CN105043562A - 基于二次谐波平衡探测的时间抖动延迟测量系统及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于二次谐波平衡探测的时间抖动延迟测量装置，该装置包括第一半透半反镜、二次谐波产生介质、第二半透半反镜、时间延迟线、第一光电探头、第二光电探头、差分电路、第三半透半反镜、第一反射镜、第二反射镜、第一聚焦镜、第二聚焦镜、第三反射镜、第一待测脉冲输入接口、第二待测脉冲输入接口和差分信号输出接口。本发明所述技术方案利用二次谐波平衡探测机制，根据无延迟时电信号输出为0的特点，对时间抖动延迟进行测量，达到时间抖动延迟测量分辨力高的要求，有利于高精度时间同步系统的应用。
Description
技术领域
本发明涉及光电通讯领域，特别是涉及一种基于二次谐波平衡探测的时间抖动延迟测量方法及系统。
背景技术
随着网络化、信息化的高速推进和高精尖武器装备的飞速发展，以精确导航制导、分布式雷达系统、空间探测、激光聚变技术、相位阵列天线技术、高性能原子钟时间比对、自由电子激光器为代表的先进信息技术领域和前沿科学领域对于高精度时间同步及其性能的评估校准要求不断提升，从原有的毫秒、微秒、亚微秒量级发展到现在的纳秒、亚纳秒甚至皮秒以下量级，这就给高精度时间同步技术带来了新的困难和挑战，而实现两路时间脉冲序列的高精度时间同步前提和关键就是解决高分辨力时间延迟测量问题。传统的测量方法不管是时域还是空域，对任意的变化过程或者空间尺度的测量都需要更快更短的尺度来衡量，但是现有的光电响应器件最快的响应时间通常为纳秒量级，很难达到ps量级测量水平，无法适应科学研究和技术应用快速发展对时间同步水平越来越高的要求。同时，为了更好应用于时频系统的集成设计，希望所设计的时间抖动时延测量系统能够在两路脉冲无抖动的时候实现测量信号输出为0，这样更有利于伺服电路系统设计和整体时间同步系统的反馈控制。
因此，探索高精度时间同步的新体制、新概念，特别是突破高精度时间延迟测量技术已经成为国内外研究重点，是高精度时间同步的关键。
发明内容
本发明要解决的技术问题是提供一种基于二次谐波平衡探测的时间抖动延迟测量系统及方法，以解决高精度时间同步领域中高分辨力时延测量水平不足问题。
为解决上述技术问题，本发明采用下述技术方案：
基于二次谐波平衡探测的时间抖动延迟测量装置，该装置包括
第一待测脉冲输入接口；
第二待测脉冲输入接口；
依次设置在第一脉冲传输路径上的第一半透半反镜、二次谐波产生介质和第二半透半反镜，所述第一半透半反镜、二次谐波产生介质和第二半透半反镜的设置位置能够产生前向二次谐波脉冲；
依次设置在第二脉冲传输路径上的时间延迟线、第一半透半反镜、二次谐波产生介质和第二半透半反镜，所述时间延迟线、第一半透半反镜、二次谐波产生介质和第二半透半反镜的设置位置能够产生反向二次谐波脉冲；
用于采集前向二次谐波脉冲的第一光电探头；
用于采集反向二次谐波脉冲的第二光电探头；
用于对前向二次谐波脉冲和反向二次谐波脉冲的强度进行缠粉运算的差分电路；
差分信号输出接口。
优选的，该装置进一步包括依次设置在第一待测脉冲输入接口和第一半透半反镜之间以及时间延迟线和第一半透半反镜之间的第三半透半反镜和第一反射镜。
优选的，该装置进一步包括设置在第二待测脉冲接口和时间延迟线之间的第二反射镜。
优选的，该装置进一步包括设置在二次谐波产生介质和第一半透半反镜之间的第一聚焦镜。
优选的，该装置进一步包括设置在二次谐波产生介质和第二半透半反镜之间的第二聚焦镜。
优选的，该装置进一步包括设置在第一半透半反镜和第二光电探头之间的第三反射镜。
优选的，输入装置的第一待测脉冲和第二待测脉冲的波长相同，波长范围为800-1600mm。
优选的，所述二次谐波产生介质的工作波长为800-1600mm；
所述时间延迟线的延迟调整分辨力小于1ps。
基于二次谐波平衡探测的时间抖动延迟测量方法，该方法的步骤包括
获取第一待测脉冲和第二待测脉冲；
经过时间延迟线延时的第二待测脉冲和第一待测脉冲输入至二次谐波产生介质，并产生前向二次谐波脉冲和前向基频脉冲；
前向二次谐波脉冲通过第二半透半反镜，由第一光电探头接收；
前向基频脉冲经第二半透半反镜反射，形成反向基频脉冲；
反向基频脉冲经二次谐波产生介质产生反向二次谐波脉冲，并通过第一半透半反镜，由第二光电探头接收；
利用差分电路对前向二次谐波脉冲和反向二次谐波脉冲进行差分运算，获得差分信号输出。
优选的，该方法进一步包括对时间延迟线进行调整，消除前向二次谐波强度和反向二次谐波强度的差值，此时时间延迟线的调整量的相反数即为第一待测脉冲和第二待测脉冲之间的时间抖动延迟。
本发明的有益效果如下：
现有时间抖动延迟测量很难达到ps量级，本发明所述技术方案比现有方法测量精度更高，利用二次谐波平衡探测机制，根据无延迟时电信号输出为0的特点，对时间抖动延迟进行测量，达到时间抖动延迟测量分辨力高的要求，分辨力可达1ps，具有分辨力高、有利于高精度时间同步系统的应用。
附图说明
下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步详细的说明；
图1示出本发明所述的时间抖动延迟测量系统的示意图；
图2示出本发明所述的时间抖动延迟测量方法的流程图。
附图标号
1、第二反射镜，2、时间延迟线，3、第三半透半反镜，4、第一反射镜，5、第一半透半反镜，6、第一聚焦镜，7、二次谐波产生介质，8、第二聚焦镜，9、第二半透半反镜，10、第三反射镜，11、第一光电探头，12、第二光电探头，13、差分电路，A1、第一待测脉冲输入接口，A2、第二待测脉冲输入接口，A3、差分信号输出接口。
具体实施方式
为了更清楚地说明本发明，下面结合优选实施例和附图对本发明做进一步的说明。附图中相似的部件以相同的附图标记进行表示。本领域技术人员应当理解，下面所具体描述的内容是说明性的而非限制性的，不应以此限制本发明的保护范围。
本发明公开了一种基于二次谐波平衡探测的时间抖动延迟测量装置，该装置包括第二反射镜1、时间延迟线2、第三半透半反镜3、第一反射镜4、第一半透半反镜5、第一聚焦镜6、二次谐波产生介质7、第二聚焦镜8、第二半透半反镜9、第三反射镜10、第一光电探头11、第二光电探头1和差分电路13，以及第一待测脉冲输入接口A1、第二待测脉冲输入接口A2和差分信号输出接口A3。第一待测脉冲通过第一待测脉冲输入接口A1输入到装置中，并经过第三半透半反镜3的透镜面、第一反射镜4、第一半透半反镜5的透镜面、第一聚焦镜6入射至二次谐波产生介质7；第二待测脉冲通过第二脉冲输入接口A2输入装置中，并经过第二反射镜1、时间延迟线2、第三半透半反镜3的反射面、第一反射镜4、第一半透半反镜5的透镜面、第一聚焦镜6入射至二次谐波产生介质7；第一待测脉冲和经过时间延迟线2的第二待测脉冲通过例如非线性倍频晶体的二次谐波产生介质7后，产生前向二次谐波脉冲和前向基频脉冲，前向二次谐波脉冲经第二聚焦镜8聚焦后入射至过例如二向色镜的第二半透半反镜9，并透射过第二半透半反镜9，由第一光电探头11采集，并得到前向二次谐波强度，前向基频脉冲经第二聚焦镜8聚焦后入射至例如二向色镜的第二半透半反镜9后，经反射产生反向基频脉冲，该反向基频脉冲通过第二聚焦镜8入射至二次谐波产生介质7，并通过二次谐波产生介质7产生反向二次谐波脉冲，该反向二次谐波脉冲经第一聚焦镜6入射至第一半透半反镜5的反射面反射，并经过第三反射镜10反射后，由第二光电探头采集，并得到反向二次谐波强度；前向二次谐波强度和反向二次谐波强度经差分电路13作差分运算后，由差分信号输出接口A3输出至外部显示设备。
本发明进一步公开了一种基于二次谐波平衡探测的时间抖动延迟测量方法，该方法的步骤包括获取第一待测脉冲和第二待测脉冲S1；经过时间延迟线延时的第二待测脉冲和第一待测脉冲输入至二次谐波产生介质，并产生前向二次谐波脉冲和前向基频脉冲S2；前向二次谐波脉冲通过第二半透半反镜，由第一光电探头接收S3；前向基频脉冲经第二半透半反镜反射，形成反向基频脉冲S4；反向基频脉冲经二次谐波产生介质产生反向二次谐波脉冲，并通过第一半透半反镜，由第二光电探头接收S5；利用差分电路对前向二次谐波脉冲和反向二次谐波脉冲进行差分运算，获得差分信号输出S6。在人为或自然条件下两个待测脉冲存在时间延迟使前向二次谐波强度和反向二次谐波强度的差值存在差值时，该方法进一步包括对时间延迟线进行调整，消除前向二次谐波强度和反向二次谐波强度的差值，此时时间延迟线的调整量的相反数即为第一待测脉冲和第二待测脉冲之间的时间抖动延迟。
下面通过一组实施例对本发明做进一步说明：
本发明的核心目的在于克服现有时间同步技术中高分辨力时间抖动延迟测量的困难，本实例中提供一种基于二次谐波平衡探测的时间抖动延迟测量装置。具体的，该装置包括第二反射镜1、时间延迟线2、第三半透半反镜3、第一反射镜4、第一半透半反镜5、第一聚焦镜6、二次谐波产生介质7、第二聚焦镜8、第二半透半反镜9、第三反射镜10、第一光电探头11、第二光电探头1和差分电路13，以及第一待测脉冲输入接口A1、第二待测脉冲输入接口A2和差分信号输出接口A3。
利用上述装置的一种基于二次谐波平衡探测的时间抖动延迟测量方法，其具体实现方法包括以下步骤：
(1)经第一待测脉冲输入接口A1输入装置的第一待测脉冲通过第三半透半反镜3、第一反射镜4、第一半透半反镜5、由第一聚焦镜6聚焦入射到二次谐波产生介质7上，第二待测脉冲通过第二反射镜1、时间延迟线2、第三半透半反镜3、第一反射镜4、第一半透半反镜5、由第一聚焦镜6聚焦入射到二次谐波产生介质7上。第一待测脉冲和第二待测脉冲的波长相同，为1550nm，二次谐波产生介质6的工作波长为1550nm。
(2)第一待测脉冲和经过时间延迟线2的第二待测脉冲通过例如非线性倍频晶体的二次谐波产生介质7后产生前向二次谐波脉冲和前向基频脉冲，前向二次谐波脉冲通过第二半透半反镜9后由光电探头11测得到前向二次谐波强度，前向基频脉冲由第二半透半反镜9反射后形成反向基频脉冲。
(3)反向基频脉冲由第二聚焦镜8聚焦入射到二次谐波产生介质7上，反向基频脉冲通过二次谐波产生介质7后产生反向二次谐波脉冲。
(4)反向二次谐波由二向色镜5反射后，再由反射镜10反射，由光电探头12探测得到反向二次谐波强度。
(5)前向二次谐波强度和反向二次谐波强度的差值由差分电路13测量并通过差分信号输出接口A3输出给外部显示设备。
(6)第一次调整可变时间延迟线2，使前向二次谐波强度和反向二次谐波强度的差值为0，可变时间延迟线2的时延调整分辨力为100fs。
(7)人为给第一待测脉冲14和第二待测脉冲15之间提供-7ps时间抖动延迟时，前向二次谐波强度和反向二次谐波强度的差值将不再为0，第二次调整时间延迟线2，使前向二次谐波强度和反向二次谐波强度的差分信号为0，第二次调整时间延迟线2的调整量为+7s，二次调整时间延迟线2的调整量的相反数-7ps为第一待测脉冲10和第二待测脉冲11之间的时间抖动延迟，完成测量。
(8)人为将第一待测脉冲14和第二待测脉冲15之间的时间抖动延迟增加1ps，变为-6ps，此时前向二次谐波强度和反向二次谐波强度的差值不为0，第三次调整时间延迟线2，使前向二次谐波强度和反向二次谐波强度的差分信号为0，第二次调整时间延迟线2的调整量为+6s，二次调整时间延迟线2的调整量的相反数-6ps为第一待测脉冲10和第二待测脉冲11之间的时间抖动延迟，完成测量。该测试显示一种基于二次谐波平衡探测的时间抖动延迟测量装置的时间抖动延迟的测量分辨力可达1ps，能够保证精度的情况下实现时间抖动延迟测量。
综上所述，本发明所述技术方案利用二次谐波平衡探测机制，根据无延迟时电信号输出为0的特点，对时间抖动延迟进行测量，达到时间抖动延迟测量分辨力高的要求，有利于高精度时间同步系统的应用。
显然，本发明的上述实施例仅仅是为清楚地说明本发明所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定，对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动，这里无法对所有的实施方式予以穷举，凡是属于本发明的技术方案所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本发明的保护范围之列。
Claims (10)
1.基于二次谐波平衡探测的时间抖动延迟测量装置，其特征在于，该装置包括
第一待测脉冲输入接口；
第二待测脉冲输入接口；
依次设置在第一脉冲传输路径上的第一半透半反镜、二次谐波产生介质和第二半透半反镜，所述第一半透半反镜、二次谐波产生介质和第二半透半反镜的设置位置能够产生前向二次谐波脉冲；
依次设置在第二脉冲传输路径上的时间延迟线、第一半透半反镜、二次谐波产生介质和第二半透半反镜，所述时间延迟线、第一半透半反镜、二次谐波产生介质和第二半透半反镜的设置位置能够产生反向二次谐波脉冲；
用于采集前向二次谐波脉冲的第一光电探头；
用于采集反向二次谐波脉冲的第二光电探头；
用于对前向二次谐波脉冲和反向二次谐波脉冲的强度进行缠粉运算的差分电路；
差分信号输出接口。
2.根据权利要求1所述的时间抖动延迟测量装置，其特征在于，该装置进一步包括依次设置在第一待测脉冲输入接口和第一半透半反镜之间以及时间延迟线和第一半透半反镜之间的第三半透半反镜和第一反射镜。
3.根据权利要求1所述的时间抖动延迟测量装置，其特征在于，该装置进一步包括设置在第二待测脉冲接口和时间延迟线之间的第二反射镜。
4.根据权利要求1所述的时间抖动延迟测量装置，其特征在于，该装置进一步包括设置在二次谐波产生介质和第一半透半反镜之间的第一聚焦镜。
5.根据权利要求1所述的时间抖动延迟测量装置，其特征在于，该装置进一步包括设置在二次谐波产生介质和第二半透半反镜之间的第二聚焦镜。
6.根据权利要求1所述的时间抖动延迟测量装置，其特征在于，该装置进一步包括设置在第一半透半反镜和第二光电探头之间的第三反射镜。
7.根据权利要求1所述的时间抖动延迟测量装置，其特征在于，输入装置的第一待测脉冲和第二待测脉冲的波长相同，波长范围为800-1600mm。
8.根据权利要求1所述的时间抖动延迟测量装置，其特征在于，
所述二次谐波产生介质的工作波长为800-1600mm；
所述时间延迟线的延迟调整分辨力小于1ps。
9.基于二次谐波平衡探测的时间抖动延迟测量方法，其特征在于，该方法的步骤包括
获取第一待测脉冲和第二待测脉冲；
经过时间延迟线延时的第二待测脉冲和第一待测脉冲输入至二次谐波产生介质，并产生前向二次谐波脉冲和前向基频脉冲；
前向二次谐波脉冲通过第二半透半反镜，由第一光电探头接收；
前向基频脉冲经第二半透半反镜反射，形成反向基频脉冲；
反向基频脉冲经二次谐波产生介质产生反向二次谐波脉冲，并通过第一半透半反镜，由第二光电探头接收；
利用差分电路对前向二次谐波脉冲和反向二次谐波脉冲进行差分运算，获得差分信号输出。
10.根据权利要求9所述的时间抖动延迟测量方法，其特征在于，该方法进一步包括对时间延迟线进行调整，消除前向二次谐波强度和反向二次谐波强度的差值，此时时间延迟线的调整量的相反数即为第一待测脉冲和第二待测脉冲之间的时间抖动延迟。
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