CN113132046A - 一种基于锁模光频梳的共视法时间同步装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于锁模光频梳的共视法时间同步装置及方法，属于时钟同步和光通信技术领域。本发明装置包括发射机、接收机A以及接收机B。其中，发射机包括标准信号源、光学锁相、光频梳、光学延迟和时间编码等模块；接收机包括光电探测器、时间比对模块和时钟。本发明中的时间频率传递精度依赖于光频梳重频稳定度，有利于实现高精度时频传递。此外，对于光传输光钟，基于脉冲延迟的编码比脉冲强度调制的抗干扰能力更强。

Description

一种基于锁模光频梳的共视法时间同步装置及方法

技术领域

本发明涉及时钟同步和光通信技术领域，尤其涉及一种基于锁模光频梳的共视法时间同步装置及方法。

背景技术

随着大容量高速通信和精密测量的发展，对时间同步精度的需求越来越高；虽然时间频率信号产生已经拥有极高的精度和稳定度，然而受到传输路径和其他环境条件的干扰，高精度时频传递的成本很高。受益于锁模光频梳极低的相位噪声和极高的时间分辨率，时间对比精度可以做的很高；且基于脉冲延迟编码的激光脉冲具有更好的传输特性，是未来高精度时频传递技术研究的重点。

高精度时频传递体制主要有：基于微波的时频传递、基于光纤的时频传递和基于空间激光的时频传递。其中基于空间激光时频传递相比于光纤时频传递不仅具有近似的传递精度，同时摆脱了光纤介质束缚，具有更广的应用。基于空间激光时频传递主要有：基于激光幅度调制的时频传递、空间相干光时频传递和光频梳的激光时频传递三种技术体制。其中，基于光频梳的时间传递是当前研究热点。然而受大气湍流、大气吸收、低反射功率和平台振动等干扰的影响，高精度时频传递的距离较近；特别是时间编码技术主要应用强度调制或相位调制，对于高精度时间信号传递影响较大。由于光频梳是宽光谱光源，无论是强度或相位调制均会使超短脉冲展宽且展宽往往是非线性的，这对于精确时间比对是不利的。

发明内容

本发明针对上述背景技术的不足之处而提供一种基于锁模光频梳的共视法时间同步装置及方法，其将锁模光频梳输出脉冲的延迟调制和共视法技术相结合，能够实现高精度时间比对和高稳定性的频率传递。

为了实现上述目的，本发明采用的技术方案为：

一种基于锁模光频梳的共视法时间同步装置，包括发射机、接收机A和接收机B；所述发射机包括标准信号源、光学锁相环、光频梳、光学延迟器和时间编码模块；所述接收机A和接收机B均包括光电探测器、时间比对模块、时钟模块、计数器以及时钟校准模块；

发射机中：

标准信号源用于提供标准信号频率；

光频梳用于输出重频光脉冲，并根据光学锁相环反馈的频差改变腔长，从而使光频梳输出的重频光脉冲精确锁定在标准信号源上；

光学锁相环用于探测光频梳输出的重频光脉冲，并与标准信号源的频率进行比对，求出频差，然后反馈给光频梳；

时间编码模块用于控制光学延迟器进行延迟编码；

光学延迟器用于在时间编码模块的作用下对重频光脉冲进行延迟编码，编码后的光脉冲分别发送给接收机A和接收机B；

接收机A和接收机B中：

光电探测器用于接收发射机发来的光脉冲并输出电信号；

时钟模块用于输出时钟信号，提供本地时钟；

时间比对模块用于将本机光电探测器输出的电信号与本机的本地时钟进行时间比对，求出本地钟差，并将本机的本地钟差传递给另一个接收机的时钟校准模块；

计数器用于对本机时钟模块输出的时钟信号进行计数，并将本机计数开始时刻至本机收到光脉冲时刻之间的时钟信号计数发送给另一个接收机的时钟校准模块；

时钟校准模块用于接收对方接收机的本地钟差和时钟信号计数，并与本接收机的本地钟差和时钟信号计数进行比较，从而求出两接收机之间的钟差，完成本接收机与另一接收机的时间同步。

进一步的，所述时钟校准模块求出两接收机之间的钟差的具体方式为：

T_A-T_B＝(TIC_A-TIC_B)+(τ_A-τ_B)

其中，T_A为接收机A的计数开始时刻，T_B为接收机B的计数开始时刻，T_A-T_B为接收机A和B之间的钟差，τ_A为接收机A的本地钟差，τ_B为接收机B的本地钟差；TIC_A为自T_A起，直至接收机A收到光脉冲时刻为止，接收机A的时钟信号计数；TIC_B为自T_B起，直至接收机B收到光脉冲时刻为止，接收机B的时钟信号计数。

此外，本发明还提供一种基于锁模光频梳的共视法时间同步方法，包括以下步骤：

(1)在发射机中，利用光学锁相环探测光频梳输出的重频光脉冲，并与标准信号源的频率进行比对，求出频差，然后反馈给光频梳，光频梳改变腔长，从而使光频梳输出的重频光脉冲精确锁定在标准信号源上；

(2)对光频梳输出的光脉冲进行延迟编码，并将编码后的光脉冲分为两束，分别传输给接收机A和接收机B；

(3)接收机A和B分别通过各自的光电探测器探测编码后的光脉冲的位置信息，并解调出时间信息；同时，对本机计数开始时刻至本机收到光脉冲时刻之间的时钟信号进行计数；

(4)接收机A和B分别将本机解调出的时间信息与本机的时钟进行比对，求出发射机编码时间与本机时钟的钟差，即本地钟差；

(5)接收机A和B交互各自的本地钟差和时钟信号计数，并分别在本机上求出本机与对方接收机之间的钟差，从而与对方接收机进行时间同步。

进一步的，步骤(5)中，在本机上求出本机与对方接收机之间的钟差的具体方式为：

T_A-T_B＝(TIC_A-TIC_B)+(τ_A-τ_B)

其中，T_A为接收机A的计数开始时刻，T_B为接收机B的计数开始时刻，T_A-T_B为接收机A和B之间的钟差，τ_A为接收机A的本地钟差，τ_B为接收机B的本地钟差；TIC_A为自T_A起，直至接收机A收到光脉冲时刻为止，接收机A的时钟信号计数；TIC_B为自T_B起，直至接收机B收到光脉冲时刻为止，接收机B的时钟信号计数。

本发明与背景技术相比具有如下优点：

1、本发明利用光学延迟技术对锁模光频梳输出脉冲进行时间编码，对光学链路的引入噪声较小，获得时间信号的精确比对。

2、本发明将共视法与所述光延迟编码技术相结合，可实现远端两个接收机的精确时间同步。

附图说明

图1是本发明实施例中时间同步装置的结构框图。

图2～6是本发明中不同实施例的原理示意图。

具体实施方式

下面将结合附图及具体实施方式对本发明的技术方案进行更加清楚、详细的描述，但本发明的保护范围并不局限于此。

如图1所示，一种基于锁模光频梳的共视法时间同步装置，其包括发射机、接收机A、接收机B。所述发射机包括标准信号源、光学锁相、光频梳、光学延迟和时间编码等功能模块；所述接收机A\B包括光电探测器A\B、时间比对和时钟A\B等功能模块；发射机和接收机之间通过光纤或自由空间等光传输路径传递信号。

具体的信号传递方式为：光频梳通过光学锁相模块锁定在标准信号源上，其输出光经光学延迟器、光传输模块分别到达光电探测器A\B；时间编码模块作用在光学延迟器上对光脉冲进行延迟编码；光电探测器A\B输出电信号和时钟A\B在时间比对模块进行时间比对，求出编码时间与接收机的钟差；接收机A和B之间进行信息交换后，求出时钟A和B之间的钟差，再分别对时钟A\B进行校准。

具体来说，发射机中的流程如下：

(1)利用光学锁相环技术将光频梳的输出重频锁定在标准频率源上：利用光电探测器探测光频梳的输出光重频，与标准信号源的频率比对，求出频差，然后反馈给频率梳，最后通过改变光频梳腔长使光频梳的输出重频精确锁定在标准频率源上。

(2)频率梳输出的超短脉冲通过光学延迟器进行编码：光频梳输出的梳状超短脉冲是严格等间距的，且占空比很低；在不同时刻延长或缩短光传输路程，可以控制特定某个脉冲的位置在时间域上左右移动，这为时间编码提供一种新的编码形式；通过时间编码器实时控制光学延迟器的光延迟量对光频梳输出脉冲进行编码。

(3)经光学延迟器后的激光分为两束，分别通过各自传输路径至接收机A和接收机B。

接收机中的流程如下：

(1)光电探测器A\B探测光脉冲携带的时间信息：光电探测器A\B探测发射机传输来的光信号，探测编码光脉冲的位置信息并解调出时间信息。

(2)时间比对模块求出发射机与时钟A\B的钟差：时间比对模块通过对光电探测器解除的时间电信号和本地时钟A\B的比对求出钟差。

(3)接收机A和B进行信息交互，获得接收机A和B之间的钟差，并根据需要对时钟A或B进行校准。

上述装置中，发射机中的标准信号源可以为高精度信号发生器、高稳定度晶体振荡器或原子钟等等；光学锁相模块可以采用光锁相环或利用注入锁定方法锁定光频梳输出重频；光频梳可以为锁模光纤激光器、锁模固体激光器、微环光频梳或其它类光频梳；光延迟器可以为基于光开关的延迟器、硅基集成类光延迟器或其它类光延迟器；接收机A\B中的光电探测器可以为光电倍增管、光电二极管、基于线性光学采样的光探测器或其它结构的平衡探测器；时间比对模块可以为基于混频、拍频、干涉或采样等信号比对器件；时钟可以为电子计数器或其它计数装置。

此外，上述装置中，发射机发出的光信号需要利用光分束装置分为两束或多束并分别传输至各接收机，传输介质为自由空间、真空、光纤等。

上述装置基于共视法进行时间同步，具体原理为：

设接收机A、B接收同一发射机在T_s时刻发出的单向光信号，其路径分别为L_A和L_B，时延分别为τ_A和τ_B；两地的时间间隔计数器分别以T_A和T_B时刻的本地脉冲信号为开门信号，以接收到的发射机信号为关门信号，则接收机A、B计数器的读数TIC_A和TIC_B分别为

TIC_A＝T_A-(T_S+τ_A)

TIC_B＝T_B-(T_S+τ_B)

则两站间通过交换数据即可得出两站的钟差：

T_A-T_B＝(TIC_A-TIC_B)+(τ_A-τ_B)

上述共视法时间同步方法不仅适用于两个接收机的情况，也适用于多个接收机的情况；若发射机的时钟作为标准时钟，单个接收机的情况同样适用，这时不需要接收机之间的信息交互，直接校正接收机时钟。

需要注意的是，共视法适用于两接收机能同时接收到同一发射机的情况，如果不能同时接收同一发射机，也可采用中继接力方式实现“共视”法时间同步。

此外，如果一个接收机同时接收到多个发射机信号，则不仅可以获得时间上的同步，还可以获得从发射机到达接收机的时间，进而获得发射机与接收机之间的绝对光程。

上述装置及方法可使星间传递精度和稳定度提升一个量级，随着飞秒光学频率梳技术的发展，研究表明有望使星间时频传递精度和稳定度再提升两个量级，展示出极大的潜力。

以下为更具体的例子：

实施例1：如图2所示，一种基于锁模光频梳的共视法时间同步装置，其发射机包括标准信号源、光学锁相环、光频梳、光学延迟模块和时间编码模块。标准信号源采用高精度原子钟，其作为整个时频传递的频率基准；光学锁相模块包括光电探测器PD1、滤波器、混频器1、控制器PID等，作用是将光频梳的输出重频与标准信号源一致；光频梳采用光纤锁模激光器，作用为提供信号传输载体；延迟器为基于集成硅基光子开关阵列光延迟器，作用为按照时间编码时序调节光脉冲的延迟时间；时钟1为高精度电子计数器配合时间编码器完成时间编码。

光传输路径包括分束器BS、耦合器1～4。分束器BS采用50:50光纤分数器，作用为将光束分为强度相等的两束；耦合器1～2采用商用光纤耦合输出器和输入器，作用为将光纤内光束扩束准直输出到自由空间传输，再将自用空间光束耦合输入到光纤中；耦合器3～4同理；完成发射机至接收机1～2之间的光束传输。

接收机1包括光电探测器PD2、混频器和时钟2。光电探测器PD2作用为将光信号转化为电信号，即将经时间编码的光脉冲时间光信号转化为时间电信号输出；混频器2作用为将发射机传递来的时间和本地时钟2进行时间比对求出钟差，具体的时间比对原理是本领域的公知常识，此处不再赘述。

接收机2的结构与接收机1相同。

时频信号传输过程为：光频梳通过光学锁相模块锁定在标准信号源上，其输出光光开关延迟器、光传输模块分别到达光电探测器PD2或PD3；时钟1和时间编码模块作用在光学延迟器上对光脉冲进行延迟编码；光电探测器PD1(PD2)输出电信号和接收机时钟1(接收机时钟2)在时间比对模块进行时间比对，求出编码时间与接收机1(接收机2)的钟差；接收机1和接收机2之间进行信息交互后，求出时钟1和2之间的钟差，根据需要分别对时钟1和时钟2进行校准。

共视法时间同步的具体过程为：设接收机A、B接收同一发射机在T_S时刻发出的单向光信号，其路径分别为L_A和L_B，时延分别为τ_A和τ_B；两地的时间间隔计数器分别以T_A和T_B时刻的本地脉冲信号为开门信号，以接收到的发射机信号为关门信号，则接收机A、B计数器的读数TIC_A和TIC_B分别为

TIC_A＝T_A-(T_S+τ_A)

TIC_B＝T_B-(T_S+τ_B)

则两站间通过交换数据即可得出两站的钟差：

T_A-T_B＝(TIC_A-TIC_B)+(τ_A-τ_B)

上述实施例为共视法时间传递的常规结构，即一个发射机对应两个接收机的情况。

实施例2：图3所示为另一时间同步装置的具体结构，其发射机结构、接收机结构和光传输路径与实施例1相同，区别在于本例只有一个接收机，此时，时间同步事实上变成了发射机与接收机时间同步过程。这时不需要接收机之间信息交互，而需要增加的限制条件为发射机与接收机之间的光程是已知的(时间延迟)。混频器完成时间比对得到钟差之后校准本地时钟2即可。该实施例与卫星共视法时间同步原理相同，在此不再详细说明。

实施例3：如图4所示，单个发射机发射的光信号同时发播至多个接收机，其中发射机结构、接收机结构和光传输过程与实施例1相同。该例可以实现多个接收机(A、B、C、D…)之间的时间同步。原理与实施例1相似，只需增加各个接收机之间的信息交互即可。该实施例与卫星共视法时间同步原理相同，在此不再详细说明。

实施例4：如图5所示，单个接收机接收多个发射机发播的光信号，其中发射机结构、接收机结构和光传输过程与实施例1相同。该例不仅可以获得发射机与接收机时间上的同步，还可以获得从发射机到达接收机的时间，进而获得发射机与接收机之间的绝对光程。该实施例与卫星导航定位原理相同，在此不再详细说明。

实施例5：如图6所示，发射机由于某些原因不能直接发播光信号至接收机B，则可采用中继的形式将光脉冲信号传播至接收机B，同时发播同一光信号至接收机B，以完成接收机A和接收机B的时间同步。该实施例与卫星共视法时间同步原理相同，在此不再详细说明。

本发明中的时间频率传递精度依赖于光频梳重频稳定度，有利于实现高精度时频传递。此外，对于光传输光钟，基于脉冲延迟的编码比脉冲强度调制的抗干扰能力更强。

总之，本发明采用基于锁模光频梳的共视法进行时间信号的传递，可以实现远距离高精度的时间同步。

以上所述仅为本发明在实施例中的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应该涵盖在本发明保护范围之内。

Claims (4)

1.一种基于锁模光频梳的共视法时间同步装置，其特征在于，包括发射机、接收机A和接收机B；所述发射机包括标准信号源、光学锁相环、光频梳、光学延迟器和时间编码模块；所述接收机A和接收机B均包括光电探测器、时间比对模块、时钟模块、计数器以及时钟校准模块；

发射机中：

标准信号源用于提供标准信号频率；

光频梳用于输出重频光脉冲，并根据光学锁相环反馈的频差改变腔长，从而使光频梳输出的重频光脉冲精确锁定在标准信号源上；

光学锁相环用于探测光频梳输出的重频光脉冲，并与标准信号源的频率进行比对，求出频差，然后反馈给光频梳；

时间编码模块用于控制光学延迟器进行延迟编码；

光学延迟器用于在时间编码模块的作用下对重频光脉冲进行延迟编码，编码后的光脉冲分别发送给接收机A和接收机B；

接收机A和接收机B中：

光电探测器用于接收发射机发来的光脉冲并输出电信号；

时钟模块用于输出时钟信号，提供本地时钟；

时间比对模块用于将本机光电探测器输出的电信号与本机的本地时钟进行时间比对，求出本地钟差，并将本机的本地钟差传递给另一个接收机的时钟校准模块；

计数器用于对本机时钟模块输出的时钟信号进行计数，并将本机计数开始时刻至本机收到光脉冲时刻之间的时钟信号计数发送给另一个接收机的时钟校准模块；

时钟校准模块用于接收对方接收机的本地钟差和时钟信号计数，并与本接收机的本地钟差和时钟信号计数进行比较，从而求出两接收机之间的钟差，完成本接收机与另一接收机的时间同步。

2.根据权利要求1所述的一种基于锁模光频梳的共视法时间同步装置，其特征在于，所述时钟校准模块求出两接收机之间的钟差的具体方式为：

T_A-T_B＝(TIC_A-TIC_B)+(τ_A-τ_B)

其中，T_A为接收机A的计数开始时刻，T_B为接收机B的计数开始时刻，T_A-T_B为接收机A和B之间的钟差，τ_A为接收机A的本地钟差，τ_B为接收机B的本地钟差；TIC_A为自T_A起，直至接收机A收到光脉冲时刻为止，接收机A的时钟信号计数；TIC_B为自T_B起，直至接收机B收到光脉冲时刻为止，接收机B的时钟信号计数。

3.一种基于锁模光频梳的共视法时间同步方法，其特征在于，包括以下步骤：

(1)在发射机中，利用光学锁相环探测光频梳输出的重频光脉冲，并与标准信号源的频率进行比对，求出频差，然后反馈给光频梳，光频梳改变腔长，从而使光频梳输出的重频光脉冲精确锁定在标准信号源上；

(2)对光频梳输出的光脉冲进行延迟编码，并将编码后的光脉冲分为两束，分别传输给接收机A和接收机B；

(3)接收机A和B分别通过各自的光电探测器探测编码后的光脉冲的位置信息，并解调出时间信息；同时，对本机计数开始时刻至本机收到光脉冲时刻之间的时钟信号进行计数；

(4)接收机A和B分别将本机解调出的时间信息与本机的时钟进行比对，求出发射机编码时间与本机时钟的钟差，即本地钟差；

(5)接收机A和B交互各自的本地钟差和时钟信号计数，并分别在本机上求出本机与对方接收机之间的钟差，从而与对方接收机进行时间同步。

4.根据权利要求3所述的一种基于锁模光频梳的共视法时间同步方法，其特征在于，步骤(5)中，在本机上求出本机与对方接收机之间的钟差的具体方式为：

T_A-T_B＝(TIC_A-TIC_B)+(τ_A-τ_B)

其中，T_A为接收机A的计数开始时刻，T_B为接收机B的计数开始时刻，T_A-T_B为接收机A和B之间的钟差，τ_A为接收机A的本地钟差，τ_B为接收机B的本地钟差；TIC_A为自T_A起，直至接收机A收到光脉冲时刻为止，接收机A的时钟信号计数；TIC_B为自T_B起，直至接收机B收到光脉冲时刻为止，接收机B的时钟信号计数。

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