事件的第n个脉冲信号的计时值；第二失配传输线上往返一次的时延的计算表达式为：式中，T0为系统时钟周期，为第二事件的第m个脉冲信号的计时值。本专利技术的进一步改进在于，数据处理单元中：第一事件的到来时间计算表达式为：第二事件的到来时间计算表达式为：两事件的时间间隔的计算表达式为，ΔT＝∣Ttrig2-Ttrig1∣。本专利技术的一种基于失配传输线的时间间隔测量方法，包括以下步骤：步骤1，第一阶跃信号产生电路接收第一事件产生的开始触发信号，将接收的第一事件的开始触发信号转化为第一事件的阶跃信号输出；第一失配传输线接收第一事件的阶跃信号，使其发生多次反射，输出第一失配传输线末端的电压波形；第一脉冲转换电路接收第一失配传输线末端的电压波形本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于失配传输线的时间间隔测量系统，其特征在于，包括：/n第一阶跃信号产生电路(1)，用于接收第一事件产生的开始触发信号，将接收的第一事件的开始触发信号转化为第一事件的阶跃信号输出；/n第一失配传输线(2)，用于接收第一事件的阶跃信号，使其发生多次反射，输出第一失配传输线(2)末端的电压波形；/n第一脉冲转换电路(3)，用于接收第一失配传输线(2)末端的电压波形，提取出有效的第一事件的触发信号n次，并转化为第一事件的n个脉冲信号；/n第二阶跃信号产生电路(4)，用于接收第二事件产生的开始触发信号，将接收的第二事件的开始触发信号转化为第二事件的阶跃信号输出；/n第二失配传输线(5)，用于接收第二事件的阶跃信号，使其发生多次反射，输出第二失配传输线(5)末端的电压波形；/n第二脉冲转换电路(6)，用于接收第二失配传输线(5)末端的电压波形，提取出有效的第二事件触发信号m次，并转化为第二事件的m个脉冲信号；/n事件计时器(7)，用于接收第一事件的n个脉冲信号和第二事件的m个脉冲信号，通过模数转换器分别对第一事件的n个脉冲信号和第二事件的m个脉冲信号进行转换；基于转换后获得的数据，分别记录下系统计时单元的计时值并计算获得第一事件与系统时钟的相位差及第二事件与系统时钟的相位差；基于记录的计时值与获得的相位差，分别计算获得第一事件的计时值和第二事件的计时值；基于第一事件的n个脉冲信号和第二事件的m个脉冲信号，分别计算获得n次第一事件的计时值和m次第二事件的计时值；基于n次第一事件的计时值和m次第二事件的计时值，分别计算获得在第一失配传输线(2)和第二失配传输线(5)上往返一次的时延；/n数据处理单元(8)，用于基于系统时钟周期、第一事件的计时值、第二事件的计时值以及在第一失配传输线(2)和第二失配传输线(5)上往返一次的时延，分别计算获得第一事件的到来时间和第二事件的到来时间；将两事件的到来时间做差，获得两事件的时间间隔。/n...

【技术特征摘要】
1.一种基于失配传输线的时间间隔测量系统，其特征在于，包括：
第一阶跃信号产生电路(1)，用于接收第一事件产生的开始触发信号，将接收的第一事件的开始触发信号转化为第一事件的阶跃信号输出；
第一失配传输线(2)，用于接收第一事件的阶跃信号，使其发生多次反射，输出第一失配传输线(2)末端的电压波形；
第一脉冲转换电路(3)，用于接收第一失配传输线(2)末端的电压波形，提取出有效的第一事件的触发信号n次，并转化为第一事件的n个脉冲信号；
第二阶跃信号产生电路(4)，用于接收第二事件产生的开始触发信号，将接收的第二事件的开始触发信号转化为第二事件的阶跃信号输出；
第二失配传输线(5)，用于接收第二事件的阶跃信号，使其发生多次反射，输出第二失配传输线(5)末端的电压波形；
第二脉冲转换电路(6)，用于接收第二失配传输线(5)末端的电压波形，提取出有效的第二事件触发信号m次，并转化为第二事件的m个脉冲信号；
事件计时器(7)，用于接收第一事件的n个脉冲信号和第二事件的m个脉冲信号，通过模数转换器分别对第一事件的n个脉冲信号和第二事件的m个脉冲信号进行转换；基于转换后获得的数据，分别记录下系统计时单元的计时值并计算获得第一事件与系统时钟的相位差及第二事件与系统时钟的相位差；基于记录的计时值与获得的相位差，分别计算获得第一事件的计时值和第二事件的计时值；基于第一事件的n个脉冲信号和第二事件的m个脉冲信号，分别计算获得n次第一事件的计时值和m次第二事件的计时值；基于n次第一事件的计时值和m次第二事件的计时值，分别计算获得在第一失配传输线(2)和第二失配传输线(5)上往返一次的时延；
数据处理单元(8)，用于基于系统时钟周期、第一事件的计时值、第二事件的计时值以及在第一失配传输线(2)和第二失配传输线(5)上往返一次的时延，分别计算获得第一事件的到来时间和第二事件的到来时间；将两事件的到来时间做差，获得两事件的时间间隔。


2.根据权利要求1所述的一种基于失配传输线的时间间隔测量系统，其特征在于，第一脉冲转换电路(3)或第二脉冲转换电路(6)中，提取出有效的第一事件的触发信号n次或第二事件的触发信号m次时，对于每一次的第一事件的触发信号或第二事件的触发信号：
第一脉冲转换电路(3)或第二脉冲转换电路(6)中的比较器，将获得的第一失配传输线(2)或第二失配传输线(5)末端的电压波形转化为第一事件的方波信号或第二事件的方波信号，由第一脉冲转换电路(3)或第二脉冲转换电路(6)将第一事件的方波信号或第二事件的方波信号的跳边沿转化为第一事件的脉冲信号或第二事件的脉冲信号；其中，第一事件的方波信号或第二事件的方波信号中两个跳边沿的时间间隔为第一失配传输线(2)或第二失配传输线(5)的时延。


3.根据权利要求1所述的一种基于失配传输线的时间间隔测量系统，其特征在于，事件计时器(7)包括：第一通道、第二通道、第一模数转换器(701)、第二模数转换器(702)、第一线性斜坡电压产生电路(703)、第二线性斜坡电压产生电路(704)、第一计时判断器(705)、第二计时判断器(706)、第一运算单元(707)和第二运算单元(708)；
第一事件的第i个脉冲信号或第二事件的第j个脉冲信号分别输入到第一通道或第二通道，触发第一线性斜坡电压产生电路(703)或第二线性斜坡电压产生电路(704)，输出第一斜坡电压产生信号或第二斜坡电压产生信号；第一模数转换器(701)或第二模数转换器(702)对第一斜坡电压产生信号或第二斜坡电压产生信号进行转换，获得转换后的数据AD1i或AD2j；其中，1≤i≤n，1≤j≤m；
通过第一计时判断器(705)或第二计时判断器(706)通过转换后的数据AD1i或AD2j判断是否通过装载系统计时单元的计时值N1i或N2j，由AD1i或AD2j的值计算出第一事件与系统时钟的相位差ΔT1i或第二事件与系统时钟的相位差ΔT2j；第一运算单元(707)或第二运算单元(708)根据N1i、AD1i或N2j、AD2j，计算出第一事件的第i个计时值或第二事件的第j个计时值；
基于第一事件的n个计时值和第二事件的m个计时值，分别计算获得在第一失配传输线(2)和第二失配传输线(5)上往返一次的时延。


4.根据权利要求3所述的一种基于失配传输线的时间间隔测量系统，其特征在于，
第一事件的第i个计时值的计算表达式为：



式中，T0为系统时钟周期，为第一事件的第i个脉冲信号通过装载系统计时单元的计时值，为第一事件的第i个脉冲信号与系统时钟的相位差；
第二事件的第j个计时值的计算表达式为：



式中，T0为系统时钟周期，为第二事件的第j个脉冲信号通过装载系统计时单元的计时值，为第二事件的第j个脉冲信号与系统时钟的相位差；
第一失配传输线(2)上往返一次的时延的计算表达式为：



式中，T0为系统时钟周期，为第一事件的第n个脉冲信号的计时值；
第二失配传输线(5)上往返一次的时延的计算表达式为：



式中，T0为系统时钟周期，为第二事件的第m个脉冲信号的计时值。


5.根据权利要求4所述的一种基于失配传输线的时间间隔测量系统，其特征在于，数据处理单元(8)中：
第一事件的到来时间计算表达式为：



第二事件的到来时间计算表达式为：



两事件的时间间隔的计算表达式为，
ΔT＝∣Ttrig2-Tt...

【专利技术属性】
技术研发人员：陈法喜，赵侃，刘博，刘涛，
申请(专利权)人：中国科学院国家授时中心，
类型：发明
国别省市：陕西;61