CN109375494A - 一种基于单光子检测的光纤高精度授时装置和方法 - Google Patents

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吴传信
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韦毅梅
张宝富
郭俊成
魏恒
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Abstract

本发明提供一种基于单光子检测的光纤高精度授时装置和方法。该方法包括以下步骤：原子钟源送出时钟信号和秒脉冲信号给授时中心站；授时中心站利用钟源信号产生经编码光脉冲信号注入光纤链路；终端站部分反射经编码光脉冲信号，并使其返回同一根光纤链路；中心站利用单光子检测器监测返回经编码光脉冲信号，测量环回时延，利用环回传输时延计算并补偿单向传播时延；终端站将中心站时延预补偿后的经编码光脉冲信号实施光电转换，从而完成时间同步。本发明具有基准统一、稳定性高，易于同时保证时间传递的长期稳定度和短期稳定度的优点。

Description

一种基于单光子检测的光纤高精度授时装置和方法
技术领域
本发明涉及一种光纤链路高精度授时装置和方法，尤其涉及一种基于单光子检测的光纤高精度授时装置和方法。
背景技术
世界上各个大国都在积极发展自己高性能时间与频率系统，比较著名的主要是天基授时体系，比如美国的GPS系统、俄罗斯的GLONASS，欧洲的伽利略系统以及我国正在建设的北斗系统等。我国目前向普通民众和特殊用户可以提供的授时服务包括短波授时、长波授时、卫星授时、因特网授时以及电视授时等服务。天基时频网络受开放信道随机波动以及端设备外置而精度有限，如普通GPS系统授时精度为10纳秒量级，GPS载波相位法时间同步精度也只能达到纳秒量级，进一步提升精度等级已十分困难。此外，天基系统的稳定性和可靠性也存在隐患。相比较而言，光纤信道具有传输质量稳定可靠、相对封闭、抗干扰、传输特性变化缓慢、可有效管辖等优点。因此，在需要更高精度的时间传递场合，利用信道更好的光纤进行更高精度的时间和频率传递成为必然选择。
当前光纤和光网络高精度时间同步方法有两种，一是高精度时间频率信号通过光传送网(如SDH网络或以太网)进行时间频率传递与比对；另一种是高精度时间频率信号通过波分复用光传送网络传输。通过光传送网进行时频传递与比对的最大的问题是其精度受网络影响较大，时间同步精度只能到达百纳秒量级。因此，高精度时频传递与比对的主流方案是利用光波长信道直接进行时频信号的传递比对。
以100Km距离为例，当采用商用的G.652光纤进行时间传递时，由于在1550nm处色散系数D＝17ps/nm.km，则激光器波长漂移±0.1nm时会产生约340ps的授时误差。虽然在给定的同步距离上可以通过估算标准单模光纤的色散值进行理论修正，但实际应用中激光器的中心波长在使用过程中存在随机波动(一般商用激光器指标为±0.1nm)，并且不同厂家，不同批次以及在不同环境下的商用光纤色散值本身也在波动。
因此，只要授时系统采用两个不同的波长进行时间传递，则光纤色散和色散波动以及两个激光器波长的随机漂移，会导致授时的不对称性偏差以及偏差波动，在百公里的距离上授时误差可达百皮秒。
此外，对已有的光纤波分复用链路进行单纤双向传输改造会对提升系统的复杂度，并对已有系统的可靠性带来潜在的影响。因此，本发明提出一种只利用一个波道进行高精度授时的方案，可保证双向授时信道的完全对称，并易于和已有的波分复用链路兼容。
发明内容
发明目的：针对现有基于波分复用技术的授时方法中不对称性授时偏差难以抑制消除以及授时链路改造代价较大的问题，提出一种基于单光子检测的光纤高精度授时装置和方法。
技术方案：本发明的基于单光子检测的光纤高精度授时装置包括钟源、中心站、光纤和终端站；钟源产生时钟信号和秒脉冲信号；中心站基于时钟信号和秒脉冲信号产生经编码光脉冲信号，并经由光纤发送至终端站；终端站将经编码光脉冲信号的一部分偏振旋转后经由光纤反射回中心站，并将剩余部分恢复成秒脉冲信号；中心站基于单光子检测捕获偏振旋转后的经编码光脉冲信号，基于经编码光脉冲信号的发送时间和捕获时间之差计算预补偿延迟，并将后续产生的经编码光脉冲信号提前发送，提前量为预补偿延迟值；其中，终端站恢复预补偿的编码光脉冲信号而得到的秒脉冲信号与中心站的秒脉冲信号同步。
进一步地，所述中心站通过以下式子计算预补偿延迟：
ΔT＝Tp+τc，
TRT＝TA-TB，
Tp＝TRT/2，
其中，ΔT为预补偿延迟，Tp为单向传播时延，τc为两端设备固定传播与测量时延，TA为光脉冲信号的发送时间，TB为光脉冲信号的捕获时间。
进一步地，所述中心站包括控制与延迟补偿模块、光窄脉冲产生模块、偏振分束器、单光子检测器和时间间隔测量模块；控制与延迟补偿模块基于秒脉冲信号和时钟信号产生经编码电脉冲信号；光窄脉冲产生模块接收经编码电脉冲信号用于对固定波长的窄脉冲光源进行调制，从而产生所述经编码光脉冲信号；偏振分束器使具有特定偏振方向的经编码光脉冲信号注入光纤，并从反射回的经编码光脉冲信号中滤波出偏振旋转后的经编码光脉冲信号；时间间隔测量模块记录经编码光脉冲信号的发送和捕获时间，并基于二者之差计算预补偿延迟；控制与延迟补偿模块将后续产生的经编码光脉冲信号提前发送，提前量为预补偿延迟值。
进一步地，所述终端站包括法拉第偏振旋转镜、光电转换模块和秒脉冲恢复模块；法拉第偏振旋转镜将经编码光脉冲信号的一部分偏振旋转后经由光纤反射回中心站，并使经编码光脉冲信号的其余部分通过；光电转换模块将通过法拉第偏振旋转镜的经编码光脉冲信号转换为经编码电脉冲信号；秒脉冲恢复模块对转换后的经编码电脉冲信号进行解码，得到秒脉冲信号。
进一步地，所述中心站基于光缆长度估算单光子检测器针对反射的经编码光脉冲信号的开门时间，利用门延迟控制步进搜索单光子检测率的峰值点，将峰值检测率跟踪锁定时单光子检测器输出的电脉冲用于指示终端站反射回的光脉冲信号。
本发明的基于单光子检测的光纤高精度授时方法包括以下步骤：(1)钟源产生时钟信号和秒脉冲信号；(2)中心站基于时钟信号和秒脉冲信号产生经编码光脉冲信号，并经由光纤发送至终端站；(3)终端站将经编码光脉冲信号的一部分偏振旋转后经由光纤反射回中心站；(4)中心站基于单光子检测捕获偏振旋转后的经编码光脉冲信号，基于经编码光脉冲信号的发送时间和捕获时间之差计算预补偿延迟，并将后续产生的经编码光脉冲信号提前发送，提前量为预补偿延迟值；(5)终端站接收预补偿的经编码光脉冲信号并恢复成与中心站的秒脉冲信号同步的秒脉冲信号。
进一步地，步骤(2)进一步包括以下步骤：(21)中心站基于秒脉冲信号和时钟信号产生经编码电脉冲信号；(22)中心站中的光窄脉冲产生模块接收经编码电脉冲信号用于对固定波长的窄脉冲光源进行调制，从而产生所述经编码光脉冲信号；(23)中心站中的偏振分束器将具有特定偏振方向的经编码光脉冲信号注入光纤，并经由光纤发送至终端站。
进一步地，步骤(4)进一步包括以下步骤：(41)中心站中的偏振分束器从反射回的经编码光脉冲信号中滤波出偏振旋转后的经编码光脉冲信号；(42)中心站的单光子检测器捕获经滤波的经编码光脉冲信号；(43)中心站中的时间间隔测量模块记录经编码光脉冲信号的发送和捕获时间，并基于二者之差计算预补偿延迟；(44)中心站中的控制与延迟补偿模块将后续产生的经编码光脉冲信号提前发送，提前量为预补偿延迟值。
进一步地，在步骤(43)中，所述时间间隔测量模块通过以下式子计算预补偿延迟：
ΔT＝Tp+τc，
TRT＝TA-TB，
Tp＝TRT/2，
其中，ΔT为预补偿延迟，Tp为单向传播时延，τc为两端设备固定传播与测量时延，TA为光脉冲信号的发送时间，TB为光脉冲信号的捕获时间。
进一步地，步骤(5)进一步包括以下步骤：(51)终端站中的法拉第偏振旋转镜将预补偿的经编码光脉冲信号的一部分偏振旋转后经由光纤反射回中心站，并使其余部分通过；(52)终端站中的光电转换模块将通过的预补偿经编码光脉冲信号转换为经编码电脉冲信号；(53)终端站中的秒脉冲恢复模块对转换后的经编码电脉冲信号进行解码，得到与中心站中的秒脉冲信号同步的秒脉冲信号。
有益效果：与现有技术相比，本发明具有以下优点：
1、通过利用单纤单波长双向传输技术，保证双向传输信道的完全对称；通过利用单光子检测，从而降低授时系统的随机干扰和噪声。
2、通过在中心站进行测量和时延预补偿等方法降低终端站的成本。
3、单光子检测方式不仅有利于单纤单波长双向信号的传递与检测，还可以大幅度提升授时距离，可以在现有光纤中继段内实现高精度的时间传递。
4、具有基准统一、授时精度高，终端站只收不发、成本低廉并易于和已有的光纤链路兼容等优点。例如，本发明的样机系统能够在125km光纤链路上实现时间传递，准确度优于10ps,稳定度优于10ps(rms)。本发明可以应用于多种有亚纳秒量级精度时间传递需要的场合。
附图说明
图1是本发明的授时装置的结构框架示意图；
图2是本发明的授时方法的流程图。
具体实施方式
以下结合附图对本发明进行详细说明。
在本发明中，发送秒脉冲的端站称为授时中心站，简称中心站，接收秒脉冲的端站称为授时终端站，简称终端站。如图1，本发明的授时装置包括钟源、中心站、光纤和终端站。钟源为原子钟源，用于产生时钟信号和秒脉冲信号给中心站。中心站主要包括控制与延迟补偿模块、单光子检测器、光窄脉冲产生模块、偏振分束器(简称PBS)和高精度时间间隔测量模块。其中，光窄脉冲产生模块包括激光器。终端站主要包括部分透过的法拉第偏振旋转镜(简称FRM)，光电转换模块和秒脉冲恢复模块。光纤则用于在中心站和终端站之间传输光信号。
如图2，利用上述授时装置来实现光纤高精度授时的方法包括如下步骤：
步骤101：钟源产生10MHz时钟信号和秒脉冲信号。
步骤102：中心站光脉冲发送：中心站利用钟源产生的秒脉冲信号和10MHz时钟信号产生经编码电脉冲信号，该电脉冲信号为具有固定节拍的脉冲串(如每秒100个)，脉冲串中有特定编码指示其后的秒脉冲位置；经编码电脉冲信号输入至光窄脉冲产生模块中的激光器，用于调制确定波长的窄脉冲光源，以产生固定波长、约几十皮秒脉冲宽度的编码光脉冲信号；将经编码光脉冲信号通过偏振分束器，使某一偏振方向的光(如水平偏振方向光)注入光纤信道。
步骤103：终端站接收并反射经编码光脉冲信号：经编码光信号到达接收端后，终端站利用半透的法拉第偏振旋转镜，将部分光信号能量(如90％)直接透射接收，剩余一部分(如10％)经90度偏振旋转后反射回中心站。
步骤104：中心站单光子检测：反射的经编码光脉冲信号经光纤双向传输后信号衰减较大，到达中心站后首先经过偏振分束器滤波出与中心站注入光信号偏振方向正交的终端站反射光，以隔离中心站注入光信号的背向散射光干扰；同时利用光缆长度估算单光子检测器的开门时间，利用门延迟控制步进搜索单光子检测率的峰值点(单位时间内检测到的单光子个数)，将峰值检测率跟踪锁定时单光子检测器输出的电脉冲用于指示检测到终端站反射回的光脉冲信号。
步骤105：中心站时间测量与补偿。
(1)中心站预补偿时延测量计算：中心站中的时间间隔测量模块记录经编码光脉冲信号的发送和捕获时间，并基于二者之差计算预补偿延迟；假设中心站发送某一秒脉冲(1PPS)的时刻为TA，其对应的反射光脉冲经单光子检测器后输出的秒脉冲(1PPS_SPD)到达时刻为TB，则中心站可以测量出该光脉冲在给定光纤授时链路上往返一次的总传播时延TRT＝TA-TB。
由于该系统中双向信号和信道完全对称一致，因此测量结果TRT等于两倍的光信号单程时延TP。因此，单向传播时延TP加上两端设备固定传播与测量时延τc得预补偿时延ΔT＝Tp+τc；
(2)时延预补偿：在中心站进行时延预补偿，即提前发送后续的经编码光脉冲信号，该提前量为计算所得预补偿时延ΔT，中心站将预补偿的经编码光脉冲信号传送到终端站。
步骤106：授时终端恢复秒脉冲：终端站恢复预补偿的编码光脉冲信号，从而得到与中心站秒脉冲信号同步的秒脉冲信号。
应理解，以上实施例所涉及的具体参数值或内容仅仅是示例性的，而不应理解为对保护范围进行限制。但凡本领域普通技术人员根据本发明所揭示内容所作的等效修饰或变化，皆应纳入权利要求书中记载的保护范围内。

Claims (10)

1.一种基于单光子检测的光纤高精度授时装置，其特征在于，包括钟源、中心站、光纤和终端站；
钟源产生时钟信号和秒脉冲信号；
中心站基于时钟信号和秒脉冲信号产生经编码光脉冲信号，并经由光纤发送至终端站；
终端站将经编码光脉冲信号的一部分偏振旋转后经由光纤反射回中心站，并将剩余部分恢复成秒脉冲信号；
中心站基于单光子检测捕获偏振旋转后的经编码光脉冲信号，基于经编码光脉冲信号的发送时间和捕获时间之差计算预补偿延迟，并将后续产生的经编码光脉冲信号提前发送，提前量为预补偿延迟值；
其中，终端站恢复预补偿的编码光脉冲信号而得到的秒脉冲信号与中心站的秒脉冲信号同步。
2.根据权利要求1所述的基于单光子检测的光纤高精度授时装置，其特征在于，所述中心站通过以下式子计算预补偿延迟：
ΔT＝Tp+τc，
TRT＝TA-TB，
Tp＝TRT/2，
其中，ΔT为预补偿延迟，Tp为单向传播时延，τc为两端设备固定传播与测量时延，TA为光脉冲信号的发送时间，TB为返回光脉冲信号的捕获时间。
3.根据权利要求1所述的基于单光子检测的光纤高精度授时装置，其特征在于，所述中心站包括控制与延迟补偿模块、光窄脉冲产生模块、偏振分束器、单光子检测器和时间间隔测量模块；
控制与延迟补偿模块基于秒脉冲信号和时钟信号产生经编码电脉冲信号；
光窄脉冲产生模块接收经编码电脉冲信号用于对固定波长的窄脉冲光源进行调制，从而产生所述经编码光脉冲信号；
偏振分束器使具有特定偏振方向的经编码光脉冲信号注入光纤，并从反射回的经编码光脉冲信号中滤波出偏振旋转后的经编码光脉冲信号；
单光子检测器捕获经滤波的编码光脉冲信号；
时间间隔测量模块记录经编码光脉冲信号的发送和捕获时间，并基于二者之差计算预补偿延迟；
控制与延迟补偿模块将后续产生的经编码光脉冲信号提前发送，提前量为预补偿延迟值。
4.根据权利要求1所述的基于单光子检测的光纤高精度授时装置，其特征在于，所述终端站包括法拉第偏振旋转镜、光电转换模块和秒脉冲恢复模块；
法拉第偏振旋转镜将经编码光脉冲信号的一部分偏振旋转后经由光纤反射回中心站，并使经编码光脉冲信号的其余部分通过；
光电转换模块将通过法拉第偏振旋转镜的经编码光脉冲信号转换为经编码电脉冲信号；
秒脉冲恢复模块对转换后的经编码电脉冲信号进行解码，得到秒脉冲信号。
5.根据权利要求1所述的基于单光子检测的光纤高精度授时装置，其特征在于，所述中心站基于光缆长度估算单光子检测器针对反射的经编码光脉冲信号的开门时间，利用门延迟控制步进搜索单光子检测率的峰值点，将峰值检测率跟踪锁定时单光子检测器输出的电脉冲用于指示检测到终端站反射回的光脉冲信号。
6.一种基于单光子检测的光纤高精度授时方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)钟源产生时钟信号和秒脉冲信号；
(2)中心站基于时钟信号和秒脉冲信号产生经编码光脉冲信号，并经由光纤发送至终端站；
(3)终端站将经编码光脉冲信号的一部分偏振旋转后经由光纤反射回中心站；
(4)中心站基于单光子检测捕获偏振旋转后的经编码光脉冲信号，基于经编码光脉冲信号的发送时间和捕获时间之差计算预补偿延迟，并将后续产生的经编码光脉冲信号提前发送，提前量为预补偿延迟值；
(5)终端站接收预补偿的经编码光脉冲信号并恢复成与中心站的秒脉冲信号同步的秒脉冲信号。
7.根据权利要求6所述的基于单光子检测的光纤高精度授时方法，其特征在于，步骤(2)进一步包括以下步骤：
(21)中心站基于秒脉冲信号和时钟信号产生经编码电脉冲信号；
(22)中心站中的光窄脉冲产生模块接收经编码电脉冲信号用于对固定波长的窄脉冲光源进行调制，从而产生所述经编码光脉冲信号；
(23)中心站中的偏振分束器将具有特定偏振方向的经编码光脉冲信号注入光纤，并经由光纤发送至终端站。
8.根据权利要求7所述的基于单光子检测的光纤高精度授时方法，其特征在于，步骤(4)进一步包括以下步骤：
(41)中心站中的偏振分束器从反射回的经编码光脉冲信号中滤波出偏振旋转后的经编码光脉冲信号；
(42)中心站的单光子检测器捕获经滤波的编码光脉冲信号；
(43)中心站中的时间间隔测量模块记录经编码光脉冲信号的发送和捕获时间，并基于二者之差计算预补偿延迟；
(44)中心站中的控制与延迟补偿模块将后续产生的经编码光脉冲信号提前发送，提前量为预补偿延迟值。
9.根据权利要求8所述的基于单光子检测的光纤高精度授时方法，其特征在于，在步骤(43)中，所述时间间隔测量模块通过以下式子计算预补偿延迟：
ΔT＝Tp+τc，
TRT＝TA-TB，
Tp＝TRT/2，
其中，ΔT为预补偿延迟，Tp为单向传播时延，τc为两端设备固定传播与测量时延，TA为光脉冲信号的发送时间，TB为光脉冲信号的捕获时间。
10.根据权利要求6所述的基于单光子检测的光纤高精度授时方法，其特征在于，步骤(5)进一步包括以下步骤：
(51)终端站中的法拉第偏振旋转镜将预补偿的经编码光脉冲信号的一部分偏振旋转后经由光纤反射回中心站，并使其余部分通过；
(52)终端站中的光电转换模块将通过的预补偿经编码光脉冲信号转换为经编码电脉冲信号；
(53)终端站中的秒脉冲恢复模块对转换后的经编码电脉冲信号进行解码，得到与中心站中的秒脉冲信号同步的秒脉冲信号。
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