CN113541818A - 一种基于主动相位补偿的水下频率传递方法及系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于主动相位补偿的水下频率传递方法及系统，所述系统包括接收端、发送端，所述接收端、发送端分别设置有频率源和与频率源输出端连接的激光器，所述接收端设置有反射镜和激光输出通道，所述接收端设置有相位补偿模块。所述相位补偿模块用于将频率信号V₃与频率信号V₄进行频率混频并滤出低频信号V₅，且将频率信号V₅与频率信号V₂混频后得到误差信号V₆，将误差信号V₆通过锁相环反馈控制接收端的频率源的相位。本发明利用主动相位补偿技术解决了相位抖动问题，同时解决了现有频率传递技术无法同时向多个接收站点进行频率传递的问题，具有较好的实用性。

Description

一种基于主动相位补偿的水下频率传递方法及系统

技术领域

本发明属于水下光通信及时间同步的技术领域，具体涉及一种基于主动相位补偿的水下频率传递方法及系统。

背景技术

发现和利用海洋中的各种资源是新世纪人类最重要的发展战略之一，随之诞生的水下通信技术也引起了科研人员的广泛关注。长期以来，水下通信技术广泛应用于水下传感器网络建设、水下观测系统等领域。传统的水下通信系统需要架设光纤链路来形成通信信道，这使得它只适用于固定目标间的通信任务，其灵活性不高、成本无法很好的控制。因此，发展起来的水下无线通信技术成为不远将来构建水下通信系统的主流技术。

水下无线通信系统在进行信号编解码、延迟估计时离不开高精度时间频率信号的辅助。而高精度的时间基准往往是在高稳定度、低漂移的频率基准信号上建立起来的。因此，高精度水下频率传递对于水下无线通信系统具有重要意义。水下频率传递系统给中水下无线通信系统的各个节点提供统一的频率基准信号，为水下导航、水下传感和潜水同步提供强大的技术支撑。目前，基于自由时空频率传递技术衍生出的水下时间频率传递技术共有三大技术分支：微波频率传递技术、水声频率传递技术和水下激光频率传递技术。

由于水中极性分子的受迫振动会造成微波能量的急剧减小，且衰减程度是与频率相关的，频率越高衰减越大，其传递距离在数米量级(王硕,高明生,徐宁.能量最佳分簇水下声传感器网络时钟同步研究[J].计算机技术与发展,2017,27(12):144-147+152.)。因此，微波频率传递技术在水下应用较少。声波频率很低，在水中能传递数百米，早期的水声通信均以声波为传递媒介。但它也有许多缺点，例如，时间多径效应严重(焦瑜呈.海水中电磁波特性的分析与研究[J].舰船电子工程,2018,38(08):176-179)，当传递距离大于水体深度时，源自同一声波束经不同路径传递的子声波会因路径长度不同而引起时延和脉冲展宽，即多径效应。同时，也会受到多普勒效应和起伏效应的影响，使接受到的声波强度产生随机起伏，严重影响系统的性能。

在基于激光的水下频率传递技术的研究中，科研人员使用蓝绿波段连续激光并结合电学相位补偿技术，实现了5米水下链路上的高精度频率传递(Dong Hou,Qingsong Bai,Guangkun Guo,Danian Zhang,Fuyu Sun.Highly-stable laser-based underwaterradio-frequency transfer with electronic phase compensation.OpticsCommunications,452,(2019):247–251)。该方案存在的问题是两个移相器之间的残余定时抖动和传递的微波低端频率限制了相位补偿的分辨率，从而导致均方根定时抖动不会小于在皮秒级。另外，该传递系统相位补偿功能在发送端实现，即一个传递通道需要一个相位补偿模块。当需要向多个接收站点进行频率传递时，发送端的结构将会非常复杂，成本和占用空间将会急剧增加。由于激光功率及其相干性的限制，尚不能达到声波所能传递的距离，当然，随着未来超大功率、衍射极限激光源的引入，水下频率传递将会展现出极大优势。

现有技术公开了一种基于光学相位补偿技术的水下频率传递系统(DongHou.Laser-based underwater frequency transfer with sub-picosecond timingfluctuation using optical phase compensation.Optics Express,2020,28(22):33298-33306)，该方案可在数米传递距离内达到亚皮秒的定时抖动，频率稳定度也较高。缺点是光学延迟线由机械结构形成，相位补偿速度较慢，对于高频定时抖动无法补偿。另外，该传递系统相位补偿功能在发送端实现，即一个传递通道需要一个相位补偿模块。当需要向多个接收站点进行频率传递时，发送端的结构将会非常复杂，成本和占用空间将会急剧增加。

发明内容

本发明的目的在于提供一种基于主动相位补偿的水下频率传递方法及系统，旨在解决上述问题。本发明可以使用大功率的520nm连续激光及相关光学元件构建水下传递链路，并且在接收站点采用主动相位补偿技术来补偿相位波动，实现高稳定度与长距离的频率传递。所述发送端支持传递通道扩展，可支持同时面向多个接收站点进行频率传递，具体较好的实用性。

本发明主要通过以下技术方案实现：

一种基于主动相位补偿的水下频率传递方法，包括以下步骤：

步骤S100：发送端的频率源发送频率信号V₁，并经过水下链路后发送至接收端，被接收端的探测部探测得到频率信号V₄；

步骤S200：接收端的频率源发送频率信号V₂，经水下链路到达发送端，并在发送端的反射镜的反射后，再次经水下链路回到接收端，且与空间链路分离后被接收端的探测部探测得到频率信号V₃；

步骤S300：将频率信号V₃与频率信号V₄进行频率混频并滤出其中的低频信号V₅，将频率信号V₅与频率信号V₂混频后得到近直流误差信号V₆，将误差信号V₆通过锁相环反馈控制接收端的频率源的相位。

为了更好地实现本发明，进一步地，所述步骤S200中所述接收端的频率源发送频率信号V₂，经过偏振分束器后，调制光束经水下链路到达发送端并在反射镜的反射后再次经水下链路回到接收端的偏振分束器，然后被探测部探测得到频率信号V₃。

为了更好地实现本发明，进一步地，频率信号V₁表示为：

其中f₁是发送端的频率，

是发送端的初始相位；

频率信号V₂表示为：

其中f₂是接收端的频率，

是接收端的初始相移；

频率信号V₃表示为：

其中

是频率信号V₂由于水下链路引起的相位波动；

频率信号V₄表示为：

其中

是频率信号V₁由于水下链路引起的相位波动；在f₁＝2f₂的前提下，V₁的单向累积相位波动与V₂的往返相位波动相同，即

频率信号V₅表示为：

频率信号V₆表示为：

因为载频一致，则频率信号V₆写为

当锁相环紧密锁定时，接收端的频率源锁相到发送端的频率源，即

为了更好地实现本发明，进一步地，所述接收端设置有若干个，所述发送端对应设置有若干个扩展传递通道，所述扩展传递通道包括反射镜和激光输出通道；发送端发送的频率信号V₁经过激光输出通道发送至接收端的探测部并得到频率信号V₄。

本发明在接收端利用主动相位补偿技术消除定时抖动，在发送端通过光耦合器和反射镜构建扩展传递通道。一个发射端由几个可扩展的传递信道组成，因此它允许同时向多个接收站点传递频率信号。所有接收端的结构都是相同的，扩展的传递通道需要改变的是在接收端的相应位置增加一个反射镜和一个激光输出通道。因此，所提出的方案便于将来新的客户端站点的接入。显然，可扩展通道的数量取决于发送端的激光功率。

本发明主要通过以下技术方案实现：

一种基于主动相位补偿的水下频率传递系统，包括接收端、发送端，所述接收端、发送端分别设置有频率源和与频率源输出端连接的激光器，所述接收端设置有反射镜和激光输出通道，所述接收端设置有相位补偿模块；所述接收端的频率源用于发送频率信号V₁，且经过水下链路发送到相位补偿模块得到频率信号V₄；所述接收端的频率源用于发送频率信号V₂，且经水下链路到达发送端并在反射镜的反射后经水下链路回到接收端的相位补偿模块得到频率信号V₃；所述相位补偿模块用于将频率信号V₃与频率信号V₄进行频率混频并滤出其低频信号V₅，且将频率信号V₅与频率信号V₂混频后得到误差信号V₆，将误差信号V₆通过锁相环反馈控制接收端的频率源的相位。

为了更好地实现本发明，进一步地，所述相位补偿模块包括从前至后依次连接的探测部、第一混频器、第二混频器、锁相环，所述锁相环的输出端与接收端的频率源连接，所述接收端的激光器的输出端对应反射镜设置有偏振分束器，所述探测部用于探测激光输出通道以及偏振分束器输出的频率信号，并输入到第一混频器进行混频，所述第二混频器的输入端分别与第一混频器、频率源的输出端连接。

为了更好地实现本发明，进一步地，所述探测部包括并列设置的第一探测器、第二探测器，所述第一探测器、第二探测器分别与第一混频器连接，所述第一探测器、第二探测器分别对应偏振分束器、激光输出通道设置。

为了更好地实现本发明，进一步地，当锁相环紧密锁定时，接收端的频率源锁相到发送端的频率源，接收端的频率源的初始相移是发送端的频率源的初始相位的一半。

本发明巧妙地将相位补偿模块构建在接收端，极大地降低了发送端的复杂度。同时，本发明所提出的技术方案支持同时面向多个接受站点进行频率传递，这对于一些复杂频率传递网络，如星形频率传递网络，具有重大意义。本发明所提出的技术方案有望极大降低发送端复杂度，极大提升复杂网络的频率传递效率。

本发明的有益效果：

(1)本发明利用主动相位补偿技术在接收端消除定时抖动，在发送端通过光耦合器和反射镜构建扩展传递通道。本发明利用主动相位补偿技术解决了相位抖动问题，同时解决了现有频率传递技术无法同时向多个接收站点进行频率传递的问题，具有较好的实用性；

(2)本发明巧妙地将相位补偿模块构建在接收端，极大地降低了发送端的复杂度，这对于对系统复杂度、成本、体积有严格限制的应用具有重要意义；所述相位补偿模块由光电探测器、混频器、锁相环等组成，结构简单，成本低廉，这对于大规模频率传递网络具有重要应用价值；

(3)本发明所提出的技术方案支持同时面向多个接受站点进行频率传递，解决了常规频率传递技术方案难以向多个接收站点同时进行频率传递的问题，这对于一些复杂频率传递网络，如星形频率传递网络，具有重大意义。

附图说明

图1为本发明的结构示意图。

具体实施方式

实施例1：

一种基于主动相位补偿的水下频率传递方法，如图1所示，包括以下步骤：

步骤S100：发送端的频率源发送频率信号V₁，并经过水下链路后发送至接收端，被接收端的探测部探测得到频率信号V₄；

步骤S200：接收端的频率源发送频率信号V₂，经水下链路到达发送端，并在发送端的反射镜的反射后，再次经水下链路回到接收端，且与空间链路分离后被接收端的探测部探测得到频率信号V₃；

步骤S300：将频率信号V₃与频率信号V₄进行频率混频并滤出其中的低频信号V₅，将频率信号V₅与频率信号V₂混频后得到近直流误差信号V₆，将误差信号V₆通过锁相环反馈控制接收端的频率源的相位。

本发明巧妙地将相位补偿模块构建在接收端，极大地降低了发送端的复杂度。同时，本发明所提出的技术方案支持同时面向多个接受站点进行频率传递，这对于一些复杂频率传递网络，如星形频率传递网络，具有重大意义。本发明所提出的技术方案有望极大降低发送端复杂度，极大提升复杂网络的频率传递效率。

实施例2：

本实施例是在实施例1的基础上进行优化，所述步骤S200中所述接收端的频率源发送频率信号V₂，经过偏振分束器后，调制光束经水下链路到达发送端并在反射镜的反射后再次经水下链路回到接收端的偏振分束器，然后被探测部探测得到频率信号V₃。

进一步地，频率信号V₁表示为：

其中f₁是发送端的频率，

是发送端的初始相位；

频率信号V₂表示为：

其中f₂是接收端的频率，

是接收端的初始相移；

频率信号V₃表示为：

其中

是频率信号V₂由于水下链路引起的相位波动；

频率信号V₄表示为：

其中

是频率信号V₁由于水下链路引起的相位波动；在f₁＝2f₂的前提下，V₁的单向累积相位波动与V₂的往返相位波动相同，即

频率信号V₅表示为：

频率信号V₆表示为：

因为载频一致，则频率信号V₆写为

当锁相环紧密锁定时，接收端的频率源锁相到发送端的频率源，即

本发明巧妙地将相位补偿模块构建在接收端，极大地降低了发送端的复杂度。同时，本发明所提出的技术方案支持同时面向多个接受站点进行频率传递，这对于一些复杂频率传递网络，如星形频率传递网络，具有重大意义。本发明所提出的技术方案有望极大降低发送端复杂度，极大提升复杂网络的频率传递效率。

本实施例的其他部分与实施例1相同，故不再赘述。

实施例3：

本实施例是在实施例1或2的基础上进行优化，如图1所示，所述接收端设置有若干个，所述发送端对应设置有若干个扩展传递通道，所述扩展传递通道包括反射镜和激光输出通道；发送端发送的频率信号V₁经过激光输出通道发送至接收端的探测部并得到频率信号V₄。

本发明所提出的技术方案支持同时面向多个接受站点进行频率传递，解决了常规频率传递技术方案难以向多个接收站点同时进行频率传递的问题，这对于一些复杂频率传递网络，如星形频率传递网络，具有重大意义。

本实施例的其他部分与上述实施例1或2相同，故不再赘述。

实施例4：

一种基于主动相位补偿的水下频率传递方法，如图1所示，包括发送端和若干个接收端，所述发送端对应接收端设置有若干个传递通道，所述传递通道包括反射镜、激光输出通道。

在接收端，发送端的频率源产生的频率信号V₁可以表示为：

其中f₁是频率，

是初始相位。V₁用于调制发送端的激光器的幅度，然后输出的激光束被光耦合器分成几束相等的光束。接下来，光束通过水下链路传递到接收端。在接收端，另一个接收端的频率源产生频率信号V₂，用于调制接收端的激光器的幅度，V₂可以表示为：

其中f₂是频率，

是初始相移。经过偏振分束器后，调制光束传递到发送端并被反射镜反射回到接收端。因此，该光束两次通过同一水下链路。返回的光束由偏振分束器与空间链路分离，然后由第一探测器探测。转换后的电信号V₃由下式给出：

其中

是信号V₂由于水下链路引起的相位波动。来自发送端的传递光束由第二探测器探测，转换后的电信号V₄由下式给出：

其中

是信号V₁由于水下链路引起的相位波动。在f₁＝2f₂的前提下，V₁的单向累积相位波动与V₂的往返相位波动相同，即

通过第一混频器对V₃和V₄进行频率混频，滤出高频信号，得到频率信号V₅由下式给出：

然后，用第二混频器将V₅与V₂进行混频，产生的直流信号可以表示为：

因为载频一致，V₆可以写为：

作为误差信号，V₆通过锁相环反馈控制接收端的频率源的相位。当锁相环紧密锁定时，接收端的频率源锁相到发送端的发送端的频率源，即

自然地，来发送端的频率源的高稳频率信号可以在接收端处恢复。通常，发送端的频率源是锁定在原子钟上的，因此高稳原子频标被传递到了接收端。其他传递通道的结构和工作原理与上述传递通道的完全一致。

本发明旨在利用主动相位补偿技术解决相位抖动问题，以及解决现有频率传递技术无法同时向多个接收站点进行频率传递的问题。本发明利用主动相位补偿技术在接收端消除定时抖动，在发送端通过光耦合器和反射镜构建扩展传递通道。一个发射端由几个可扩展的传递信道组成，因此它允许同时向多个接收站点传递频率信号。所有接收端的结构都是相同的，扩展的传递通道需要改变的是在接收端的相应位置增加一个反射镜和一个激光输出通道。因此，所提出的方案便于将来新的客户端站点的接入。显然，可扩展通道的数量取决于发送端的激光功率。

本发明巧妙地将相位补偿模块构建在接收端，极大地降低了发送端的复杂度。同时，本发明所提出的技术方案支持同时面向多个接受站点进行频率传递，这对于一些复杂频率传递网络，如星形频率传递网络，具有重大意义。本发明所提出的技术方案有望极大降低发送端复杂度，极大提升复杂网络的频率传递效率。

实施例5：

一种基于主动相位补偿的水下频率传递系统，如图1所示，包括接收端、发送端，所述接收端、发送端分别设置有频率源和与频率源输出端连接的激光器，所述接收端设置有反射镜和激光输出通道，所述接收端设置有相位补偿模块；所述接收端的频率源用于发送频率信号V₁，且经过水下链路发送到相位补偿模块得到频率信号V₄；所述接收端的频率源用于发送频率信号V₂，且经水下链路到达发送端并在反射镜的反射后经水下链路回到接收端的相位补偿模块得到频率信号V₃；所述相位补偿模块用于将频率信号V₃与频率信号V4进行频率混频并滤出低频信号V₅，且将频率信号V₅与频率信号V₂混频后得到误差信号V₆，将误差信号V₆通过锁相环反馈控制接收端的频率源的相位。

进一步地，所述相位补偿模块包括从前至后依次连接的探测部、第一混频器、第二混频器、锁相环，所述锁相环的输出端与接收端的频率源连接，所述接收端的激光器的输出端对应反射镜设置有偏振分束器，所述探测部用于探测激光输出通道以及偏振分束器输出的频率信号，并输入到第一混频器进行混频，所述第二混频器的输入端分别与第一混频器、频率源的输出端连接。

进一步地，所述探测部包括并列设置的第一探测器、第二探测器，所述第一探测器、第二探测器分别与第一混频器连接，所述第一探测器、第二探测器分别对应偏振分束器、激光输出通道设置。

本发明巧妙地将相位补偿模块构建在接收端，极大地降低了发送端的复杂度。同时，本发明所提出的技术方案支持同时面向多个接受站点进行频率传递，这对于一些复杂频率传递网络，如星形频率传递网络，具有重大意义。本发明所提出的技术方案有望极大降低发送端复杂度，极大提升复杂网络的频率传递效率。

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 (8)

1.一种基于主动相位补偿的水下频率传递方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤S100：发送端的频率源发送频率信号V₁，并经过水下链路后发送至接收端，被接收端的探测部探测得到频率信号V₄；

步骤S200：接收端的频率源发送频率信号V₂，经水下链路到达发送端，并在发送端的反射镜的反射后，再次经水下链路回到接收端，且与空间链路分离后被接收端的探测部探测得到频率信号V₃；

步骤S300：将频率信号V₃与频率信号V₄进行频率混频并滤出其中的低频信号V₅，将频率信号V₅与频率信号V₂混频后得到近直流误差信号V₆，将误差信号V₆通过锁相环反馈控制接收端的频率源的相位。

2.根据权利要求1所述的一种基于主动相位补偿的水下频率传递方法，其特征在于，所述步骤S200中所述接收端的频率源发送频率信号V₂，经过偏振分束器后，调制光束经水下链路到达发送端并在反射镜的反射后再次经水下链路回到接收端的偏振分束器，然后被探测部探测得到频率信号V₃。

3.根据权利要求2所述的一种基于主动相位补偿的水下频率传递方法，其特征在于，频率信号V₁表示为：

其中f₁是发送端的频率，

是发送端的初始相位；

频率信号V₂表示为：

其中f₂是接收端的频率，

是接收端的初始相移；

频率信号V₃表示为：

其中

是频率信号V₂由于水下链路引起的相位波动；

频率信号V₄表示为：

其中

是频率信号V₁由于水下链路引起的相位波动；在f₁＝2f₂的前提下，V₁的单向累积相位波动与V₂的往返相位波动相同，即

频率信号V₅表示为：

频率信号V₆表示为：

因为载频一致，则频率信号V₆写为

当锁相环紧密锁定时，接收端的频率源锁相到发送端的频率源，即

4.根据权利要求1-3任一项所述的一种基于主动相位补偿的水下频率传递方法，其特征在于，所述接收端设置有若干个，所述发送端对应设置有若干个扩展传递通道，所述扩展传递通道包括反射镜和激光输出通道；发送端发送的频率信号V₁经过激光输出通道发送至接收端的探测部并得到频率信号V₄。

5.一种基于主动相位补偿的水下频率传递系统，其特征在于，包括接收端、发送端，所述接收端、发送端分别设置有频率源和与频率源输出端连接的激光器，所述接收端设置有反射镜和激光输出通道，所述接收端设置有相位补偿模块；所述接收端的频率源用于发送频率信号V₁，且经过水下链路发送到相位补偿模块得到频率信号V₄；所述接收端的频率源用于发送频率信号V₂，且经水下链路到达发送端并在反射镜的反射后经水下链路回到接收端的相位补偿模块得到频率信号V₃；所述相位补偿模块用于将频率信号V₃与频率信号V₄进行频率混频并滤出低频信号V₅，且将频率信号V₅与频率信号V₂混频后得到误差信号V₆，将误差信号V₆通过锁相环反馈控制接收端的频率源的相位。

6.根据权利要求5所述的一种基于主动相位补偿的水下频率传递系统，其特征在于，所述相位补偿模块包括从前至后依次连接的探测部、第一混频器、第二混频器、锁相环，所述锁相环的输出端与接收端的频率源连接，所述接收端的激光器的输出端对应反射镜设置有偏振分束器，所述探测部用于探测激光输出通道以及偏振分束器输出的频率信号，并输入到第一混频器进行混频，所述第二混频器的输入端分别与第一混频器、频率源的输出端连接。

7.根据权利要求6所述的一种基于主动相位补偿的水下频率传递系统，其特征在于，所述探测部包括并列设置的第一探测器、第二探测器，所述第一探测器、第二探测器分别与第一混频器连接，所述第一探测器、第二探测器分别对应偏振分束器、激光输出通道设置。

8.根据权利要求5-7任一项所述的一种基于主动相位补偿的水下频率传递系统，其特征在于，当锁相环紧密锁定时，接收端的频率源锁相到发送端的频率源，接收端的频率源的初始相移是发送端的频率源的初始相位的一半。

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