CN112187346B - 一种温度变化下光纤时间传递的往返时延差估算方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于电通信技术领域，公开了一种温度变化下光纤时间传递的往返时延差估算方法及系统，温度变化下光纤时间传递的往返时延差估算方法包括：利用光反射仪及其他相关设备对两端硬件产生的相对固定的时延进行标定；通过环路总时延减去步骤一中得到的硬件时延，得到传递时延和；根据传递时延和与温度之间明确的对应关系，反推得出实时温度；根据温度与传递时延差之间的对应关系计算得到传递时延差；计算得实时单相时延值。本发明提供一种在温度变化环境下也能精确估算往返时延差的方法，从而极大节约成本，提高光纤时间传递精度、拓展其适用环境。

Description

一种温度变化下光纤时间传递的往返时延差估算方法

技术领域

本发明属于电通信技术领域，尤其涉及一种温度变化下光纤时间传递的往返时延差估算方法。

背景技术

目前，最接近的现有技术：随着科学技术的进步，目前光频原子钟的稳定度达到10^-18，在七个国际基本单位制中有最高的测量精度。不过单独的原子钟无法实现大范围授时，而在远距离时钟之间进行时间传递与比对，不仅有助于提高钟源准确度与稳定度，对钟组的整体性能和冗余性的提升也有重要意义。因此，如何将高精度时频信息传输给各个用户端，成为了该领域的重要课题。

由于具有低损耗、高稳定、大带宽等独特优势，光纤时频同步技术在近些年已成为精度最高的授时手段之一。根据光缆网铺设的实际情况，对远距离高精度光纤时间传递方法展开研究，具有十分重要的现实意义。

目前，光纤时间传递技术研究集中于三种方法：1)基于波分复用(WDM)技术的双向时间同步，以环回法和双向比对法为主；2)基于同步数字体系(SDH)传输，以现有技术中光网络信息实验室VC-3为代表；3)基于时分复用(TDM)技术的双向时间同步。三者相比较，SDH网传输精度低，使用TDM技术的成本高、难以大范围应用。而基于WDM的环回法可以在低成本设备支撑下达到较高精度，通过链路对称等方式计算传输时延并补偿，能够使从站时刻与主站时刻误差维持在尽量小的范围，适用场景广泛。但该方法仅对主站时钟的精度有较高要求，从站则不需要配备高精度时钟。

在实际的光纤链路上，将不可避免地受到环境因素影响，例如压力、温度变化等，其中温度变化会明显影响光纤链路的传递时延值，是影响基于WDM环回传递精度的主要因素。对于基于WDM技术环回传递中往返时延差

的计算，目前主要有中科院授时中心给出了相关方法，见“一种光纤时间传递中时延偏差的自动补偿装置及方法”(申请公布号CN109302258 A，申请号201811526157.2)。该估算方法直接将

与

之间的关系做定量分析(常温下)，对于温度变化条件下的时延差变化没有加以考虑。因此仅适用于实验室常温条件下的测试，对于实际铺设的光纤还需进一步分析。

综上所述，现有技术存在的问题是：现有成本、技术成熟度、精度均适用于大范围组网的光纤授时方法为基于WDM技术的环回传递法，但现有光纤传递技术通常仅在实验室恒温环境下应用，并没有考虑温度变化条件下的时延差变化，同时现有技术中也没有在温度变化环境下估算往返时延差的方法，在一定程度上影响了实际铺设光缆网的授时精度，因此该因素是光纤授时取得实用所急需考虑的。

解决上述技术问题的难度：若能始终掌握光纤纤芯的实时温度，则能够直接计算出往返时延，较为准确地计算出时延差。然而，即便只是保持测量光纤表面的温度，并将测试数据传输给时延差计算部分，就已经很难完成。同时，通过光纤表层温度估算纤芯温度误差较大，再考虑到实际环境下往往通过光缆网传递，光缆网、光纤、纤芯三者的温度各不相同，可见想直接测量得到所需要的数据基本不可能，因此目前尚未提出较好的方法。

解决上述技术问题的意义：在温度变化条件下完成光纤往返时延差的精确估算，将直接提升基于WDM技术环回传递方法的授时精度，尤其适用于大范围高精度光纤授时，是该技术从实验室进入实用阶段所需要重点考虑的。

发明内容

针对现有技术存在的问题，本发明提供了一种温度变化下光纤时间传递的往返时延差估算方法及系统。

本发明是这样实现的，一种温度变化下光纤时间传递的往返时延差估算方法，包括：

步骤一，对光纤两端硬件产生的相对固定的时延进行标定；控制实验室温度为常温约23℃，利用光反射仪量取长约1m的G652光纤，然后进行基于WDM的光纤时间传递实验。通过SR620型时间间隔计数器测定一个环回过程的时延值，减去在23℃下往返时延，即得到因硬件产生的时延。由于除光纤以外的硬件均容易控制在常温下，因此该硬件时延将十分稳定。

步骤二，通过环路总时延减去步骤一中得到的硬件时延，得到传递时延和；在光纤温度变化环境下，同样利用SR620型时间间隔计数器实时测量每次环回时延值，减去硬件时延即为往返实验和。

步骤三，根据传递时延和与温度之间明确的对应关系，反推得出实时温度；

步骤四，根据温度与传递时延差之间的对应关系计算得到传递时延差；

步骤五，结合步骤四计算得到实时的单向时延值，在从站进行补偿，实现授时。

进一步，步骤一，利用光反射仪及其他相关设备对光纤两端硬件产生的相对固定的时延进行标定。

进一步，步骤三中，所述传递时延和与温度之间明确的对应关系如下：

本发明的另一目的在于提供一种实施所述温度变化下光纤时间传递的往返时延差估算方法的温度变化下光纤时间传递的往返时延差估算系统，包括：

光反射仪及其他相关设备，用于对光纤两端硬件产生的相对固定的时延进行标定；

传递时延和获取模块，用于通过环路总时延减去得到的硬件时延，得到传递时延和；

实时温度获取模块，用于根据传递时延和与温度之间明确的对应关系，反推得出实时温度；

授时实施模块，根据温度与传递时延差之间的对应关系计算得到传递时延差；并结合计算得到实时的单向时延值，在从站进行补偿，实现授时。

本发明的另一目的在于提供一种存储在计算机可读介质上的计算机程序产品，包括计算机可读程序，供于电子装置上执行时，提供用户输入接口以实施所述温度变化下光纤时间传递的往返时延差估算方法。

本发明的另一目的在于提供一种计算机可读存储介质，储存有指令，当所述指令在计算机上运行时，使得计算机执行所述的温度变化下光纤时间传递的往返时延差估算方法。

本发明的另一目的在于提供一种实施所述温度变化下光纤时间传递的往返时延差估算方法的光纤网。

综上所述，本发明的优点及积极效果为：本发明提供一种在温度变化环境下也能精确估算往返时延差的方法，从而极大节约成本，提高光纤时间传递精度、拓展其适用环境。

本发明在100km光纤的两端，使用1490nm和1550nm两种波长时，能够将-20～40℃内变化的光纤时延差降低大约75ps，如果采用常规的1310nm/1550nm波长对组合，授时精度将提升300ps。本发明能够帮助实际铺设的光缆网大幅提高授时精度，具有重要的现实意义与应用价值。

附图说明

图1是本发明实施例提供的温度变化下光纤时间传递的往返时延差估算方法流程图。

图2是本发明实施例提供的基于WDM技术的环回法原理框图。

图3是本发明实施例提供的双向传递系统时间顺序图。

图4是本发明实施例提供的两种光波折射率随温度的变化示意图。

图5是本发明实施例提供的两种光波在100km光纤中传递时延随温度的变化示意图。

图6是本发明实施例提供的两种光波时延和与时延差随温度的变化示意图。

图7是本发明实施例提供的两种光波色散随温度的变化示意图。

图8是本发明实施例提供的两种光波色散时延差随温度的变化示意图。

图9是本发明实施例提供的温度变化下光纤时间传递的往返时延差估算系统示意图。

图中：1、光反射仪及其他相关设备；2、传递时延和获取模块；3、实时温度获取模块；4、授时实施模块。

图10是本发明实施例提供的在温度变化下的授时效果图。

图11是本发明实施例提供的实验现场光纤置于温箱、SR620采集数据图。

图中：a为是本发明实施例提供的实验现场光纤置于温箱图，b为是本发明实施例提供的实验现场光纤置于SR620采集数据图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施例，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。

现有光纤传递技术中并没有考虑温度变化条件下的时延差变化，同时现有技术中也没有在温度变化环境下估算往返时延差的方法，同时其他估算往返时延差的方法精准度不高。

针对现有技术存在的问题，本发明提供了一种温度变化下光纤时间传递的往返时延差估算方法，下面结合附图对本发明作详细的描述。

如图1所示，本发明实施例提供的温度变化下光纤时间传递的往返时延差估算方法包括：

S101，利用光反射仪及其他相关设备对两端硬件产生的相对固定的时延进行标定。

S102，通过环路总时延减去步骤S101中得到的硬件时延，得到传递时延和。

S103，根据传递时延和与温度之间明确的对应关系，反推得出实时温度。

S104，根据温度与传递时延差之间的对应关系计算得到传递时延差。

S105，结合步骤S104计算得到实时的单向时延值，在从站进行补偿，实现精准授时。

步骤S103中，本发明实施例提供的传递时延和与温度之间明确的对应关系如下：

下面结合具体实施例对本发明的技术方案与技术效果作进一步说明。

实施例1：

1、现有基于WDM的环回法：

现有基于WDM的环回法，如图2所示；

主站时间间隔计数器所测时间为：

T＝T_AEO+T_ASO+T_ARO+T_AOE+T_AB+T_BA+T_BSO+T_BEO+T_BOE+T_BRO (1.1)

T_AEO表示中心站电光延时、相应的光电延时为T_AOE；

T_ASO表示中心站发送光处理延时；T_BSO表示终端站发送光处理延时；

T_BEO表示终端站光电延时、相应的电光延时为T_BOE；

T_BRO表示终端站光路接收延时；T_ARO表示中心站接收光路延时；

T_AB表示中心站到终端站光纤传输时延、终端站到中心站光纤传输时延为T_BA。

因为往返信号在同一根光纤传输，在此认为T_AB＝T_BA；在A、B两端所使用光电转换设备相同时，可以认为T₁＝T_BEO+T_BSO+T_BA+T_ARO+T_AOE+(T_A-T_B)，其余几项同理。因此环路时延τ在数值上等于时间间隔计数器的一半，即：

τ＝T/2 (1.2)

事实上公式(1.2)仅在理论上成立，实际应用时，光电转换器等解调设备存在误差、不同波长传输的时间不同、时延不能完全精确补偿等，尤其是当往返波长间隔较大时，相对误差会随光纤的长度而积累。

为了进一步说明时间传递过程，给出一次完整传递过程的1PPS时间信息传递顺序图如图3所示：

图3中，Dmt为主站发送时延、Dsr为从站接收时延，与之对应的变量分别为Dst、Dmr；Dfms、Dfsm分别为λ₁、λ₂在光纤中的传递时延。根据上述关于WDM技术的分析，传递过程时延公式为：

τ_往＝Dms＝Dmt+Dfms+Dsr (1.3)

τ_返＝Dsm＝Dst+Dfsm+Dmr (1.4)

在稳定的室内环境下，配备同样光模块的主从站，其收发时延之和是基本一致的，且可以预先精确标定。因此可以得到如下关系：

此外，环路总时延为：

τ＝τ_往+τ_返 (1.6)

综合公式(1.5)和(1.6)，可得单向时延值为：

公式(1.6)中τ可以由图2中时间间隔计数器直接测量得到，

通过波长、折射率、光纤长度之间的关系进行解算，其解算过程是影响传递精度的主要因素。

2、本发明实施方案

传递过程中，受温度变化影响的主要是往返时延与色散因素，以下对两方面进行分析。

(一)时延受温度变化影响分析

DWM技术两端波长是不同的，本发明以1490nm和1550nm往返波长为例，介绍通过往返波长与时延间关系来估算时延差的方法。首先列出光波在光纤链路中传输需要的时长，也即是时延为：

式中n为折射率，L为光纤物理长度，c为真空中的光速299792458m/s。

不同波长的光波在光纤内传递的时延不同，并且会受到温度和应力变化影响。不过应力影响远不及温度明显，而且对于悬空或埋地等环境中的光纤，主要变化由温度引起，它会对光纤折射率、热膨胀、色散效应造成全面影响。其中，折射率决定了光波在光纤中的传递速度。标准单模光纤的Sellmeier折射率公式为：

G.652光纤中，A＝6.90754T×10^-6+1.31552，B＝2.35835T×10^-5+0.788404，C＝5.84758T×10^-7+1.10199×10^-2，D＝5.48368T×10^-7+0.91326，E＝100。

对于1490nm和1550nm波长的光波，当设置温度在-20～40℃(基本涵盖铺设光纤所处的温度范围)之间变化时，两种光波对应的折射率变化如图4所示。

可见对于同一光波，其折射率的大小随温度的增加而近似线性增大。而在相同温度下，1550nm光波的折射率相对较小。在常温下，对于两端波长确定的光模块，因波长引起的往返折射率不同是确定的，但同时光纤也会发生热膨胀现象，长度随温度而变化。因此折射率与光纤长度乘积的变化量并不完全一致，且与波长本身有关。由此，可以将公式记为(2.3)：

时延变化与温度变化的关系可以表示为：

其中热膨胀与光纤长度之间的公式为：

L_T＝L+α₀*L*(T-T₀) (2.5)

L为23℃下的光纤长度(100km)，热膨胀系数为α₀＝5.6×10^-7m/℃。显然，光纤长度函数随温度呈严格线性变化。

对于本发明两种固定波长，100km时延值随温度的变化为：

可知当温度在该范围内变化时，单向时延值均增加了超过200ns。两种波长光波在100km光纤的传递时延之和(环回时延值)和时延差随温度的变化分别如图5所示。

由图6可知，传递的时延和和时延差均呈近似线性关系上升，-20～40℃范围内100km光纤往返时延差的变化极值约为130.743-130.668＝0.075ns＝75ps。

(二)色散受温度变化影响分析

光信号的不同模式分量以不同的速度传播，当距离远至一定程度时发生失真(脉冲展宽)的现象被称为色散。单模光纤MSF的色散有材料色散、波导色散和偏振模色散3种。由双折射引起的偏振模色散数值较小，对较早铺设的光纤才需要考虑。材料色散和波导色散由于同一个模式内携带信号的光波频率成分不同所导致，通常被共同称为模内色散，其受到的影响主要来自于波长不同造成的群速度不等和温度变化引起的色散系数变化。1310nm的波长通常为零色散(实际上并非是色散严格等于0的点)，1550nm波长的光波色散系数较大，但衰耗较小。模式色散的总公式为：

经推导有以下关系：

在G.652光纤内，T₀＝23℃时，上述参数分别为S₀＝9.352×10^-2ps/(nm²·km)，λ₀＝1319.30nm，色散斜率变化系数

零色散波长变化率

S₀和λ₀均随温度线性变化。综合以上分析，可仿真得到在100km光纤上1490nm和1550nm两种波长色散随温度的变化曲线，如图7所示。

可见色散时延也随温度呈近似线性变化，在该温度范围内时，单向时延值均增加了大约11ps，相对于传递时延较小。根据图8，在60℃的变化范围内，色散时延差从280.24ps上升为280.69ps，变化量大约为0.45ps，该数量级相对于往返时延差的变化幅度是基本可以忽略的。

(三)往返时延差估算步骤

至此往返时延差变化趋势分析完毕，可知因温度改变造成的折射率、热膨胀变化是造成传递时延变化的主要因素，温度改变引起的色散时延差对整体精度影响不大。综合以上分析，在解决这一问题时，采取如下步骤：

(1)首先利用光反射仪等设备对两端硬件产生的相对固定的时延进行标定；

(2)通过环路总时延减去上述硬件时延，得到传递时延和；

(3)根据传递时延和与温度之间明确的对应关系：

反推得出实时温度；

(4)根据温度与传递时延差之间的对应关系计算得到传递时延差；

(5)结合以上步骤计算得到实时的单向时延值，从而在从站精确补偿，完成精确授时。

如图9所示，本发明提供一种实施所述温度变化下光纤时间传递的往返时延差估算方法的温度变化下光纤时间传递的往返时延差估算系统，包括：

光反射仪及其他相关设备1，用于对光纤两端硬件产生的相对固定的时延进行标定。

传递时延和获取模块2，用于通过环路总时延减去得到的硬件时延，得到传递时延和。

实时温度获取模块3，用于根据传递时延和与温度之间明确的对应关系，反推得出实时温度。

授时实施模块4，根据温度与传递时延差之间的对应关系计算得到传递时延差；并结合计算得到实时的单向时延值，在从站进行补偿，实现授时。

下面结合实验对本发明果作进一步说明。

实验：

本发明在100km光纤的两端，使用1490nm和1550nm两种波长时，能够将-20～40℃内变化的光纤时延差降低大约75ps，如果采用常规的1310nm/1550nm波长对组合，有望将授时精度提升300ps。本发明能够帮助实际铺设的光缆网大幅提高授时精度，具有重要的现实意义与应用价值。

如图10所示，在置于温度快速变化(-20～40℃)温箱内的50km光纤两端，两台FE5650型铷原子钟的授时精度始终处于±300ps以内，基本不受温度变化影响。

下面结合具体实验对本发明作进一步描述。

如图10所示，在基础的WDM设备与廉价的两台相距50km铷原子钟两端，本方案达到了峰峰值±300ps的授时精度，并且该精度基本不受温度剧烈变化的影响。图11a为实验现场光纤置于温箱图，图11b为实验现场光纤置于SR620采集数据图。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种温度变化下光纤时间传递的往返时延差估算方法，其特征在于，所述温度变化下光纤时间传递的往返时延差估算方法包括：

步骤一，对光纤两端硬件产生的相对固定的时延进行标定；

步骤二，通过环路总时延减去步骤一中得到的硬件时延，得到传递时延和；

步骤三，根据传递时延和与温度之间明确的对应关系，反推得出实时温度；

步骤四，根据温度与传递时延差之间的对应关系计算得到传递时延差；

步骤五，结合步骤四计算得到实时的单向时延值，在从站进行补偿，实现授时。

2.如权利要求1所述温度变化下光纤时间传递的往返时延差估算方法，其特征在于，步骤一，利用光反射仪对光纤两端硬件产生的相对固定的时延进行标定，具体包括：

温度23℃，利用光反射仪量取长1m的G652光纤，进行基于WDM的光纤时间传递实验；通过时间间隔计数器测定一个环回过程的时延值，减去在23℃下往返时延，得到因硬件产生的时延。

3.如权利要求1所述温度变化下光纤时间传递的往返时延差估算方法，其特征在于，步骤三中，所述传递时延和与温度之间明确的对应关系如下：

4.一种实施权利要求1～3任意一项所述温度变化下光纤时间传递的往返时延差估算方法的温度变化下光纤时间传递的往返时延差估算系统，其特征在于，所述温度变化下光纤时间传递的往返时延差估算系统包括：

光反射仪，用于对光纤两端硬件产生的相对固定的时延进行标定；

传递时延和获取模块，用于通过环路总时延减去得到的硬件时延，得到传递时延和；

实时温度获取模块，用于根据传递时延和与温度之间明确的对应关系，反推得出实时温度；

授时实施模块，根据温度与传递时延差之间的对应关系计算得到传递时延差；并结合计算得到实时的单向时延值，在从站进行补偿，实现授时。

5.一种计算机可读存储介质，储存有指令，当所述指令在计算机上运行时，使得计算机执行如权利要求1-3任意一项所述的温度变化下光纤时间传递的往返时延差估算方法。

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