CN114895547B - 一种波形自适应的大动态高精度时间测量仪器及测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种波形自适应的大动态高精度时间测量仪器及测量方法。本发明利用频率计进行脉冲周期的粗略测定；根据频率计的测量结果进行计算处理，获得脉冲滤波量、三个锁模激光器分别的腔长调谐量共四个参数；通过控制器实现动态滤波、腔长拉伸；随后对三台锁模激光器进行两两拍频，获得两路拍频信号；通过对拍频信号进行采集、数据处理得到最终时间差信息。本发明具有自适应性强、动态范围大、测量精度高等优势。

Description

一种波形自适应的大动态高精度时间测量仪器及测量方法

技术领域

本发明属于超快光学和光学频率梳技术领域，具体涉及一种波形自适应的大动态高精度时间测量仪器及测量方法。

背景技术

时间是七个国际单位制中测量精度最高的物理量，对时间的精密测量是基础研究、实际应用的技术基础和支撑。高精度的时间测量是时频频率领域不断追求的目标，也是其他精密测量领域的前期技术保证，具有极大的科学研究价值与应用前景。

原子钟的发明在原理上提升了人们对绝对时间的测量能力，其精度相较于之前的日晷、摆钟、石英钟具有大幅度提升，目前基于微波的原子钟，即微波钟的精度可以达到1E-16量级，而基于光学频段的原子钟，即光钟的时间测量精度更进入了1E-19量级。原子钟技术的迅速发展为高精度绝对时间的测量提供了有力的技术保证。

除了绝对时间测量，对于两个脉冲的相对时间差测量也是目前国际上研究的热点问题之一。传统时间差测量是通过对两个脉冲的上升沿进行比较，从而对两脉冲序列的相对时间差进行估计。受限于传统探测器、电路等器件的上升沿精度，这种传统上升沿直接比较的方法对时间差进行测量的方法精度往往难以高于20ps水平，这极大程度的限制了高精度时间差测量的应用场景。同时，这种方式的时间差测量对脉冲形状要求较高，当脉冲上升沿性质较差时，会存在较大的测量误差。

近年来发展出了一套基于双混频时间差测量的技术手段，利用该方案可以实现线性、无死区、高精度的时间差测量，测量精度可以达到亚皮秒级，相对于传统时间测量方案提升了约两个数量级，极大程度的提升了时间差测量精度。

然而，对于时间差测量技术进一步的精度提升仍面临严峻挑战。在电学域中，时间差测量精度进一步提升、脉冲上升沿测量不精确的问题，都具有极大的挑战性。如何解决时间差测量精度受限电学器件的问题是该领域研究的瓶颈问题之一。

发明内容

本发明的目的是根据上述现有技术的不足之处，提供一种波形自适应的大动态高精度时间测量仪器及测量方法，该装置利用频率计进行脉冲周期的粗略测定；根据频率计的测量结果进行计算处理，获得脉冲滤波量、三个锁模激光器分别的腔长调谐量共四个参数；通过控制器实现动态滤波、腔长拉伸；随后对三台锁模激光器进行两两拍频，获得两路拍频信号；通过对拍频信号进行采集、数据处理得到最终时间差信息。

本发明的技术方案如附图1所示，具体如下：

一种适应任意波形的大动态高精度时间测量仪器，其步骤包括：

1)将待测脉冲A分为两束，其中一束接入频率计a进行频率的粗测量，测量结果记为f_A，另一束作为滤波调节模块a的输入；

2)将待测脉冲B分为两束，其中一束接入频率计b进行频率的粗测量，测量结果记为f_B，另一束作为滤波调节模块b的输入；待测脉冲A、B是两个独立的电脉冲；

3)根据频率计测量结果，参数计算模块a与参数计算模块b，分别计算激光器a、b腔长调节模块需要调整的参数N与M的值，满足：f_mod＝N*f_A＝M*f_B；

4)根据频率计测量结果，参数计算模块a与参数计算模块b，分别计算滤波调节模块需要调整的滤波带宽值B_A与B_B，其中

5)根据频率计测量结果，参数计算模块c计算激光器c腔长调节模块需要调整的值f_mod2，满足：f_mod2＝f_mod+f_mod/α，其中系数α为远大于1的常量，常取α＝10⁵；

6)根据参数计算模块a的计算结果将滤波调节模块a带宽调整为B_A，根据参数计算模块b的计算结果，将滤波调节模块b带宽调整为B_B；

7)根据参数计算模块a、b的计算结果，激光器a腔长调节模块将激光器a腔长调整为L_A＝c/2f_mod，将激光器b腔长调节模块将激光器b腔长调整为L_B＝c/2f_mod；

8)根据参数计算模块a、b的计算结果，分别将可调分频/倍频模块a、b的值设置为N、M，使得最终输出信号的频率为f_mod；其中，可调分频/倍频模块a根据N值对输入的信号进行倍频后输出信号的频率为f_mod；可调分频/倍频模块b根据M值对输入的信号进行倍频后输出信号的频率为f_mod；

9)根据参数计算模块c的计算结果f_mod2，将激光器c腔长调节模块腔长调整为L_C＝c/2f_mod，从而使得激光器c的重复频率调整为f_mod2；

10)通过锁定调节模块a，输入可调分频/倍频模块a的输出频率为f_mod的电信号、激光器a腔长调节模块输出的频率为f_mod的光信号，获得与待测脉冲A相位锁定的光信号；通过锁定调节模块b，输入可调分频/倍频模块b的输出电信号、激光器b腔长调节模块输出光信号，获得与待测脉冲B相位锁定的光信号；

11)激光器c腔长调节模块输出光信号分为两束，分别连接光合束模块a、b的一路输入；光合束模块a、b的另一路输入口分别连接锁定调节模块a、b的输出端；

12)光合束模块a、光合束模块b的输出分别接入探测模块a、探测模块b进行探测；

13)探测模块a、探测模块b输出接入参数计算模块d，参数计算模块d根据探测模块a、b探测的脉冲峰值计算得到脉冲峰值时间差Δt；然后根据参数计算模块a的计算结果N以及内部存储值α，计算得到待测脉冲A与待测脉冲B的相对时间差为：

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

(1)、通过频率计进行脉冲频率的粗略测试可以为后级处理提供更多信息，方面后面对于滤波器带宽的选择、三个光梳腔长调节量的粗略计算；

(2)、通过光梳腔长的大范围调节，可适应输入信号更大频率范围的电学—光学转换，进而使得频差较大的电信号也可以利用锁模激光器拍频的方式实现测量；

(3)、通过可变分频、倍频技术，可将原始信号与低频/高频锁模激光器进行锁定，使得两输入脉冲即使在重频差很大的情况下仍能进行时间差的判别。

(4)、通过锁模激光器相互拍频方法，可获得相对电学手段更加精确的时延测量值，从而进行高测量精度的时延测量。

因此，本发明具有自适应性强、动态范围大、测量精度高等优势。

附图说明

图1为本发明中一种波形自适应的大动态高精度时间测量仪器的系统框图。

图2为本发明中一种波形自适应的大动态高精度时间测量仪器的实施例结构示意图。

具体实施方式

以下结合附图通过实施例对本发明的特征及其它相关特征作进一步详细说明，以便于同行业技术人员的理解：

参阅附图2，本发明包括：待测脉冲A输出设备1、待测脉冲B输出设备2、第一频率计3、第一计算模块4、第一控制器5、第二控制器6、第三控制器7、第一可调分频/倍频器8、第一锁定器9、第一光程可调锁模激光器10、第一可调电学滤波器11、第二频率计12、第二计算模块13、第六控制器14、第二光程可调锁模激光器15、第二锁定器16、第二可调分频/倍频器17、第五控制器18、第四控制器19、第二可调电学滤波器20、第三计算模块21、第七控制器22、第三光程可调锁模激光器23、第一合束器24、第二合束器25、第一平衡探测系统26、第二平衡探测系统27、第一采集卡28、第二采集卡29、第四计算模块30。

所述待测脉冲A输出设备1分为两束，其中一路经过第一频率计3进行频率粗略估计，粗估计结果记为f_A，另一束输入第一可调电学滤波器11第一路进行滤波，滤波带宽B_A由第一计算模块4给出；第一频率计3的测量结果f_A经过第一计算模块4进行计算，计算需要调整的滤波带宽值B_A，其中

第一可调电学滤波器11根据第一计算模块4的计算结果，通过第一控制器5进行控制调节，调整第一可调电学滤波器11的带宽至B_A；同样，所述待测脉冲B输出设备2分为两束，其中一路经过第二频率计12进行频率粗略估计，粗估计结果记为f_B，另一束输入第二可调电学滤波器20第一路进行滤波，滤波带宽B_B由第二计算模块13给出；第二频率计12的测量结果f_B经过第二计算模块13进行计算，计算需要调整的滤波带宽值B_B，其中

第二可调电学滤波器20根据第二计算模块13的计算结果，通过第四控制器19进行控制调节，调整第二可调电学滤波器20的带宽至B_B；通过第一计算模块4与第二计算模块13相连，公布双方计算结果f_A与f_B，可以计算出N、M、f_mod的值，使得f_mod＝N*f_A＝M*f_B。

通过第二控制器6控制第一可调分频/倍频器8，使得其输出频率变为f_mod，通过第五控制器18控制第二可调分频/倍频器17，使得其输出频率变为f_mod；第一计算模块4、第二计算模块13分别计算光程可调激光器需要设置的腔长值为L_A＝c/2f_mod、L_B＝c/2f_mod；第三控制器7、第六控制器14分别将第一光程可调锁模激光器10、第二光程可调锁模激光器15腔长进行调节，调节至L_A、L_B值；第一可调分频/倍频器8通过第一锁定器9与第一光程可调锁模激光器10锁定，输出信号进入第一合束器24的一路输入口；第二可调分频/倍频器17通过第二锁定器16与第二光程可调锁模激光器15锁定，输出信号进入第二合束器25的一路输入口；第三计算模块21与第一频率计3与第二频率计12连接，根据第一频率计3与第二频率计12的测量结果，计算第三光程可调锁模激光器23腔长调节量，满足f_mod2＝f_mod+f_mod/α，其中系数α为远大于1的常量，结果输入给第七控制器22；通过第七控制器22，调节第三光程可调锁模激光器23，其产生两束光信号，分别进入第一合束器24与第二合束器25的另外两路输入口；第一合束器24输出两路光信号进入第一平衡探测系统26；第二合束器25输出两路光信号进入第二平衡探测系统27；第一平衡探测系统26与第二平衡探测系统27分别输出电信号连接第一采集卡28、第二采集卡29，采集得到脉冲峰值位置并发送给第四计算模块30；第四计算模块根据脉冲峰值位置做差计算得到脉冲峰值的时间差为Δt；第四计算模块30再基于Δt计算得到待测脉冲A与待测脉冲B的相对时间差为：

其中，α为第四计算模块30事先存入参数，N由第一计算模块4计算结果给出。

上述实施例仅例示性说明本发明的原理及其功效，而非用于限制本发明。任何本领域技术人员均可在不违背本发明的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰与改变。因此，本发明的权利保护范围，应如权利要求书所列。

Claims (6)

1.一种波形自适应的大动态高精度时间测量仪器，其特征在于，包括三个调节支路、两个合束支路和参数计算模块d；其中，

第一调节支路包括频率计a、滤波调节模块a、参数计算模块a、激光器a腔长调节模块、可调分频/倍频模块a和锁定调节模块a；

第二调节支路包括频率计b、滤波调节模块b、参数计算模块b、激光器b腔长调节模块、可调分频/倍频模块b和锁定调节模块b；

第三调节支路包括参数计算模块c和激光器c腔长调节模块；

第一合束分支包括光合束模块a和探测模块a；

第二合束分支包括光合束模块b和探测模块b；

频率计a用于测量输入的待测脉冲A的频率，得到测量结果f_A并将其分别输入参数计算模块a、参数计算模块c；频率计b用于测量输入的待测脉冲B的频率，得到测量结果f_B并将其分别输入参数计算模块b、参数计算模块c；

参数计算模块a与参数计算模块b用于协调计算得到可调分频/倍频模块a所需的参数N、可调分频/倍频模块b所需的参数M，满足：f_mod＝N*f_A＝M*f_B，并将f_mod发送给参数计算模块c、激光器a腔长调节模块和激光器b腔长调节模块；以及参数计算模块a根据f_A计算得到滤波调节模块a所需调整的滤波带宽值B_A，参数计算模块b根据f_B计算得到滤波调节模块b所需调整的滤波带宽值B_B；

参数计算模块c根据收到的频率f_mod计算激光器c腔长调节模块所需调整值f_mod2＝f_mod+f_mod/α并输入给激光器c腔长调节模块，其中系数α为远大于1的常量；激光器c腔长调节模块根据f_mod2调节激光器c的腔长使得激光器c的重复频率为f_mod2；

滤波调节模块a用于根据参数计算模块a输出的B_A将待测脉冲A的带宽调整为B_A输出给可调分频/倍频模块a；可调分频/倍频模块a根据收到的N值对带宽为B_A的待测脉冲A进行倍频后输入到锁定调节模块a；激光器a腔长调节模块根据收到的频率f_mod将激光器a腔长调整为L_A＝c/2f_mod；锁定调节模块a根据可调分频/倍频模块a的输出的频率为f_mod的电信号、激光器a腔长调节模块输出的频率为f_mod的光信号，获得与待测脉冲A相位锁定的光信号；

滤波调节模块b用于根据参数计算模块b输出的B_B将待测脉冲B的带宽调整为B_B输出给可调分频/倍频模块b；可调分频/倍频模块b根据收到的M值对带宽为B_B的待测脉冲B进行倍频后输入到锁定调节模块b；激光器b腔长调节模块根据收到的频率f_mod将激光器b腔长调整为L_B＝c/2f_mod；锁定调节模块b根据可调分频/倍频模块b的输出的频率为f_mod的电信号、激光器b腔长调节模块输出的频率为f_mod的光信号，获得与待测脉冲B相位锁定的光信号；

光合束模块a对激光器c腔长调节模块输出的频率为f_mod2的光信号、锁定调节模块a输出的光信号进行合束输出到探测模块a，得到脉冲峰值并输入参数计算模块d；

光合束模块b对激光器c腔长调节模块输出的频率为f_mod2的光信号、锁定调节模块b输出的光信号进行合束输出到探测模块b，得到脉冲峰值并输入参数计算模块d；

参数计算模块d根据探测模块a、b所得脉冲峰值，计算脉冲峰值时间差Δt；然后根据Δt计算待测脉冲A与待测脉冲B的相对时间差。

2.根据权利要求1所述的波形自适应的大动态高精度时间测量仪器，其特征在于，所述相对时间差为

其中，参数计算模块d内存储α并从参数计算模块a获取N。

3.根据权利要求1或2所述的波形自适应的大动态高精度时间测量仪器，其特征在于，

4.一种波形自适应的大动态高精度时间测量仪器的时间测量方法，其步骤包括：

1)将待测脉冲A分为两束，其中一束接入频率计a进行频率测量，测量结果记为f_A并将其分别输入参数计算模块a、参数计算模块c；另一束作为滤波调节模块a的输入；

2)将待测脉冲B分为两束，其中一束接入频率计b进行频率测量，测量结果记为f_B并将其分别输入参数计算模块b、参数计算模块c；另一束作为滤波调节模块b的输入；

3)根据频率计测量结果，参数计算模块a与参数计算模块b协调计算得到激光器a、b腔长调节模块需要调整的参数N与M的值，满足：f_mod＝N*f_A＝M*f_B；并将f_mod发送给参数计算模块c；

4)参数计算模块a根据f_A计算得到滤波调节模块a所需调整的滤波带宽值B_A，参数计算模块b根据f_B计算得到滤波调节模块b所需调整的滤波带宽值B_B；

5)参数计算模块c根据收到的频率f_mod计算激光器c腔长调节模块所需调整值f_mod2＝f_mod+f_mod/α并输入给激光器c腔长调节模块，其中系数α为远大于1的常量；激光器c腔长调节模块根据f_mod2调节激光器c的腔长使得激光器c的重复频率为f_mod2；

6)滤波调节模块a根据参数计算模块a输出的B_A将待测脉冲A的带宽调整为B_A输出给可调分频/倍频模块a；可调分频/倍频模块a根据收到的N值对带宽为B_A的待测脉冲A进行倍频后输入到锁定调节模块a；激光器a腔长调节模块根据收到的频率f_mod将激光器a腔长调整为L_A＝c/2f_mod；锁定调节模块a根据可调分频/倍频模块a的输出的频率为f_mod的电信号、激光器a腔长调节模块输出的频率为f_mod的光信号，获得与待测脉冲A相位锁定的光信号；

7)滤波调节模块b用于根据参数计算模块b输出的B_B将待测脉冲B的带宽调整为B_B输出给可调分频/倍频模块b；可调分频/倍频模块b根据收到的M值对带宽为B_B的待测脉冲B进行倍频后输入到锁定调节模块b；激光器b腔长调节模块根据收到的频率f_mod将激光器b腔长调整为L_B＝c/2f_mod；锁定调节模块b根据可调分频/倍频模块b的输出的频率为f_mod的电信号、激光器b腔长调节模块输出的频率为f_mod的光信号，获得与待测脉冲B相位锁定的光信号；

8)激光器c腔长调节模块输出光信号分为两束，一束输入光合束模块a，另一束输入光合束模块b；光合束模块a的另一路输入口接收锁定调节模块a输出的光信号，光合束模块b的另一路输入口接收锁定调节模块b输出的光信号；

9)光合束模块a对输入信号进行合束输出到探测模块a，探测得到脉冲峰值并输入参数计算模块d；光合束模块b对输入信号进行合束输出到探测模块b，探测得到脉冲峰值并输入参数计算模块d；

10)参数计算模块d根据探测模块a、b所得脉冲峰值，计算脉冲峰值时间差Δt；然后根据Δt计算待测脉冲A与待测脉冲B的相对时间差。

5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，所述相对时间差为

其中，参数计算模块d内存储α并从参数计算模块a获取N。

6.根据权利要求4或5所述的方法，其特征在于，

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