基于线性光学采样的超高精度双向时间同步装置及方法制造方法及图纸

本发明专利技术公开了一种基于线性光学采样的超高精度双向时间同步装置及方法。本发明专利技术用于解决双向时间同步测量精度受限及系统复杂的问题，其特点是通过同步、异步锁定方法直接将远近端时钟信号加载到光频梳上，实现微波信号精度向光频梳的传递；通过线性光学采样方法替代已有双向时间同步的远近端，实现两端时间差的高精度测量；通过色散补偿技术实现对信道传递光信号质量的恢复；通过数据处理模块实现等效延时补偿量的计算，并反馈远端时钟从而实现时间同步。本发明专利技术与现有技术相比完全避免了双向时间同步测量精度受限于测量脉冲上升沿的问题，同时完全不依赖超稳腔进行锁定，可显著提升双向时间同步技术的测量能力并降低系统复杂性。杂性。杂性。

【技术实现步骤摘要】
基于线性光学采样的超高精度双向时间同步装置及方法


[0001]本专利技术属于时频传递和光学频率梳
，具体涉及一种基于线性光学采样的超高精度双向时间比对装置及方法。

技术介绍

[0002]高精度、远距离时频同步在多设备远距离协同工作中具有不可替代的价值。随着钟技术的快速发展，远距离钟同步、钟比对的需求也日益增长。基于光载波进行时频传递相对于微波时频传递具有精度高的特点，因此在高时间精度需求的应用场景中，选择光载波作为载体进行时间比对与同步是近年来的发展趋势。
[0003]基于光载波的时间同步通常选择光纤或大气信道作为传输媒介。大气信道相对光纤而言覆盖面积更大，具有高灵活性；但其易受外界环境影响，同时传输距离受限。光纤信道具有较好的环境隔离性，能较好的屏蔽外界环境的干扰；同时，光纤信道可通过光放大器实现信号的远距离传输，因此是高精度时频传递的良好介质。目前基于光纤的时间同步技术主要通过秒脉冲对激光器进行调制，在远程用户端进行解调从而获得一致的时间信息。然而该方案受限于电学仪器上升沿的不确定度，时间同步精度往往仅能达到几十皮秒量级，更高的时间测量精度往往难以实现。
[0004]作为传统时间同步的一种替代方案，近年来利用双光梳方法进行高精度时间同步被提出。其特点是将双光梳对小信号延时放大的特性应用于时间测量，从而从原理上超越电学测量方法的精度受限问题。目前已经公开报道的利用双光梳进行时间差测量的方案，均必须通过超高稳定度的光学稳腔对光梳的光频进行锁定，从而达到高精度的时间测量能力；同时，目前已有的双光梳时间测量方案一般是通过光梳干涉后的相位变化反推延时时间变化，从而进行时间差测量，因此具有一定的后处理复杂度。

技术实现思路

[0005]本专利技术的目的是根据上述现有技术的不足之处，提供一种基于线性光学采样的超高精度双向时间同步装置及方法。本专利技术为了解决双光梳时间测量技术对超稳腔锁定的依赖，同时大幅简化后处理过程的复杂性，本专利技术提出直接利用微波信号锁定实现超高精度双向双光梳时间同步。本专利技术结构简单，实验复杂度低，同时与目前利用光载微波进行双向时间同步的结构具有极大兼容性，大幅提升双光梳时间同步系统的实用性。
[0006]本装置在时间同步远近端分别产生与本地端时钟具有同步锁定与异步锁定关系的两个光梳信号；在远近端分别利用异步锁定与同步锁定光梳进行双光梳干涉，获得放大时间尺度的时间参考信号；近端通过滤波系统对异步锁定后的光梳进行滤波，远端通过另一波长滤波系统对同步锁定后的光梳信号进行滤波，分别产生两不同波长的带限光梳信号，并在信道中进行双向传递；两端通过色散补偿系统对信道传递来的带限光梳信号进行色散补偿；近端利用双光梳干涉系统实现对近端产生的异步光梳信号与接收到远端的同步光梳信号进行干涉，获得放大时间尺度的近端待测时间信号；远端利用双光梳干涉系统实
现对远端产生的同步光梳信号与接收到近端的异步光梳信号进行干涉，获得放大时间尺度的远端待测时间信号；通过数据处理系统分别对远近端的参考信号与待测信号做减法处理，分别得到两端的时间差数据；随后利用数据比对处理系统获得两端时间差测量的差值；最后根据该差值对远端时钟信号进行调整，最终完成远端时钟信号的校准。
[0007]本专利技术的技术方案为：
[0008]一种基于线性光学采样的超高精度双向时间同步装置，其特征在于，包括近端、远端和数据比对处理系统23；
[0009]所述近端包括第一时钟分配系统2、第一光梳同步锁定系统3、第一光梳异步锁定系统4、第一λ1双光梳干涉系统5、第一λ2双光梳干涉系统6、第一采样模块7、第二采样模块8、第一数据处理系统9、λ1光学滤波系统10、第一色散补偿系统11；
[0010]第一时钟分配系统2，用于将输入的时钟信号A分为两束，分别输出给第一光梳同步锁定系统3、第一光梳异步锁定系统4；第一光梳同步锁定系统3，用于输出重复频率为f1的光梳信号，相位与时钟信号A同步；第一光梳异步锁定系统4用于输出重复频率为f1+Δf的光梳信号，相位与时钟信号A同步；第一光梳同步锁定系统3、第一光梳异步锁定系统4产生的光梳信号光谱范围覆盖λ1与λ2；
[0011]第一λ1双光梳干涉系统5，用于对第一光梳同步锁定系统3、第一光梳异步锁定系统4输出光梳信号进行滤波，得到波长在波分复用通道λ1的带限光梳信号，再对滤波所得两信号进行干涉，获得放大时间尺度的时间参考信号；
[0012]第一采样模块7，用于对所述时间参考信号进行采集，并记录信号峰值位置对应的时刻并将发送给第一数据处理系统9；
[0013]λ1光学滤波系统10，用于对第一光梳异步锁定系统4输出的光梳信号进行滤波，获得在λ1通道的带限光梳信号，并通过信道传递至远端的第二色散补偿系统22；
[0014]第一色散补偿系统11，用于对远端的λ2光学滤波系统21经过信道传递来的信号进行色散补偿；
[0015]第二λ2双光梳干涉系统6，用于将第一光梳异步锁定系统4输出的光梳信号与第一色散补偿系统11输出信号进行干涉，获得放大时间尺度的时间测量信号；
[0016]第二采样模块8，用于对所述时间测量信号进行采集，并记录该信号峰值位置对应的时刻并将发送给第一数据处理系统9；
[0017]第一数据处理系统9，用于根据计算得到近端的测量时间差信息
[0018]所述远端包括第二时钟分配系统13、第二光梳异步锁定系统14、第二光梳同步锁定系统15、第二λ2双光梳干涉系统16、第二λ1双光梳干涉系统17、第三采样模块18、第四采样模块19、第二数据处理系统20、λ2光学滤波系统21、第二色散补偿系统22；
[0019]第二时钟分配系统13，用于将输入的时钟信号B分为两束分别输出给第二光梳同步锁定系统15以及第二光梳异步锁定系统14；第二光梳同步锁定系统15用于输出重复频率为f1的光梳信号，相位与时钟信号B同步；第二光梳异步锁定系统14用于输出重复频率为f1+Δf的光梳信号，相位与时钟信号B同步；第二光梳同步锁定系统15、第二光梳异步锁定系统14产生的光梳信号光谱范围覆盖λ1与λ2；
[0020]λ2双光梳干涉系统16，用于对第二光梳同步锁定系统15、第二光梳异步锁定系统14输出光梳信号进行滤波，得到波长在波分复用通道λ2的带限光梳信号，再对滤波所得两
信号进行干涉，获得放大时间尺度的时间参考信号并将其输入第三采样模块18；
[0021]第三采样模块18，用于对输入的时间参考信号进行采集，并记录该信号峰值位置对应的时刻并将发送给第二数据处理系统20；
[0022]λ2光学滤波系统21，用于对第二光梳同步锁定系统15输出信号进行滤波，获得在λ2通道的带限光梳信号，并通过信道传递至近端的第一色散补偿系统11；
[0023]第二色散补偿系统22，用于对λ1光学滤波系统10经过信道传递来的信号进行色散补偿；
[0024]第二λ1双光梳干涉系统17，用于将第二光梳同步锁定系统15输出信号与第二色散补偿系统22输出信本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于线性光学采样的超高精度双向时间同步装置，其特征在于，包括近端、远端和数据比对处理系统(23)；所述近端包括第一时钟分配系统(2)、第一光梳同步锁定系统(3)、第一光梳异步锁定系统(4)、第一λ1双光梳干涉系统(5)、第一λ2双光梳干涉系统(6)、第一采样模块(7)、第二采样模块(8)、第一数据处理系统(9)、λ1光学滤波系统(10)、第一色散补偿系统(11)；第一时钟分配系统(2)，用于将输入的时钟信号A分为两束，分别输出给第一光梳同步锁定系统(3)、第一光梳异步锁定系统(4)；第一光梳同步锁定系统(3)，用于输出重复频率为f1的光梳信号，相位与时钟信号A同步；第一光梳异步锁定系统(4)用于输出重复频率为f1+Δf的光梳信号，相位与时钟信号A同步；第一光梳同步锁定系统(3)、第一光梳异步锁定系统(4)产生的光梳信号光谱范围覆盖λ1与λ2；第一λ1双光梳干涉系统(5)，用于对第一光梳同步锁定系统(3)、第一光梳异步锁定系统(4)输出光梳信号进行滤波，得到波长在波分复用通道λ1的带限光梳信号，再对滤波所得两信号进行干涉，获得放大时间尺度的时间参考信号；第一采样模块(7)，用于对所述时间参考信号进行采集，并记录信号峰值位置对应的时刻并将发送给第一数据处理系统(9)；λ1光学滤波系统(10)，用于对第一光梳异步锁定系统(4)输出的光梳信号进行滤波，获得在λ1通道的带限光梳信号，并通过信道传递至远端的第二色散补偿系统(22)；第一色散补偿系统(11)，用于对远端的λ2光学滤波系统(21)经过信道传递来的信号进行色散补偿；第二λ2双光梳干涉系统(6)，用于将第一光梳异步锁定系统(4)输出的光梳信号与第一色散补偿系统(11)输出信号进行干涉，获得放大时间尺度的时间测量信号；第二采样模块(8)，用于对所述时间测量信号进行采集，并记录该信号峰值位置对应的时刻并将发送给第一数据处理系统(9)；第一数据处理系统(9)，用于根据计算得到近端的测量时间差信息所述远端包括第二时钟分配系统(13)、第二光梳异步锁定系统(14)、第二光梳同步锁定系统(15)、第二λ2双光梳干涉系统(16)、第二λ1双光梳干涉系统(17)、第三采样模块(18)、第四采样模块(19)、第二数据处理系统(20)、λ2光学滤波系统(21)、第二色散补偿系统(22)；第二时钟分配系统(13)，用于将输入的时钟信号B分为两束分别输出给第二光梳同步锁定系统(15)以及第二光梳异步锁定系统(14)；第二光梳同步锁定系统(15)用于输出重复频率为f1的光梳信号，相位与时钟信号B同步；第二光梳异步锁定系统(14)用于输出重复频率为f1+Δf的光梳信号，相位与时钟信号B同步；第二光梳同步锁定系统(15)、第二光梳异步锁定系统(14)产生的光梳信号光谱范围覆盖λ1与λ2；λ2双光梳干涉系统(16)，用于对第二光梳同步锁定系统(15)、第二光梳异步锁定系统(14)输出光梳信号进行滤波，得到波长在波分复用通道λ2的带限光梳信号，再对滤波所得两信号进行干涉，获得放大时间尺度的时间参考信号并将其输入第三采样模块(18)；
第三采样模块(18)，用于对输入的时间参考信号进行采集，并记录该信号峰值位置对应的时刻并将发送给第二数据处理系统(20)；λ2光学滤波系统(21)，用于对第二光梳同步锁定系统(15)输出信号进行滤波，获得在λ2通道的带限光梳信号，并通过信道传递至近端的第一色散补偿系统(11)；第二色散补偿系统(22)，用于对λ1光学滤波系统(10)经过信道传递来的信号进行色散补偿；第二λ1双光梳干涉系统(17)，用于将第二光梳同步锁定系统(15)输出信号与第二色散补偿系统(22)输出信号进行干涉，获得放大时间尺度的时间测量信号并将其发送给第四采样模块(19)；第四采样模块(19)，用于对输入的时间测量信号进行采集，并记录该信号峰值位置对应的时刻并将发送给第二数据处理系统(20)；第二数据处理系统(20)，用于根据计算得到远端的测量时间差所述数据比对处理系统(23)，用于对第一数据处理系统(9)、第二数据处理系统(20)输出的时间差信息进行处理，获得时间比对结果ΔT＝α(ΔT
A
‑
ΔT
B
)并将其发送给远端对时钟信号B进行修正；α为等效时间尺度参数。2.根据权利要求1所述的超高精度双向时间同步装置，其特征在于，所述远端根据对比结果ΔT对时钟信号B进行修正，使时钟信号B进行ΔT/2的延时，最终获得同步的两地时间差。3.根据权利要求1所述的超高精度双向时间同步装置，其特征在于，α＝Δf/f1；f1为时钟信号A的整数倍。4.根据权利要求1或2或3所述的超高精度双向时间同步装置，其特征在于，所述时钟信号A为具有近端时间频率信息的电信号，所述时钟信号B为具有远端时间频率信息的电信号。5.根据权利要求1或2或3所述的超高精度双向时间同步装置，其特征在于，第一光梳同步锁定系统(3)包括第一同步相位跟踪系统(31)、第一光学频率梳(32)；第一同步相位跟踪系统(31)包括两输入，其中一路输入为时钟信号A，另一路输入为第一光学频率梳(32)输出的重频f1的信号，第一同步相位跟踪系统(31)用于对是指信号A与第一光学频率梳(32)提供的信号进行鉴相，获得携带两路信号相对相位差信息的误差信号，并提供给第一光学频率梳(32)的输入端，使得第一光学频率梳(32)输出的重频f1信号相位与时钟信号A保持一致。6.根据权利要求1或2或3所述的超高精度双向时间同步装置，其特征在于，第一光梳异步锁定系统(4)包括第一异步相位跟踪系统(41)、第二光学频率梳(42)；第一异步相位跟踪系统(41)有两输入，其中一路输入为时钟信号A，另一路输入为第二光学频率梳(42)输出的重复频率为f1+Δf的光梳信号；第二同...

【专利技术属性】
技术研发人员：郭弘，陈子扬，罗斌，吴腾，
申请(专利权)人：北京大学，
类型：发明
国别省市：