CN112202524B - 一种光纤时间传递中的双纤双环回时延偏差估算补偿方法 - Google Patents

一种光纤时间传递中的双纤双环回时延偏差估算补偿方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种光纤时间传递中的双纤双环回时延偏差估算补偿方法，通过3个时间测量模块获取测量值TIC1、TIC2和TIC3；获取的时延值及时延比值关系计算主站到从站的单向时延值τ1；通过获得的时延值τ1在从站时延补偿模块对从站时钟进行补偿，实现主从站点时间同步；重复上述步骤获取τ1的实时值，实现主从站点实时时间同步。本发明的方法可消除环境温度变化对光纤时间同步精度的影响，同时消除现网光纤长度不可测量、光纤长度受温度变化的影响，可对时间信号在光纤链路中传输时的时延偏差进行精准测量，并实现实时自动补偿，可提高光纤时间传递精度。

Description

一种光纤时间传递中的双纤双环回时延偏差估算补偿方法
技术领域
本发明涉及光纤时间同步技术领域，尤其涉及一种光纤时间传递中的双纤双环回时延偏差估算补偿方法。
背景技术
随着高精度频标技术的不断突破，当前精度最高的原子频标精度已达到10-16量级，光钟的秒稳定度和天稳定度已达到10-16和10-18量级，时间已成为7个国际基本单位中测量精度最高的物理量。随着科学研究、导航定位、航空航天、电力传输、军事安全等领域对时间同步精度和稳定性需求的不断提高，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方法主要有：1)双纤双向同波长传输技术、2)单纤双向波分复用技术、3)单纤双向环回法、4)单纤双向时分复用技术等方法。比较以上4种方法，双纤双向同波长传输存在光纤链路长度不相等，现网光纤长度无法精准测量等问题；单纤双向波分复用和环回法存在往返波长、折射率不相等导致往返时延不对称，而由于环境温度难以测量，授时系统缺乏对环境温度变化影响时延差值变化的跟踪估算；单纤双向时分技术的成本高、难以大范围应用。
在实际的光纤链路上，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，是影响基于单纤双向波分复用和环回法传递精度的主要因素。对于基于波分复用技术的环回传递中往返时延差
Figure GDA0002923889270000011
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CN 109302258 A，申请号201811526157.2)。该估算方法直接将
Figure GDA0002923889270000021
与
Figure GDA0002923889270000022
之间的关系做常温下的定值处理，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。
发明内容
本发明的目的就在于为了解决上述问题而提供一种光纤时间传递中的双纤双环回时延偏差估算补偿方法。
解决上述技术问题的难度：如果能掌握光纤纤芯的实时温度，就能够直接计算出往返时延的比值，从而较为准确地计算出主站到从站的单向时延值。然而，即便只是测量光纤表面的温度就已经很难完成。同时，通过光纤表层温度估算纤芯温度误差较大，实际环境下光缆网、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：在温度变化条件下通过对两根光纤上4路时间信号的时延和与时延差测量，并通过时延的比值关系，直接求解主从站点的单向传输时延。本发明在算法中消除了光纤长度受温度变化的影响因素，同时消除了不同波长时延值随温度变化的影响因素。此方法相比于传统的单纤波分复用和单纤环回法多采用一根光纤，但实际光缆中通常都布设了多根环境温度几乎相同光纤。因此，此方法不仅未增加工程成本，算法所需的双纤温度同步的需求与实际光缆结构特点高度一致。
本发明通过以下技术方案来实现上述目的：
本发明包括主授时站点和从授时站点，所述主授时站点和从授时站点之间通过光纤链路连接，所述主授时站点和从授时站点均具有激光发射器、波分复用模块、时间间隔测量模块、光探测器、发射通道、接收通道，所述主授时站点还具有时间信号保持模块，所述从授时站点还具有时钟、时延补偿模块，具体包括以下步骤：
步骤1：通过3个时间间隔测量模块获取测量值TIC1、TIC2和TIC3；
步骤2：根据步骤1获取的时延值及时延比值关系计算主授时站点到从授时站点的单向时延值τ1；
步骤3：根据步骤2获得的时延值τ1，通过从授时站点时延补偿模块对从授时站点时钟进行补偿，实现主授时站点和从授时站点时间同步；
步骤4：重复步骤1至步骤3，获取τ1的实时值，实现主授时站点和从授时站点实时时间同步。
主授时站点安装两台时间间隔计数器TIC1和TIC2，TIC1用于测量光纤L1中的光信号一个环回周期，即：主授时站点——从授时站点——主授时站点的时延和，即：TIC1＝τ1+τ2；TIC2用于测量光纤L2中的光信号一个环回周期的时延和，即：TIC2＝τ3+τ4；从授时站点安装了一台时间间隔计数器TIC3，用于测量两根光纤传输波长λ1光信号的单向，即主授时站点——从授时站点时延差，即：TIC3＝τ1-τ3；
光纤传输时延τ1、τ2、τ3、τ4与光纤长度、传输波长及折射率的关系是：
Figure GDA0002923889270000031
Figure GDA0002923889270000032
式中，τ为光纤传输时延、L为光纤长度、C为光速、n为折射率、λ为波长；
进一步的，时间间隔计数器TIC1的测量值的表达式为：
Figure GDA0002923889270000033
时间间隔计数器TIC2的测量值的表达式为：
Figure GDA0002923889270000041
时间间隔计数器TIC3的测量值的表达式为：
Figure GDA0002923889270000042
进一步的，
Figure GDA0002923889270000043
Figure GDA0002923889270000044
进一步可得：
Figure GDA0002923889270000045
Figure GDA0002923889270000046
由此可得：用于补偿Clock B的时延差值τ1可用下式计算得出，
Figure GDA0002923889270000047
将计算出的τ1送入从授时站点的时延补偿模块，在从授时站点驯服时钟Clock B。当自主授时站点发出的波长为λ1的时间信号到达从授时站点时，主授时站点钟源Clock A的时刻值由CA变化为CA+τ1，此刻未被驯服从授时站点时钟Clock B的时刻值为CB，因此需把Clock B的时刻值补偿至CA+τ1。
本发明的有益效果在于：
本发明是一种光纤时间传递中的双纤双环回时延偏差估算补偿方法，与现有技术相比，本发明的方法可消除环境温度变化对光纤时间同步精度的影响，同时消除现网光纤长度不可测量、光纤长度受温度变化的影响，可对时间信号在光纤链路中传输时的时延偏差进行精准测量，并实现实时自动补偿，可提高光纤时间传递精度。
附图说明
图1是本发明的方法结构示意图；
图2是本发明的方法时序图；
图3是本发明时间测量芯片TIC1测量结果；
图4是本发明时间测量芯片TIC2测量结果；
图5是本发明时间测量芯片TIC3测量结果；
图6是本发明时间测量芯片TIC4测量结果；
图7是本发明1310nm-1550nm实验授时精度曲线图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步说明：
如图1所示：本发明包括主从两个授时站点，主授时站点包括：钟源、激光发射器、波分复用模块、时间间隔计数器、光探测器，从授时站点包括：时钟、激光发射器、波分复用模块、时间间隔计数器、光探测器、时延补偿模块；激光发射器用于把时间信号转换为光信号；波分复用模块用于把时间信号调制到两个不同波长发送到光纤链路中，发射通道的输入端与激光发射器的输出端相连接，发射通道的输出端用于与光纤链路相连接；波分复用模块的接收通道的输出端与接收器的输入端相连接，接收通道的输入端用于与光纤链路相连接；时间间隔计数器用于测量发送或接收信号起止时刻，并输出二者的时间间隔值；光探测器用于接收对方授时站点点发送来的时间信号；时延补偿模块用于根据估算获取的单向时延值对从授时站点待驯服时钟的时间信号进行补偿。
主授时站点与从授时站点由两根光纤相连，光纤长度分别为L1和L2，主授时站点时钟Clock A作为参考钟源，从授时站点时钟Clock B作为待补偿时钟。
在主授时站点，经过调制的时间信号在时钟Clock A的CA时刻以波长λ1分别向长度为L1和L2的光纤中发送信号，光信号到达从授时站点后，经调制后以波长λ2分别在各自光纤中环回。波长λ1在长度为L1光纤中的传输时延为τ1，波长λ2在长度为L1光纤中的传输时延为τ2，波长λ1在长度为L2光纤中的传输时延为τ3，波长λ2在长度为L2光纤中的传输时延为τ4。
本发明具体包括以下步骤：
步骤1：通过3个时间测量模块获取测量值TIC1、TIC2和TIC3；
步骤2：根据步骤1获取的时延值及时延比值关系计算主授时站点到从授时站点的单向时延值τ1；
步骤3：根据步骤2获得的时延值τ1，通过从授时站点时延补偿模块对从授时站点时钟进行补偿，实现主授时站点和从授时站点时间同步；
步骤4：重复步骤1至步骤3，获取τ1的实时值，实现主授时站点和从授时站点实时时间同步。
本发明方法的时序图如图2所示。
主授时站点安装两台时间间隔计数器TIC1和TIC2，TIC1用于测量光纤L1中的光信号一个环回周期，即：主授时站点——从授时站点——主授时站点的时延和，即：TIC1＝τ1+τ2；TIC2用于测量光纤L2中的光信号一个环回周期的时延和，即：TIC2＝τ3+τ4；从授时站点安装了一台时间间隔计数器TIC3，用于测量两根光纤传输波长λ1光信号的单向，即主授时站点——从授时站点时延差，即：TIC3＝τ1-τ3；
光纤传输时延τ1、τ2、τ3、τ4与光纤长度、传输波长及折射率的关系是：
Figure GDA0002923889270000071
Figure GDA0002923889270000072
式中，τ为光纤传输时延、L为光纤长度、C为光速、n为折射率、λ为波长；
进一步的，时间间隔计数器TIC1的测量值的表达式为：
Figure GDA0002923889270000073
时间间隔计数器TIC2的测量值的表达式为：
Figure GDA0002923889270000074
时间间隔计数器TIC3的测量值的表达式为：
Figure GDA0002923889270000075
进一步的，
Figure GDA0002923889270000076
Figure GDA0002923889270000077
进一步可得：
Figure GDA0002923889270000081
Figure GDA0002923889270000082
由此可得：用于补偿Clock B的时延差值τ1可用下式计算得出，
Figure GDA0002923889270000083
将计算出的τ1送入从授时站点的时延补偿模块，在从授时站点驯服时钟Clock B。当自主授时站点发出的波长为λ1的时间信号到达从授时站点时，主授时站点钟源Clock A的时刻值由CA变化为CA+τ1，此刻未被驯服从授时站点时钟Clock B的时刻值为CB，因此需把Clock B的时刻值补偿至CA+τ1。
实验验证：
实验设置参数表
参数 值 参数 值
光纤型号 G.652 初始温度 -20℃
光纤L<sub>1</sub>长度 100km 温度变化幅度 60℃
光纤L<sub>2</sub>长度 75km 温度变化周期 60min
光纤损耗 0.187dB/km 波长λ<sub>1</sub> 1310nm
TIC测量精度 10ps 波长λ<sub>2</sub> 1550nm
为增大主从站点之间两根光纤链路长度的不一致性，主授时站点与从授时站点通过100km和75km的G.652单模光纤连接形成双纤链路。为模拟实地授时系统中同根光缆中的相邻的往返光纤，保证环境温变导致光纤温度变化的一致性，所有光纤均是同一批次相同规格的产品，均放置在可编程温控箱内。本实验开始测量后，利用恒温箱将光纤环境温度在0min到60min内从室温-20℃升至40℃后保持温度不变，从而改变光信号在光纤内的时延波动。为便于进行数据测量与性能评估，主授时站点和从授时站点的所有设备及光纤链路都放置在同一实验室内。为了减小光纤器件及测量平台硬件由于环境温度波动给测量数据带来随机波动和测量误差，实验室环境温度控制在23℃，使得两个激光器发出的特定波长的光信号不易发生波长漂移。
实验中需要测量四组时延数据，分别由四个分辨率为10ps的时间间隔测量芯片测得。主授时站点的时间测量芯片TIC1用于测量结果如图3所示。时间测量芯片TIC2用于测量长度为75km光纤中双波往返的传输时延和，测量结果如图4所示。时间间隔测量芯片TIC3位于从授时站点，测量的是波长为1310nm的光信号的传输延迟差，测量结果如图5所示。TIC4连接主授时站点和从授时站点，用于测量长度为100km光纤中1310nm的单向传输时延τ1的实测值，测量结果如图6所示，从而与本发明的估算值进行误差分析。1310nm-1550nm实验授时精度实验结果如图7所示。
本发明通过3个时间间隔计数器的测量值及其相互之间的比值关系，直接测算出主授时站点到从授时站点的单向传输时延值。巧妙的避开了环境温度变化导致的光纤长度膨胀变化及往返时延值的变化对时间同步精度的影响。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。在主从站点相距约100km采用本发明的授时方法，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150ps，如果采用常规的1310nm/1550nm波长对组合，授时精度将提升600ps。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。
以上显示和描述了本发明的基本原理和主要特征及本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。

Claims (1)

1.一种光纤时间传递中的双纤双环回时延偏差估算补偿方法，包括主授时站点和从授时站点，所述主授时站点和从授时站点之间通过光纤链路连接，所述主授时站点和从授时站点均具有激光发射器、波分复用模块、时差测量模块、光探测器、发射通道、接收通道，所述主授时站点还具有时间信号保持模块，所述从授时站点还具有时钟、时延补偿模块，其特征在于：包括以下步骤：
步骤1：通过3个时间测量模块获取测量值TIC1、TIC2和TIC3；
步骤2：根据步骤1获取的时延值及时延比值关系计算主授时站点到从授时站点的单向时延值τ1；
步骤3：根据步骤2获得的时延值τ1，通过从授时站点时延补偿模块对从授时站点时钟进行补偿，时延主授时站点和从授时站点时间同步；
步骤4：重复步骤1至步骤3，获取τ1的实时值，实现主授时站点和从授时站点实时时间同步；
主授时站点安装两台时间间隔计数器TIC1和TIC2，TIC1用于测量光纤L1中的光信号一个环回周期，即：主授时站点——从授时站点——主授时站点的时延和，即：TIC1＝τ1+τ2；TIC2用于测量光纤L2中的光信号一个环回周期的时延和，即：TIC2＝τ3+τ4；从授时站点安装了一台时间间隔计数器TIC3，用于测量两根光纤传输波长λ1光信号的单向，即主授时站点——从授时站点时延差，即：TIC3＝τ1-τ3；
光纤传输时延τ1、τ2、τ3、τ4与光纤长度、传输波长及折射率的关系是：
Figure FDA0003248698950000011
式中，τ为光纤传输时延、L为光纤长度、C为光速、n为折射率、λ为波长；
进一步的，时间间隔计数器TIC1的测量值的表达式为：
Figure FDA0003248698950000021
时间间隔计数器TIC2的测量值的表达式为：
Figure FDA0003248698950000022
时间间隔计数器TIC3的测量值的表达式为：
Figure FDA0003248698950000023
进一步的，
Figure FDA0003248698950000024
Figure FDA0003248698950000025
进一步可得：
Figure FDA0003248698950000026
Figure FDA0003248698950000027
由此可得：用于补偿Clock B的时延差值τ1可用下式计算得出，
Figure FDA0003248698950000028
将计算出的τ1送入从授时站点的时延补偿模块，在从授时站点驯服时钟Clock B，当自主授时站点发出的波长为λ1的时间信号到达从授时站点时，主授时站点钟源Clock A的时刻值由CA变化为CA+τ1，此刻未被驯服从授时站点时钟Clock B的时刻值为CB，因此需把Clock B的时刻值补偿至CA+τ1。
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