La présente invention a pour objet une installation de mesure à grande précision du décalage de marche de deux horloges situées en des stations éloignées. fixes ou mobiles.
Il est connu de mesurer la diflërence de marche de deux horloges distantes par transmission de signaux électromagnétiques. On a proposé par exemple d'émettre vers les deux stations d'horloge des impulsions de référence modulant une porteuse située dans la gamme des ondes courtes, ultra-courtes ou même lumineuses. Dans chaque station, des circuits de détection, de comparaison et de comptage permettent de détecter lesdites impulsions de référence et de mesurer leur décalage par rapport aux signaux d'échelle de temps délivrés par l'horloge correspondante.
On déduit alors le décalage entre les signaux des deux horloges par différence entre les décalages respectivement mesurés dans chaque station en tenant compte évidemment d'un terme correcteur traduisant les différences des durées de trajet de la porteuse entre la station émettrice des impulsions de référence et chaque station d'horloge. Le probléme de la correction est simplitié lorsque l'émetteur d'impulsions de référence est situé dans l'une des stations d'horloge puisque le terme de correction ne fait plus intervenir que la seule durée de parcours de la porteuse entre les deux stations. Mais. dans tous les cas, il est nécessaire de connaitre lu préalable au moins une durée de trajet.
Celle-ci peut être. soit calculée à partir des coordonnées géodésiques des stations. soit déterminée par l'une des méthodes connues mettant en oeuvre la mesure de la durée de parcours de signaux électriques impulsionneis télémétriques. Dans les deux cas, les erreurs d'évaluation ou de mesure dues. soit à l'imprécision des coordonnées géodésiques. soit à la variabilité des conditions de propagation des signaux électromagnétiques, sont incompatibles avec la précision que l'on doit rechercher lorsque les horloges sont ellesmêmes des horloges de haute précision telles que les horloges à transition nucléaire dites souvent horloges atomiques.
L'invention évite ces inconvénients en permettant de mesurer la durée de parcours au moyen des signaux qui sont précisément utilisés pour la mesure des écarts entre les horloges.
L'installation qui en est l'objet comprend, dans la premiére station. un premier générateur d'impulsions électriques synchronisé par l'horloge de la station, un laser à impulsions et un premier chronomètre déclenché par ledit premier générateur d'impulsions électriques et arrêté par ledit laser à impulsions, et dans la deuxième station un second générateur d'impulsions électriques synchronisé par l'horloge de la station, un récepteur des impulsions laser et un second chronomètre déclenché par ledit second générateur d'impulsions électriques et arrêté par ledit récepteur des impulsions laser.
Elle est caractérisée en ce que la seconde station comporte un réflecteur optique renvoyant à la première station les impulsions laser et que la première station comporte un récepteur des impulsions laser en retour et un troisième chronométre déclenché par ledit laser à impulsions et arrêté par ledit récepteur des impulsions laser en retour.
La source émettrice est un laser à impulsions capable d'émettre des impulsions de durées très courtes dont le front avant peut être défini avec une précision de l'ordre d'une nanoseconde. Le récepteur associé peut être un détecteur du type photomultiplicateur ou une photodiode. Enfin, I'émetteur actif de la station secondaire est remplacé par un émetteur passif constitué par un réflecteur de lumière. Cette réalisation diminue le matériel mis en oeuvre et permet d'équiper lesdites stations avec un matériel compact et peu coûteux.
L'invention sera mieux comprise en se référant à la description qui va suivre et aux dessins annexés dans lesquels:
la fig. I représente un mode de réalisation d'une installation de mesure selon l'invention, et
la fig. 2 représente des diagrammes de temps permettant de mieux comprendre le fonctionnement de l'installation de la fig. 1.
Sur la fig. I, les deux stations A et B dont on veut comparer la marche des horloges sont représentées par les rectangles i et 11. la station A étant, par exemple, la station principale ou station de référence. et la station B étant la station secondaire. Dans l'exemple décrit, la station B est fixe et la station A est embarquée sur un avion.
La station A comprend une horloge atomique de référence 2, par exemple une horloge au césium. une échelle de temps 3 qui, en fait, est un générateur d'impulsions électriques synchronisé sur l'horloge engendrant par exemple des impulsions à une fréquence de dix à ia seconde, un laser 4, une lame semi-transparente 5. un premier détecteur de lumière 6. un premier chronomètre 7. un deuxième chronomètre 8, un télescope 9 et un deuxième détecteur de lumière 10. La station B comporte une horloge atomique secondaire 2', une échelle de temps 3', un télescope 9'. un détecteur 10' et un troisième chronomètre 12. Elle comporte en outre un rénecteur 13 des ondes lumineuses correspondant à la fréquence d'émission du laser.
Le laser 4 peut être un laser à rubis fournissant des impulsions lumineuses très courtes, dont le front avant est déterminé avec une précision de l'ordre de une nanoseconde.
L'ensemble constitué par l'horloge 2 et l'échelle de temps 3 est bien connu dans la technique. Cette échelle de temps fonctionne sur le principe de la démultiplication de fréquence. Les détecteurs des stations A et B sont de préférence des photomultiplicateurs rapides, sensibles au rayonnement du laser. Les chronomètres 7. 8 et 12 sont également des appareils bien connus qui permettent de mesurer un temps égal à la différence des instants d'application de signaux pulsatoires envoyés à leurs entrées. Un tel chronomètre démarre à l'instant d'application du premier signal reçu et s'arrête à l'instant d'application signal reçu. Ces appareils ont couramment une précision de l'ordre de 10 l nanoseconde. Les télescopes sont des amplificateurs de lumière de types connus.
Le fonctionnement de l'installation est le suivant. Le laser est déclenché à un moment quelconque à l'aide de l'interrupteur 14, soit manuellement par l'opérateur, soit automatiquement. II est clair qu'aucun synchronisme n'est nécessaire entre l'émission laser et l'émission de l'échelle de temps 3. L'impulsion émise par le laser est transmise, d'une part au détecteur 6 de la station A, d'autre part au détecteur 10' de la station B par l'intermédiaire du télescope 9', avec évidemment un certain retard Tp dû à la propagation du signal lumineux du laser entre les stations A et B. Le signal lumineux reçu à la station B est renvoyé sur le détecteur 10 de la station A grâce au détecteur 13 et par l'intermédiaire du télescope 9, en introduisant un nouveau retard Tp.
Le chronomètre 7 reçoit les signaux provenant de l'échelle de temps 3 et du détecteur 6 et mesure le temps tl égal à la différence des instants d'arrivée desdits signaux sur ce chronomètre. Le chronomètre 12 reçoit les signaux provenant de l'échelle de temps 3' et du détecteur 10' et mesure un temps t2 égal à la différence des instants d'arrivée desdits signaux sur ce chronomètre. Enfin, le chronomètre 8 reçoit les signaux provenant des détecteurs 6 et 10 et mesure un temps égal à la différence des instants d'arrivée de ces signaux sur ce chronomètre. Ce temps est égal à 2Tp parce que le chronomètre 8 reçoit le signal laser directement par le détecteur local 6 et, après un aller et retour de la lumière entre les stations A et B, par le détecteur 10.
Les indications fournies par ces trois chronomètres permettent de calculer la différence de marche entre les deux horloges. c'està-dire le décalage de temps t entre les deux échelles de temps 3 et 3'. On se référera, dans ce but, a la fig. 2. Sur cette figure. on a représenté différents signaux pulsatoires en fonction du temps, les signaux al. au,... émis par l'échelle de temps 3 de la station A, les signaux b1, bu,. . émis par l'échelle de temps 2' de la station B et un signal I émis par le laser L. On a supposé, à titre d'exemple, que l'échelle de temps de la station B était en avance par rapport à celle de A du temps t à mesurer.
Le chronomètre 12 reçoit le signal du laser retardé de Tp représenté en q et directement le signal provenant de l'échelle de temps de B, représenté en bl. et l'on voit sur la ligure que l'on a la relation t2 t 1 + ti + Tp (I)
Cette relation permet de calculer t, puisque les chronomètres 7, X et 12 fournissent respectivement les temps tl, 2Tpet t. avec une précision possible de l'ordre de 10 | nanoseconde. La précision globale de la mesure de t est de l'ordre de une nanoseconde.
Pour effectuer une série de mesures, il faut évidemment remettre, à chaque fois, à zéro le chronomètre 7 de la station I. et un dispositif doit être prévu pour bloquer le fonctionnement du laser pendant cette remise à zéro. quand ce laser est excité automatiquement à intervalles réguliers.
L'exploitation de ce système peut être effectuée par des moyens radio-électriques, par exemple en transmettant les résultats t et Tp à la station fixe B, qui possède alors toutes les données pour calculer t. Ceci permet évidemment une remise à l'heure de l'horloge 2' de cette station, en sorte que l'installation décrite peut donc ainsi etre utilisée pour synchroniser une série d'horloges secondaires sur une horloge principale.
Inversement, la station B pourrait être montée sur un satellite et comporter un émetteur radio-électrique émettant le résultat t2.
Une telle station pourrait synchroniser plusieurs stations fixes telles que A avec une grande précision, lesdites stations fixes comportant en outre un récepteur radio-électrique approprié.
The present invention relates to an installation for measuring with high precision the offset of the rate of two clocks located at distant stations. fixed or mobile.
It is known to measure the rate difference of two distant clocks by transmitting electromagnetic signals. It has been proposed, for example, to send reference pulses to the two clock stations modulating a carrier situated in the short, ultra-short or even light wave range. In each station, detection, comparison and counting circuits make it possible to detect said reference pulses and to measure their offset with respect to the time scale signals delivered by the corresponding clock.
The shift between the signals of the two clocks is then deduced by the difference between the shifts respectively measured in each station, obviously taking into account a corrective term reflecting the differences in the travel times of the carrier between the station transmitting the reference pulses and each clock station. The problem of the correction is simplified when the reference pulse sender is located in one of the clock stations since the correction term only involves the sole duration of travel of the carrier between the two stations. But. in all cases, it is necessary to know beforehand at least one journey time.
This one can be. or calculated from the geodetic coordinates of the stations. or determined by one of the known methods implementing the measurement of the duration of travel of pulsed telemetry electrical signals. In both cases, errors in evaluation or measurement due. or to the imprecision of the geodesic coordinates. or to the variability of the propagation conditions of the electromagnetic signals, are incompatible with the precision that must be sought when the clocks are themselves high precision clocks such as nuclear transition clocks often called atomic clocks.
The invention avoids these drawbacks by making it possible to measure the travel time by means of the signals which are precisely used for the measurement of the differences between the clocks.
The installation which is the object includes, in the first station. a first electrical pulse generator synchronized by the station clock, a pulse laser and a first stopwatch started by said first electrical pulse generator and stopped by said pulse laser, and in the second station a second generator of electrical pulses synchronized by the station clock, a laser pulse receiver and a second stopwatch started by said second electrical pulse generator and stopped by said laser pulse receiver.
It is characterized in that the second station comprises an optical reflector returning the laser pulses to the first station and that the first station comprises a receiver of the return laser pulses and a third timer started by said pulse laser and stopped by said receiver of signals. laser pulses back.
The emitting source is a pulsed laser capable of emitting pulses of very short duration whose leading edge can be defined with a precision of the order of one nanosecond. The associated receiver can be a detector of the photomultiplier type or a photodiode. Finally, the active transmitter of the secondary station is replaced by a passive transmitter consisting of a light reflector. This embodiment reduces the equipment used and makes it possible to equip said stations with compact and inexpensive equipment.
The invention will be better understood by referring to the following description and to the appended drawings in which:
fig. I represents an embodiment of a measuring installation according to the invention, and
fig. 2 represents time diagrams making it possible to better understand the operation of the installation of FIG. 1.
In fig. I, the two stations A and B for which the clock rate is to be compared are represented by rectangles i and 11. station A being, for example, the main station or reference station. and station B being the secondary station. In the example described, station B is fixed and station A is on board an aircraft.
Station A comprises a reference atomic clock 2, for example a cesium clock. a timescale 3 which, in fact, is an electrical pulse generator synchronized on the clock generating for example pulses at a frequency of ten to ia second, a laser 4, a semi-transparent plate 5. a first detector light 6. a first stopwatch 7. a second stopwatch 8, a telescope 9 and a second light detector 10. Station B has a secondary atomic clock 2 ', a time scale 3', a telescope 9 '. a detector 10 ′ and a third stopwatch 12. It further comprises a renector 13 of the light waves corresponding to the emission frequency of the laser.
The laser 4 can be a ruby laser providing very short light pulses, the front edge of which is determined with a precision of the order of one nanosecond.
The assembly constituted by the clock 2 and the time scale 3 is well known in the art. This time scale operates on the principle of frequency reduction. The detectors of stations A and B are preferably fast photomultipliers, sensitive to laser radiation. The chronometers 7. 8 and 12 are also well-known devices which make it possible to measure a time equal to the difference of the instants of application of pulsating signals sent to their inputs. Such a timer starts at the instant of application of the first received signal and stops at the instant of application of the received signal. These devices currently have an accuracy of the order of 10 l nanoseconds. Telescopes are known types of light amplifiers.
The operation of the installation is as follows. The laser is triggered at any time by means of the switch 14, either manually by the operator or automatically. It is clear that no synchronism is necessary between the laser emission and the emission of the time scale 3. The pulse emitted by the laser is transmitted, on the one hand to the detector 6 of station A, on the other hand to the detector 10 'of station B via the telescope 9', obviously with a certain delay Tp due to the propagation of the light signal from the laser between stations A and B. The light signal received at the station B is sent back to the detector 10 of station A thanks to the detector 13 and via the telescope 9, by introducing a new delay Tp.
The stopwatch 7 receives the signals coming from the time scale 3 and from the detector 6 and measures the time t1 equal to the difference of the instants of arrival of said signals on this stopwatch. The stopwatch 12 receives the signals coming from the time scale 3 ′ and from the detector 10 ′ and measures a time t2 equal to the difference of the instants of arrival of said signals on this stopwatch. Finally, the stopwatch 8 receives the signals coming from the detectors 6 and 10 and measures a time equal to the difference between the instants of arrival of these signals on this stopwatch. This time is equal to 2Tp because the chronometer 8 receives the laser signal directly by the local detector 6 and, after a round trip of the light between stations A and B, by the detector 10.
The indications provided by these three chronometers make it possible to calculate the rate difference between the two clocks. that is to say the time shift t between the two time scales 3 and 3 '. For this purpose, reference will be made to FIG. 2. In this figure. different pulsating signals have been shown as a function of time, the signals al. au, ... sent by time scale 3 of station A, signals b1, bu ,. . emitted by the timescale 2 'of station B and a signal I emitted by the laser L. It was assumed, by way of example, that the timescale of station B was in advance with respect to that of A of the time t to be measured.
The stopwatch 12 receives the signal from the delayed laser of Tp represented in q and directly the signal coming from the time scale of B, represented in b1. and we see in the figure that we have the relation t2 t 1 + ti + Tp (I)
This relation makes it possible to calculate t, since the chronometers 7, X and 12 respectively provide the times tl, 2Tpet t. with a possible precision of the order of 10 | nanosecond. The overall precision of the measurement of t is of the order of one nanosecond.
To carry out a series of measurements, it is obviously necessary, each time, to reset the stopwatch 7 of station I. to zero and a device must be provided to block the operation of the laser during this reset. when this laser is excited automatically at regular intervals.
The operation of this system can be carried out by radio-electric means, for example by transmitting the results t and Tp to the fixed station B, which then has all the data to calculate t. This obviously makes it possible to reset the time of the clock 2 ′ of this station, so that the installation described can thus be used to synchronize a series of secondary clocks on a main clock.
Conversely, station B could be mounted on a satellite and include a radio-electric transmitter transmitting the result t2.
Such a station could synchronize several fixed stations such as A with great precision, said fixed stations further comprising an appropriate radio receiver.