CN111049582B - 一种基于微波光子技术的微波信号实时同步装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于微波光子技术的微波信号实时同步装置及方法，该装置包括：主站激光器输出主站激光信号；主站移频模块输出第一主站移频激光信号；光纤链路以往返传输方式向从站光频梳输出第二主站移频激光信号，以及向主站反馈控制模块输出第三主站移频激光信号；主站反馈控制模块基于主站激光信号和第三主站移频激光信号生成调节指令；主站移频模块基于调节指令对第一主站激光移频信号进行频率调节；光纤链路基于调节后的第一主站激光移频信号向从站光频梳输出调节后的第二主站移频激光信号；主站光频梳输出主站激光信号同步的主站微波信号并锁定主站微波信号；从站光频梳基于调节后的第二主站移频激光信号输出从站微波信号并锁定。

Description

一种基于微波光子技术的微波信号实时同步装置及方法

技术领域

本发明涉及微波信号同步领域，具体涉及一种基于微波光子技术的微波信号实时同步装置及方法。

背景技术

目前，远距离的射频频率源普遍采用卫星双向时频传递技术实现微波信号的同步。但是，由于受电子学设备性能的限制，采用卫星双向时频传递技术的比对精度为10^-13/s，基本满足社会民生、金融交易、卫星导航等应用需求。然而，对于更高精度的前沿科学探索研究，此指标便显得不足。例如，在前沿深空探测中，甚长基线干涉探测技术需要两个远程站点实现频率参考信号的高精度同步，使比对精度达到10^-16/s-10^-15/s水平，以实现更高的分辨力、更高的空间/时间探测精度。

因此，需要提出一种新的基于微波光子技术的微波信号实时同步装置及方法。

发明内容

本发明的目的在于提供一种基于微波光子技术的微波信号实时同步装置及方法，以解决现有技术中存在的问题中的至少一个；

为达到上述目的，本发明采用下述技术方案：

本发明第一方面提供一种基于微波光子技术的微波信号实时同步装置，包括：

主站激光器、主站移频模块、主站反馈控制模块、主站光频梳、光纤链路和至少一个从站光频梳；

所述主站激光器，用于输出主站激光信号；

所述主站移频模块，用于基于所述主站激光信号输出第一主站移频激光信号；

所述光纤链路，用于基于所述第一主站移频激光信号以往返传输方式向所述从站光频梳输出第二主站移频激光信号，以及向主站反馈控制模块输出所述第三主站移频激光信号；

所述主站反馈控制模块，用于基于所述主站激光信号和所述第三主站移频激光信号生成调节指令；

所述主站移频模块，还用于基于所述调节指令对所述第一主站激光移频信号进行频率调节；

所述光纤链路，还用于基于所述调节后的第一主站激光移频信号向所述从站光频梳输出调节后的第二主站移频激光信号；

所述主站光频梳，用于基于所述主站激光信号输出与主站激光信号同步的主站微波信号，并锁定所述主站微波信号；

所述从站光频梳，用于基于所述调节后的第二主站移频激光信号输出从站微波信号，并锁定所述从站微波信号。

可选地，所述主站反馈控制模块进一步用于基于所述主站激光信号和所述第三主站移频激光信号，获取所述主站激光信号相对于所述第三主站移频激光信号的相位改变量，基于所述相位改变量生成调节指令以调节所述第一主站移频激光信号。

可选地，所述主站光频梳进一步用于分别锁定主站光频梳的偏置频率f_ceo以及主站微波信号与主站光频梳的临近纵模之间的拍频f_beat。

可选地，所述主站光频梳进一步用于基于下述公式锁定所述主站微波信号：ν＝n·f_rep+f_ceo+f_beat；

其中，ν为主站激光信号的频率；n为主站光频梳的临近纵模的序数；f_rep为主站光频梳的重复频率。

可选地，所述从站光频梳进一步用于分别锁定从站光频梳的偏置频率f_cceo以及从站微波信号与从站光频梳的临近纵模之间的拍频f_cbeat。

可选地，所述从站光频梳进一步用于基于下述公式锁定所述从站微波信号：ν_c＝n_c·f_crep+f_cceo+f_cbeat；其中，ν_c为第二主站移频激光信号的频率；n_c为从站光频梳的临近纵模的序数；f_crep为从站光频梳的重复频率。

可选地，所述主站激光器采用Pound-Drever-Hall激光锁定方式输出主站激光信号。

本发明第二方面提供一种利用本发明第一方面提供的装置的基于微波光子技术的微波信号实时同步方法，包括：

所述主站激光器输出主站激光信号；

所述主站移频模块基于所述主站激光信号输出第一主站移频激光信号；

所述光纤链路基于所述第一主站移频激光信号以往返传输方式向所述从站光频梳输出第二主站移频激光信号，以及向主站反馈控制模块输出所述第三主站移频激光信号；

所述主站反馈控制模块基于所述主站激光信号和所述第三主站移频激光信号生成调节指令；

所述主站移频模块基于所述调节指令对所述第一主站激光移频信号进行频率调节；

所述光纤链路基于所述调节后的第一主站激光移频信号向所述从站光频梳输出调节后的第二主站移频激光信号；

所述主站光频梳基于所述主站激光信号输出与主站激光信号同步的主站微波信号，并锁定所述主站微波信号；

所述从站光频梳基于所述调节后的第二主站移频激光信号输出从站微波信号，并锁定所述从站微波信号。

本发明的有益效果如下：

本发明的技术方案采用主站激光器输出最高频率参考基准的主站激光信号，通过光纤传递链路往返传递的方式传递主站激光信号至从站光频梳，可实现主站和从站超低噪声激光信号产生，而且可实现主站和从站的微波信号的高精度实时同步的优点，信号同步稳定度达10^-16/s～10^-15/s。

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示出本发明实施例的装置的示意图；

附图标记：主站激光器1；主站移频模块2；光纤链路3；主站反馈控制模块4；主站光频梳5；从站光频梳6；主站激光信号11；第一主站移频激光信号21；第二主站移频激光信号31；第三主站移频激光信号32；主站微波信号51；从站微波信号61。

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。

如图1所示，本发明实施例公开了一种基于微波光子技术的微波信号实时同步装置，包括：

主站激光器1；主站移频模块2；光纤链路3；主站反馈控制模块4和主站光频梳5，

主站激光器1，用于输出主站激光信号11；

主站移频模块2，用于基于主站激光信号11输出第一主站移频激光信号21；

光纤链路3，用于基于第一主站移频激光信号21以往返传输方式向从站光频梳6输出第二主站移频激光信号31，以及向主站反馈控制模块4输出第三主站移频激光信号32；

主站反馈控制模块4，用于基于主站激光信号11和第三主站移频激光信号32生成调节指令；

主站移频模块2，还用于基于调节指令对第一主站激光移频信号21进行频率调节；

光纤链路3，还用于基于调节后的第一主站激光移频信号21向从站光频梳输出调节后的第二主站移频激光信号31；

主站光频梳5，用于基于主站激光信号11输出与主站激光信号11同步的主站微波信号51，并锁定主站微波信号51；

从站光频梳6，用于基于调节后的第二主站移频激光信号31输出与第二主站移频激光信号31同步的从站微波信号61，并锁定从站微波信号61。

本发明的技术方案采用主站激光器输出最高频率参考基准的主站激光信号，通过光纤传递链路往返传递的方式传递主站激光信号至从站光频梳，可实现主站和从站超低噪声激光信号产生，而且可实现主站和从站的微波信号的高精度实时同步的优点，信号同步稳定度达10^-16/s～10^-15/s。

在本发明实施例的在一个具体示例中，主站激光器1可采用超稳窄线宽激光器，输出超稳窄线宽激光参考信号的作为主站激光信号11。

在本发明实施例的在一个具体示例中，在本发明实施例的装置未处于“微波信号相参同步”工作状态时，即主站反馈模块2、光纤链路3以及主站反馈控制模块4未形成反馈控制闭环，主站移频模块2以定频移频的方式基于主站激光信号11输出第一主站移频激光信号21；在本发明实施例的装置处于“微波信号相参同步”工作状态时，即主站反馈模块2、光纤链路3以及主站反馈控制模块4形成反馈控制闭环，主站反馈模块2基于主站激光信号11和第三主站移频激光信号32生成调节指令，主站移频模块2基于这个调节指令对第一主站移频激光信号进行移频。光纤链路3获取移频调节后的第一主站激光移频信号21向从站光频梳输出第二主站移频激光信号31，以使从站光频梳6锁定这个第二主站移频激光信号31。通过这种配置以实现从站光频梳6可实时锁定这个第二主站移频激光信号31，进而实现从站微波信号与主站微波信号的实时相位相参同步。

在本发明实施例的一个具体示例中，光纤链路3，用于以往返传输方式向从站光频梳6输出第二主站移频激光信号31，以及向主站反馈控制模块4输出第三主站移频激光信号32。由于远程光纤链路会受到环境变化的影响，如温度变化、机械波振动等，使窄线宽激光的噪声指标及频率稳定度恶化，因此采用光纤链路中的往返传输模式可保真地将主站激光信号传递至从站。

在本发明实施例的在一个具体示例中，光纤链路获取的第一主站移频激光信号21在光纤链路透射端将一部分第一主站移频激光信号21直接以第二主站移频激光信号31输出到从站光频梳6，另一部分以第三主站移频激光信号32的方式通过光纤链路3自身反馈到主站反馈控制模块4。

在本实施例的往返传输模式的另一个可选地实现方式中，还可以通过星形或网络拓谱结构将第二主站移频激光信号传递至其他从站光频梳。

在本发明实施例的在一个具体示例中，从站光频梳6基于第二主站移频激光信号31输出从站微波信号61并锁定从站微波信号61。通过光频梳频率转换技术，可将获取到的第二主站移频激光信号31这个光频信号转换至微波信号，从实现主站激光器和从站光频梳之间的微波信号的相位相参同步。

在本实施例的一些可选地实现方式中，主站反馈控制模块4进一步用于基于主站激光信号11和第三主站移频激光信号32，获取主站激光信号11相对于第三主站移频激光信号32的相位改变量，基于相位改变量生成调节指令至主站移频模块2，以使主站移频模块2调节第一主站移频激光信号21。假定往返传递后的主站激光信号与第三主站移频激光信号之间叠加了两倍于单程传递噪声，通过鉴相技术探测主站激光信号11与往返后第三主站移频激光信号32之间的相位改变量；基于这个相位改变量，主站反馈控制模块4主动对第一主站移频激光信号21施加此1/2改变量的负向调整，从而使传递到远端从站光频梳的第二主站移频激光信号与主站激光信号保持相位相参的同步。

在本实施例的相位改变量调整的另一个具体示例中，还可以通过声光移频的方式，或者通过对链路长度进行控制的方式进行基于相位改变量的调整。

在本实施例的一些可选地实现方式中，主站光频梳5进一步用于分别锁定主站光频梳的偏置频率f_ceo以及主站微波信号51与主站光频梳的临近纵模之间的拍频f_beat。

在本实施例的一些可选地实现方式中，主站光频梳5进一步用于基于下述公式锁定主站微波信号：ν＝n·f_rep+f_ceo+f_beat；

其中，ν为主站激光信号的频率；n为主站光频梳的临近纵模的序数；f_rep为主站光频梳的重复频率；f_ceo为主站光频梳的偏置频率；f_beat为主站激光信号与主站光频梳临近纵模之间的拍频。

主站光频梳5锁定至主站微波信号51时涉及到主站微波信号51的三个射频频率参量，分别为主站光频梳重复频率f_rep，主站光频梳偏置频率f_ceo和主站微波信号与主站光频梳临近纵模的拍频f_beat。由于光频梳在锁定控制状态下的重复频率f_rep可达非常高的相位稳定度，因此，可将上述公式中的f_ceo和f_beat频率参量锁定至f_rep。

输出频率ν与主站光频梳重复频率f_rep的关系还可以用下述公式表达：f_rep＝ν/X，其中，X是一个包含n的倍率，通常可达10⁵～10⁶量级。根据相位噪声理论，当光频梳的重复频率f_rep信号的相位噪声指标为光频信号ν的1/X²时，这种情况下，主站光频梳的重复频率成为超稳射频信号。并且由于主站激光器和各从站光频梳的光频相位同步关系，因此各从站光频梳之间的f_rep也存在稳定的相位相参关系，进而实现各个从站光频梳的从站微波信号之间的相参同步。

在本实施例的一些可选地实现方式中，将主站光频梳的重复频率f_rep通过整数分频或者小数分频方式，分别产生与f_ceo和f_beat频率接近的参考信号，采用锁相环技术将f_ceo和f_beat分别锁定。

在本实施例的一些可选地实现方式中，从站光频梳6进一步用于分别锁定从站光频梳的偏置频率f_cceo以及从站微波信号与从站光频梳临近纵模之间的拍频f_cbeat；

在本实施例的一些可选地实现方式中，从站光频梳6进一步用于基于下述公式锁定从站微波信号：ν_c＝n_c·f_crep+f_cceo+f_cbeat；其中，ν_c为第二主站移频激光信号的频率；n_c为从站光频梳的临近纵模的序数；f_crep为从站光频梳的重复频率；f_cceo为光频梳的偏置频率；f_cbeat为从站微波信号与从站光频梳临近纵模之间的拍频。

将从站光频梳重复频率f_crep利用整数分频或者小数分频方式，分别产生与f_cceo和f_cbeat频率接近的参考信号，采用锁相环技术将f_cceo和f_cbeat分别锁定。

从站光频梳6锁定从站微波信号61的方式和原理与主站光频梳5锁定主站微波信号51的方式和原理类似，在此不再赘述。通过上述技术方案，主站和各从站便实现了主站激光信号和从站激光信号的光学频段的相位相参的实时同步，并实现了频率稳定度达10^-16/s～10^-15/s的高精度的频率稳定度。

在本实施例的一些可选地实现方式中，主站激光器可采用Pound-Drever-Hall的激光锁定方法以输出主站激光信号。通过采用Pound-Drever-Hall的激光锁定方法，可将主站激光信号锁定在超稳光学参考腔，从而实现光学技术上的低噪声频率的主站激光信号的生成，其频率为ν。

当然，本领域技术人员应当理解，本发明实施例中从站光频梳并不限于一个从站光频梳，从站光频梳可以有多个，但是仅有一个主站激光器输出主站激光信号。

本发明的另一个实施例提出了一种基于微波光子技术的微波信号实时同步方法，包括：

主站激光器输出主站激光信号；

主站移频模块基于主站激光信号输出第一主站移频激光信号；

光纤链路基于第一主站移频激光信号以往返传输方式向从站光频梳输出第二主站移频激光信号，以及向主站反馈控制模块输出第三主站移频激光信号；

主站反馈控制模块基于主站激光信号和第三主站移频激光信号生成调节指令；

主站移频模块基于调节指令对第一主站激光移频信号进行频率调节；

光纤链路基于调节后的第一主站激光移频信号向从站光频梳输出第二主站移频激光信号；

主站光频梳基于主站激光信号输出与主站激光信号同步的主站微波信号，并锁定主站微波信号；

从站光频梳基于第二主站移频激光信号输出从站微波信号，并锁定从站微波信号。需要说明的是，本实施例提供的微波信号同步方法与上述微波信号同步装置原理及工作流程相似，相关之处可以参照上述说明，在此不再赘述。

还需要说明的是，本领域技术人员能够理解，本实施例提供的基于微波光子技术的微波信号同步装置及方法中，如图1所示的箭头和表述中的连接关系并不限定于机械结构的连接关系，而是信号的传输。凡能实现本申请的上述信号传输的过程以实现本申请的技术方案的效果，均属本发明的保护范围。

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 (7)

1.一种基于微波光子技术的微波信号实时同步装置，其特征在于，包括：

主站激光器、主站移频模块、主站反馈控制模块、主站光频梳、光纤链路和至少一个从站光频梳；

所述主站激光器，用于采用Pound-Drever-Hall激光锁定方式输出主站激光信号；

所述主站移频模块，用于基于所述主站激光信号输出第一主站移频激光信号；

所述光纤链路，用于基于所述第一主站移频激光信号以往返传输方式向所述从站光频梳输出第二主站移频激光信号，以及向主站反馈控制模块输出第三主站移频激光信号；

所述主站反馈控制模块，用于基于所述主站激光信号和所述第三主站移频激光信号生成调节指令；

所述主站移频模块，还用于基于所述调节指令对所述第一主站移频激光信号进行频率调节；

所述光纤链路，还用于基于所述调节后的第一主站移频激光信号向所述从站光频梳输出调节后的第二主站移频激光信号；

所述主站光频梳，用于基于所述主站激光信号输出与主站激光信号同步的主站微波信号，并锁定所述主站微波信号；

所述从站光频梳，用于基于所述调节后的第二主站移频激光信号输出从站微波信号，并锁定所述从站微波信号。

2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述主站反馈控制模块进一步用于基于所述主站激光信号和所述第三主站移频激光信号，获取所述主站激光信号相对于所述第三主站移频激光信号的相位改变量，基于所述相位改变量生成调节指令以调节所述第一主站移频激光信号。

3.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述主站光频梳进一步用于分别锁定主站光频梳的偏置频率f_ceo以及主站微波信号与主站光频梳的临近纵模之间的拍频f_beat。

4.根据权利要求3所述的装置，所述主站光频梳进一步用于基于下述公式锁定所述主站微波信号：ν＝n·f_rep+f_ceo+f_beat；其中，ν为主站激光信号的频率；n为主站光频梳的临近纵模的序数；f_rep为主站光频梳的重复频率。

5.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述从站光频梳进一步用于分别锁定从站光频梳的偏置频率f_cceo以及从站微波信号与从站光频梳的临近纵模之间的拍频f_cbeat。

6.根据权利要求5所述的装置，其特征在于，所述从站光频梳进一步用于基于下述公式锁定所述从站微波信号：ν_c＝n_c·f_crep+f_cceo+f_cbeat；其中，ν_c为第二主站移频激光信号的频率；n_c为从站光频梳的临近纵模的序数；f_crep为从站光频梳的重复频率。

7.一种利用权利要求1-6中任一项所述装置进行基于微波光子技术的微波信号实时同步方法，其特征在于，包括：

所述主站激光器输出主站激光信号；

所述主站移频模块基于所述主站激光信号输出第一主站移频激光信号；

所述光纤链路基于所述第一主站移频激光信号以往返传输方式向所述从站光频梳输出第二主站移频激光信号，以及向主站反馈控制模块输出第三主站移频激光信号；

所述主站反馈控制模块基于所述主站激光信号和所述第三主站移频激光信号生成调节指令；

所述主站移频模块基于所述调节指令对所述第一主站移频激光信号进行频率调节；

所述光纤链路基于所述调节后的第一主站移频激光信号向所述从站光频梳输出调节后的第二主站移频激光信号；

所述主站光频梳基于所述主站激光信号输出与主站激光信号同步的主站微波信号，并锁定所述主站微波信号；

所述从站光频梳基于所述调节后的第二主站移频激光信号输出从站微波信号，并锁定所述从站微波信号。

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