【技术实现步骤摘要】
本专利技术涉及自由空间光学时钟网络中的光学频率比对，特别是一种自由空间光学时钟网络中多普勒频移抑制系统与方法。
技术介绍
1、高精度的自由空间光学时钟网络(free-space optical clocknetwork,fsocn)能够促进导航、重力传感和光谱学等领域的应用，这些应用依赖于准确的时间测量和频率比对。然而，自由空间光学中的频率比对，由于大气湍流和平台运动引起的多普勒频移，不可避免地会在比对测试过程中引入非互易相位噪声。这种频移的幅度与运动速度和波长的倒数正相关，例如对于运动速度约为7.9km/s的近地轨道卫星和地面之间的通信波段光钟比对的应用，多普勒频移可超过10ghz。此前已经有报道了采用锁相环的方式对多普勒频移进行主动补偿[dix-matthews b p,gozzard d r,karpathakis s f e,et al.experimentaldemonstration of velocimetry by actively stabilized coherent optical transfer[j].physical review applied,2023,19(5):054018.]，这要求掌握平台运动速度的先验信息。虽然基于光梳的测速是可行的，但是他对锁相带宽要求较高，对于快速运动的平台，大额的多普勒频移可能会导致系统的频繁失锁，严重恶化分数频率不稳定度。更重要的是，对于光学频率比对系统而言，由于链路的时延，多普勒频移会导致双向测试的相位不同步，进一步恶化系统的残余相位噪声并降低不稳定度。另一种可
2、因此，需要探索更加高效、精确的补偿方法，以提高自由空间光学时钟网络的稳定性和精度。
技术实现思路
1、本专利技术的目的在于针对上述现有技术的不足，提供了一种自由空间光学频率比对中的多普勒频移抑制方法，当远端移动时，通过在本地端添加与链路延时相等的额外延时，以此在双向频率测试过程中被动消除由于平台运动(如卫星与地面站之间的相对运动)引入的多普勒频移所带来的非互易相位噪声。这种方法不需要实时测量平台运动速度，也无需复杂的主动补偿机制，从而简化了系统结构，提高了稳定性和可靠性。
2、为达到上述目的，本专利技术的技术解决方案如下：
3、一种自由空间光学频率比对中的多普勒频移抑制方法，包括本地端、自由空间链路以及远端；其特点在于
4、所述的本地端由第一待比对光源、第一光耦合器、第一在线式法拉第旋转镜、第一光学移频器、第一信号发生器、第一光学天线以及延时单元组成，所述的第一待比对光源的输出端与所述的第一光耦合器的第一输入端相连，所述的第一光耦合器的第二输入端和输出端分别与所述的延时单元的输入端以及所述的第一在线式法拉第镜的输入端相连，所述的第一在线式法拉第镜的输出端与所述的第一光学移频器的输入端相连，所述的第一光学移频器的射频输入端和输出端分别与所述的第一信号发生器的输出端以及所述的第一光学天线的输入端相连，所述的第一光学天线的输出端与所述的自由空间链路的一端相连；
5、所述的远端由第二待比对光源、第二光耦合器、第二在线式法拉第旋转镜、第二光学移频器、第二信号发生器、第二光学天线以及第一光电探测器组成，所述的第二待比对光源的输出端与所述的第二光耦合器的第一输入端相连，所述的第二光耦合器的第二输入端和输出端分别与所述的第一光电探测器的输入端以及所述的第二在线式法拉第镜的输入端相连，所述的第二在线式法拉第镜的输出端与所述的第二光学移频器的输入端相连，所述的第二光学移频器的射频输入端和输出端分别与所述的第二信号发生器的输出端以及所述的第二光学天线的输入端相连，所述的第二光学天线的输出端与所述的自由空间链路的另一端相连；
6、所述的延时单元可以由第一可调光延迟线以及第二光电探测器组成，所述的第一可调光延迟线的输出端与所述的第二光电探测器的输入端相连；
7、所述的延时单元也可以由第二光电探测器以及第一可调电延迟单元组成，所述的第二光电探测器的输出端与所述的第一可调电延迟单元的输入端相连；
8、所述的自由空间光学频率比对中的多普勒频移抑制方法，其特征在于，该方法具体步骤如下：
9、本地端中第一待比对光源所发出的光学频率信号的光场可以表示为：
10、
11、其中，v1和分别表示第一待比对光源的初始角频率和相位。其经过第一光耦合器以及第一在线式法拉第镜后，一部分光被反射，经过第一光耦合器后进入延时单元。另一部分光经过第一光学移频器以及第一光学天线后经过自由空间链路到达远端。远端接收到的光学频率信号经过第二光学天线、第二光学移频器、第二在线式法拉第镜以及第二光耦合器后进入第一光电探测器。
12、远端中第二待比对光源所发出的光学频率信号的光场可以表示为：
13、
14、其中，v2和分别表示第二待比对光源的初始角频率和相位。其经过第二光耦合器以及第二在线式法拉第镜后，一部分光被反射，经过第二光耦合器后进入第一光电探测器。第一光电探测器得到的拍频信号可以表示为：
15、
16、其中，ω1和ω2分别表示第一光学移频器以及第二光学移频器的驱动角频率，表示自由空间链路引入的相位噪声。假设远端以速度v(t)运动。由于多普勒效应，在本地端引入的多普勒频移可以表示为：
17、
18、其中，λ为光学频率信号的波长。当远端的第二待比对光源经过第二光耦合器、第二在线式法拉第镜、第二光学移频器、第二光学天线后通过自由空间链路进入本地端。经过第一光学天线、第一光学移频器、第一在线式法拉第镜以及第一光耦合器后进入延时单元，假设第一可调光延迟线或第一可调电延迟单元不引入额外的延时，在第二光电探测器中得到的拍频信号可以表示为：
19、
20、在比对测试中将e3和e4相加即可消除自由空间链路引入的相位噪声。但由于远端平台的运动，额外的多普勒频移会恶化系统评估的稳定度。为了推导方便，假设远端移动的速度v(t)随时间变化满足幅度为v0，周期为t0的正弦变化，其在本地端引入的多普勒频移可以修改为：
21、
22、在光学频率比对测试过程中，由于多普勒频移引入的频率偏差可以表示为：
23、
24、其中，τlink为自由空间链路引入的延时，τd为第一可调光延迟线或第一可调电延迟单元引入的延时。由于频率偏差导致的阿伦偏差可以表示为：
25、
26、其中，c为自由空本文档来自技高网...
【技术保护点】
1.一种自由空间光学时钟网络中的多普勒频移抑制系统，包括本地端(1)、自由空间链路(2)以及远端(3)；其特征在于，
2.根据权利要求1所述的自由空间光学时钟网络中的多普勒频移抑制系统，其特征在于，所述本地端(1)，还包括第一光耦合器(102)、第一在线式法拉第旋转镜(103)、第一光学移频器(104)、第一信号发生器(105)和第一光学天线(106)；所述远端(3)还包括第二光耦合器(302)、第二在线式法拉第旋转镜(303)、第二光学移频器(304)、第二信号发生器(305)和第二光学天线(306)；
3.根据权利要求2所述的自由空间光学时钟网络中的多普勒频移抑制系统，其特征在于，拍频信号E3包括光场E1和光场E2的初始相位信息以及自由空间链路噪声；拍频信号E4包括光场E1和已移频光场E2的初始相位信息、自由空间链路噪声以及多普勒频移信息。
4.根据权利要求2所述的自由空间光学时钟网络中的多普勒频移抑制系统，其特征在于，所述延时单元(107)包括第一可调光延迟线(107-1a)以及第二光电探测器(107-2)，其中，所述第一可调光延迟线(1
5.根据权利要求2所述的自由空间光学时钟网络中的多普勒频移抑制系统，其特征在于，所述延时单元(107)包括第二光电探测器(107-2)以及第一可调电延迟单元(107-1b)，其中，所述第二光电探测器(107-2)的输出端与所述的第一可调电延迟单元(107-1b)的输入端相连。
6.一种自由空间光学时钟网络中的多普勒频移抑制方法，其特征在于，包括：
7.根据权利要求6所述的自由空间光学时钟网络中的多普勒频移抑制方法，其特征在于，所述根据所述第二待比对光源(301)的运动速度调整延时单元(107)的延时量，具体包括：
...【技术特征摘要】
1.一种自由空间光学时钟网络中的多普勒频移抑制系统，包括本地端(1)、自由空间链路(2)以及远端(3)；其特征在于，
2.根据权利要求1所述的自由空间光学时钟网络中的多普勒频移抑制系统，其特征在于，所述本地端(1)，还包括第一光耦合器(102)、第一在线式法拉第旋转镜(103)、第一光学移频器(104)、第一信号发生器(105)和第一光学天线(106)；所述远端(3)还包括第二光耦合器(302)、第二在线式法拉第旋转镜(303)、第二光学移频器(304)、第二信号发生器(305)和第二光学天线(306)；
3.根据权利要求2所述的自由空间光学时钟网络中的多普勒频移抑制系统，其特征在于，拍频信号e3包括光场e1和光场e2的初始相位信息以及自由空间链路噪声；拍频信号e4包括光场e1和已移频光场e2的初始相位信息、自由空间链路噪声以及多普勒频移信息。
4.根据权利要求2...
【专利技术属性】
技术研发人员：胡亮，仇子昂，吴龟灵，陈建平，
申请(专利权)人：上海交大平湖智能光电研究院，
类型：发明
国别省市：
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