CN108809420B - 基于激光器的无线频率传输系统及其传输装置和传输方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于激光器的无线频率传输系统及其传输装置和传输方法，属于频率同步技术领域。该系统包括发送端和至少一个接收端，接收端包括光束返回单元，用于将接收的部分激光信号反射回给发送端；发送端还包括至少一对第三扩束镜和相位补偿单元，第三扩束镜用于将接收端返回的激光信号耦合到相位补偿单元，相位补偿单元用于实时对基准频率信号和接收端反射回的激光信号中调制的微波信号进行相位比较，根据相位误差调整激光信号的相位。本发明通过引入主动相位补偿环节，抑制了由于大气湍流、振动以及温度波动造成的相位波动，提高了自由空间的频率同步精度和可靠性。

Description

基于激光器的无线频率传输系统及其传输装置和传输方法
技术领域
本发明涉及频率同步技术领域，尤其涉及一种基于激光器的无线频率传输系统及及其传输装置和传输方法。
背景技术
高精度时频同步在现代科学实验与工程实际应用中扮演着十分重要的作用，其目的是使相距一定距离的两个点或多个点的基准频率信号源在相位与时间上达到同步。高精度同步技术在通信、雷达探测、遥测技术、导航系统、天文观测和基础科学研究等领域有着广泛的应用。
在多点同步系统应用中，采用的最多的是给予频率信号传输的高精度同步技术。目前常用的频率信号传输方式包括无线射频传输，全球定位系统(GPS)和光纤频率传输技术。无线射频传输和GPS同步方式很容易受到环境的干扰，障碍物阻挡和大气波动等问题的影响，其同步精度受到很大的限制。
近年来，利用基于激光信号在光纤信道上进行频率传输的同步方法开始受到人们的关注，但是其传输方式需要构建专用的光纤信道，在某些没有现成的光纤链路或者不方便搭建光纤链路的场合来说就无法使用光纤频率传输技术，这从一定程度上限制了光纤传输技术的发展。
为了解决在某些客观条件限制不易于构建光纤链路的问题，需要采用一种基于自由空间信道的无线频率传输方式。因为在可视距离的情况(小于十千米)下，基于激光的无线频率传输技术提供了极为简便的同步方式，并且在该方式下其同步精度可以接近光纤频率传输的方法。如图1所示为一种双站间最基本的无线频率传输结构图。其原理是接收端10通过微波源101将传递的微波频率信号或者时间信号过调幅的方式调制到激光器102上，然后通过光学空间第一扩束镜103将激光信号发射到自由空间中。接收端20通过第二扩束镜201将激光信号聚焦到第二光电探测器202上，用以恢复微波频率信号或者时间信号。
然而，采用激光实现自由空间无线频率传输中会面临如下问题：1)无线激光在空气传输中，由于大气湍流、振动以及温度波动等因素导致信号波形变形而产生相位抖动；2)光学平台、准直镜和反射镜的振动会导致光束发生波动，进而增加了接收信号的相对强度噪声。如此，降低了自由空间无线频率传输的同步精度和可靠性。
发明内容
有鉴于此，本发明的目的在于提供一种基于激光器的无线频率传输系统及其传输装置和传输方法,以解决无线激光在空气传输中产生相位抖动、以及光束波动造成相对强度噪声，从而提高自由空间无线频率传输的同步精度和可靠性。
本发明解决上述技术问题所采用的技术方案如下：根据本发明的一个方面，提供的一种基于激光器的无线频率传输装置，应用于发送端10，该装置包括至少一对第三扩束镜104和相位补偿单元105，其中：
第三扩束镜104，用于将接收端20返射回的激光信号耦合到相位补偿单元105；
相位补偿单元105，用于实时对基准频率信号和接收端20反射回的激光信号中调制的微波信号进行相位比较，根据相位误差调整激光信号的相位。
优选的，相位补偿单元105进一步包括移相器1051、第一光电探测器1052、鉴相器1053、处理器1054和光纤拉伸器1055，其中：
移相器1051，用于调整基准频率信号的相位，并输出给鉴相器1053；
第一光电探测器1052，用于通过光电转换将接收端20反射回的激光信号中调制的微波信号解调出来，并输出给鉴相器；
鉴相器1053，用于对移相器1051输入的基准频率信号和第一光电探测器1052输入的微波信号的进行相位比较，并将相位误差输出给处理器1054；
处理器1054，用于对相位误差信号进行计算，得到反馈驱动信号输出给光纤拉伸器1055；
光纤拉伸器1055，用于根据反馈驱动信号调整激光器102的相位。
优选的，该装置还包括：
第一光束稳定单元106，用于调节从接收端20返回的激光信号的光束方向，以聚焦到相位补偿单元105的第一光电探测器1052的光电管。
优选的，第一光束稳定单元106进一步包括第一高速转向镜1061、第一分束镜1062、第一波束位置传感器1063、第一PID比例积分微分控制器1064以及第一高速转向镜驱动器1065，其中：
第一高速转向镜1061用于将输入的激光信号偏转后传递给第一分束镜1062；
第一分束镜1062，用于将激光信号进行分解，得到一束目标激光信号；
波束位置传感器1063，用于对目标激光信号的位置进行探测，得到位置误差信号，并传递给PID控制器1064；
第一PID控制器1064，用于根据位置误差信号得到位置调整电压，并输出给第一转向镜驱动1065；
第一转向镜驱动1065，用于根据位置调整电压控制第一高速转向镜1061的转动。
优选的，第一转向镜驱动1065具体用于：根据位置调整电压在X轴和Y轴两个维度上控制第一高速转向镜1061的偏转。
根据本发明的另一个方面，提供的一种基于激光器的无线频率传输装置，应用于接收端20，该装置包括：
光束返回单元203,用于将接收的部分激光信号反射回给发送端10。
优选的，光束返回单元203进一步包括：
分束镜2031，用于将激光信号分解成具有预设的光强比的透射光与反射光，并将透射光传递给第二扩束镜201，反射光传递给反射镜2032；
反射镜2032，用于将分解的反射光返射回发送端10。
优选的，该装置还包括：
第二光束稳定单元204，用于调节接收到的激光信号的光束方向，以使激光信号聚集波束到第二光电探测器20的光电管。
根据本发明的再一个方面，提供的基于激光器的无线频率传输系统，包括发送端10和至少一个接收端20，发送端10包括上述应用于发送端10的基于激光器的无线频率传输装置，接收端20包括上述应用于接收端20的基于激光器的无线频率传输装置。
根据本发明的又一个方面，提供的一种基于激光器的无线频率传输方法，应用于发送端，该方法包括：
将基准频率信号加载到激光器102上；
产生连续的激光信号调制基准频率信号；
将已调制激光信号耦合到自由空间传递出去；
接收接收端反射回的激光信号；
实时对基准频率信号和反射回的激光信号中调制的微波信号进行相位比较，根据相位误差调整激光信号的相位。
优选的，该方法还包括：将反射回的激光信号聚集波束送入第一光束稳定单元106进行光束位置稳定。
根据本发明的又一个方面，提供的一种基于激光器的无线频率传输方法，应用于接收端，该方法包括：
将激光信号分解成具有预设的光强比的透射光与反射光；
将透射光传递给第二扩束镜201，反射光返回至发送端10。
优选的，该方法还包括：第二扩束镜201将接收到的激光信号聚集波束送入第二光束稳定单元204进行光束位置稳定。
本发明实施例的基于激光器的无线频率传输系统及其传输装置和传输方法，通过在接收端返回部分激光信号，发送端引入主动相位补偿环节，抑制了由于大气湍流、振动以及温度波动造成的相位波动，从而极大提高了自由空间频率传输系统的同步精度和可靠性。此外，通过引入光束稳定单元来调节高速转向镜来解决光束位置的波动，避免了光束随环境影响波动带来的相位噪声，进一步提高了自由空间频率传输系统的同步精度和可靠性。
附图说明
图1为本发明相关技术一种基于激光器的无线双站频率传输系统的原理框图。
图2为本发明实施例一提供的应用于发送端的基于激光器的无线频率传输装置的结构示意图。
图3为本发明实施例二提供的相位补偿单元的结构示意图及相位补偿原理图。
图4为本发明优选实施例三提供的一种基于激光器的无线频率传输装置的结构示意图。
图5为本发明实施例三提供的光束稳定单元结构示意图。
图6为本发明实施例四提供的应用于接收端的基于激光器的无线频率传输装置的结构示意图。
图7为本发明实施例四提供的另一种基于激光器的无线频率传输装置的原结构示意图。
图8为本发明实施例五提供的一种基于激光器的无线双站频率传输系统的结构示意图。
图9为本发明相关技术的基于激光器的无线多站频率传输系统的结构示意图。
图10为本发明实施例六提供的一种基于激光器的无线多站频率传输系统的结构示意图。
图11为本发明实施例七提供的一种基于激光器的无线频率传输方法的流程图。
图12为本发明实施例八提供的另一种基于激光器的无线频率传输方法的流程图。
本发明目的的实现、功能特点及优点将结合实施例，参照附图做进一步说明。
具体实施方式
为了使本发明所要解决的技术问题、技术方案及有益效果更加清楚、明白，以下结合附图和实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
实施例一
如图2所示，本发明实施例提供的一种基于激光器的无线频率传输装置，应用于发送端10，包括微波源101、激光器102、第一扩束镜103，第三扩束镜104以及相位补偿单元105。其中：
微波源101，用于发送基准频率信号。
具体的，微波源101可以产生极低相位噪声的单频射频信号，一般为压控受控源，用于传输本地的基准频率信号，将基准频率信号调制加载到激光器102上。
激光器102，用于产生连续的激光信号调制基准频率信号。
具体的，激光器102可以产生波长可调谐的单频连续激光，提供激光信号加载基准频率信号，具有非常好的单色性和非常高的边摸抑制比。比如，采用一个1.5微米波长的激光器作为本地光源，同时将微波信号通过电流调制方式加载到该激光信号上。
第一扩束镜103，用于将已调制的激光信号耦合到自由空间。
具体的，第一扩束镜103通过扩展激光光束的直径和减小激光光束的发散角，将激光信号耦合到自由空间。可以根据不同波长在镜头镀增透膜来实现其功能。
第三扩束镜104，用于将接收到的接收端20返回的激光信号耦合到相位补偿单元105。
相位补偿单元105，用于实时对基准频率信号和接收端20反射回的激光信号中调制的微波信号进行相位比较，根据相位误差调整激光信号的相位。
本发明实施例中，通过在发送端引入相位补偿单元105实时根据基准频率信号和接收端反射回的激光信号中调制的微波信号的相位误差调整激光信号的相位，从而有效抑制了由于大气湍流、振动以及温度波动造成的相位波动,极大提高了自由空间频率传输系统的同步精度和可靠性。
实施例二
如图3所示，本发明实施例提供的一种相位补偿单元105可进一步通过移相器1051、第一光电探测器1052、鉴相器1053、处理器1054和光纤拉伸器1055来实现，其中：
移相器1051，用于调整基准频率信号的相位，并输出给鉴相器1053。
第一光电探测器1052，用于将接收端20反射回的激光信号中调制的微波信号解调出来，输出给鉴相器1052。
鉴相器1053，用于对移相器1051输入的基准频率信号和第一光电探测器1052输入的频率信号的进行相位比较，并将相位误差输出给处理器1054。
具体的，鉴相器1053的作用在于提取往返信号的相位差，在本实施例中，鉴相器1053可以对输入的基准频率信号与接收端20反馈回来的频率信号进行相位比较，输出相位误差送入处理器1054进行计算，得到反馈控制信号驱动光纤拉伸器1055，进而调整激光信号的相位。
处理器1054，用于对相位误差信号进行计算，得到反馈驱动信号输出给光纤拉伸器1055。
具体的，处理器1054可以对相位误差信号进行计算处理以得到反馈驱动信号，该处理器1054可采用计算机、单片机系统、DSP系统、或FPGA系统等。
光纤拉伸器1055，用于根据反馈驱动信号调整激光器102的相位。
具体的，光纤拉伸器1055可接收外部控制信号，根据外部控制信号(相位误差信号)改变激光器传输路径上的相位来补偿无线信道带来的相位波动，还可以实现对激光相位进行稳定。
下面结合图3对本发明实施例的主动补偿相位原理和过程进行说明：
1、发送端10采用一个激光器102(比如波长为1.5微米)作为本地光源，同时将微波信号通过电流调制方式加载到该激光器102上。假设该微波信号的初始相位为φ0。
2、激光信号经入光纤拉伸器1055，由光纤拉伸器1055产生的相位移动为φt。
3、通过第一扩束镜103将激光信号送入自由空间，由于受空气湍流、震动和温漂等环境因素影响，信号在自由空间传输过程中被引入噪声φp，到达接收端20后信号相位为φ0+φc+φp。
4、将该激光信号的一部分从接收端20通过同一自由空间路径传回第三扩束镜104，并通过第一光电探测器1051将其转换为微波电信号，在此过程中又引入噪声φp，于是由接收端传回本地的激光信号相位为φ0+φc+2φp。
5、该激光信号被送到鉴相器1053中与基准频率信号进行鉴相，并将鉴相结果作为误差信号送到处理器1054进行计算处理，利用相位补偿算法得到反馈驱动信号，将其送入光纤拉伸器1055以实现相位的预补偿，即使得：φc+φ0-(φ0+φc+2φp)＝0，因此可得φc＝-φp。该相位补偿算法调整光纤拉伸器1055的相移φc去抵消了自由空间传输中产生的相位波动φp，使得接收端的信号与本地的基准频率信号达到完全同步，由此实现高精度的自由空间频率传输。该相位补偿方案虽然受限于光纤拉伸器1055的拉伸能力，但只要自由空间相位波动不超过光纤拉伸器1055的拉伸范围，补偿方案均有效。
实施例三
如图4所示，本发明实施例提供的一种基于激光器的无线频率传输装置中，针对光束位置的波动导致光束耦合时产生的相对强度噪声，由于收发光学平台，扩束镜，反射镜的振动导致光束方向变化带来的幅度波动，比如：波动的周期，波动的幅度以及光斑有无变形等。为了抑制光束波动带来的影响，在发送端10增加了第一光束稳定单元106直接消除光束波动。
第一光束稳定单元106，用于调节从接收端20返回的激光信号的光束方向，以聚焦到相位补偿单元105的第一光电探测器1052的光电管。
作为一种优选的实施例，如图5所示，第一光束稳定单元106进一步包括第一高速转向镜1061、第一分束镜1062、第一波束位置传感器1063、第一PID(proportion integralderivative，比例积分微分)控制器1064以及第一高速转向镜驱动器1065。
第一高速转向镜1061，用于将输入的激光信号偏转后传递给第一分束镜1062。
第一分束镜1062，用于将激光信号进行分解，得到一束目标激光信号。
波束位置传感器1063，用于对目标激光信号的位置进行探测，得到位置误差信号，并传递给PID控制器1064。
第一PID控制器1064，用于根据位置误差信号得到位置调整电压，并输出给第一转向镜驱动1065。
第一转向镜驱动1065，用于根据位置调整电压控制第一高速转向镜1061的转动。
具体来说，将第三扩束镜104接收到的激光信号通过第一高速转向镜1061和第一分束镜1062得到一束目标激光信号，波束位置传感器1063对目标激光信号的位置进行探测，得到位置误差信号传递给PID控制器1064,第一PID控制器(1064)根据位置误差信号得到位置调整电压，并反馈给第一转向镜驱动1065，由第一转向镜驱动1065根据位置调整电压在X轴和Y轴两个维度上第一高速转向镜(1061)的偏转，从而实现快速调整光束方向，以达到稳定光束的目的。
下面结合图5说明第一光束稳定单元106的原理和工作过程：
1、第三扩束镜103后引入了一个高速转向镜，该高速转向镜可以在两个维度(即X和Y方向)上进行高速偏转，光束经过转向镜反镜后分成两束，我们利用一个波束位置传感器去探测其中一路分光信号，产生出两个维度上的位置误差信号，该误差信号以电压的形式输出。假设X方向上输出误差信号为Δx，Y方向上输出误差信号为Δy。
2、将获得两个维度上的电压误差信号分别通过两路PID控制器，PID控制器将输出-Δx和-Δy的反馈信号去驱动转向镜，以保证光束一直照射到位置传感器的中心点。因此通过该PID环路可以将整个光束稳定在一个固定的位置。由于传输系统的震动因素导致的光束波动频率较低(约为KHz级)，而通过PID控制器驱动的高速转向镜的速度(约为MHz级)完全能够予以补偿，这样便可最终达到消除光束波动的目的。该光束稳定方案虽然受限于波束位置传感器的面积，但只要光束波动不超过波束位置传感器的感应面积，该光束稳定方案均有效。
我们基于以上算法和控制方案，展示了采用基准频率100MHz时，传输超过120米的户外无线自由空间的频率传输实验。在传输过程中，我们测量了相位波动和艾伦方差的不稳定性传输频率。在5000秒内传输该100MHz的微波信号，均方根值(RMS)相位波动经测定为22皮秒左右，在1s内频率不稳定度是3×10^(-12)，在千秒内频率不稳定度是4×10^(-14)。所实现的频率稳定度要优于商用铯原子钟5071A以及铷原子钟，因此该无线频率传输方案可以用于铯原子和铷原子钟信号的传输。
本发明实施例在上述实施例一和二的基础上，通过增加光束稳定单元解决由于光学平台、反射镜的振动会导致的光束波动，减少光束随环境影响波动带来的相位噪声，进一步提高了自由空间频率传输系统的同步精度和可靠性。
实施例四
如图6所示，本发明实施例提供的一种基于激光器的无线频率传输装置，应用于接收端20，该装置包括光束返回单元203、第二扩束镜201和第二光电探测器202。
光束返回单元203,用于将接收的部分激光信号反射回给发送端10。
第二扩束镜201,用于将接收到的激光信号聚焦到第二光电探测器202。
具体的，第二扩束镜201通过扩展激光光束的直径和减小激光光束的发散角，将激光信号耦合第二光电探测器202的光电管。
第二光电探测器202,用于通过光电转换将激光信号中调制的微波信号解调出来。
具体的，第二光电探测器202可以将已调制微波的激光信号转换成电信号输出，通常其频响范围从直流到上GHz，且增益可调。
如图7所示，作为一种优选的实施例，光束返回单元203可以通过分束镜2031和反射镜2032组合来实现。其中：
分束镜2031，用于将激光信号分解成具有预设的光强比的透射光与反射光，将透射光传递给第二扩束镜201，将反射光传递给反射镜2032。
反射镜2032，用于将分解的反射光返回发送端10。
如图7所示，作为另一种优选的实施例，为了消除接收端光束位置的波动导致光束耦合时产生的相对强度噪声，还可以在接收端20的第二扩束镜201和第二光电探测器20之间，还可以增加第二光束稳定单元204抑制光束波动带来的影响。
第二光束稳定单元204，用于调节接收到的激光信号的光束方向，以使激光信号聚焦到第二光电探测器20的光电管。
具体的，第二光束稳定单元204的具体实现方式与第一光束稳定单元106基本雷同，具体参见第一光束稳定单元106，这里不再重述。
本发明实施例提供的传输装置，通过增加光束返回单元203将接收到的部分激光信号返回给发送端10，从而使得发送端能根据相位差进行实时补偿。此外，同步增加第二光束稳定单元减少光束随环境影响波动带来的相位噪声，进一步提高了自由空间频率传输的同步精度和可靠性。
实施例五
本发明实施例以双站频率同步传输系统为例进行说明，如图1所示是基于激光器的双站频率传输系统的系统框图，接收端10通过微波源101将微波频率信号或者时间信号过调幅的方式调制到激光器102上，然后通过光学空间第一扩束镜103将激光信号发射到自由空间中。接收端20通过第二扩束镜201将激光信号聚焦到第二光电探测器202上，用以恢复微波频率信号或者时间信号。不难看出，激光信号空气传输中，由于大气湍流、振动以及温度波动等因素会导致信号波形变形而产生相位抖动。为了解决抑制了由于大气湍流、振动以及温度波动造成的相位波动,在图1的发送端10中增加相位补偿单元105进行主动补偿相位。
如图8所示，本发明实施例提供的一种基于激光器的无线频率传输装置系统包括发送端10和至少一个接收端20，发送端10包括微波源101、激光器102、第一扩束镜103，第三扩束镜104以及相位补偿单元105。接收端20包括光束返回装置203、第二扩束镜201和第二光电探测器202。
微波源101，用于发送基准频率信号。
具体的，微波源101可以产生极低相位噪声的单频射频信号，一般为压控受控源，用于传输本地的基准频率信号，将基准频率信号调制加载到激光器102上。
激光器102，用于产生连续的激光信号调制基准频率信号。
具体的，激光器102可以产生波长可调谐的单频连续激光，提供激光信号加载基准频率信号，具有非常好的单色性和非常高的边摸抑制比。比如，采用一个1.5微米波长的激光器作为本地光源，同时将微波信号通过电流调制方式加载到该激光信号上。
第一扩束镜103，用于将已调制的激光信号耦合到自由空间。
具体的，第一扩束镜103通过扩展激光光束的直径和减小激光光束的发散角，将激光信号耦合到自由空间。可以根据不同波长在镜头镀增透膜来实现其功能。
第三扩束镜104，用于将接收到的接收端20返回的激光信号耦合到相位补偿单元105。
相位补偿单元105，用于实时对基准频率信号和接收端20反射回的激光信号中调制的微波信号进行相位比较，根据相位误差调整激光信号的相位。
接收端20包括光束返回装置203、第二扩束镜201和第二光电探测器202。其中：
光束返回装置203,用于将接收端的部分激光信号反射回给发送端10。
第二扩束镜201,用于将接收到的激光信号聚焦到第二光电探测器202。
具体的，第二扩束镜201通过扩展激光光束的直径和减小激光光束的发散角，将激光信号耦合第二光电探测器202的光电管。
第二光电探测器202,用于通过光电转换将激光信号中调制的微波信号解调出来。
具体的，第二光电探测器202可以将已调制微波的激光信号转换成电信号输出，通常其频响范围从直流到上GHz，且增益可调。
在一些优选实施例中，上述应用于发送端10的传输装置中还包括第一光束稳定单元106，用于调节从接收端20返回的激光信号的光束方向，以聚焦到相位补偿单元105。具体实现方法可参考图2和图3及其描述。
在另一些优选实施例中，上述应用于接收端20的传输装置中还包括第二光束稳定单元204，用于调节接收到的激光信号的光束方向，以使激光信号聚焦到第二光电探测器20的光电管。具体实现方法可参考图4和图5及其描述。
本发明实施例的基于激光器的无线频率传输系统，通过在接收端20增加光束返回装置203返回部分激光信号，在发送端引入相位补偿装置105实时根据基准频率信号和接收端反射回的激光信号中调制的微波信号的相位误差调整激光信号的相位，从而有效抑制了由于大气湍流、振动以及温度波动造成的相位波动,极大提高了自由空间频率传输系统的同步精度和可靠性。
实施例六
本发明实施例以多站频率同步传输为例进行说明，如图9所示是基于激光器的多站频率传输系统的基本系统框图，该系统包括发送端10和n个接收端20-i,其中，n为大于1的自然数,i为自然数，且1≤i≤n。发送端10通过微波源101将传递的微波频率信号或者时间信号过调幅的方式调制到激光器102上，然后n个第一扩束镜-i分别将激光信号发射到自由空间中。接收端20通过n个第二扩束镜-i将激光信号聚焦到n个对应的第二光电探测器-i上，用以恢复微波频率信号或者时间信号。
具体的，以n基站举例来说，首先是要将传递的唯一微波频率信号或者时间信号过调幅的方式调制到激光光源上，然后每个基站以1/n的比例将激光信号分成n束，n束激光信号通过n个相同的光学空间扩束镜将激光发射到空间中。在这n个基站均分别用第二扩束镜接-i接收激光信号并聚焦到第二光电探测器-i，用以恢复微波频率信号或者时间信号。其中i为自然数，且1≤i≤n。
如图10所示，本发明实施例提供的一种基于激光器的无线多站频率传输系统，与上述实施例一到实施例五类似，为了解决同步精度低，传输距离近、信号噪声高等问题，在多站频率同步技术的每一个发送端10-i，都设计了完全相同的相位补偿单元105-i以及光束波动稳定单元106-i。通过以上装置可以实现多站间的高精度无线频率传输，其多站间无线频率传输指标不低于实施实例五的双站频率的传输指标。此外，为了消除接收端20光束位置的波动导致光束耦合时产生的相对强度噪声，还可以在每个接收端20-i的第二扩束镜201-i和第二光电探测器20-i之间，还可以增加第二光束稳定单元204-i来抑制光束波动带来的影响，其中i为自然数，且1≤i≤n。
本发明实施例中，通过在每个接收端20-i增加光束返回单元203-i返回部分激光信号，在发送端10引入相位补偿单元105-i实时根据基准频率信号和接收端20-i反射回的激光信号中调制的微波信号的相位误差调整激光信号的相位，从而有效抑制了由于大气湍流、振动以及温度波动造成的相位波动,极大提高了自由空间频率传输系统的同步精度和可靠性。此外，还通过引入光束稳定单元204-i来调节高速转向镜来解决光束位置的波动，避免了光束随环境影响波动带来的相位噪声，进一步提高了自由空间频率传输系统的同步精度和可靠性。
实施例七
如图11所示，本发明实施例提供的一种基于激光器的无线多站频率传输方法,应用于发送端，该方法包括：
S101、将基准频率信号加载到激光器上。
S102、激光器产生连续的激光信号调制基准频率信号。
S103、将已调制激光信号耦合到自由空间传递出去。
S104、收接收端反射回的激光信号。
S106、实时对基准频率信号和反射回的激光信号中调制的微波信号进行相位比较，根据相位误差调整激光信号的相位。
具体的，以图4所示的结构为例，微波源101通过电流调制或者外调制的方式加载到连续激光器102上，输出激光信号通过光纤拉伸器1055后，利用第一扩束镜103将已调制激光信号传递出去。在接收端20处，利用光束返回单元203，将部分激光信号返回至发送端10。返回激光光束通过第三扩束镜104后，将聚集波束送入第一光束稳定单元106进行光束位置稳定。稳定方式：由波束位置传感器1063去探测光束方向，以此产生出位置误差信号，将该位置误差信号送入第一PID控制器1064后得到驱动信号，利用转向镜驱动器1065调整第一转向镜1066，使光束被稳定在一个固定的位置。将通过第一光束稳定单元106的激光耦合入第一光电探测器1051得到微波信号，再对其滤波和放大，得到单一频频的电信号。将该电信号与本地参考信号送入鉴相器1053实现高精度的鉴相，输出的相位误差经过处理器1054计算，得到往返激光的相位波动，再利用补偿算法，得到用于补偿单向激光相位波动的电压信号，将该电压信号反馈到光纤拉伸器1052上进行移相操作。使得这一无线路径的激光相位到稳定，从而实现了链路的高精度相位补偿。
下面结合图3对本发明实施例的主动补偿相位的原理和过程进行说明：
1、发送端10采用一个激光器102(比如波长为1.5微米)作为本地光源，同时将微波信号通过电流调制方式加载到该激光器102上。假设该微波信号的初始相位为φ0。
2、激光信号经入光纤拉伸器1055，由光纤拉伸器1055产生的相位移动为φt。
3、通过第一扩束镜103将激光信号送入自由空间，由于受空气湍流、震动和温漂等环境因素影响，信号在自由空间传输过程中被引入噪声φp，到达接收端20后信号相位为φ0+φc+φp。
4、将该激光信号的一部分从接收端20通过同一自由空间路径传回第三扩束镜104，并通过第一光电探测器1051将其转换为微波电信号，在此过程中又引入噪声φp，于是由接收端传回本地的激光信号相位为φ0+φc+2φp。
5、该激光信号被送到鉴相器1053中与基准频率信号进行鉴相，并将鉴相结果作为误差信号送到处理器1054进行计算处理，利用相位补偿算法得到反馈驱动信号，将其送入光纤拉伸器1055以实现相位的预补偿，即使得：φc+φ0-(φ0+φc+2φp)＝0，因此可得φc＝-φp。该相位补偿算法调整光纤拉伸器1055的相移φc去抵消了自由空间传输中产生的相位波动φp，使得接收端的信号与本地的基准频率信号达到完全同步，由此实现高精度的自由空间频率传输。该相位补偿方案虽然受限于光纤拉伸器1055的拉伸能力，但只要自由空间相位波动不超过光纤拉伸器1055的拉伸范围，补偿方案均有效。
作为另一种优选实施例，针对收发光学平台，扩束镜，反射镜的振动导致光束方向变化带来的幅度波动，光束位置的波动导致光束耦合时产生的相对强度噪声，方法还包括：
S105、第三扩束镜将反射回的激光信号聚集波束送入第一光束稳定单元进行光束位置稳定。
下面结合图5说明第一光束稳定单元106的原理和工作过程：
1、第三扩束镜103后引入了一个高速转向镜，该高速转向镜可以在两个维度(即X和Y方向)上进行高速偏转，光束经过转向镜反镜后分成两束，我们利用一个波束位置传感器去探测其中一路分光信号，产生出两个维度上的位置误差信号，该误差信号以电压的形式输出。假设X方向上输出误差信号为Δx，Y方向上输出误差信号为Δy。
2、将获得两个维度上的电压误差信号分别通过两路PID控制器，PID控制器将输出-Δx和-Δy的反馈信号去驱动转向镜，以保证光束一直照射到位置传感器的中心点。因此通过该PID环路可以将整个光束稳定在一个固定的位置。由于传输系统的震动因素导致的光束波动频率较低(约为KHz级)，而通过PID控制器驱动的高速转向镜的速度(约为MHz级)完全能够予以补偿，这样便可最终达到消除光束波动的目的。该光束稳定方案虽然受限于波束位置传感器的面积，但只要光束波动不超过波束位置传感器的感应面积，该光束稳定方案均有效。
实施例八
如图12所示，本发明实施例六提供的另一种基于激光器的无线多站频率传输方法，应用于接收端，该方法包括：
S201、将激光信号分解成具有预设的光强比的透射光与反射光。
S202、将透射光传递给第二扩束镜，反射光返回至发送端。
作为一种优选实施例，该方法还包括：
S203、第二扩束镜将激光信号聚集波束送入第二光束稳定单元进行光束位置稳定。
本发明实施例中，第二扩束镜将激光信号聚集波束送入第二光束稳定单元进行光束位置稳定的原理及步骤与上述实施例七中的S105的原理和步骤雷同，具体参见实施例七，这里不再重述。
本发明实施例的基于激光器的无线频率传输系统及其传输装置和传输方法，通过在接收端返回部分激光信号，发送端引入主动相位补偿环节，抑制了由于大气湍流、振动以及温度波动造成的相位波动，从而极大提高了自由空间频率传输系统的同步精度和可靠性。此外，通过引入光束稳定单元来调节高速转向镜来解决光束位置的波动，避免了光束随环境影响波动带来的相位噪声，进一步提高了自由空间频率传输系统的同步精度和可靠性。
以上参照附图说明了本发明的优选实施例，并非因此局限本发明的权利范围。本领域技术人员不脱离本发明的范围和实质，可以有多种变型方案实现本发明，比如作为一个实施例的特征可用于另一实施例而得到又一实施例。凡在运用本发明的技术构思之内所作的任何修改、等同替换和改进，均应在本发明的权利范围之内。

Claims (9)

1.一种基于激光器的无线频率传输装置，其特征在于，该装置还包括至少一对第三扩束镜(104)和相位补偿单元(105)，其中：
所述第三扩束镜(104)，用于将接收端(20)返射回的激光信号耦合到相位补偿单元(105)；
所述相位补偿单元(105)，用于实时对基准频率信号和接收端(20)反射回的激光信号中调制的微波信号进行相位比较，根据相位误差调整所述激光信号的相位；
其中，所述相位补偿单元(105)进一步包括移相器(1051)、第一光电探测器(1052)、鉴相器(1053)、处理器(1054)和光纤拉伸器(1055)，其中：
所述移相器(1051)，用于调整基准频率信号的相位，并输出给所述鉴相器(1053)；
所述第一光电探测器(1052)，用于通过光电转换将接收端(20)反射回的激光信号中调制的微波信号解调出来，并输出给所述鉴相器；
所述鉴相器(1053)，用于对所述移相器(1051)输入的基准频率信号和所述第一光电探测器(1052)输入的微波信号的进行相位比较，并将相位误差输出给所述处理器(1054)；
处理器(1054)，用于对所述相位误差信号进行计算，得到反馈驱动信号输出给所述光纤拉伸器(1055)；
光纤拉伸器(1055)，用于根据所述反馈驱动信号调整所述激光器(102)的相位。
2.根据权利要求1所述的基于激光器的无线频率传输装置，其特征在于，该装置还包括：
所述第一光束稳定单元(106)，用于调节从接收端(20)返回的激光信号的光束方向，以聚焦到所述相位补偿单元(105)的第一光电探测器(1052)的光电管。
3.根据权利要求2所述的基于激光器的无线频率传输装置，其特征在于，所述第一光束稳定单元(106)包括第一高速转向镜(1061)、第一分束镜(1062)、第一波束位置传感器(1063)、第一PID比例积分微分控制器(1064)以及第一转向镜驱动 (1065)，其中：
所述第一高速转向镜(1061)用于将输入的激光信号偏转后传递给所述第一分束镜(1062)；
所述第一分束镜(1062)，用于将所述激光信号进行分解，得到一束目标激光信号；
所述波束位置传感器(1063)，用于对所述目标激光信号的位置进行探测，得到位置误差信号，并传递给所述PID控制器(1064)；
所述第一PID控制器(1064)，用于根据所述位置误差信号得到位置调整电压，并输出给所述第一转向镜驱动(1065)；
所述第一转向镜驱动(1065)，用于根据所述位置调整电压控制所述第一高速转向镜(1061)的转动。
4.根据权利要求3所述的基于激光器的无线频率传输装置，其特征在于，所述第一转向镜驱动(1065)具体用于：根据所述位置调整电压在X轴和Y轴两个维度上控制所述第一高速转向镜(1061)的偏转。
5.一种基于激光器的无线频率传输装置，应用于接收端(20)，其特征在于，该装置包括：
光束返回单元(203),用于将接收的部分激光信号反射回给发送端(10)；
其中，该装置还包括：
第二光束稳定单元(204)，用于调节接收到的激光信号的光束方向，以使所述激光信号聚集波束到所述第二光电探测器(20)的光电管。
6.根据权利要求5所述的基于激光器的无线频率传输装置，其特征在于，所述光束返回单元(203)进一步包括：
分束镜(2031)，用于将所述激光信号分解成具有预设的光强比的透射光与反射光，并将所述透射光传递给第二扩束镜(201)，所述反射光传递给反射镜(2032)；
反射镜(2032)，用于将所述分解的反射光返射回发送端(10)。
7.一种基于激光器的无线频率传输系统，包括发送端(10)和至少一个接收端(20)，其特征在于，所述发送端(10)包括权利要求1-4任意一项权利要求所述的基于激光器的无线频率传输装置，所述接收端(20)包括权利要求5-6任意一项权利要求所述的基于激光器的无线频率传输装置。
8.一种基于激光器的无线频率传输方法，应用于发送端，其特征在于，该方法包括：
将基准频率信号加载到激光器(102)上；
产生连续的激光信号调制所述基准频率信号；
将已调制激光信号耦合到自由空间传递出去；
接收接收端反射回的激光信号；
实时对所述基准频率信号和反射回的激光信号中调制的微波信号进行相位比较，根据相位误差调整所述激光信号的相位；
其中，所述方法还包括：将反射回的激光信号聚集波束送入第一光束稳定单元(106)进行光束位置稳定。
9.一种基于激光器的无线频率传输方法，应用于接收端，其特征在于，该方法包括：
将激光信号分解成具有预设的光强比的透射光与反射光；
将所述透射光传递给第二扩束镜(201)，所述反射光返回至发送端(10)；
其中，所述方法还包括：第二扩束镜(201)将接收到的激光信号聚集波束送入第二光束稳定单元(204)进行光束位置稳定；
所述第二光束稳定单元(204)，用于调节接收到的激光信号的光束方向，以使所述激光信号聚集波束到所述第二光电探测器(20)的光电管。
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