高精度自由空间时间与频率传递研究

侯冬,张大年,孙富宇,田杰,陈诗军

(1.电子科技大学 自动化工程学院 时频测量与控制研究中心,成都 611731；2.中国工程物理研究院 电子工程研究所,绵阳 621900；3.中兴通讯股份有限公司，深圳 518057)

0 引言

高精度时间与频率传递技术在国防军事、深空探测、基础科学、频率标准、通信等众多领域都有极其重要的应用[1-4]。目前常用的时频传递方式包括无线微波传输技术和光纤时频同步等技术[5-7]。无线微波传输易受到大气波动等问题的影响,其同步精度受到一定的限制。光纤链路虽然具有损耗低、稳定性高、抗电磁干扰强等特性,但是其传输方式需要构建专用的光纤信道,在某些没有现成的光纤链路的场合来说就很难使用光纤时频传递技术,这从一定程度上限制了光纤时频传递技术的发展。由于自由空间可以不依赖于固有光纤信道,因此采用自由空间作为信道的时频传递方式开始受到了广泛关注[8]。近十年来,基于自由空间时频传递技术获得了飞速的发展,世界上一些主要科研院所,包括德国马克斯—普朗克研究所、美国国家标准与技术研究院、美国阿拉巴马汉茨维尔大学、法国巴黎天文台时间频率标准实验室、韩国高等科学技术院、中国的清华大学以及电子科技大学等,都在自由空间时频传递方面开展了重要的研究。2009年德国马普光学所的B.Sprenger等首先进行了基于连续光的百米级自由空间频率传递实验[9]。2010年美国阿拉巴马汉茨维尔大学的R.P.Gollapalli等人首次实现了基于飞秒光梳的自由空间百米级频率传递实验[10-11]。由于光梳具有极低的相位噪声性能,在之后的几年,采用飞秒光梳的自由空间传递技术获得了广泛的关注。2013年美国国家标准与技术研究院的N.R.Newbury研究小组,完成了基于飞秒激光的千米级室外自由空间双向时间频率传递实验,该实验将光梳锁定到超稳光学谐振腔上,时间同步精度达到了十飞秒量级[12-13]。2014年韩国高等科学技术院的J.Kim研究组实现了室内基于飞秒激光的78 m极高精度频率传递实验[14],其频率传递精度达到亚十飞秒的量级。2015年清华大学的J.Miao等利用一组微波天线,采用微波调制技术实现了自由空间时频信号的直接分发[15]。最近,作者所在的电子科技大学研究小组在百米距离上实现了亚皮秒级的自由空间频率传递实验[16],使自由空间时频传递技术在小型化、便携性上迈出了重要一步。

本文主要介绍电子科技大学在自由空间时间与频率传递方面的最新研究进展：在频率传递方面,提出了基于主动相位补偿法的连续激光自由空间频率传递技术,以及基于被动相位补偿法的光梳自由空间频率传递技术,并利用所提出的频率传递技术进行了实际室外频率传递实验；在时间传递方面,提出了基于往返时间时延补偿法的自由空间时间传递技术,利用该时间传递技术进行了实际室外高精度时间传递实验。

1 基于主动相位补偿法的自由空间频率传递

采用自由空间信道进行高精度频率信号传递时,各种环境因素,如空气的湍流、平台的振动、以及环境的温度变化等因素会造成传输光程的极大波动,进而导致光信号相位的波动,等效于附加在原频率信号上的相位噪声[17-18]。上述相位噪声会造成频率信号的相位波动,降低时频信号的传递精度。为了在自由空间链路上实现高精度的频率信号传递,需要对相位波动进行补偿。本文中,我们首先提出了基于主动相位补偿法的自由空间频率传递技术。

1.1 原理与实验装置

该技术的原理及其实验装置如图1所示。系统采用一台高稳的1 GHz射频源作为参考信号源,采用一颗1 550 nm波长的小型连续激光管作为光源。在发送端,信号源输出高稳微波信号,该信号经过一个移相器后,被调制到激光器上。调制后的激光信号通过扩束镜(Telescope)被直接发送到自由空间的传输链路。在远端,激光信号被一个镀有高反膜的反射镜反射回本地的接收端。在接收端,通过自由空间传递的激光信号经过一个半发射镜(HM)后分成两路光束信号,其中一部分光束信号通过原自由空间链路被反射回到发送端,并被一支光电管(PD2)接收转化为微波信号。由PD2恢复得到的微波信号通过放大器和低通滤波器(LPF)后与移相后的一路微波进行混频,得到了两个边带信号。我们利用带通滤波器提取出来高频边带(2 GHz)信号,将该2 GHz信号与参考信号的倍频信号(2 GHz)一起,送到微波鉴相器进行鉴相得到直流误差信号。通过比例-积分控制器(PI)将该误差信号反馈到移相器,实现对由大气波动所导致相位抖动的精确补偿。在接收端的另一部分光束直接通过扩束镜聚焦到另一支光电管(PD1)上转化为接收端微波信号以供用户使用。通过该主动相位抖动补偿机制,附加在接收端微波信号的相位抖动在很大程度上被得到抑制。

图1 基于主动相位补偿法的自由空间频率传递技术

该主动相位补偿方案的原理如下。假设信号源的初始相位为φ0,由移相器引入的相移为φc,在收发端之间由大气波动带来的相位抖动φp。在此假设下,由于往返激光信号包含了两次单向大气波动的影响,因此PD2所恢复微波信号的相移为φ0+φc+2φp。在发送端,通过将该微波信号与移相后的微波信号进行混频得到高频边带信号,其相移可表示为：2φ0+2φc+2φp。我们再进一步将该高频边带信号与参考信号源的倍频信号进行鉴相得到直流误差信号。在这一过程中初始相位φ0项被消除,由此直流误差信号的强度可以表示为2(φc+φp)。通过PI控制器将该误差信号反馈给移相器,可以得到φc+φp=0。对于接收端恢复出的微波信号来说,即实现了相位抖动的补偿,最终得到极其稳定的频率信号。

1.2 实验结果

为了验证基于主动相位补偿法的自由空间频率传递方案,我们设计了实际频率传递实验。该1 GHz微波频率传递实验位于电子科技大学主楼的顶层。发送与接收端都被安置在本地,远端则安置了一面反射镜。本地端与远端相距50 m,即发送与接收端的单向传输距离为100 m。频率传递实验在夜间进行,且每一组传递均持续5 ks,图2为该1 GHz微波信号传递后的时延抖动和稳定度结果。

图2 基于主动相位补偿法的频率传递实验结果

如图2(a)所示,曲线(i)显示在无主动相位补偿的情况下,5 ks内该1 GHz频率信号的时延抖动标准差为2.2 ps；曲线(ii)显示采用主动相位补偿的情况下,时延抖动标准差减小至大约490 fs。这里,我们还测量了系统的背景噪声,即短接情况(short link)下的时延抖动;曲线(iii)显示我们测量系统的光路及电子线路背景噪声所带来的本底时延为200 fs。我们发现该本底时延存在一定程度的非线性漂移,其漂移量的峰-峰值为500 fs,这是由于实验系统所使用的鉴相器、放大器以及滤波器等电子元器件,受到实验环境温度变化的影响,导致其特性发生变化所致。由于本底噪声是测量系统的下限,因此实验环境温度的漂移以及光电子元件的噪声是限制系统测量精度的最主要原因。根据图2(a)的时延抖动,我们进一步计算得到了该频率传递实验的稳定度,如图2(b)所示。曲线(i)显示在无主动相位补偿的情况下,该频率传递系统的Allan方差在1 s时为8 × 10-13,在1 ks时为4 × 10-16；曲线(ii)显示经过主动相位补偿后,该频率传递系统的Allan方差降低到在1 s时为3 × 10-13,在1 ks时为2 × 10-16。这里,我们还计算了该频率传递系统本底噪声带来的不稳定度,如曲线(iii)所示。我们发现曲线(ii)与(iii)的斜率有很大不同,其主要原因是平台快速振动以及激光信号信噪比损失等效应,恶化了传递信号的短期稳定度。但由于累积平均的结果,该效应未对传递信号长期稳定度产生明显影响。由此导致了曲线(ii)与(iii)在短、长期尺度上明显的差异。这里需要指出的是,平台快速振动以及激光信号信噪比损失等效应是系统固有的干扰噪声,所造成的短期稳定度恶化无法通过时延抖动补偿方法来消除,只能通过优化系统结构提升原始信号信噪比来抑制。从图2中可以看出,利用该主动相位补偿法可将在百米自由空间内所传递频率信号的时延抖动降低到了亚皮秒量级。因此,我们相信本文所提出的主动相位补偿技术可以抑制大部分由于大气湍流所导致的时延抖动。

2 基于被动相位补偿法的自由空间频率传递

在第1节中,我们介绍了采用主动相位补偿法的自由空间频率传递技术。在主动相位补偿方案中需要用到主动控制器,如移相器、PI控制器等来实现主动相位的补偿。本节将介绍一种全新的被动相位补偿方案,该方案采用相位共轭补偿的原理,可以在无主动控制器的情况下实现高精度的相位补偿。利用该方案,我们提出基于被动相位补偿法的自由空间频率传递技术。

2.1 原理与实验装置

基于被动相位共轭补偿法的自由空间频率传递技术的原理及装置如图3所示。系统采用一台重复频率为100 MHz的掺铒锁模激光器作为光梳光源[19],并经由锁相环(PLL)锁定在射频参考源(RF Source)上[20]。在发送端,光梳产生的脉冲激光通过扩束镜(TS)被直接发送到自由空间的传输链路。在远端,激光信号被一个镀有高反膜的反射镜反射回本地的接收端。在接收端,通过自由空间传递的激光信号首先经过一个半发射镜(HM)后分成两路光束信号,其中一部分光束信号通过原自由空间链路被反射回到发送端,另一半光束则通过高速光电管(PD1)转换成微波信号。发射端接收到的返回光束经过相同的自由空间光路,又被反射至接收端。这束经过两次反射的激光信号第三次通过相同路径传输到接收端,最终被接收端上的高速光电管(PD2)转换成另一个微波信号。由于PD1和PD2输出的两个微波信号具有多次谐波,因此我们采用两个中心频率不同的带通滤波器分别提取PD1和PD2输出的三次谐波和基波信号。我们注意到这两个滤出的微波信号中由空气湍流带来的时延抖动是相等的,通过将这两个信号混频并滤除高次谐波边带,便可以得到纯净而稳定的低频边带微波信号。因此通过这一被动相位共轭补偿机制,低频边带微波信号中的时延抖动得以被自然地消除。该被动相位共轭补偿技术的原理及理论分析如下。

假设光梳基频V1初始相位为φ0,则其二、三次谐波V2,V3的初始相位分别为2φ0和3φ0。再假设光脉冲信号在发送端与接收端之间单向传递一次情况下(由发送端-反射端-接收端),大气湍流对基频信号带来的相位波动为φp,那么对二、三次谐波带来的相位波动分别为2φp和3φp。在整个频率传递过程中,因为基频信号往返传递了三次,而三次谐波单向只传递了一次,因此由PD1恢复出来基频信号V1的相移为φ0+3φp,由PD3恢复出来三次谐波V3的相移为3φ0+3φp。这里可以看到,由PD1和PD3恢复出的微波信号中由空气湍流带来的时延抖动是相等的,都为3φp。将恢复出来基频信号和三次谐波混频并滤除高频边带,根据计算式为：((3φ0+3φp)-(φ0+3φp)),所提取出来的低频边带信号只包含初始相位2φ0。由前式显而易见,由大气湍流带来的相位波动φp被自然地消除。由上述分析可知,采用本文提出的基于被动相位共轭补偿法的频率传递技术,时延抖动在不依赖主动相位补偿的情况下得以有效消除。

注：V2,V2,V3 ,…,Vn是光频梳的各次谐波

2.2 实验结果

为了验证基于被动相位补偿法的自由空间频率传递技术,我们设计了实际频率传递实验。该2 GHz频率传递实验也位于电子科技大学主楼的顶层。发送与接收端都被安置在本地,远端则安置了一面反射镜。本地端与远端相距26 m,即发送端与接收端的单向传输距离为52 m。频率传递实验在夜间进行,且每一组传递均持续5 ks,图4为该2 GHz微波信号传递后的时延抖动和稳定度结果。

图4 基于被动相位补偿法的频率传递实验结果

如图4(a)所示,曲线(i)显示在无被动相位补偿的情况下,5 ks内该2 GHz频率信号的时延抖动标准差为2.1 ps；曲线(ii)显示采用被动相位补偿的情况下,时延抖动标准差减小至大约280 fs。这里,我们还测量了系统的背景噪声,即短接情况(short link)下的时延抖动。曲线(iii)显示了我们测量系统的光路及电子线路背景噪声所带来的本底时延为77 fs。根据图4(a)的时延抖动,我们进一步计算得到了该频率传输实验的稳定度,如图4(b)所示。曲线(i)显示在无被动相位补偿的情况下,该频率传递系统的Allan方差在1 s时为4×10-13,在1 ks时为1×10-15；曲线(ii)显示经过被动相位补偿后,该频率传输系统的Allan方差降低到在1 s时为3×10-13,在1 ks时为6×10-17。这里,我们还计算了该频率传输系统本底噪声带来的不稳定度,如曲线(iii)所示。我们发现,在200 s后经过被动相位补偿后的频率传递稳定度非常接近于系统本底噪声的稳定度曲线,这是因为被动相位补偿技术明显减小了由于大气湍流所导致的长期稳定度损失。从图4中可以看出,利用该被动相位补偿法可将在百米自由空间内所传递频率信号的时延抖动降低到了百飞秒量级。因此,我们相信本文所提出的该基于光梳传输的被动相位补偿技术,在不采用任何主动相位补偿方式的条件下可以抑制大部分由于大气湍流所导致的时延抖动。

3 基于往返时延补偿法的自由空间时间传递

第1,2节介绍了自由空间频率传递的相关技术,除了频率传递,时间信号的传递也是时频信号同步的重要组成部分,因此本节介绍采用自由空间信道进行高精度时间信号传递的技术。同自由空间频率传递一样,利用自由空间传递时间信号同样受到各种环境因素,如空气的湍流、平台的振动、以及环境的温度变化等因素会造成光信号相位的极大波动,导致时间信号的时延波动,降低时间信号的传递精度。为了在自由空间链路上实现高精度的时间信号传递,需要对时延波动进行补偿。本文中,我们提出了基于往返相位补偿法的自由空间时间传递技术。

3.1 原理与实验装置

基于激光往返时延补偿法的自由空间时间传递技术原理及装置如图5所示。系统采用一个10 MHz高稳恒温晶振作为时钟源,也采用一颗1 550 nm波长的小型连续激光管作为光源。在发送端,时钟源信号通过分频器(Div)输出标准100 Hz方波信号。利用现场可编程门阵列(FPGA)内的编码器(Encoder)对该方波信号进行IRIG-G时间编码,再将时间编码后的信号调制到激光信号上。调制后的激光信号分成两部分,其中一部分光束被直接送到雪崩二极管(APD1)上用于往返时延测量,另一部分光束被耦合到扩束镜(Telescope)后直接发送到自由空间的传输链路。在距离本地端60 m的远端,该光束被一个镀有高反膜的反射镜反射回到本地接收端,因此该激光的传播路径形成了一个120 m的单向传递链路。在接收端,通过自由空间传递的激光信号首先经过一个半发射镜(HM)后分成两路光束信号,其中一路光束信号直接通过雪崩光电二极管(APD3)转化为时间编码信号,该时间码信号由接收端解码器(Decoder)解码并通过时延器后作为接收端输出。另一部分光束信号通过原自由空间链路被反射回到发送端,并被雪崩光电二极管(APD2)接收转化为时间编码信号。此编码信号与从APD1得到的编码信号同时进行解码,并用时间间隔计数器(TIC)对两路解码信号进行时间间隔测量,测量结果表示激光信号往返一次的时延差。通过时间间隔计数器的计算,得到自由空间激光信号单向传递的时延信息,利用该信息对本地发送端时钟源信号(或者接收端恢复出的时钟信号)进行时延调整。通过不断的时延修正,最终使收发两端的时间延迟信号为零,进而实现本地和远端的时间同步达到高精度时间传递的目的。

基于往返时延补偿法的时间传递的原理如下。如图5所示,我们假设时钟输出到激光信号进入扩束镜的这一过程中,存在固有时延为T1。激光通过自由空间链路从发送端传输到接收端,假设在单向自由空间链路中传输的时延为T。在接收端,假设激光信号从半反镜到时钟输出的这一过程,存在固有时延为T2。设收发两端时间信号的总时延为Tc,该总时延可表示为：Tc=T1+T+T2。考虑到在自由空间链路中,将接收端的信号沿原自由空间链路返回,返回的信号将经历相同的单向时间延迟,因此往返信号的时延可以表征为单向传输信号时延的两倍。如图5所示,将一部分发送前的光束与往返的光束通过光电管探测和时间解码后,送到时间间隔计时器(TIC)得到激光往返自由空间链路的时间延迟。设往返时延为Ttic,可表示为：Ttic=2T。通过对时间间隔计数器得到的时延进行计算,利用上式可以得到单向传输时延T。此外,我们可以很容易固定一段自由空间链路,来标定固定时延T1和T2的准确数值。因此一旦单向自由空间链路的时延T与固定时延T1,T2都已知时,我们便可以得到总时延Tc,进而输出反馈控制信号调整发送端(或者是接收端)的延时器,使得收发两端的时间延迟为零,即实现收发两地的高精度时间同步。

图5 基于往返时延补偿法的自由空间时间传递技术

3.2 实验结果

为了验证基于往返时延补偿法的自由空间时间传递技术,我们设计了实际时间传递实验。该时间传递实验同样也位于电子科技大学主楼的顶层。发送与接收端都被安置在本地,远端则安置了一面反射镜。本地端与远端相距60 m,即发送与接收端的单向传输距离为120 m。时间传递实验同样也在夜间进行,且传递持续了16 ks,图6为时间信号传递后的时延波动和稳定度结果。

图6 基于往返时延补偿法的时间传递实验结果

图6(a)为该120 m自由空间时间传递的绝对时延测量结果。 其中,曲线(i)为收发两端的时延差,整个测量时间为16 ks。曲线(ii)为时延调整后所截取的一段收发两端的时延差。由(i)和(ii)可知,在时延调整之前,收发两端的时延差大约为480 ns,在8 200 s时对时延进行了修正调整,修正后绝对时延差的均值为300 ps,其时延波动的标准差为40 ps。此外,我们直接测量了时间源信号与经过延时器(Delay)时间信号的时延波动(如图5中虚线所示),作为该同步系统的测量噪声本底。曲线(iii)为该同步系统的测量噪声本底,其波动标准差大约为30 ps。图6(b)为用时间方差(TDEV,time deviation)表示的时间传递稳定度[21],曲线(i)和(ii)分别表示未经过时延修正和经过时延修正的时间稳定度。两种情况下,时间稳定度均优于50 ps。时间小于10 s时,两种情况的时间传递稳定度几乎没有区别。这是因为短期稳定度主要受系统噪声以及平台振动的影响,而长期稳定度主要受温度漂移以及大气湍流等影响,而本文中的时延修正方法无法克服系统噪声以及平台振动的影响,也即无法提高时间传递的短期稳定度,但是该方法可以有效降低温漂、大气湍流等对自由空间传输链路长期稳定性的影响,因而可以提高时间传递的长期稳定度。因此,当时间大于10 s时,有时延修正的时间传递稳定度低于20 ps,优于未经过时延修正的时间传递稳定度。尽管时延补偿法可以提升时间传递长期稳定性,但从图6(b)中我们可以看到,时延补偿前后时间传递长期稳定度的提升并不十分显著,这主要是因为FPGA内部的时间间隔计时器本身存在一定的测量误差,同时往返测量链路也不是完全对称。后续实验会优化系统的时间间隔计时器以及往返链路,以进一步提升时延传递系统的稳定度。此外,曲线(iii)为测试系统的噪声本底,为整个同步系统时延测量的下限,在时间大于20 s时,它的稳定度远优于时间传递系统的稳定度。通过时间传递结果可以看出,本文所提出的基于往返时延补偿法的自由空间时间传递技术可以实现亚纳秒级的同步精度,该指标优于传统GPS的同步精度,接近光纤时间传递技术的时间同步水平。

4 结语

本文介绍了电子科技大学在自由空间时间与频率传递方面的最新研究进展。首先提出了基于主动相位补偿法的连续激光自由空间频率传递技术,利用该技术完成了100 m室外频率传递实验,在5 ks内所传递频率信号的时延抖动标准差490 fs；其次提出了基于被动相位补偿法的光梳频率自由空间传递技术,并利用该技术完成了52 m室外频率传递实验,在5 ks内所传递频率信号的时延抖动标准差为280 fs；最后提出了基于往返时间时延补偿法的自由空间时间传递技术,利用该时间传递技术进行了百米室外时间传递同步实验,在16 ks内所传递时间信号的绝对时延差为300 ps,其时间传递稳定度优于20 ps。本文所提出的自由空间时间频率传递技术,其传递精度不低于GPS和光纤链路的传递水平。此外,在提升激光功率的情况下可以将时频传递距离提升至千米级,可广泛应用于某些GPS或者光纤传递系统无法使用的场合。