一种适用于自由空间的激光时间频率同时传递系统的制作方法

电子通信装置的制造及其应用技术1.本发明涉及到高精度时频传递和测控技术领域，特别涉及一种适用于自由空间的激光时间频率同时传递系统。背景技术：2.时间是目前为止七个国际基本单位中测量精度最高的单位，在定位导航、深空探测、精密测量、大地探测、基础物理研究等领域，高精度的时间频率标准都有着广泛应用。但是在自由空间中，时间频率的传输仍然以基于卫星的微波手段为主，无法满足日益提升的时频标准的高精度传输要求。基于激光的自由空间时频传输技术以其高精度的时间频率传输，在近些年来得到众多研究机构的关注。该技术的研究对于天地一体化联合守时精度的提升具有重大意义，是未来空间高精度时间频率传递的重要发展方向。同时，基于自由空间的激光时频传递技术的研究对天文学、计量学、地球物理、甚长基线干涉测量(vlbi)、平方公里射电望远镜阵列(ska)、基本物理常数测定等研究领域，均具有重要意义。3.针对用户对于时间频率的不同需求，有时需要将时间信号和频率信号同时传递给用户端供用户使用，因此需要发展时频同传技术。在时频同传技术中，时间和频率信号传输方式一般有两种形式：(1)将时间和频率信号同时调制到一个信道中进行传输。例如在频率信号时域波形上嵌入时间信号的特征信息，在接收端对该特征信息进行检测解调，从而恢复出时间信号。(2)使用波分复用技术将时间和频率信号分别调制到两个信道进行传输。该方法将时间和频率信号加载到了两个波长的激光上，通过波分复用耦合到一根光纤中，接收端再通过波分复用将两束激光分离开来，各自恢复时间和频率信号。4.在当前的时频同传技术体系中，基于电延迟线芯片的时频同传方案为上述第(1)种形式，将复杂和庞大的光学延迟设备替换为电延迟线芯片，从而将补偿系统中的延迟环节从光路移动到电子线路中，该方案时间和频率传递稳定度和精度较高，但需用到自主设计的压控电延迟芯片以及1pps嵌入器和检测器等器件，实现成本高，技术复杂，且对电延迟芯片低相噪的特性要求较高。基于主动相位补偿的时频同传方案为上述第(2)种形式，将时间和频率信号加载到两个波长的激光上进行传输，使用波分复用和波分解复用来实现时频同传，该方案优点是可以将时间传递系统和频率传递系统简单的通过波分复用的形式结合起来，但是由于传输波长的不一致，会导致往返时间延时的不对称性以及色散等问题，造成时频同步精度的降低。技术实现要素：5.有鉴于此，本发明提供了一种适用于自由空间的激光时间频率同时传递系统；该系统有效降低现有时频同传系统的复杂度，提升传递精度。6.为了实现上述目的，本发明所采取的技术方案为：7.一种适用于自由空间的激光时间频率同时传递装置，包括发送端和接收端；8.所述发送端包括激光器单元、第一光纤分束器单元、第二光纤分束器单元、第一光电探测单元、第二光电探测单元、第一bpsk调制单元、第一马赫曾德调制单元、第二马赫曾德调制单元、第一混频单元、第一带通滤波单元、第二带通滤波单元、第一3倍频单元、第一望远镜单元、第二望远镜单元和第三望远镜单元；9.所述激光器单元输出端口与第一光纤分束器单元的输入端口相连，使用该束激光作为本时频同传装置的光源，所述的第一光纤分束器单元第一输出端口与第一马赫曾德调制单元光输入端口相连，所述的第一光纤分束器单元第二输出端口与第二马赫曾德调制单元光输入端口相连，外部输入的时间信号与外部输入的第二频率信号经过bpsk调制后，与外部输入的第一频率信号一起和第一马赫曾德调制单元调制输入端口相连，将信号加载到输入光上，所述第一马赫曾德调制单元光输出端口与第二光纤分束器单元输入端口相连，所述第二光纤分束器第一输出端口与第一望远镜单元输入端口相连；所述第二光纤分束器第二输出端口与第一光电探测单元输入端口相连，所述第一光电探测单元输出端口与第一3倍频单元输入端口相连，所述第一3倍频单元输出端口与第一混频单元第一输入端口相连，所述第一望远镜输出端口将输出激光发向自由空间链路，经过接收端反射镜反射，由所述第二望远镜单元对反射回的激光进行接收，所述第二望远镜单元输出端口与第二光电探测单元输入端口相连，所述第二光电探测单元输出端口与第一混频单元第二输入端口相连，所述第一混频单元将输入的两个频率信号进行混频，输出端口分为两束，分别与所述第一带通滤波单元输入端口和第二带通滤波单元输入端口相连，将混频信号进行滤波，所述第一带通滤波单元输出端口与第二马赫曾德调制单元第一输入端口相连，所述第二带通滤波单元输出端口与第二马赫曾德调制单元第二输入端口相连，将滤波后的两个频率信号加载到传输激光上，所述第二马赫曾德调制单元光输出端口与第三望远镜输入端口相连，所述第三望远镜将激光扩束，通过自由空间链路发送至接收端；10.所述的接收端主要由接收端反射镜单元、第四望远镜单元、第三光电探测单元、2分频单元、第一功率分配单元、第二功率分配单元、第三带通滤波单元、第四带通滤波单元、bpsk解调单元、频率合成单元组成；11.所述的第四望远镜单元输入端口与所述第三望远镜的输出端口相连，第四望远镜单元输出端口与所述第三光电探测单元输入端口相连，所述第三光电探测单元输出端口与第一2分频单元输入端口相连，2分频单元输出端口通过第一功率分配单元分为两束，分别与第三带通滤波单元和第四带通滤波单元输入端口相连，所述第四带通滤波单元输出端口与所述第二功率分配单元输入端口相连，分为两束，一束作为输出频率信号，一束与频率合成单元输入端口相连，由频率rf1合成频率rf2，频率合成单元输出端口与所述bpsk解调单元第二输入端口相连；所述第三带通滤波单元输出端口与所述bpsk解调单元第一输入端口相连，从rf2中将时间信号解调出来，通过所述bpsk解调单元输出端口将解调得到的时间信号输出给用户使用。12.本发明采取上述技术方案所产生的有益效果在于：13.1、本发明不同于现有的时间信号和频率信号同时传递方案。本发明是将时间信号通过bpsk调制到载波频率上，通过望远镜扩束，经过自由空间链路的往返传输，与发送端本振频率的3倍频混频，得到经过预补偿的传输频率。在接收端接收到频率信号后，进行二分频，使得待传输频率信号的相位完整的在接收端复现出来。同时也通过bpsk解调，将时间信号解调出来，也完整的将时间信号进行了对齐，从而实现了高精度的自由空间时间频率同时传递和同步。14.2、本发明通过bpsk调制解调和被动相位噪声补偿实现了时间和频率信号在自由空间中传输延时的预补偿，实现了自由空间时间频率的同时传递，系统传输精度高、复杂度低，弥补了现有时频同传方案的缺陷。附图说明15.图1是本发明实施例的结构框图。16.图2是本发明时间和频率信号同时传递系统的实施例结构示意图。具体实施方式17.下面，结合附图和具体实施方式对本发明做进一步的说明。18.为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。19.参照图1，一种基于bpsk调制和被动相位补偿的适用于自由空间的时频同传装置，包括发送端、自由空间链路和接收端。20.参照图2，所述的发送端由激光器单元、第一光纤分束器单元、第二光纤分束器单元、第一光电探测单元、第二光电探测单元、第一bpsk调制单元、第一马赫曾德调制单元、第二马赫曾德调制单元、第一混频单元、第一带通滤波单元、第二带通滤波单元、第一3倍频单元、第一望远镜单元、第二望远镜单元、第三望远镜单元组成。21.所述的激光器单元输出端口与第一光纤分束器单元的输入端口相连，使用该束激光作为本时频同传装置的光源，所述的第一光纤分束器单元第1输出端口与第一马赫曾德调制单元光输入端口相连，所述的第一光纤分束器单元第2输出端口与第二马赫曾德调制单元光输入端口相连，外部输入的时间信号与外部输入的第2频率信号经过bpsk调制，与外部输入的第1频率信号一起和第一马赫曾德调制单元调制输入端口相连，将信号加载到输入光上，所述第一马赫曾德调制单元光输出端口与第二光纤分束器单元输入端口相连，所述第二光纤分束器第1输出端口与第一望远镜单元输入端口相连，所述第二光纤分束器第2输出端口与第一光电探测单元输入端口相连，所述第一光电探测单元输出端口与第一3倍频单元输入端口相连，所述第一3倍频单元输出端口与第一混频单元第1输入端口相连，所述第一望远镜输出端口将输出激光发向自由空间链路，经过接收端反射镜反射，由所述第二望远镜单元对反射回的激光进行接收，所述第二望远镜单元输出端口与第二光电探测单元输入端口相连，所述第二光电探测单元输出端口与第一混频单元第2输入端口相连，所述第一混频单元将输入的两个频率信号进行混频，输出端口分为两束，分别与所述第一带通滤波单元输入端口和第二带通滤波单元输入端口相连，将混频信号进行滤波，所述第一带通滤波单元输出端口与第二马赫曾德调制单元第1输入端口相连，所述第二带通滤波单元输出端口与第二马赫曾德调制单元第2输入端口相连，将滤波后的两个频率信号加载到传输激光上，所述第二马赫曾德调制单元光输出端口与第三望远镜输入端口相连，所述第三望远镜将激光扩束，通过自由空间链路发送至接收端。22.所述的接收端由接收端反射镜单元、第四望远镜单元、第三光电探测单元、第一2分频单元、第一功率分配单元、第二功率分配单元、第三带通滤波单元、第四带通滤波单元、第一bpsk解调单元、第一频率合成单元组成。23.所述的第四望远镜单元第输入端口与所述第三望远镜的输出端口相连，输出端口与所述第三光电探测单元输入端口相连，所述第三光电探测单元输出端口与第一2分频单元输入端口相连，该2分频单元输出端口通过第一功率分配单元分为两束，分别与第三带通滤波单元和第四带通滤波单元输入端口相连，所述第四带通滤波单元输出端口与所述第二功率分配单元输入端口相连，分为两束，一束作为输出频率信号，一束与第一频率合成单元输入端口相连，由频率rf1合成频率rf2，输出端口与所述第一bpsk解调单元第2输入端口相连，所述第三带通滤波单元输出端口与所述第一bpsk解调单元第1输入端口相连，从rf2中将时间信号解调出来，通过所述第一bpsk解调单元输出端口将解调得到的时间信号输出给用户使用。24.利用上述装置实现时间信号和频率信号同时传递的方法，具体步骤如下：25.发送端待传频率信号设为ω1，作为时间信号载波的频率信号设为ω2，将时间信号通过bpsk调制加载到ω2频率信号上，两个频率信号同时加载到所述第一马赫曾德调制单元，此时电信号表达式可表示为[0026][0027]输出激光通过所述第一望远镜单元扩束、所述第二望远镜单元接收、所述第二光电探测单元解调，携带了两倍链路延时的信息(单程链路延时为δt)，即[0028][0029]经过所述第一3倍频单元的频率信号，即[0030][0031]e1与e2混频，取其差频信号，通过所述第一带通滤波单元和所述第二带通滤波单元将两个差频频率(即2ω1和2ω2)滤出来，加载到所述第二马赫曾德调制单元，这两个差频信号可表示为[0032][0033]也就是对两个频率信号进行了传输链路延时的预补偿，提前将传输链路的延时补偿掉，传输激光通过所述第二马赫曾德调制单元加载该信号，通过所述第三望远镜发射到自由空间链路，由所述接收端的第四望远镜单元进行激光接收。通过所述第三光电探测单元解调该频率信号，并通过所述第一2分频单元对该频率信号分频，得到[0034][0035]通过所述第一功率分配单元分为两路，并分别通过所述第三带通滤波单元和所述第四带通滤波单元将e5和e6滤出来，其中e5就是待传频率信号，由所述第二功率分频单元分出一路输出给用户，另外一路通过所述第一频率合成单元，由ω1转换为ω2，再通过所述第一bpsk解调单元将e6频率信号中携带的时间信号解调出来，输出给用户。[0036]本发明不同于现有的时间信号和频率信号同时传递的方案。本发明是将时间信号通过bpsk调制的方式加载到载波频率上，携带时间信号的载波频率再通过马赫曾德调制器加载到传输激光上。传输激光通过望远镜扩束，经过自由空间链路的往返传输，解调后，再与发送端本振频率的3倍频混频，得到经过预补偿的传输频率。经过预补偿的传输频率再次加载到光载波上进行传输，经过自由空间链路，到达接收端。在接收端接收到频率信号后，进行二分频，使得待传输频率信号的相位完整的在接收端复现出来。同时也通过bpsk解调，将时间信号解调出来，也完整的将发送端和接收端时间信号进行了相位的对齐，从而实现了高精度的自由空间时间频率同时传递和同步。[0037]本发明通过bpsk调制解调和被动相位噪声补偿实现了时间和频率信号在自由空间中传输延时的预补偿，实现了自由空间时间频率的同时传递，系统传输精度高、复杂度低，弥补了现有时频同传方案的缺陷。









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