【技術(shù)實(shí)現(xiàn)步驟摘要】
本專利技術(shù)涉及自由空間光學(xué)時(shí)鐘網(wǎng)絡(luò)中的光學(xué)頻率比對，特別是一種自由空間光學(xué)時(shí)鐘網(wǎng)絡(luò)中多普勒頻移抑制系統(tǒng)與方法。
技術(shù)介紹
1、高精度的自由空間光學(xué)時(shí)鐘網(wǎng)絡(luò)(free-space?optical?clocknetwork,fsocn)能夠促進(jìn)導(dǎo)航、重力傳感和光譜學(xué)等領(lǐng)域的應(yīng)用，這些應(yīng)用依賴于準(zhǔn)確的時(shí)間測量和頻率比對。然而，自由空間光學(xué)中的頻率比對，由于大氣湍流和平臺運(yùn)動引起的多普勒頻移，不可避免地會在比對測試過程中引入非互易相位噪聲。這種頻移的幅度與運(yùn)動速度和波長的倒數(shù)正相關(guān)，例如對于運(yùn)動速度約為7.9km/s的近地軌道衛(wèi)星和地面之間的通信波段光鐘比對的應(yīng)用，多普勒頻移可超過10ghz。此前已經(jīng)有報(bào)道了采用鎖相環(huán)的方式對多普勒頻移進(jìn)行主動補(bǔ)償[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.]，這要求掌握平臺運(yùn)動速度的先驗(yàn)信息。雖然基于光梳的測速是可行的，但是他對鎖相帶寬要求較高，對于快速運(yùn)動的平臺，大額的多普勒頻移可能會導(dǎo)致系統(tǒng)的頻繁失鎖，嚴(yán)重惡化分?jǐn)?shù)頻率不穩(wěn)定度。更重要的是，對于光學(xué)頻率比對系統(tǒng)而言，由于鏈路的時(shí)延，多普勒頻移會導(dǎo)致雙向測試的相位不同步，進(jìn)一步惡化系統(tǒng)的殘余相位噪聲并降低不穩(wěn)定度。另一種可
2、因此，需要探索更加高效、精確的補(bǔ)償方法，以提高自由空間光學(xué)時(shí)鐘網(wǎng)絡(luò)的穩(wěn)定性和精度。
技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路
1、本專利技術(shù)的目的在于針對上述現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供了一種自由空間光學(xué)頻率比對中的多普勒頻移抑制方法，當(dāng)遠(yuǎn)端移動時(shí)，通過在本地端添加與鏈路延時(shí)相等的額外延時(shí)，以此在雙向頻率測試過程中被動消除由于平臺運(yùn)動(如衛(wèi)星與地面站之間的相對運(yùn)動)引入的多普勒頻移所帶來的非互易相位噪聲。這種方法不需要實(shí)時(shí)測量平臺運(yùn)動速度，也無需復(fù)雜的主動補(bǔ)償機(jī)制，從而簡化了系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，提高了穩(wěn)定性和可靠性。
2、為達(dá)到上述目的，本專利技術(shù)的技術(shù)解決方案如下：
3、一種自由空間光學(xué)頻率比對中的多普勒頻移抑制方法，包括本地端、自由空間鏈路以及遠(yuǎn)端；其特點(diǎn)在于
4、所述的本地端由第一待比對光源、第一光耦合器、第一在線式法拉第旋轉(zhuǎn)鏡、第一光學(xué)移頻器、第一信號發(fā)生器、第一光學(xué)天線以及延時(shí)單元組成，所述的第一待比對光源的輸出端與所述的第一光耦合器的第一輸入端相連，所述的第一光耦合器的第二輸入端和輸出端分別與所述的延時(shí)單元的輸入端以及所述的第一在線式法拉第鏡的輸入端相連，所述的第一在線式法拉第鏡的輸出端與所述的第一光學(xué)移頻器的輸入端相連，所述的第一光學(xué)移頻器的射頻輸入端和輸出端分別與所述的第一信號發(fā)生器的輸出端以及所述的第一光學(xué)天線的輸入端相連，所述的第一光學(xué)天線的輸出端與所述的自由空間鏈路的一端相連；
5、所述的遠(yuǎn)端由第二待比對光源、第二光耦合器、第二在線式法拉第旋轉(zhuǎn)鏡、第二光學(xué)移頻器、第二信號發(fā)生器、第二光學(xué)天線以及第一光電探測器組成，所述的第二待比對光源的輸出端與所述的第二光耦合器的第一輸入端相連，所述的第二光耦合器的第二輸入端和輸出端分別與所述的第一光電探測器的輸入端以及所述的第二在線式法拉第鏡的輸入端相連，所述的第二在線式法拉第鏡的輸出端與所述的第二光學(xué)移頻器的輸入端相連，所述的第二光學(xué)移頻器的射頻輸入端和輸出端分別與所述的第二信號發(fā)生器的輸出端以及所述的第二光學(xué)天線的輸入端相連，所述的第二光學(xué)天線的輸出端與所述的自由空間鏈路的另一端相連；
6、所述的延時(shí)單元可以由第一可調(diào)光延遲線以及第二光電探測器組成，所述的第一可調(diào)光延遲線的輸出端與所述的第二光電探測器的輸入端相連；
7、所述的延時(shí)單元也可以由第二光電探測器以及第一可調(diào)電延遲單元組成，所述的第二光電探測器的輸出端與所述的第一可調(diào)電延遲單元的輸入端相連；
8、所述的自由空間光學(xué)頻率比對中的多普勒頻移抑制方法，其特征在于，該方法具體步驟如下：
9、本地端中第一待比對光源所發(fā)出的光學(xué)頻率信號的光場可以表示為：
10、
11、其中，v1和分別表示第一待比對光源的初始角頻率和相位。其經(jīng)過第一光耦合器以及第一在線式法拉第鏡后，一部分光被反射，經(jīng)過第一光耦合器后進(jìn)入延時(shí)單元。另一部分光經(jīng)過第一光學(xué)移頻器以及第一光學(xué)天線后經(jīng)過自由空間鏈路到達(dá)遠(yuǎn)端。遠(yuǎn)端接收到的光學(xué)頻率信號經(jīng)過第二光學(xué)天線、第二光學(xué)移頻器、第二在線式法拉第鏡以及第二光耦合器后進(jìn)入第一光電探測器。
12、遠(yuǎn)端中第二待比對光源所發(fā)出的光學(xué)頻率信號的光場可以表示為：
13、
14、其中，v2和分別表示第二待比對光源的初始角頻率和相位。其經(jīng)過第二光耦合器以及第二在線式法拉第鏡后，一部分光被反射，經(jīng)過第二光耦合器后進(jìn)入第一光電探測器。第一光電探測器得到的拍頻信號可以表示為：
15、
16、其中，ω1和ω2分別表示第一光學(xué)移頻器以及第二光學(xué)移頻器的驅(qū)動角頻率，表示自由空間鏈路引入的相位噪聲。假設(shè)遠(yuǎn)端以速度v(t)運(yùn)動。由于多普勒效應(yīng)，在本地端引入的多普勒頻移可以表示為：
17、
18、其中，λ為光學(xué)頻率信號的波長。當(dāng)遠(yuǎn)端的第二待比對光源經(jīng)過第二光耦合器、第二在線式法拉第鏡、第二光學(xué)移頻器、第二光學(xué)天線后通過自由空間鏈路進(jìn)入本地端。經(jīng)過第一光學(xué)天線、第一光學(xué)移頻器、第一在線式法拉第鏡以及第一光耦合器后進(jìn)入延時(shí)單元，假設(shè)第一可調(diào)光延遲線或第一可調(diào)電延遲單元不引入額外的延時(shí)，在第二光電探測器中得到的拍頻信號可以表示為：
19、
20、在比對測試中將e3和e4相加即可消除自由空間鏈路引入的相位噪聲。但由于遠(yuǎn)端平臺的運(yùn)動，額外的多普勒頻移會惡化系統(tǒng)評估的穩(wěn)定度。為了推導(dǎo)方便，假設(shè)遠(yuǎn)端移動的速度v(t)隨時(shí)間變化滿足幅度為v0，周期為t0的正弦變化，其在本地端引入的多普勒頻移可以修改為：
21、
22、在光學(xué)頻率比對測試過程中，由于多普勒頻移引入的頻率偏差可以表示為：
23、
24、其中，τlink為自由空間鏈路引入的延時(shí)，τd為第一可調(diào)光延遲線或第一可調(diào)電延遲單元引入的延時(shí)。由于頻率偏差導(dǎo)致的阿倫偏差可以表示為：
25、
26、其中，c為自由空本文檔來自技高網(wǎng)...
【技術(shù)保護(hù)點(diǎn)】
1.一種自由空間光學(xué)時(shí)鐘網(wǎng)絡(luò)中的多普勒頻移抑制系統(tǒng)，包括本地端(1)、自由空間鏈路(2)以及遠(yuǎn)端(3)；其特征在于，
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的自由空間光學(xué)時(shí)鐘網(wǎng)絡(luò)中的多普勒頻移抑制系統(tǒng)，其特征在于，所述本地端(1)，還包括第一光耦合器(102)、第一在線式法拉第旋轉(zhuǎn)鏡(103)、第一光學(xué)移頻器(104)、第一信號發(fā)生器(105)和第一光學(xué)天線(106)；所述遠(yuǎn)端(3)還包括第二光耦合器(302)、第二在線式法拉第旋轉(zhuǎn)鏡(303)、第二光學(xué)移頻器(304)、第二信號發(fā)生器(305)和第二光學(xué)天線(306)；
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的自由空間光學(xué)時(shí)鐘網(wǎng)絡(luò)中的多普勒頻移抑制系統(tǒng)，其特征在于，拍頻信號E3包括光場E1和光場E2的初始相位信息以及自由空間鏈路噪聲；拍頻信號E4包括光場E1和已移頻光場E2的初始相位信息、自由空間鏈路噪聲以及多普勒頻移信息。
4.根據(jù)權(quán)利要求2所述的自由空間光學(xué)時(shí)鐘網(wǎng)絡(luò)中的多普勒頻移抑制系統(tǒng)，其特征在于，所述延時(shí)單元(107)包括第一可調(diào)光延遲線(107-1a)以及第二光電探測器(107-2)，其中，所述第一可調(diào)光延遲線(1
5.根據(jù)權(quán)利要求2所述的自由空間光學(xué)時(shí)鐘網(wǎng)絡(luò)中的多普勒頻移抑制系統(tǒng)，其特征在于，所述延時(shí)單元(107)包括第二光電探測器(107-2)以及第一可調(diào)電延遲單元(107-1b)，其中，所述第二光電探測器(107-2)的輸出端與所述的第一可調(diào)電延遲單元(107-1b)的輸入端相連。
6.一種自由空間光學(xué)時(shí)鐘網(wǎng)絡(luò)中的多普勒頻移抑制方法，其特征在于，包括：
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的自由空間光學(xué)時(shí)鐘網(wǎng)絡(luò)中的多普勒頻移抑制方法，其特征在于，所述根據(jù)所述第二待比對光源(301)的運(yùn)動速度調(diào)整延時(shí)單元(107)的延時(shí)量，具體包括：
...【技術(shù)特征摘要】
1.一種自由空間光學(xué)時(shí)鐘網(wǎng)絡(luò)中的多普勒頻移抑制系統(tǒng)，包括本地端(1)、自由空間鏈路(2)以及遠(yuǎn)端(3)；其特征在于，
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的自由空間光學(xué)時(shí)鐘網(wǎng)絡(luò)中的多普勒頻移抑制系統(tǒng)，其特征在于，所述本地端(1)，還包括第一光耦合器(102)、第一在線式法拉第旋轉(zhuǎn)鏡(103)、第一光學(xué)移頻器(104)、第一信號發(fā)生器(105)和第一光學(xué)天線(106)；所述遠(yuǎn)端(3)還包括第二光耦合器(302)、第二在線式法拉第旋轉(zhuǎn)鏡(303)、第二光學(xué)移頻器(304)、第二信號發(fā)生器(305)和第二光學(xué)天線(306)；
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的自由空間光學(xué)時(shí)鐘網(wǎng)絡(luò)中的多普勒頻移抑制系統(tǒng)，其特征在于，拍頻信號e3包括光場e1和光場e2的初始相位信息以及自由空間鏈路噪聲；拍頻信號e4包括光場e1和已移頻光場e2的初始相位信息、自由空間鏈路噪聲以及多普勒頻移信息。
4.根據(jù)權(quán)利要求2...
【專利技術(shù)屬性】
技術(shù)研發(fā)人員：胡亮，仇子昂，吳龜靈，陳建平，
申請(專利權(quán))人：上海交大平湖智能光電研究院，
類型：發(fā)明
國別省市：
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