CN113300778A - 一种基于光程补偿器的自由空间频率传递系统及方法 - Google Patents

一种基于光程补偿器的自由空间频率传递系统及方法 Download PDF

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Abstract

一种基于光程补偿器的自由空间频率传递系统，包括发射端和接收端，所述发射端中设置有频率源，将射频信号通过幅度调制的方式加载到连续激光上的光载射频模块，实现光载波的传递的光路传播模块，接收接收端反馈的光信号获取相位差然后输出信号控制光程补偿器运行的数字PI控制模块，由数字PI控制模块控制从而实现光程改变的光程补偿器；所述接收端中设置有检测光路的第一光电探测器；所述频率源依次通过光载射频模块、光路传播模块连接到光程补偿器，所述数字PI控制模块分别和光载射频模块、光程补偿器连接。本方案实现频率同步的方法和发射端与接收端的距离无关，在发射端和接收端的距离较远时，也能很好的实现频率同步。

Description

一种基于光程补偿器的自由空间频率传递系统及方法
技术领域
本发明涉及频率同步领域，特别涉及一种基于光程补偿器的自由空间频率传递系统。
背景技术
频率同步技术在现代科学与工程领域中有着十分重要的作用，其目的是使一定距离的两个点或者多个点的基准信号源达到一致，进而实现两点或多点之间的高精度相位同步。频率同步技术在天文观测、通信、遥测、雷达等领域都有着广泛的应用。目前常用的频率同步方式主要是卫星导航系统(GPS、北斗等)和光纤频率同步技术，但是卫星导航系统同步技术使用的是空间微波信道，微波信道由于很容易被大气湍流和温度变化影响，所以该方法的频率传输精度被严重限制。同时，尽管光纤频率传递拥有很好的精度且得到了较广泛的应用，但由于光纤频率传递过于依赖光纤链路，想要普遍的应用仍存在障碍，鉴于此，不依赖光纤链路的自由空间激光频率同步技术成为实现高精度频率同步的另一种有效且高效的方法。自由空间激光频率同步方式具有信道结构简单和移动性高的优秀特点，自由空间同步链路通常只要求在视距内的直线通信传输，比起光纤频率传递，少了构建专门的物理信道，因此近十年来该技术取得了突飞猛进的发展。
但是，现有自由空间激光频率同步技术精度较低，传输距离也比较短。
发明内容
本发明的目的在于：提供了一种基于光程补偿器的自由空间频率传递系统，并基于该系统提出一种基于光程补偿器的自由空间频率传递方法，实现了发射端和接收端频率信号的同步，并且在发射端和接收端的距离较远时，也能很好的实现了频率同步，解决了上述问题。
本发明采用的技术方案如下：
一种基于光程补偿器的自由空间频率传递系统，包括发射端和接收端，所述发射端中设置有频率源，将射频信号通过幅度调制的方式加载到连续激光上的光载射频模块，实现光载波的传递的光路传播模块，接收接收端反馈的光信号获取相位差然后输出信号控制光程补偿器运行的数字PI控制模块，由数字PI控制模块控制从而实现光程改变的光程补偿器；所述接收端中设置有检测光路的第一光电探测器；
所述频率源依次通过光载射频模块、光路传播模块连接到光程补偿器，所述数字PI控制模块分别和光载射频模块、光程补偿器连接。
为了更好地实现本方案，进一步地，所述光路传播模块包括依次设置的半波片、分束镜、四分之一波片和两块反射镜。
为了更好地实现本方案，进一步地，所述光程补偿器包括压电陶瓷和移动平台，所述压电陶瓷设置在移动平台上，压电陶瓷连接两块反射镜以控制两块反射镜之间的距离和两块反射镜的角度。
为了更好地实现本方案，进一步地，所述数字PI控制模块包括接收接收端反馈的光信号的第二光电探测器，获得相位差信号的鉴相器和以鉴相器获取的相位差信号作为输入同时输出控制光程补偿器的控制信号的数字PI控制器。
一种基于光程补偿器的自由空间频率传递方法，基于上述任一项所述的自由空间频率传递系统，所述频率源产生的射频信号通过光载射频模块加载到连续激光上形成光载波，然后通过光路传播模块后发射给接收端，接收端的第一光电探测器在接收到光载波后将光载波反馈回发射端，发射端的数字PI控制模块在接收到到接收端反馈的光载波后，数字PI控制模块根据获取的反馈回来的光载波的相位差通过光程补偿器控制光路传播模块进而控制光载波的相位。
为了更好地实现本方案，进一步地，数字PI控制模块连接光程补偿器的移动平台，控制连接两块反射镜的压电陶瓷之间的距离和角度，进而控制光路传播模块的两块反射镜之间的距离和两块反射镜的角度，最终控制光载波的相位。
为了更好地实现本方案，进一步地，光程补偿器引入光载波的相移
Figure BDA0003081354160000021
和发射端与接收端之间的空间环境波动带来的附加相位
Figure BDA0003081354160000022
相加为0。
本方案的工作原理为：在发射端利用幅度调制的方式将射频信号加载到连续激光上形成光载波，光载波依次经过半波片、分束镜、四分之一波片和反射镜之后进入光程补偿器，通过光程补偿器后光束被发送到自由空间，这里光束发射到自由空间前通常还会设置扩束镜。经过接收端沿原路返回的一路光载波反向依次经过反射镜、四分之一波片后，在分束镜中被分束，进入第二光电探测器，第二光电探测器接收到后，送入鉴相器进行鉴相测量，得到相位误差信号后被采集送入数字PI控制器中，这里相位误差信号一般会首先被送入上位机，通过上位机计算后下发控制信号到数字PI控制器，实现数字PI控制，数字PI控制器驱动压电陶瓷和移动平台。通过移动平台和压电陶瓷的协同运动，通过光程的改变实现了主动光程相位补偿。
综上所述，由于采用了上述技术方案，本发明的有益效果是：
1.本发明所述的一种基于光程补偿器的自由空间频率传递系统，并基于该系统提出一种基于光程补偿器的自由空间频率传递方法，实现频率同步的方法和发射端与接收端的距离无关，在发射端和接收端的距离较远时，也能很好的实现频率同步；
2.本发明所述的一种基于光程补偿器的自由空间频率传递系统，并基于该系统提出一种基于光程补偿器的自由空间频率传递方法，实现频率同步的方法和发射端与接收端的距离无关，在发射端和接收端的距离较远时，也能很好的实现频率同步；。
附图说明
为了更清楚地说明本技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，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相关的附图，其中：
图1是本发明的系统结构示意图。
具体实施方式
为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，应当理解，所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例，因此不应被看作是对保护范围的限定。基于本发明中的实施例，本领域普通技术工作人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“设置”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；也可以是直接相连，也可以是通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
下面结合图1对本发明作详细说明。
实施例1：
一种基于光程补偿器的自由空间频率传递系统，如图1，包括发射端和接收端，所述发射端中设置有频率源，将射频信号通过幅度调制的方式加载到连续激光上的光载射频模块，实现光载波的传递的光路传播模块，接收接收端反馈的光信号获取相位差然后输出信号控制光程补偿器运行的数字PI控制模块，由数字PI控制模块控制从而实现光程改变的光程补偿器；所述接收端中设置有检测光路的第一光电探测器；
所述频率源依次通过光载射频模块、光路传播模块连接到光程补偿器，所述数字PI控制模块分别和光载射频模块、光程补偿器连接。
工作原理：在发射端利用幅度调制的方式将射频信号加载到连续激光上形成光载波，光载波依次经过半波片、分束镜、四分之一波片和反射镜之后进入光程补偿器，通过光程补偿器后光束被发送到自由空间，这里光束发射到自由空间前通常还会设置扩束镜。经过接收端沿原路返回的一路光载波反向依次经过反射镜、四分之一波片后，在分束镜中被分束，进入第二光电探测器，第二光电探测器接收到后，送入鉴相器进行鉴相测量，得到相位误差信号后被采集送入数字PI控制器中，这里相位误差信号一般会首先被送入上位机，通过上位机计算后下发控制信号到数字PI控制器，实现数字PI控制，数字PI控制器驱动压电陶瓷和移动平台。通过移动平台和压电陶瓷的协同运动，通过光程的改变实现了主动光程相位补偿。
实施例2：
本实施例在实施例1的基础上，所述光路传播模块包括依次设置的半波片、分束镜、四分之一波片和两块反射镜。
所述光程补偿器包括压电陶瓷和移动平台，所述压电陶瓷设置在移动平台上，压电陶瓷连接两块反射镜以控制两块反射镜之间的距离和两块反射镜的角度。
所述数字PI控制模块包括接收接收端反馈的光信号的第二光电探测器，获得相位差信号的鉴相器和以鉴相器获取的相位差信号作为输入同时输出控制光程补偿器的控制信号的数字PI控制器。
工作原理：在发射端利用幅度调制的方式将射频信号加载到连续激光上形成光载波，光载波依次经过半波片、分束镜、四分之一波片和反射镜之后进入光程补偿器，通过光程补偿器后光束被发送到自由空间，这里光束发射到自由空间前通常还会设置扩束镜。经过接收端沿原路返回的一路光载波反向依次经过反射镜、四分之一波片后，在分束镜中被分束，进入第二光电探测器，第二光电探测器接收到后，送入鉴相器进行鉴相测量，得到相位误差信号后被采集送入数字PI控制器中，这里相位误差信号一般会首先被送入上位机，通过上位机计算后下发控制信号到数字PI控制器，实现数字PI控制，数字PI控制器驱动压电陶瓷和移动平台。通过移动平台和压电陶瓷的协同运动，通过光程的改变实现了主动光程相位补偿。
另外，本方案利用电机驱动的移动平台与压电陶瓷的协同运动实现光程的改变继而达到相位补偿的目的。压电陶瓷在驱动器控制的情况下，会产生压电效应与电致伸缩效应。即在外加电场时，压电陶瓷产生了感应极化作用从而产生了机械上的应变，这个应变的方向是与电场的方向有关的，而应变的大小也是与电场的大小成正比。我们正是使用压电陶瓷的逆压电效应，可以实现快速的相位调节，但是压电陶瓷的调节范围有限，需要一个调节范围较大的移动平台协同运动。利用串口通信直接控制移动平台的运动。并且移动平台的调节速度比较慢，范围比较大，而压电陶瓷的形变速度快，调节范围小。将压电陶瓷安装在移动平台的上方，通过数字PI控制实现两者的协同运动。运动控制改变光程，利用光程与相位之间的转换关系，产生一个同频率传递过程中产生的相位误差的一个相反值，实现了频率发射端和接受端频率同步的目的。
实施例3：
一种基于光程补偿器的自由空间频率传递方法，基于上述实施例1或2所述的自由空间频率传递系统，所述频率源产生的射频信号通过光载射频模块加载到连续激光上形成光载波，然后通过光路传播模块后发射给接收端，接收端的第一光电探测器在接收到光载波后将光载波反馈回发射端，发射端的数字PI控制模块在接收到到接收端反馈的光载波后，数字PI控制模块根据获取的反馈回来的光载波的相位差通过光程补偿器控制光路传播模块进而控制光载波的相位。
实施例4：
本实施例是实施例3的进一步补充，数字PI控制模块连接光程补偿器的移动平台，控制连接两块反射镜的压电陶瓷之间的距离和角度，进而控制光路传播模块的两块反射镜之间的距离和两块反射镜的角度，最终控制光载波的相位。光程补偿器引入光载波的相移
Figure BDA0003081354160000051
和发射端与接收端之间的空间环境波动带来的附加相位
Figure BDA0003081354160000052
相加为0。
工作原理：假设频率源产生信号的初始相位为
Figure BDA0003081354160000053
随后将这个信号调制到连续激光上，调制后的激光通过四分之一波片、分束器，最后送入到光程补偿器连接的两块反射镜，光程补偿器通过光程的调整引入了的相移
Figure BDA0003081354160000054
那么在发射端和接收端之间的自由空间传输前光载波信号的相位为
Figure BDA0003081354160000055
假设自由空间链路给光载波信号引入了相位噪声的相位为
Figure BDA0003081354160000056
则在接收端的第一光学探测器恢复出的频率信号的相位为
Figure BDA0003081354160000057
与此同时，在接收端返回回到发射端的光载波，由于经过相同的大气链路，所以返回的路径又引入了相同的相位噪声，此时激光信号的相位为
Figure BDA0003081354160000058
随后激光又进入到了光程补偿器中，又叠加了
Figure BDA0003081354160000059
的相位移动，所以第二光学探测器进行光电转换后得到频率信号的相位为
Figure BDA00030813541600000510
再送入到鉴相器中与信号源产生的初始信号进行鉴相，得到了误差信号为
Figure BDA00030813541600000511
通过光程补偿器对相位进行补偿，即使得
Figure BDA00030813541600000512
即保证光程补偿器调整后光载波的相移
Figure BDA00030813541600000513
和发射端与接收端之间的空间带来的相位
Figure BDA00030813541600000514
相加为0，这样就实现了发射端和接收端频率的同步。
本实施例的其他部分与上述实施例3相同，故不再赘述。
以上所述，仅是本发明的较佳实施例，并非对本发明做任何形式上的限制，凡是依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化，均落入本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种基于光程补偿器的自由空间频率传递系统，其特征在于：包括发射端和接收端，所述发射端中设置有频率源，将射频信号通过幅度调制的方式加载到连续激光上的光载射频模块，实现光载波的传递的光路传播模块，接收接收端反馈的光信号获取相位差然后输出信号控制光程补偿器运行的数字PI控制模块，由数字PI控制模块控制从而实现光程改变的光程补偿器；所述接收端中设置有检测光路的第一光电探测器；
所述频率源依次通过光载射频模块、光路传播模块连接到光程补偿器，所述数字PI控制模块分别和光载射频模块、光程补偿器连接。
2.根据权利要求1所述的一种基于光程补偿器的自由空间频率传递系统，其特征在于：所述光路传播模块包括依次设置的半波片、分束镜、四分之一波片和两块反射镜。
3.根据权利要求2所述的一种基于光程补偿器的自由空间频率传递系统，其特征在于：所述光程补偿器包括压电陶瓷和移动平台，所述压电陶瓷设置在移动平台上，压电陶瓷连接两块反射镜以控制两块反射镜之间的距离和两块反射镜的角度。
4.根据权利要求1所述的一种基于光程补偿器的自由空间频率传递系统，其特征在于：所述数字PI控制模块包括接收接收端反馈的光信号的第二光电探测器，获得相位差信号的鉴相器和以鉴相器获取的相位差信号作为输入同时输出控制光程补偿器的控制信号的数字PI控制器。
5.一种基于光程补偿器的自由空间频率传递方法，其特征在于：基于权利要求1-4中任一项所述的自由空间频率传递系统，所述频率源产生的射频信号通过光载射频模块加载到连续激光上形成光载波，然后通过光路传播模块后发射给接收端，接收端的第一光电探测器在接收到光载波后将光载波反馈回发射端，发射端的数字PI控制模块在接收到到接收端反馈的光载波后，数字PI控制模块根据获取的反馈回来的光载波的相位差通过光程补偿器控制光路传播模块进而控制光载波的相位。
6.根据权利要求5所述的一种基于光程补偿器的自由空间频率传递方法，其特征在于：数字PI控制模块连接光程补偿器的移动平台，控制连接两块反射镜的压电陶瓷之间的距离和角度，进而控制光路传播模块的两块反射镜之间的距离和两块反射镜的角度，最终控制光载波的相位。
7.根据权利要求5所述的一种基于光程补偿器的自由空间频率传递方法，其特征在于：光程补偿器引入光载波的相移
Figure FDA0003081354150000011
和发射端与接收端之间的空间环境波动带来的附加相位
Figure FDA0003081354150000012
相加为0。
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