光纤时间传递系统和传递方法技术方案

一种高精度大范围光纤时间传递系统和传递方法，该系统由主钟、主时间传递单元、若干光分/合路器、若干双向光电光中继单元、若干中间时间传递单元、若干双向光放大单元和若干从时间传递单元组成。本发明专利技术通过无源光分路、时分多址接入、双向光电光中继、双向光放大，利用双向时间传递方式，实现高精度大范围光纤时间传递。

【技术实现步骤摘要】
光纤时间传递系统和传递方法
本专利技术涉及时间频率传递，具体是一种高精度大范围光纤时间系统和传递方法。
技术介绍
高精度的时间同步技术在卫星导航、航空航天、深空探测、地质测绘和科学研究与计量等领域有着重要的应用价值。目前传统的高精度时间同步技术主要有GPS共视、卫星双向比对等，可以达到ns量级的时间传递精度，这种天基时间传递技术虽然已经相当成熟或者可行性得到了验证，但他们自身存在着体系复杂、成本昂贵、实现周期长、安全性差、可靠性差等缺点。光纤传输具有损耗低、容量大、高速、稳定性高、安全可靠的优势，在通信领域已经得到了广泛应用。基于光纤的时间传递是实现高精度长距离大范围时间传递的有效途径。高精度光纤时间传递面临着光纤链路传输时延随温度、应力和传输波长等因素变化而变化的问题。为了实现高精度的时间传递，目前普遍采用同纤双向传输方案。在长距离双向光纤时间传递中，为了补偿光信号衰减，必须进行双向光放大。之前我们提出了一种双向光放大方案[参见吴龟灵；张浩；陈建平，“高精度光纤时间传递双向光放大方法与装置，”申请号：CN201610073321.3,2016.6]，可以最大程度的保证链路的对称性，有效避免瑞丽散射等噪声的多次放大对光纤时间传递性能的影响。对于分布式光纤时间传递，波兰AGH理工大学[参见P.Krehlik,L.Sliwczynski,L.Buczek,andM.Lipinski,"MultipointdisseminationofRFfrequencyinfiberopticlinkwithstabilizedpropagationdelay,"IEEEtransactionsonultrasonics,ferroelectrics,andfrequencycontrol,vol.60,pp.1804-1810,2013.]提出在主链路中插入2×2光耦合器，耦合出部分前向和后向传递的光信号用于分布式时间传递。但这会减少主链路传递光信号的功率，同时还会恶化主链路时间传递的稳定性。之前我们提出了一种分布式时间传递方案[参见吴龟灵；张浩；陈建平，“高精度长距离分布式光纤时间传递方法与系统，”申请号：CN201610781482.8,2016.8]，可以实现高精度长距离分布式光纤时间传递，但这种线型分布式系统只能实现单一光纤链路上用户的时间同步，无法实现大范围光纤时间传递。
技术实现思路
本专利技术的目的在于针对现有技术的不足，为基于同纤同波双向时分复用的光纤时间传递方案，提供一种高精度大范围光纤时间传递系统和传递方法。本专利技术的技术解决方案如下：一种高精度大范围光纤时间传递系统，其特点在于，包括：主钟、主时间传递单元、光分配网络和若干从时间传递单元；所述的光分配网络由若干光分/合路器、若干双向光电光中继单元、若干中间时间传递单元、若干双向光放大单元和若干光纤链路组成。双向光电光中继单元、中间时间传递单元和双向光放大单元通过光纤链路进行连接。每个双向光电光中继单元对前向和后向的光信号进行光电光中继，每个中间时间传递单元对前向和后向的光信号进行光电光中继并解码得到光纤链路中的定时信号，每个双向光放大单元对前向和后向的光信号进行光放大；所述主时间传递单元与主钟相连，同时与光分配网络的合路端连接；所述的各从时间传递单元与光分配网络的分路端连接；主钟的定时信号通过主时间传递单元发送，经过光分配网络广播给各中间时间传递单元和各从时间传递单元；所述各从时间传递单元将来自主时间传递单元的定时信号进行延时之后通过光分配网络沿原光纤链路反向发送给主时间传递单元，并测得来自主时间传递单元的定时信号与延时之后的定时信号的时间间隔；所述主时间传递单元分别测得来自各从时间传递单元的定时信号与主钟定时信号的时间间隔，并通过光分配网络广播给各中间时间传递单元和各从时间传递单元；所述的各中间时间传递单元测量来自主时间传单元的定时信号与来自从时间传递单元的定时信号的时间间隔；所述各从时间传递单元以及各中间时间传递单元根据从主时间传递单元接收到的时间间隔以及本地测得的时间间隔得到各单元与主钟的钟差，实现高精度大范围光纤时间传递。所述的双向光电光中继单元包括2×2光开关、光电转换模块、信号处理与解码控制模块和电光转换模块。所述2×2光开关的端口1和端口2分别与光纤链路的前向输入和后向输入相连，端口3和光电转换模块相连，端口4与电光转换模块相连；光电转换模块将电信号输入到信号处理与解码控制模块；在信号处理与解码控制模块的控制信号控制下，2×2光开关将光纤链路输入端口1的前向光信号，切换到端口3，输出给光电转换模块，经电光转换模块的电光转换后经端口4输出到端口2；在信号处理与解码控制模块的控制信号的控制下，2×2光开关将光纤链路输入端口2的后向光信号，切换到端口3，输出给光电转换模块，经电光转换模块的电光转换后经端口4输出到端口1。所述的光电转换模块将来自2×2光开关端口3的光信号转换成电信号后输入到电光转换模块和信号处理与解码控制模块。所述的信号处理与解码控制模块对电信号中的时间码进行解码，提取定时信号，并根据此定时信号向2×2光开关输出状态控制信号。所述的电光转换模块将来自光电转换模块的电信号转换为光信号，并输出到2×2光开关的端口4。所述2×2光开关初始状态为前向导通状态。所述2×2光开关的前向导通状态是指端口1与端口3相连，端口2与端口4相连，后向导通状态是指端口1与端口4相连，端口2与端口3相连。所述的中间时间传递单元包括2×2光开关、光电转换模块、信号处理与解码控制模块、时间间隔测量模块和电光转换模块。所述2×2光开关的端口1和端口2分别与光纤链路的前向输入和后向输入相连，端口3和光电转换模块相连，端口4和电光转换模块相连；光电转换模块将电信号输入到信号处理与解码控制模块；在信号处理与解码控制模块的控制信号控制下，2×2光开关将光纤链路输入端口1的前向光信号，切换到端口3，输出给光电转换模块，经电光转换模块电光转换后经端口4输出到端口2；在信号处理与解码控制模块的控制信号的控制下，2×2光开关将光纤链路输入端口2的后向光信号，切换到端口3，输出给光电转换模块，经电光转换模块电光转换后经端口4输出到端口1。所述的光电转换模块将来自2×2光开关端口3的光信号转换成电信号后输入到电光转换模块和信号处理与解码控制模块。所述的信号处理与解码控制模块对电信号中的时间码进行解码，提取定时信号，并根据此定时信号向2×2光开关输出状态控制信号，同时将定时信号输出给时间间隔测量模块，并将时间信息输出。所述的时间间隔测量模块接收信号处理与解码控制模块输入的前向和后向定时信号并测量前向和后向定时信号的时间间隔。所述的电光转换模块将来自光电转换模块的电信号转换为光信号，并输出到2×2光开关的端口4。所述2×2光开关初始状态为前向导通状态。所述2×2光开关的前向导通状态是指端口1与端口3相连，端口2与端口4相连，后向导通状态是指端口1与端口4相连，端口2与端口3相连。所述的双向光电光中继单元和所述的中间时间传递单元中2×2光开关的控制方法如下：启动后，2×2光开关的初始状态为前向导通状态；前向传输的光信号经光电转换模块后分为两路。一路经电光转换模块进行电光转换之后输本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种高精度大范围光纤时间传递系统(1)，其特征在于，包括：主钟(1‑1)、主时间传递单元(1‑2)、光分配网络(1‑3)和若干从时间传递单元(1‑4)；所述的光分配网络(1‑3)由若干光分/合路器(1‑5)、若干双向光电光中继单元(1‑6)、若干中间时间传递单元(1‑7)、若干双向光放大单元(1‑8)和若干光纤链路组成，所述的双向光电光中继单元(1‑6)、中间时间传递单元(1‑7)和双向光放大单元(1‑8)通过光纤链路进行连接，每个双向光电光中继单元(1‑6)对前向和后向的光信号进行光电光中继，每个中间时间传递单元(1‑7)对前向和后向的光信号进行光电光中继并解码得到光纤链路中的定时信号，每个双向光放大单元(1‑8)对前向和后向的光信号进行光放大；所述主时间传递单元(1‑2)与主钟(1‑1)相连，同时与光分配网络(1‑3)的合路端连接；所述的各从时间传递单元(1‑4)与所述的光分配网络(1‑3)的分路端连接；在光分配网络(1‑3)中，所述的双向光电光中继单元(1‑6)和双向光放大单元(1‑8)的位置、顺序和数量是任意的；所述的主钟(1‑1)的定时信号通过主时间传递单元(1‑2)发送，经过光分配网络(1‑3)发送给各中间时间传递单元(1‑7)和各从时间传递单元(1‑4)；所述的各从时间传递单元(1‑4)将来自主时间传递单元(1‑2)的定时信号进行延时之后通过光分配网络(1‑3)沿原光纤链路反向发送给主时间传递单元(1‑2)，并测得来自主时间传递单元(1‑2)的定时信号与延时之后的定时信号的时间间隔；所述的主时间传递单元(1‑2)分别测得来自各从时间传递单元(1‑4)的定时信号与主钟(1‑1)定时信号的时间间隔，并通过光分配网络(1‑3)发送给各中间时间传递单元(1‑7)和各从时间传递单元(1‑4)；所述的各中间时间传递单元(1‑7)测量来自主时间传单元(1‑2)的定时信号与来自从时间传递单元(1‑4)的定时信号的时间间隔；所述的各从时间传递单元(1‑4)和各中间时间传递单元(1‑7)根据从主时间传递单元(1‑2)接收到的时间间隔和本地测得的时间间隔得到各单元与主钟(1‑1)的钟差，实现点对多点皮秒量级的高精度大范围光纤时间传递。...

【技术特征摘要】
1.一种高精度大范围光纤时间传递系统(1)，其特征在于，包括：主钟(1-1)、主时间传递单元(1-2)、光分配网络(1-3)和若干从时间传递单元(1-4)；所述的光分配网络(1-3)由若干光分/合路器(1-5)、若干双向光电光中继单元(1-6)、若干中间时间传递单元(1-7)、若干双向光放大单元(1-8)和若干光纤链路组成，所述的双向光电光中继单元(1-6)、中间时间传递单元(1-7)和双向光放大单元(1-8)通过光纤链路进行连接，每个双向光电光中继单元(1-6)对前向和后向的光信号进行光电光中继，每个中间时间传递单元(1-7)对前向和后向的光信号进行光电光中继并解码得到光纤链路中的定时信号，每个双向光放大单元(1-8)对前向和后向的光信号进行光放大；所述主时间传递单元(1-2)与主钟(1-1)相连，同时与光分配网络(1-3)的合路端连接；所述的各从时间传递单元(1-4)与所述的光分配网络(1-3)的分路端连接；在光分配网络(1-3)中，所述的双向光电光中继单元(1-6)和双向光放大单元(1-8)的位置、顺序和数量是任意的；所述的主钟(1-1)的定时信号通过主时间传递单元(1-2)发送，经过光分配网络(1-3)发送给各中间时间传递单元(1-7)和各从时间传递单元(1-4)；所述的各从时间传递单元(1-4)将来自主时间传递单元(1-2)的定时信号进行延时之后通过光分配网络(1-3)沿原光纤链路反向发送给主时间传递单元(1-2)，并测得来自主时间传递单元(1-2)的定时信号与延时之后的定时信号的时间间隔；所述的主时间传递单元(1-2)分别测得来自各从时间传递单元(1-4)的定时信号与主钟(1-1)定时信号的时间间隔，并通过光分配网络(1-3)发送给各中间时间传递单元(1-7)和各从时间传递单元(1-4)；所述的各中间时间传递单元(1-7)测量来自主时间传单元(1-2)的定时信号与来自从时间传递单元(1-4)的定时信号的时间间隔；所述的各从时间传递单元(1-4)和各中间时间传递单元(1-7)根据从主时间传递单元(1-2)接收到的时间间隔和本地测得的时间间隔得到各单元与主钟(1-1)的钟差，实现点对多点皮秒量级的高精度大范围光纤时间传递。2.根据权利要求1所述的高精度大范围光纤时间传递系统，其特征在于：所述的双向光电光中继单元(2)包括2×2光开关(2-1)、光电转换模块(2-2)、信号处理与解码控制模块(2-3)和电光转换模块(2-4)，所述的2×2光开关(2-1)的端口1和端口2分别与光纤链路的前向输入和后向输入相连，端口3和光电转换模块(2-2)的输入端相连，端口4与电光转换模块(2-4)的输出端相连；所述的光电转换模块(2-2)的输出端分别与所述的信号处理与解码控制模块(2-3)和电光转换模块(2-4)的输入端相连，所述的信号处理与解码控制模块(2-3)的输出端与所述的2×2光开关(2-1)的控制端相连；所述2×2光开关(2-1)初始状态为前向导通状态，即所述2×2光开关(2-1)的端口1与端口3相连，端口2与端口4相连，后向导通状态是指端口1与端口4相连，端口2与端口3相连。3.根据权利要求1所述的高精度大范围光纤时间传递系统，其特征在于：所述的中间时间传递单元(3)包括2×2光开关(3-1)、光电转换模块(3-2)、信号处理与解码控制模块(3-3)、时间间隔测量模块(3-4)和电光转换模块(3-5)，所述2×2光开关(3-1)的端口1和端口2分别与光纤链路的前向输入和后向输入相连，端口3和光电转换模块(3-2)的输入端相连，端口4和电光转换模块(3-5)的输出端相连；所述的光电转换模块(3-2)的第1输出端与所述的信号处理与解码控制模块(3-3)的输入端相连，光电转换模块(3-2)的第2输出端与所述的电光转换模块(3-5)的输入端相连，所述的信号处理与解码控制模块(3-3)的第1输出端与所述的2×2光开关(3-1)的控制端相连，所述的信号处理与解码控制模块(3-3)的第2和第3输出端与所述的时间间隔测量模块(3-4)的输入端相连；所述的电光转换模块(3-5)的输出端与所述2×2光开关(3-1)的端口4相连；所述2×2光开关(3-1)初始状态为前向导通状态，即所述2×2光开关(3-1)的端口1与端口3相连，端口2与端口4相连，后向导通状态是指端口1与端口4相连，端口2与端口3相连。4.权利要求1所述的高精度大范围光纤时间传递系统的时间传递方法，其特征在于，所述的双向光电光中继单元(1-6)和所述的中间时间传递单元(1-7)中2×2光开关的控制方法如下：启动后，2×2光开关的初始状态为前向导通状态；前向传输的光信号经光电转换模块后分为两路：一路经电光转换模块(2-4)进行电光转换之后输出到2×2光开关，由2×2光开关输出经光纤传输给下一单元；另一路经信号处理与解码控制模块进行前向定时信号的识别，记录识别出前向定时信号的时刻tf，并根据识别出前向定时信号的时刻tf，确定下一次将2×2光开关设置为后向导通状态的时刻为tb2＝tf+tc和前向导通状态的时刻为tf2＝tf+T-ts2，其中T为被传递定时信号的周期，tc为传递的时间码长度，ts2为2×2光开关的切换时间；在每收到一个新的时间码后更新tf的值并存储时刻tf2、tb2的值；在被传递定时信号的一个周期T内，在tf2时刻，所述的2×2光开关(2-1)设置为前向导通状态；在tb2时刻，2×2光开关(2-1)设置为后向导通状态。5.利用权利要求1所述的高精度大范围光纤时间传递系统的时间传递方法，其特征在于，该方法包括小容量静态时间传递模式和大容量动态时间传递模式。6.根据权利要求5所述的时间传递方法，其特征在于，所述的小容量静态时间传递模式，包括下列步骤：1)系统启动前，对各从时间传递单元进行编号并分配地址信息，计算各从时间传递单元的定时信号延迟时间Tdi＝(2TM+ΔT)×i，i为从时间传递单元的编号，TM为光分配网络中最大的主时间传递单元与从时间传递单元传输时延(测量得到)，ΔT为保证系统稳定可靠工作设置的冗余值；2)当主时间传递单元(1-2)检测到主钟输入的定时信号时，启动光信号发送，通过光纤链路向光分配网络发送包含主钟定时信号以及控制与状态信息的时间码的光信号，发送完成后关闭光信号发送；3)在每条光纤链路中，双向光电光中继单元对到达的前向光信号进行光电光中继；双向光放大单元对到达的前向光信号进行光放大；4)中间时间传递单元从接收到的时间码中提取出前向定时信号以及对到达的前向光信号进行光电光中继；5)第i从时间传递单元对来自主时间传递单元的时间码进行解码提取出定时信号，将解码出的定时信号延迟时间Tdi后,将延迟后的定时信号以及第i从时间传递单元地址信息编码到时间码中，并调制到与前向传输相同的光波长上，反向发送到同一光纤链路，发送完成后关闭光信号发送；6)在每条链路中，双向光电光中继单元对到达的后向光信号进行光电光中继；双向光放大单元对到达的后向光信号进行光放大；7)中间时间传递单元从接收到的时间码中提取出后向定时信号和从时间传递单元地址信息，测量接收到的前向定时信号与来自各从时间传递单元的后向定时信号的时间间隔TM，将各从时间传递单元地址信息及测得的对应时间间隔TM进行保存，同时对到达的后向光信号进行光电光中继；8)主时间传递单元(1-2)接收来自各从时间传递单元的时间码，并从时间码中解码得到各从时间传递单元的后向定时信号和地址信息；测量主钟的定时信号与解码得到的各定时信号的时间间隔TAB；将各从时间传递单元地址信息及对应测得的时间间隔TAB进行保存；9)当主时间传递单元检测到主钟输入的定时信号时，通过光纤链路向光分配网络广播发送携带主钟定时信号、保存的各从时间传递单元地址信息及对应测得的时间间隔、控制与状态信息的时间码，发送完成后关闭光信号发送；10)在每条链路中，双向光电光中继单元对到达的前向光信号进行光电光中继；双向光放大单元对到达的前向光信号进行光放大；11)中间时间传递单元从接收到的时间...

【专利技术属性】
技术研发人员：吴龟灵，左发兴，陈建平，
申请(专利权)人：上海交通大学，
类型：发明
国别省市：上海,31