本发明属于光纤比对技术领域，涉及双向光学相位比对方法，尤其是一种基于本地端测量的异地双向光学相位比对方法及其实现装置。
背景技术：
近年来随着光学频率梳、光纤通信等相关技术的不断发展，目前光钟的研究成果取得了重大进展，光钟的频率稳定度和不确定度均已突破10-18量级，传统的利用卫星链路进行时间频率信号的远距离传输的方案，因其一天的传输稳定度只能达到10-16量级而无法满足高精度远程光钟比对的要求。随着光纤通信技术的日趋成熟，远距离光纤光频传输技术也展现出了较大的应用前景和精度优势，当前世界多个国家已开展相关领域的研究，利用光纤传输光频信号已经可以达到10-20/天的量级，足以满足远距离光钟之间的高精度比对需求。
为了更好的实现远程时钟的高精度比对，2014年意大利c.clivati小组首次提出了双向光学相位比对的思想。在该方案中，位于同根光纤两端的激光器同时向相对端发送光信号，到达两端的传输光同时完成其与当地激光器的拍频，使用跟踪式dds实现同步采集和处理拍频信号，被动消除掉光纤链路的共模相位噪声，得到高精度的比对结果。同年，法国anneamy-klein小组在其基础上提出双向光学频率比对的实验方案，该方案使用频率计数器采集拍频信号，通过两个拍频信号的频率比对，得到高精度的比对结果。该两种方案均利用一台激光器通过分束模拟分别位于两地的两台激光器，其输出光同时通过同一根连接两地的光纤相向传播且在光纤中仅传播一次，假设两个传播方向上叠加在往返光纤链路上的相位噪声相等，通过同时采集两地的相位或频率比对信息，即可被动的消除该光纤共模相位噪声，最终得到了较传统传递技术精度高3db的比对精度，两种方案的万秒频率稳定度均达到10-21量级。
然而以上现有技术的方案也存在缺陷：
一，现有技术的方案对异地的相位测量过程的时间同步性要求较高，需要确保两地拍频信号的相位或频率信息的采集具有较高的同时性，不易于实现真正意义上的异地。
二，现有技术的方案所需要的电路部分器件较复杂，易引入无关的射频噪声，影响比对结果。
技术实现要素：
本发明的目的在于克服上述现有技术的缺点，提供一种基于本地端测量的异地双向光学相位比对方法及其实现装置。
本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：
这种基于本地端测量的异地双向光学相位比对方法为：以分隔两地的两台激光器作为光源，之间用远距离光纤链路相连，两台激光器的输出光信号在同根光纤上同时相向传播，其中一台激光器的信号光通过光纤链路向本地端发送并与另一台激光器拍频，同时该另一台激光器的信号光发送到远端后被反射原路返回并与其自身拍频，通过对这两个拍频信号进行相位比对，被动消除光纤链路共模相位噪声，以实现两台激光器的比对。
本发明提出一种上述基于本地端测量的异地双向光学相位比对方法的装置：包括光学结构和电学部分；所述光学结构由本地端光路部分、光纤链路部分和远端光路部分组成；所述电学部分由探测器和射频信号源组成；所述射频信号源包括第一射频信号源和第二射频信号源；
所述的本地端光路部分包括第一激光器，所述第一激光器的输出连接有第一x型分束器的输入，所述的第一x型分束器的输入还连接有电学部分的探测器；所述第一x型分束器的输出分别设置有第一法拉第镜和第一声光调制器的输入；
所述光纤链路部分的一端连接有本地端光路部分的第一声光调制器的输出，另一端连接有远端光路部分的第二声光调制器的输出；
所述远端光路部分包括第二激光器，所述第二激光器的输出连接有第二y型分束器的输出；所述第二y型分束器的另一个输出设置有第二法拉第镜；所述第二y型分束器的输入连接有第二声光调制器的输入；
所述电路部分的第一射频信号源连接有第一声光调制器的射频输入；第二射频信号源连接有第二声光调制器的射频输入。
进一步，上述第一x型分束器的分光比为50/50；所述第二y型分束器的分光比为50/50。
进一步，上述光学结构中使用的光纤器件均为单模光纤器件。
进一步，上述第一声光调制器和第二声光调制器之间有固定且不构成倍数关系的频率差。
本发明还提出一种上述装置的异地双向光学相位比对方法，具体包括以下步骤：
本地端光路部分的第一激光器的输出光先经过第一x型分束器分为两束，其中一束光被第一法拉第镜反射并沿第一x型分束器进入电学部分的探测器中等待拍频，另一束光经过第一声光调制器频移后传输进入光纤链路中；光纤链路部分继续传输进入远端光路部分；
2)远端光路部分将经过光纤链路传输过来的光经过第二声光调制器频移后，将频移后的光经过第二y型分束器分为两束，其中一路被第二法拉第镜反射并沿原路返回，该返回光回到本地端与第一x型分束器中被第一法拉第镜反射的光信号合束拍频；与此同时，远端光路部分的第二激光器的输出光经过第二y型分束器和第二声光调制器移频后进入光纤链路继续传输，到达本地端后与第一x型分束器中被第一法拉第镜反射的光信号合束拍频。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
1)本发明具有较好的相位噪声抑制效果：
本发明使用单根光纤同时双向对传光信号，可以被动地消除掉叠加在往返光纤链路上的共模相位噪声，而且不需要在光频传输过程中引入噪声主动补偿装置，不仅简化了实验方案，而且噪声抑制效果出色。
2)本发明可在单一地点完成数据测量：
本发明只在本地端放置单个光电探测器，仅在本地端采集所需的两个拍频信号，通过两个拍频信号的相位比对，从而得到本地端激光器和远端激光器之间的比对结果。有效的避免了由于异地测量的非同步性所带来的对比对精度的影响，研究成果将对远距离光钟以及更先进的原子钟的高精度比对产生重要的推动作用。
3)本发明所需射频器件简单，工作稳定，测量相位噪声的带宽范围大：
本发明的结构不涉及主动补偿链路噪声，因此不需要闭环控制，不存在失锁的问题，其比对环路的可靠性较高。而且本发明不受干涉仪的传递函数的影响，因此可用于评估宽带信号的相位噪声。
进一步的，本发明可以克服现有技术双向光学比对过程中面临的技术缺陷。不仅在光纤共模相位噪声抑制方面表现出色，而且可在单一地点完成数据测量和采集，规避异地测量的时间非同步性的影响，有效提高比对精度，并且能够避免闭环控制，提高链路可靠性，可用于测量宽带相位噪声，具有结构简单，系统稳定度高等优点。
附图说明
图1为本发明的异地双向光学相位比对实验方法结构示意图。
其中：laser1为第一激光器，laser2为第二激光器，lab1为本地端，lab2为远端，aom1为第一声光调制器，aom2为第二声光调制器，fm1为第一法拉第旋转镜，fm2为第二法拉第镜，pd为探测器，rf1为第一射频信号源，rf2为第二射频信号源。
具体实施方式
本发明基于本地端测量的异地双向光学相位比对方法是以分隔两地的两台激光器作为光源，之间用远距离光纤链路相连，两台激光器的输出光信号在同根光纤上同时相向传播，其中一台激光器的信号光通过光纤链路向本地端lab1发送并与另一台激光器拍频，同时该另一台激光器的信号光发送到远端lab2后被反射原路返回并与其自身拍频，通过对这两个拍频信号进行相位比对，被动消除光纤链路共模相位噪声，以实现两台激光器的比对。
为了实现以上方法，本发明提出一种装置如图1所示：包括光学结构和电学部分；光学结构由本地端光路部分、光纤链路部分和远端光路部分组成；电学部分由探测器和射频信号源组成；射频信号源包括第一射频信号源rf1和第二射频信号源rf2。
本地端光路部分包括第一激光器laser1，第一激光器laser1的输出连接有第一x型分束器smc1的输入，第一x型分束器smc1的输入还连接有电学部分的探测器pd；第一x型分束器smc1的输出分别设置有第一法拉第镜fm1和第一声光调制器aom1的输入。光纤链路部分的一端连接有本地端光路部分的第一声光调制器aom1的输出，另一端连接有远端光路部分的第二声光调制器aom2的输出；远端光路部分包括第二激光器laser2，所述第二激光器laser2的输出连接有第二y型分束器smc2的输出；所述第二y型分束器smc1的另一个输出设置有第二法拉第镜fm2。所述第二y型分束器smc1的输入连接有第二声光调制器aom2的输入。电路部分的第一射频信号源rf1连接有第一声光调制器aom1的射频输入。第二射频信号源rf2连接有第二声光调制器aom2的射频输入。本发明的光学结构中使用的光纤器件均为单模光纤器件。第一声光调制器aom1和第二声光调制器aom2之间有固定且不构成倍数关系的频率差。
在本发明的最佳实施例中，第一x型分束器smc1的分光比为50/50，但不限于50/50的分光比。第二y型分束器smc2的分光比为50/50，但不限于是50/50的分光比。
以上装置的异地双向光学相位比对方法具体包括以下步骤：
1)本地端光路部分由第一激光器laser1的输出光先经过50/50的第一x型分束器smc1分为两束，50％的光被第一法拉第镜fm1反射并沿第一x型分束器smc1进入电学部分的探测器pd中等待拍频，50％的光经过第一声光调制器aom1频移后传输进入光纤链路中；光纤链路部分将该部分光继续传输进入远端光路部分。
2)远端光路部分将经过光纤链路传输过来的光经过第二声光调制器aom2频移后，将频移后的光经过50/50的第二y型分束器smc2分为两束，其中一路被第二法拉第镜fm2反射并沿原路返回，该返回光回到本地端lab1与第一x型分束器smc1中被第一法拉第镜fm1反射的光信号合束拍频；与此同时，远端光路部分的第二激光器laser2的输出光经过第二y型分束器smc2、第二声光调制器aom2移频后进入光纤链路继续传输，到达本地端lab1后与第一x型分束器smc1中被第一法拉第镜fm1反射的光信号合束拍频。
综上所述，本发明是建立在光信号同时在光纤上相向传播的基础上，此时，通过假设光纤的两个传播方向上叠加在往返光纤上的共模相位噪声相等，因此含有相等的光纤相位噪声的两个拍频信号相减，即可消除掉该相位噪声，得到较高精度的比对结果。这种方法只设计了单一探测器位于本地端，即两个拍频信号均可在本地端测量得出，那么异地双向光学相位比对方法就不需要从远端获取数据，因此本方法不涉及远程数据交换，避免了异地测量数据时的时间同步；虽然其中一路拍频信号携带了两倍的光纤相位噪声，需要对其先进行分频后再与另一拍频信号进行相位比对。
本发明中所使用的声光调制器aom1的作用是产生参考光与返回光之间的频率差，进而利用外差探测技术获得较高的信噪比,而aom2的加入是便于分辨有用信号与实际光纤系统中存在一定的节点反射光和瑞利散射光。考虑aom引入谐波的问题，故要求所使用的aom应避免倍数关系。
本发明所涉及的所有光纤器件均为单模光纤器件，较大的温度变化会影响器件的性能，因此在设计中要分离发热器件，保证其它器件的正常工作。
本发明中所使用的分束器的分光比例不固定，可根据激光器输出光功率及光纤链路的长度和单位损耗等数据进行计算。这里使用固定的比例的分光器实际起到的是分束的作用。
本发明所用光学、电学器件少，成本低，且无复杂的有源光纤噪声控制环路，在远程时钟比对以及更先进的原子钟领域可能成为一种较可靠的实验方案。