CN110808806A - 一种基于光纤频率传递的量子双向时间同步方法及系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于光纤频率传递的量子双向时间同步方法及系统，包括：时间频率源、光纤频率传递发射机、光纤频率传递接收机、分频器、可编程延迟器、运算控制单元、量子双向比对发射端和量子双向比对接收端。本发明结合了光纤频率传递稳定度高和量子双向时间同步方法准确度高的优点，采用量子双向时间同步方法可获得不受光纤路径波动影响的高精度双向钟差数据，能够实现时间同步的高稳定度和高准确度；可降低应用成本，有利于工程中的推广使用。

Description

一种基于光纤频率传递的量子双向时间同步方法及系统

技术领域

本发明属于时间频率技术领域，涉及一种时间同步方法，特别涉及一种基于光纤频率传递的量子双向时间同步方法及系统。

背景技术

在航空航天、雷达同步、尖端武器操控、高速通信、深空探测等领域，都对时间同步准确度和稳定度提出了很高的要求。

目前，长波授时只能达到微秒的同步精度、卫星共视只能达到纳秒级的同步精度、卫星双向比对法与光纤时间同步方法也只能达到一百皮秒的同步精度。量子时间同步技术利用具有频率纠缠和光子数压缩特性的量子光脉冲及量子符合探测技术，可以使现有时间同步精度突破散粒噪声极限，可以把时间同步精度提高到亚皮秒甚至飞秒量级；量子时间同步技术的另一优点是可以把量子时间同步协议与量子保密通讯相结合，实现具备保密功能的量子时间同步协议，故量子时间同步方法有广阔的应用前景。

目前，绝大部分量子时间同步的方案只注重时间信号的同步准确度，忽略了时间信号的稳定度。如果时间信号的稳定度差，即便其有很高的准确度，其应用也会受到很大的限制，尤其是在对实时性要求高的场合。光纤频率传递具有高稳定度，虽可将光纤频率传递技术与量子时间同步技术加以结合，但若想在实际工程应用中大范围推广此技术，还需克服频率及数据传输链路引起的时间波动影响信号稳定度等问题。

综上，亟需一种新的基于光纤频率传递的量子双向时间同步方法及系统。

发明内容

本发明的目的在于提供一种基于光纤频率传递的量子双向时间同步方法及系统，以解决上述存在的一个或多个技术问题。本发明的量子双向时间同步方法，结合了光纤频率传递稳定度高和量子双向时间同步方法准确度高的优点，能够获得不受光纤路径波动影响的高精度双向钟差数据，能够实现时间同步的高稳定度和高准确度。

为达到上述目的，本发明采用以下技术方案：

本发明的一种基于光纤频率传递的量子双向时间同步方法，包括以下步骤：

步骤1，通过时间频率源输出参考频率信号；通过发射端的光纤频率传递发射机接收所述参考频率信号，并通过频率及数据传输链路传递到接收端的光纤频率传递接收机，在接收端得到与发射端相对相位关系稳定的频率信号；

步骤2，将步骤1中接收端得到的频率信号输入分频器，通过分频器输出一时间信号，并将分频器输出的时间信号输入可编程延迟器；

步骤3，通过时间频率源输出参考时间信号；通过量子双向比对发射端接收所述参考时间信号，并产生一对频率纠缠光子；通过量子双向传输链路将量子双向比对发射端产生的频率纠缠光子传递到量子双向比对接收端；记录量子双向比对发射端发射频率纠缠光子的时刻t₁，记录量子双向比对发射端发射的频率纠缠光子到达量子双向比对接收端的时刻t₂；

通过量子双向比对接收端产生一对频率纠缠光子，经量子双向传输链路发送回量子双向比对发射端；记录量子双向比对接收端发送频率纠缠光子的时刻t₃，记录量子双向比对接收端发射的频率纠缠光子到达量子双向比对发射端的时刻t₄；

步骤4，将步骤3中获得的时刻值t₁、t₂、t₃、t₄，通过调制编码传递给接收端的运算控制单元，计算出不受光纤路径波动影响的发射端与接收端的钟差t₀；

其中，t₀计算表达式为，

步骤5，根据步骤4获得的发射端与接收端的钟差t₀，获得可编程延迟器的延迟量ΔT；根据延迟量ΔT，可编程延迟器对输入的时间信号进行延时操作，并输出接收端时间信号。

本发明的进一步改进在于，步骤5中，根据步骤4获得的发射端与接收端的钟差t₀，获得可编程延迟器的延迟量ΔT的具体步骤包括：

重复测量并计算钟差t₀，进行N次平均得到T_N，使得T_N达到预设阈值，其中N为正整数；

ΔT计算表达式为，

ΔT＝-T_N。

本发明的进一步改进在于，频率及数据传输链路与量子双向传输链路采用两根不同的光纤。

本发明的进一步改进在于，频率及数据传输链路与量子双向传输链路均为双向传输链路，利用波分复用的方式进行双向传输。

本发明的进一步改进在于，时间频率源输出的参考频率信号为10MHz，时间频率源输出的参考时间信号为1PPS信号；频率稳定度优于E-17/s。

本发明的一种基于光纤频率传递的量子双向时间同步系统，包括：时间频率源、光纤频率传递发射机、光纤频率传递接收机、分频器、可编程延迟器、运算控制单元、量子双向比对发射端和量子双向比对接收端；

时间频率源用于输出参考频率信号和参考时间信号；

光纤频率传递发射机用于接收所述参考频率信号，并通过频率及数据传输链路传递到接收端的光纤频率传递接收机，在接收端得到与发射端相对相位关系稳定的频率信号；

分频器用于接收接收端得到的频率信号，并输出一时间信号；

量子双向比对发射端用于接收所述参考时间信号，并产生一对频率纠缠光子；通过量子双向传输链路将量子双向比对发射端产生的频率纠缠光子传递到量子双向比对接收端；量子双向比对接收端用于产生一对频率纠缠光子，经量子双向传输链路发送回量子双向比对发射端；

运算控制单元用于计算出不受光纤路径波动影响的发射端与接收端的钟差t₀；根据获得的发射端与接收端的钟差t₀，获得可编程延迟器的延迟量ΔT；

其中，t₀计算表达式为，

其中，量子双向比对发射端发射频率纠缠光子的时刻为t₁，量子双向比对发射端发射的频率纠缠光子到达量子双向比对接收端的时刻为t₂，量子双向比对接收端发送频率纠缠光子的时刻为t₃，量子双向比对接收端发射的频率纠缠光子到达量子双向比对发射端的时刻为t₄；

可编程延迟器用于接收分频器输出的时间信号，并根据延迟量ΔT，对输入的时间信号进行延时操作，输出接收端时间信号。

本发明的进一步改进在于，频率及数据传输链路与量子双向传输链路采用两根不同的光纤。

本发明的进一步改进在于，频率及数据传输链路与量子双向传输链路均为双向传输链路，利用波分复用的方式进行双向传输。

本发明的进一步改进在于，运算控制单元中，根据获得的发射端与接收端的钟差t₀，获得可编程延迟器的延迟量ΔT的具体步骤包括：

重复测量并计算钟差t₀，进行N次平均得到T_N，使得T_N达到预设阈值，其中N为正整数；

ΔT计算表达式为，

ΔT＝-T_N。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

本发明的基于光纤频率传递的量子双向时间同步方法，通过结合光纤频率传递稳定度高和量子双向时间同步方法准确度高的优点，可获得不受光纤路径波动影响的高精度双向钟差数据，能够实现时间同步的高稳定度和高准确度。具体的，本发明以光纤频率传递得到的高稳定度的频率信号来产生时间信号，保证了时间信号的高稳定度；以量子双向时间同步得到的时间信号的高准确度对频率信号来产生时间信号进行校准，保证了最终输出的同步时间信号的高准确度。

本发明的方法，能够达到频率稳定度优于E-17/s。

本发明的方法，将光纤频率传递技术与量子时间同步技术加以结合，在实际工程应用中大范围推广此技术，还需克服量子时间同步装置复杂、造价较高的问题；本发明中，集成传输装置，可降低应用成本，有利于工程中的推广使用。

本发明的系统通过结合光纤频率传递稳定度高和量子双向时间同步方法准确度高的优点，可获得不受光纤路径波动影响的高精度双向钟差数据，能够实现时间同步的高稳定度和高准确度。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图做简单的介绍；显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来说，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本发明实施例的一种基于光纤频率传递的量子双向时间同步系统的结构示意图。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术效果及技术方案更加清楚，下面结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述；显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例。基于本发明公开的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的其它实施例，都应属于本发明保护的范围。

本发明实施例的一种基于光纤频率传递的量子双向时间同步方法，包括以下步骤：

1)通过时间频率源输出参考频率信号到发射端光纤频率传递发射机，经过频率及数据传输链路传递到接收端光纤频率传递接收机，在接收端得到与发射端相对相位关系稳定的频率信号；

2)步骤1)所述接收端得到的频率信号经过分频器得到一个时间信号；

3)步骤2)所述时间信号经过可编程延迟器延时后输出接收端的时间信号；

4)通过时间频率源输出参考时间信号到量子双向比对发射端，量子双向比对发射端产生一对频率纠缠光子，经过量子双向传输链路传递到量子双向比对接收端，记录发射频率纠缠光子的时刻t₁，记录频率纠缠光子到达量子双向比对接收端的时刻t₂；

5)量子双向比对接收端产生一对频率纠缠光子，经量子双向传输链路发送回量子双向比对发射端，记录量子双向比对接收端发送频率纠缠光子的时刻t₃，与频率纠缠光子到达量子双向比对发射端的时刻t₄；

6)将步骤4)与步骤5)所述时刻值t₁、t₂、t₃、t₄，通过调制编码传递给接收端的运算控制单元；

7)步骤6)所述接收端的运算控制单元根据接收到的步骤4)与步骤5)所述时刻值t₁、t₂、t₃、t₄，分别计算出不受光纤路径波动影响的发射端与接收端的钟差t₀，t₀计算公式为：

8)步骤6)所述接收端的运算控制单元根据步骤7)测得的钟差t₀，进行N次平均得到T_N，调整步骤3)所述可编程延迟器的延迟量ΔT；其中N为正整数，ΔT计算公式为：

ΔT＝-T_N；

对步骤2)中输入到可编程延迟器的时间信号进行延时操作，延迟量为ΔT，得到步骤3)所述接收端的高精度时间信号。

本发明的方法可实现接收端时间信号与时间频率源时间信号高稳定度、高准确度的实时同步。

优选的，还包括9)重复步骤6)、步骤7)和步骤8)，以保证T_N达到预设阈值，且尽可能接近于0。

优选的，以上步骤1)所述的光纤频率传递的频率及数据传输链路和步骤4)所述的光纤时间同步的量子双向传输链路是两根不同的光纤。

优选的，以上步骤1)所述光纤频率传递的频率及数据传输链路和步骤4)所述的光纤时间同步的量子双向传输链路均为双向传输链路，利用波分复用的方式进行双向传输。

本发明基于光纤频率传递的高精度光纤时间同步方法以光纤频率传递得到的高稳定度的频率信号来产生时间信号，保证了时间信号的高稳定度；以量子双向时间同步得到的时间信号的高准确度对频率信号来产生时间信号进行校准，保证了最终输出的同步时间信号的高准确度。

请参阅图1，图1示出了本发明实施例的系统结构示意图；本发明实施例的一种基于光纤频率传递的量子双向时间同步系统，包括：时间频率源、光纤频率传递发射机、光纤频率传递接收机、分频器、可编程延迟器、运算控制单元、量子双向比对发射端和量子双向比对接收端。

时间频率源用于输出参考频率信号和参考时间信号；

光纤频率传递发射机用于接收所述参考频率信号，并通过频率及数据传输链路传递到接收端的光纤频率传递接收机，在接收端得到与发射端相对相位关系稳定的频率信号；

分频器用于接收接收端得到的频率信号，并输出一时间信号；

量子双向比对发射端用于接收所述参考时间信号，并产生一对频率纠缠光子；通过量子双向传输链路将量子双向比对发射端产生的频率纠缠光子传递到量子双向比对接收端；量子双向比对接收端用于产生一对频率纠缠光子，经量子双向传输链路发送回量子双向比对发射端；

运算控制单元用于计算出不受光纤路径波动影响的发射端与接收端的钟差t₀；根据获得的发射端与接收端的钟差t₀，获得可编程延迟器的延迟量ΔT；

其中，t₀计算表达式为，

其中，量子双向比对发射端发射频率纠缠光子的时刻为t₁，量子双向比对发射端发射的频率纠缠光子到达量子双向比对接收端的时刻为t₂，量子双向比对接收端发送频率纠缠光子的时刻为t₃，量子双向比对接收端发射的频率纠缠光子到达量子双向比对发射端的时刻为t₄；

可编程延迟器用于接收分频器输出的时间信号，并根据延迟量ΔT，对输入的时间信号进行延时操作，输出接收端时间信号。

进一步地，频率及数据传输链路与量子双向传输链路采用两根不同的光纤。

进一步地，频率及数据传输链路与量子双向传输链路均为双向传输链路，利用波分复用的方式进行双向传输。

进一步地，运算控制单元中，根据获得的发射端与接收端的钟差t₀，获得可编程延迟器的延迟量ΔT的具体步骤包括：

重复测量并计算钟差t₀，进行N次平均得到T_N，使得T_N达到预设阈值，其中N为正整数；

ΔT计算表达式为，

ΔT＝-T_N。

实施例

本发明实施例的一种基于光纤频率传递的量子双向时间同步方法，包括：

时间频率源输出的参考频率信号为10MHz，时间频率源输出的参考时间信号为1PPS信号。

在接收端得到与发射端相对相位关系稳定的10MHz频率信号，接收端得到的10MHz频率经过一个分频器得到一个1PPS信号。

1)时间频率源输出10MHz频率信号到发射端光纤频率传递发射机，经过频率及数据传输链路传递到接收端光纤频率传递接收机，在接收端得到与发射端相对相位关系稳定的10MHz频率信号；

2)步骤1)所述接收端得到的10MHz频率信号经过分频器得到一个1PPS信号；

3)步骤2)所述1PPS信号经过可编程延迟器延时后输出接收端的1PPS信号；

4)时间频率源输出1PPS信号到量子双向比对发射端，量子双向比对发射端产生一对频率纠缠光子，经过量子双向传输链路传递到量子双向比对接收端，记录发射频率纠缠光子的时刻t₁，与到达量子双向比对接收端1的时刻t₂；

5)量子双向比对接收端产生一对频率纠缠光子，经量子双向传输链路发送回量子双向比对发射端，记录量子双向比对接收端发送频率纠缠光子的时刻t₃，与频率纠缠光子到达量子双向比对发射端的时刻t₄；

6)将步骤4)与步骤5)所述时刻值t₁、t₂、t₃、t₄，通过调制编码传递给接收端的运算控制单元；

7)步骤6)所述接收端的运算控制单元根据接收到的步骤4)与步骤5)所述时刻值t₁、t₂、t₃、t₄，分别计算出不受光纤路径波动影响的发射端与接收端的钟差t₀，t₀计算公式为：

8)步骤6)所述接收端的运算控制单元根据步骤7)测得的钟差t₀，进行N次平均得到T_N，调整步骤3)所述的可编程延迟器的延迟量ΔT；其中N为正整数，ΔT计算公式为：

ΔT＝-T_N；

对步骤2)中输入到可编程延迟器的1PPS信号进行延时操作，延迟量为ΔT，得到步骤3)所述接收端的高精度1PPS信号；

9)重复步骤6)、步骤7)和步骤8)，以保证T_N尽量接近于0。

至此实现了接收端1PPS信号与时间频率源1PPS信号高稳定度、高准确度的实时同步。本发明实施例中，频率稳定度优于E-17/s。

综上所述，本发明为了克服现有技术的缺点，提供了一种基于光纤频率传递的量子双向时间同步方法，其结合了光纤频率传递稳定度高和量子双向时间同步方法准确度高的优点，且采用量子双向时间同步方法可获得不受光纤路径波动影响的高精度双向钟差数据，能够实现时间同步的高稳定度和高准确度，且集成传输装置，降低了应用成本，有利于工程中的推广使用。

本领域内的技术人员应明白，本申请的实施例可提供为方法、系统、或计算机程序产品。因此，本申请可采用完全硬件实施例、完全软件实施例、或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且，本申请可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可用存储介质(包括但不限于磁盘存储器、CD-ROM、光学存储器等)上实施的计算机程序产品的形式。

本申请是参照根据本申请实施例的方法、设备(系统)、和计算机程序产品的流程图和/或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和/或方框图中的每一流程和/或方框、以及流程图和/或方框图中的流程和/或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理设备的处理器以产生一个机器，使得通过计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。

这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程数据处理设备以特定方式工作的计算机可读存储器中，使得存储在该计算机可读存储器中的指令产生包括指令装置的制造品，该指令装置实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能。

这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理设备上，使得在计算机或其他可编程设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理，从而在计算机或其他可编程设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的步骤。

以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其限制，尽管参照上述实施例对本发明进行了详细的说明，所属领域的普通技术人员依然可以对本发明的具体实施方式进行修改或者等同替换，这些未脱离本发明精神和范围的任何修改或者等同替换，均在申请待批的本发明的权利要求保护范围之内。

Claims (9)

1.一种基于光纤频率传递的量子双向时间同步方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1，通过时间频率源输出参考频率信号；通过发射端的光纤频率传递发射机接收所述参考频率信号，并通过频率及数据传输链路传递到接收端的光纤频率传递接收机，在接收端得到与发射端相对相位关系稳定的频率信号；

步骤2，将步骤1中接收端得到的频率信号输入分频器，通过分频器输出一时间信号，并将分频器输出的时间信号输入可编程延迟器；

步骤3，通过时间频率源输出参考时间信号；通过量子双向比对发射端接收所述参考时间信号，并产生一对频率纠缠光子；通过量子双向传输链路将量子双向比对发射端产生的频率纠缠光子传递到量子双向比对接收端；记录量子双向比对发射端发射频率纠缠光子的时刻t₁，记录量子双向比对发射端发射的频率纠缠光子到达量子双向比对接收端的时刻t₂；

通过量子双向比对接收端产生一对频率纠缠光子，经量子双向传输链路发送回量子双向比对发射端；记录量子双向比对接收端发送频率纠缠光子的时刻t₃，记录量子双向比对接收端发射的频率纠缠光子到达量子双向比对发射端的时刻t₄；

步骤4，将步骤3中获得的时刻值t₁、t₂、t₃、t₄，通过调制编码传递给接收端的运算控制单元，计算出不受光纤路径波动影响的发射端与接收端的钟差t₀；

其中，t₀计算表达式为，

步骤5，根据步骤4获得的发射端与接收端的钟差t₀，获得可编程延迟器的延迟量ΔT；根据延迟量ΔT，可编程延迟器对输入的时间信号进行延时操作，并输出接收端时间信号。

2.根据权利要求1所述的一种基于光纤频率传递的量子双向时间同步方法，其特征在于，步骤5中，根据步骤4获得的发射端与接收端的钟差t₀，获得可编程延迟器的延迟量ΔT的具体步骤包括：

重复测量并计算钟差t₀，进行N次平均得到T_N，使得T_N达到预设阈值，其中N为正整数；

ΔT计算表达式为，

ΔT＝-T_N。

3.根据权利要求1所述的一种基于光纤频率传递的量子双向时间同步方法，其特征在于，频率及数据传输链路与量子双向传输链路采用两根不同的光纤。

4.根据权利要求1所述的一种基于光纤频率传递的量子双向时间同步方法，其特征在于，频率及数据传输链路与量子双向传输链路均为双向传输链路，利用波分复用的方式进行双向传输。

5.根据权利要求1所述的一种基于光纤频率传递的量子双向时间同步方法，其特征在于，时间频率源输出的参考频率信号为10MHz，时间频率源输出的参考时间信号为1PPS信号；

频率稳定度优于E-17/s。

6.一种基于光纤频率传递的量子双向时间同步系统，其特征在于，包括：时间频率源、光纤频率传递发射机、光纤频率传递接收机、分频器、可编程延迟器、运算控制单元、量子双向比对发射端和量子双向比对接收端；

时间频率源用于输出参考频率信号和参考时间信号；

光纤频率传递发射机用于接收所述参考频率信号，并通过频率及数据传输链路传递到接收端的光纤频率传递接收机，在接收端得到与发射端相对相位关系稳定的频率信号；

分频器用于接收接收端得到的频率信号，并输出一时间信号；

量子双向比对发射端用于接收所述参考时间信号，并产生一对频率纠缠光子；通过量子双向传输链路将量子双向比对发射端产生的频率纠缠光子传递到量子双向比对接收端；量子双向比对接收端用于产生一对频率纠缠光子，经量子双向传输链路发送回量子双向比对发射端；

运算控制单元用于计算出不受光纤路径波动影响的发射端与接收端的钟差t₀；根据获得的发射端与接收端的钟差t₀，获得可编程延迟器的延迟量ΔT；

其中，t₀计算表达式为，

其中，量子双向比对发射端发射频率纠缠光子的时刻为t₁，量子双向比对发射端发射的频率纠缠光子到达量子双向比对接收端的时刻为t₂，量子双向比对接收端发送频率纠缠光子的时刻为t₃，量子双向比对接收端发射的频率纠缠光子到达量子双向比对发射端的时刻为t₄；

可编程延迟器用于接收分频器输出的时间信号，并根据延迟量ΔT，对输入的时间信号进行延时操作，输出接收端时间信号。

7.根据权利要求6所述的一种基于光纤频率传递的量子双向时间同步系统，其特征在于，频率及数据传输链路与量子双向传输链路采用两根不同的光纤。

8.根据权利要求6所述的一种基于光纤频率传递的量子双向时间同步系统，其特征在于，频率及数据传输链路与量子双向传输链路均为双向传输链路，利用波分复用的方式进行双向传输。

9.根据权利要求6所述的一种基于光纤频率传递的量子双向时间同步系统，其特征在于，运算控制单元中，根据获得的发射端与接收端的钟差t₀，获得可编程延迟器的延迟量ΔT的具体步骤包括：

重复测量并计算钟差t₀，进行N次平均得到T_N，使得T_N达到预设阈值，其中N为正整数；

ΔT计算表达式为，

ΔT＝-T_N。