基于虚拟合成波长的双向光学时间频率比对系统与比对方法

本发明涉及光学时间频率传递领域，特别是适用于一种自由空间链路传递的双向时间频率比对与传递。

背景技术：

1、时间频率比对和传递实现主从两地(或多地)频标比对以及远程频标的校准，可使处于不同地理位置的用户共享统一的时间频率基准源。为了保障性能，时间频率比对的精度必须比被比对的时间频率信号高一个量级以上。目前主流的比对方式有基于空间微波和光纤链路两种。近年来，基于光纤传输的优良特性，大范围长距离光纤时间频率比对和同步技术取得了重大的进展。但光纤链路存在无法覆盖的空间，尤其是涉及可移动平台(如车地、星地、星间、海陆之间等)时，无法为“空-天-陆-海”提供全覆盖高精度时间频率比对。基于卫星的天基微波时间频率比对系统具有灵活、不受地域限制等优势，但是其精度有限。

2、虽然可通过双向时间频率比对法有效抑制大气湍流扰动等造成的两端参考光载波之间的相干时间恶化，但是空间链路特别是近地面链路受天气、大气湍流等因素的影响会引起信号随机衰落甚至丢失。也就是说，自由空间光链路实际上是断断续续的(以下称断续自由空间链路)，且持续时间和间隔具有随机性。当链路中断时间超过两端参考光载波之间的相干时间时，会引起相位测量的周期模糊度(周跳)，导致相位和时间测量的偏差。目前比较常用的基于光纤光学频率梳(以下简称光梳)线性光采样的双向时间频率比对(frequency comb based optical two-way time-frequency transfer，fc-otwtft)，具备大量程、较高精度的时间差测量能力，中断之后也能测量两地钟差[f.r.giorgetta,etal.,optical two-way time and frequency transfer over free space.naturephotonics,vol.7,no.6,pp.434-438,2013.e.d.caldwell,et al.,quantum-limitedoptical time transfer for future geosynchronous links.arxiv:2212.12541,2022]，但目前实用的光纤光梳的尺寸和复杂性限制了系统的应用范围，特别是卫星和移动平台。相比之下，基于光载波相位的时间频率比对技术只需要远程站点相对简单的光学和检测硬件。因此在尺寸、重量和稳定性方面具有优势，适合于卫星等移动平台。更重要的是，基于光载波相位的时间差测量技术可实现更高的测量精度。如，对于1/1000相对相位测量精度可实现阿秒量级时间差测量精度。但基于光载波相位的时间差测量非周期模糊度范围只有飞秒量级，对于非断续链路可采用卡尔曼滤波等算法拓展非周期模糊度范围，但是对于通断频繁的断续自由空间光链路，中断恢复之后可能丢失整数周期信息，导致时间频率比对性能的下降，是限制其系统性能和应用的主要障碍。

技术实现思路

1、本发明的目的在于针对现有技术的不足，提供一种基于虚拟合成波长的双向光学时间频率比对系统与比对方法，可以实现基于光载波相位的时间频率比对与同步，采用该结构可以实现光载波相位的高精度时间差测量的同时大幅度提升时间差测量范围，克服现有基于光载波相位时间测量范围不足以及基于扩频码调制与解调精度不足的问题，满足间断自由空间链路的高精度时间频率比对与传递的需求。

2、为达到上述目的，本发明的技术解决方案如下：

3、一方面，本发明提供一种基于虚拟合成波长的双向光学时间频率比对方法，包括主端和从端，以及连接所述主端和从端的自由空间链路，其特征在于，包括步骤如下：

4、主端将多个波长信号合成形成虚拟合成波长并发送到从端，与此同时，从端将多个波长信号合成形成虚拟合成波长并发送到主端；

5、主端测得本地光虚拟合成波长与从从端接收到虚拟合成波长的时间差tba，并发送到从端，与此同时，从端测得本地光虚拟合成波长与从主端接收到虚拟合成波长的时间差tab；

6、从端根据双向比对原理计算主从两端的钟差δt，δt＝(tab-tba)/2，并调整从端的光载波频率和相位，使δt→0，从而现主从两端的时间频率同步。

7、进一步，所述主端测得本地虚拟合成波长与从从端接收到虚拟合成波长的时间差tba，具体是：

8、所述主多通道鉴频鉴相模块测量每个主激光器输出光的波长与从所述从端接收到对应的各从激光器的波长之间的相位差，并根据多波长之间的相位信息，解调出通过虚拟合成波长测量的主端精时间差tf，ba，测量范围tf，同时，所述主多通道鉴频鉴相模块测量所述主信号处理模块的本地扩频码与从所述从端接收到的扩频码的主端粗时间差tc，ba，测量范围tc，并根据主端精时间差tf，ba和主端粗时间差tc，ba解调出主端测量的时间差tba。

9、进一步，所述从端测得本地虚拟合成波长与从主端接收到虚拟合成波长的时间差tab，具体是：

10、所述从多通道鉴频鉴相模块测量每个从激光器输出光的波长与从所述主端接收到对应的各主激光器的波长之间的相位差，并根据多波长之间的相位信息，解调出通过虚拟合成波长测量的从端精时间差tf，ab，测量范围tf，同时，所述从多通道鉴频鉴相模块测量所述从主信号处理模块的本地扩频码与与从所述主端接收到的扩频码的从端粗时间差tc，ab，测量范围tc，并根据从端精时间差tf，ab和从端粗时间差tc，ab解调出主端测量的时间差tab。

11、另一方面，本发明还提供一种基于虚拟合成波长的双向光学时间频率比对系统，包括主端和从端，以及连接所述主端和从端的自由空间链路，其特点在于，所述的主端包括n路主虚拟合成波长模块、第一主合波分波器、主光学频率梳模块、主法拉第旋转器、第n+1主耦合器、第二主合波分波器、主光学望远镜、第n+1主激光器、主信号处理模块、主多通道鉴频鉴相模块、第n+1主光电探测器和主环形器；

12、其中，第一路主虚拟合成波长模块，包括第一主激光器、第一主耦合器、第一主光电探测器、第一主带通滤波器和第一主伺服控制器，所述第一主激光器的激光器输出端口与所述第一主耦合器的第1端口相连，所述第一主激光器的电控制端口与所述第一主伺服控制器的输出端口相连，所述第一主耦合器的第2端口与所述第一主光电探测器的光输入端口相连，所述第一主光电探测器的电输出端口与所述第一主带通滤波器的输入端口相连，该第一主带通滤波器的第1输出端口与所述第一主伺服控制器的输入端口相连，该第一主带通滤波器的第2输出端口与所述主多通道鉴频鉴相模块的第1输入端口相连，所述第一主耦合器的第3端口与所述第一主合波分波器的第1端口相连；

13、以此类推，第n路主虚拟合成波长模块，包括第n主激光器、第n主耦合器、第n主光电探测器、第n主带通滤波器和第n主伺服控制器，所述第n主激光器的激光器输出端口与所述第n主耦合器的第1端口相连，所述第n主激光器的电控制端口与所述第n主伺服控制器的输出端口相连，所述第n主耦合器的第2端口与所述第n主光电探测器的光输入端口相连，该第n主光电探测器的电输出端口与所述第n主带通滤波器的输入端口相连，该第n主带通滤波器的第1输出端口与所述第n主伺服控制器的输入端口相连，该第n主带通滤波器的第2输出端口与所述主多通道鉴频鉴相模块第n输入端口相连，所述第n主耦合器的第3端口与所述第一主合波分波器的第n端口相连；

14、所述第一主合波分波器的第n+1端口与所述主法拉第旋转器的第1端口相连，该主法拉第旋转器的第2端口与所述第n+1主耦合器的第1端口相连，该第n+1主耦合器的第2、3端口分别与所述第二主合波分波器的第1端口、所述主光学频率梳模块输出端相连，所述的第二主合波分波器的第2、3端口分别与所述的主环形器的第3端口、所述的主光学望远镜的输入端口相连，所述的主环形器的第1、2端口分别与所述第n+1主激光器的输出端口、所述第n+1主光电探测器的输入端口相连，所述的主信号处理模块的第1、2、3端口分别与所述的主多通道鉴频鉴相模块的输出端口、所述的第n+1主光电探测器的输出端口、所述的第n+1主激光器电调制与控制端口相连；

15、所述的从端包括n路从虚拟合成波长模块、第一从合波分波器、从光学频率梳模块、从法拉第旋转器、第n+1从耦合器、第二从合波分波器、从光学望远镜、第n+1从激光器、从信号处理模块、从多通道鉴频鉴相模块、第n+1从光电探测器、从环形器和第n+1从伺服控制器；

16、其中，第一路从虚拟合成波长模块，包括第一从激光器、第一从耦合器、第一从光电探测器、第一从带通滤波器和第一从伺服控制器；所述第一从激光器的激光器输出端口与所述第一从耦合器的第1端口相连，所述第一从激光器的电控制端口与所述第一从伺服控制器的输出端口相连，所述第一从耦合器的第2端口与所述第一从光电探测器的光输入端口相连，所述第一从光电探测器的电输出端口与所述第一从带通滤波器的输入端口相连，所述第一从带通滤波器的第1输出端口与所述第一从伺服控制器的输入端口相连，所述第一从带通滤波器的第2输出端口与所述从多通道鉴频鉴相模块第1输入端口相连，所述第一从耦合器的第3端口与所述第一从合波分波器第1端口相连；

17、以此类推，第n路从虚拟合成波长模块，包括第n从激光器、第n从耦合器、第n从光电探测器、第n从带通滤波器和第n从伺服控制器，所述第n从激光器的激光器输出端口与所述第n从耦合器的第1端口相连，所述第n从激光器的电控制端口与所述第n从伺服控制器的输出端口相连，所述第n从耦合器的第2端口与所述第n从光电探测器的光输入端口相连，该第n从光电探测器的电输出端口与所述第n从带通滤波器的输入端口相连，该第n从带通滤波器的第1输出端口与所述第n从伺服控制器的输入端口相连，该第n从带通滤波器的第2输出端口与所述从多通道鉴频鉴相模块第n输入端口相连，所述第n从耦合器的第3端口与所述第一从合波分波器的第n端口相连；

18、所述第一从合波分波器第n+1端口与所述从法拉第旋转器的第1端口相连，该从法拉第旋转器的第2端口与所述第n+1从耦合器的第1端口相连，该第n+1从耦合器的第2、3端口分别与所述第二从合波分波器的第1端口、所述从光学频率梳模块的输出端相连，所述第二从合波分波器的第2、3端口分别与所述从环形器的第3端口、所述从光学望远镜的输入端口相连，所述从环形器的第1、2端口分别与所述第n+1从激光器的输出端口、所述第n+1从光电探测器的输入端口相连，所述从信号处理模块的第1、2、3、4端口分别与所述从多通道鉴频鉴相模块的输出端口、所述第n+1从光电探测器的输出端口、所述第n+1从激光器的电调制与控制端口、所述第n+1从伺服控制器的输入端口相连，该第n+1从伺服控制器的输出端口与所述从光学频率梳模块的重频和时延控制端口相连；

19、所述主端的n路主虚拟合成波长模块输出的n路光波经所述第一主合波分波器合波后，入射到所述主法拉第旋转器，经该主法拉第旋转器分成两部分：

20、一部分信号与经所述主光学频率梳模块输出的主光学频率梳信号一起沿原路返回，经所述第一主合波分波器分波后，分别经各自的主耦合器达到各主光电探测器，各主光电探测器输出的拍频信号通过各主伺服控制器反馈控制各主激光器的输出频率，实现n个波长相干的虚拟合成波长；

21、另一部分信号通过所述第n+1主耦合器(与经所述第n+1主激光器调制的由所述主信号处理模块输出的携带时间差信息和扩频码信号一起进入所述第二主合波分波器，经该第二主合波分波器合波后，通过所述主光学望远镜发送到从端；

22、同样的，所述从端的n路从虚拟合成波长模块输出的n路光波经所述第一从合波分波器合波后，入射到所述从法拉第旋转器，经该从法拉第旋转器分成两部分：

23、一部分信号与经所述从光学频率梳模块输出的从光学频率梳信号一起沿原路返回，经所述第一从合波分波器分波后，分别经各自的从耦合器达到各从光电探测器，各从光电探测器输出的拍频信号通过各从伺服控制器反馈控制各从激光器的输出频率，实现n个波长相干的虚拟合成波长；

24、另一部分信号通过所述第n+1从耦合器与经所述第n+1从激光器调制的由所述从信号处理模块输出的携带时间差信息和扩频码信号一起进入所述第二从合波分波器，经该所述第二从合波分波器合波后，通过所述从光学望远镜发送到主端；

25、所述主端：所述主多通道鉴频鉴相模块测量每个主激光器输出光的波长与从所述从端接收到对应的各从激光器的波长之间的相位差，并根据多波长之间的相位信息，解调出通过虚拟合成波长测量的主端精时间差tf，ba，测量范围tf，同时，所述主多通道鉴频鉴相模块测量所述主信号处理模块的本地扩频码与从所述从端接收到的扩频码的主端粗时间差tc，ba，测量范围tc；所述主多通道鉴频鉴相模块根据主端精时间差tf，ba和主端粗时间差tc，ba解调出主端测量的时间差tba；

26、所述从端：所述从多通道鉴频鉴相模块测量每个从激光器输出光的波长与从所述主端接收对应的各主激光器输出光的波长之间的相位差，并根据多波长之间的相位信息，解调出通过虚拟合成波长测量的从端精时间差tf，ab，测量范围tf，同时，所述从多通道鉴频鉴相模块测量所述从信号处理模块的本地扩频码与从所述主端接收到的扩频码的从端粗时间差tc，ab，测量范围tc；所述从多通道鉴频鉴相模块根据从端精时间差tf，ab和从端粗时间差tc，ab解调出从端测量的时间差tab；

27、所述主端将主端测量的时间差tba发送到从端，所述从端根据主端测量的时间差tba和从端测量的时间差tab，计算得到两端钟差δt，即δt＝(tab-tba)/2，并根据两端钟差δt调整从端参考光载波的输出频率和时延，使得δt→0，从而实现主从两端时间频率同步。

28、与现有技术相比，本发明的有益效果是：

29、本发明通过采用多个相位相互锁定的波长形成的虚拟合成波长，扩展了光载波相位的时间差测量范围，本发明克服了现有光载波时间频率比对时间差测量范围不足的缺点，同时有效提升传统基于光载波调制的时间频率比对方法精度不足的问题，系统具有底噪低、结构简单、可靠性高的优点。