CN112751614B - 一种基于两站间的阿秒级光纤时间传递方法 - Google Patents

Abstract

本发明的一个实施例公开了一种基于两站间的阿秒级光纤时间传递方法，该方法包括：S10、第一站对100MHz的伪随机序列、时间戳信息和100GHz的微波载波信号进行调制发射，形成微波调制信号；S20、第一站对所述微波调制信号进行光电转换，得到第一光信号，将所述第一光信号加载到200THz的光载波信号上，形成第二光信号；S30、将所述第二光信号输入至第一站与第二站之间的光纤链路；S40、第二站接收所述第二光信号并将所述第二光信号转化为电调制信号；S50、第二站对所述电调制信号进行锁相接收并处理，得到第一站到第二站的传输时延pd_1‑2。本申请所述技术方案时间传递精度可达阿秒量级，解决了实际应用环境下难以超越皮秒量级时间传递精度的问题。

Description

一种基于两站间的阿秒级光纤时间传递方法

技术领域

本发明涉及远程高精度站间光纤时间传递领域。更具体地，涉及一种基于两站间的阿秒级光纤时间传递方法以及利用该方法实现两站时间传递的方法。

背景技术

光学时间传递技术是目前国际公认的最高精度的时间比对方法，广泛应用于百公里内的站间原子钟高精度时间量值溯源和对比，在时间量传和溯源方法中的地位无可替代。光学时间传递主要是发挥光纤介质传输宽带大、信号频率损失小、能量衰减小的性能优势，两地通过光纤链路互发互收光学时间脉冲序列，同时两地对两个脉冲序列的相位差进行精密测量，得到链路传输时延，两地交换此时延数据后，进而得到两地高精度的时差信息，一般可达到皮秒(ps)(10^-12s)级的时间传递水平。光学时间传递技术广泛应用于卫星导航地面站间、雷达组网、国家守时实验室等多个领域。

目前光学时间传递主要采用两种方法。一种是将本地原子钟频率信号转换为秒脉冲信号并进行光电转换后，利用光纤链路直接传递高质量的光学秒脉冲信号，通过高精度时间间隔计数器测量秒脉冲之间的时间间隔，依据双向时间传递原理获得两站时差信息。受限于时间间隔测量仪器性能限制，钟差测量难以突破皮秒量级；另一种是利用光纤链路直接传递锁模激光器产生的飞秒(fs)(10^-15s)量级脉宽的时间脉冲序列，通过平衡互相关探测仪在光学领域测量两个飞秒脉冲序列的时间间隔，可以达到飞秒量级的时间传递精度，但是此种方法成本高，作用距离短，试验条件苛刻，实际环境下使用困难，难以获得广泛应用。

发明内容

本发明的目的在于解决实际应用环境下难以超越皮秒量级时间传递精度的问题。

为达到上述目的，本发明采用下述技术方案：

第一方面，本发明提供一种基于两站间的阿秒级光纤时间传递方法，该方法包括：

S10、第一站对100MHz的伪随机序列、时间戳信息和100GHz的微波载波信号进行调制发射，形成微波调制信号；

S20、第一站对所述微波调制信号进行光电转换，得到第一光信号，将所述第一光信号加载到200THz的光载波信号上，形成第二光信号；

S30、将所述第二光信号输入至第一站与第二站之间的光纤链路；

S40、第二站接收所述第二光信号并将所述第二光信号转化为电调制信号；

S50、第二站对所述电调制信号进行锁相接收并处理，得到第一站到第二站的传输时延pd_1-2。

在一个具体实施例中，所述S50包括：

S500、提取所述电调制信号中的伪随机序列的整数码片code_chip、伪随机序列的码片相位code_phase和时间戳信息second。

在一个具体实施例中，所述S50还包括：

S502、计算第一级微波载波整周模糊度，具体地，

S5020、计算第一站到第二站的第一传输时延pd1，其中:

pd1＝second+code_chip+code_phase

S5022、计算微波载波整周数N1，其中：

N1＝floor(pd1/t_carrier)

式中，t_carrier表示100GHz的一个载波周期时长。

在一个具体实施例中，所述S50还包括：

S504、提取所述电调制信号中的微波载波信号的载波相位carrier_phase；

S506、计算第一站到第二站的第二传输时延pd2，其中：

pd2＝N1×t_carrier+carrier_phase。

在一个具体实施例中，所述S50还包括：

S508、计算第二级光载波整周模糊度，具体地，

S5080、计算光载波整周数N2，其中：

N2＝floor(pd2/t_{L_carrier})

式中，t_{L_carrier}表示200THz的一个光载波周期时长。

在一个具体实施例中，所述S50还包括：

S510、提取所述电调制信号中的光载波信号的光载波相位L_carrier_phase；

S512、计算第一站到第二站的第三传输时延pd3

pd3＝N2×t_{L_carrier}+L_carrier_phase

式中，pd3＝pd_1-2。

在一个具体实施例中，在载噪比大于75dBHz的情况下，所述伪随机序列的测量精度能优于1/5000个码片，转换为时间为2ps。

在一个具体实施例中，在载噪比大于75dBHz的情况下，所述载波相位carrier_phase测量精度能优于1/5000个载波周期，转换为时间为2fs。

在一个具体实施例中，所述光载波相位L_carrier_phase的测量精度能优于1/3600个光载波周期，转换为时间为1.4as。

第二方面，本发明提供一种利用第一方面所述的方法实现两站时间传递的方法，该方法包括：

计算第一站到第二站的传输时延pd_1-2；

计算第二站到第一站的传输时延pd_2-1；

计算第一站到第二站之间的钟差t_bias，

t_bias＝(pd_1-2-pd_2-1)/2

式中，所述钟差的测量精度为1.4as。

本发明的有益效果如下：

本发明的目的在于提供一种低成本且实用的新型光纤时间传递方法，时间传递精度可达阿秒量级，解决实际应用环境下难以超越皮秒量级时间传递精度的问题。本发明的核心在于利用伪随机序列、微波载波和光载波三环锁相技术，采用两级相位模糊度解算方法，能够测量得到光载波一个周期内的相位值和载波周期数值，获得阿秒级量级链路传输时延，最终得到阿秒量级时间传递精度。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，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示出根据本申请的一个实施例的一种基于两站间的阿秒级光纤时间传递方法的流程示意图。

图2示出根据本申请的一个实施例的两站间的光纤时间传输示意图。

具体实施方式

为使本发明的技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明实施方式作进一步地详细描述。

目前已公布的光学时间传递方法都不能解决链路时延的光载波整数周期问题，因此不能实现精密的绝对时间传递，只能进行相对时间变化测量。

为此，如图1所示，本发明提出了一种基于两站的阿秒级光纤时间传递方法，该方法包括：

本发明采用100MHz频率的伪随机序列、100GHz微波载波和200THz光载波实现A站和B站之间的时间传递。

S10、A站发送微波调制信号；

在一个具体示例中，A站发送码速率为100MHz的周期性和自相关性优越的伪随机序列、时间戳信息以及100GHz的正弦微波载波进行调制发射，并形成微波调制信号。

S20、A站进行光电转换；

在一个具体示例中，A站的电光调制器对S10产生的微波调制信号进行光电转换并将微波信号调制到200THz光载波上。

S30、A、B站间光纤链路信号传输；

在一个具体示例中，A站在S20产生的光信号输入给A、B两站间的光纤链路进行信号传输。

S40、B站进行光电转换；

在一个具体示例中，B站的光电探测器对S30传递过来的光信号进行探测并转换为100GHz微波载波的电调制信号。

S50、B站利用三环锁相技术对S40传输过来的电调制信号进行锁相接收并处理。

在一个具体示例中，所述S50包括：

S500、伪随机序列码片数、码片相位和整数秒提取，

在一个具体示例中，对信号进行接收后，实时提取伪随机序列码片相位code_phase和整数码片code_chip，同时解析秒级的时间戳信息second，在载噪比大于75dBHz的情况下，伪随机序列码片测量精度可优于1/5000个码片，转换为时间后即优于2ps。

S502、第一级微波载波整周模糊度计算；

在一个具体示例中，时间戳信息与伪随机序列相位二者组合后获得A到B的第一传输时延pd1：

pd1＝second+code_chip+code_phase

由S500可知此时延能够达到2皮秒的无模糊度精度，2ps的测量精度优于100GHz微波载波的一个载波周期10ps，可将微波载波整周模糊度确定下来，得微波载波整周数N1为：

N1＝floor(pd1/t_carrier)

其中，t_carrier表示100GHz的一个载波周期时长。

S504、100GHz微波载波相位提取；

S506、A到B的第二传输时延pd2改写为：

pd2＝N1×t_carrier+carrier_phase

在一个具体示例中，对信号进行接收后可实时提取100GHz信号的载波相位carrier_phase，在载噪比大于75dBHz的情况下，载波相位测量精度同样可达到优于1/5000个载波周期，转换为时间后即优于2fs。

S508、第二级光载波整周模糊度计算

由S506可知通过微波载波整周解算，使得A、B两站传输时延pd1能够达到2fs无模糊度精度，2fs的测量精度优于200THz即光载波的一个载波周期5fs，因此可将光载波整周模糊度确定下来，得光载波整周数N2为：

N2＝floor(pd2/t_{L_carrier})

式中，t_{L_carrier}表示200THz的一个光载波周期时长。

S510、200THz光载波相位提取；

在一个具体示例中，对信号进行接收后，可实时提取200THz光载波相位L_carrier_phase，则A到B的第三传输时延pd3改写为：

pd3＝N2×t_{L_carrier}+L_carrier_phase

在典型情况下，光载波相位测量精度可达到约1/3600个光载波周期，转换为时间后为1.4as，即此时A到B站的传输时延测量精度达到了阿秒量级。

需要说明的是，第三传输时延pd3即A站到B站最终的传输时延pd_1-2。

还需要说明的是，采用此种光纤时间传递方法时，必须保证发射的伪随机序列、时间戳、正弦载波以及光载波完全同源并且完全锁定到外频标上，且重复上电四者相位一致性不变，同时保证四者的频率呈现整数倍关系，否则影响微波载波相位整周模糊度和光载波相位整周模糊度解算，导致无法实现阿秒量级的时间传递。

本领域技术人员应当理解，采用上述方法，如图2所示，能够反方向测量得到B站到A站的链路时延pd_2-1，pd_2-1的测量精度同样约为1.4as。

进一步，利用双向对时原理计算A站和B站之间钟差t_bias为

t_bias＝(pd_1-2-pd_2-1)/2

测量精度约为1.4as，即实现了A、B两站阿秒级的时间传递。

本发明的核心在于利用伪随机序列、微波载波和光载波三环锁相技术，采用两级相位模糊度解算方法，能够测量得到光载波一个周期内的相位值和载波周期数值，获得阿秒级量级链路传输时延，最终得到阿秒量级时间传递精度。

需要说明的是，在本申请的描述中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。

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 (5)

1.一种基于两站间的阿秒级光纤时间传递方法，其特征在于，包括：

S10、第一站对100MHz的伪随机序列、时间戳信息和100GHz的微波载波信号进行调制发射，形成微波调制信号；

S20、第一站对所述微波调制信号进行光电转换，得到第一光信号，将所述第一光信号加载到200THz的光载波信号上，形成第二光信号；

S30、将所述第二光信号输入至第一站与第二站之间的光纤链路；

S40、第二站接收所述第二光信号并将所述第二光信号转化为电调制信号；

S50、第二站对所述电调制信号进行锁相接收并处理，得到第一站到第二站的传输时延pd_1-2，其中，所述S50包括：

S500、提取所述电调制信号中的伪随机序列的整数码片code_chip、伪随机序列的码片相位code_phase和时间戳信息second；

S502、计算第一级微波载波整周模糊度，具体地，

S5020、计算第一站到第二站的第一传输时延pd1，其中：

pd1＝second+code_chip+code_phase

S5022、计算微波载波整周数N1，其中：

N1＝floor(pd1/t_carrier)

式中，t_carrier表示100GHz的一个载波周期时长；

S504、提取所述电调制信号中的微波载波信号的载波相位carrier_phase；

S506、计算第一站到第二站的第二传输时延pd2，其中：

pd2＝N1×t_carrier+carrier_phase

S508、计算第二级光载波整周模糊度，具体地，

S5080、计算光载波整周数N2，其中：

N2＝floor(pd2/t_{L_carrier})

式中，t_{L_carrier}表示200THz的一个光载波周期时长；

S510、提取所述电调制信号中的光载波信号的光载波相位L_carrier_phase；

S512、计算第一站到第二站的第三传输时延pd3，其中：

pd3＝N2×t_{L_carrier}+L_carrier_phase

式中，pd3＝pd_1-2。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，在载噪比大于75dBHz的情况下，所述伪随机序列的测量精度能优于1/5000个码片，转换为时间为2ps。

3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，在载噪比大于75dBHz的情况下，所述载波相位carrier_phase测量精度能优于1/5000个载波周期，转换为时间为2fs。

4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述光载波相位L_carrier_phase的测量精度能优于1/3600个光载波周期，转换为时间为1.4as。

5.一种利用权利要求1-4中任何一项所述的方法实现两站时间传递的方法，其特征在于，包括：

计算第一站到第二站的传输时延pd_1-2；

计算第二站到第一站的传输时延pd_2-1；

计算第一站到第二站之间的钟差t_bias，其中：

t_bias＝(pd_1-2-pd_2-1)/2

式中，所述钟差的测量精度为1.4as。

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