王崇陽，蔚保國(guó),王正勇

(1.衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)與裝備技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，河北 石家莊 050081；2.中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第五十四研究所，河北 石家莊 050081)

遠(yuǎn)距離高精度光纖雙向時(shí)間比對(duì)方法研究

王崇陽1,2，蔚保國(guó)1,2,王正勇1,2

(1.衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)與裝備技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，河北 石家莊 050081；2.中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第五十四研究所，河北 石家莊 050081)

針對(duì)光纖傳輸鏈路因受光信號(hào)衰減、溫度變化和振動(dòng)等因素引起的光學(xué)相位起伏，影響時(shí)間比對(duì)精度的問題，研究了基于雙向偽碼測(cè)距原理的光纖雙向時(shí)間比對(duì)方法，并搭建模型系統(tǒng)進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。結(jié)果表明，通過單光纖雙向雙波長(zhǎng)的傳輸方案，在65 km光纖鏈路上，抵消了往返鏈路傳輸時(shí)延的不對(duì)稱性，使時(shí)間比對(duì)精度可達(dá)108 ps。溫度變化引起光纖折射率變化是導(dǎo)致時(shí)延波動(dòng)的主要因素，對(duì)溫度變化與光纖時(shí)延的關(guān)系進(jìn)行了分析和仿真，通過溫度試驗(yàn)驗(yàn)證了光纖時(shí)延隨溫度變化的溫度漂移系數(shù)與理論值相符。

偽碼測(cè)距；光纖雙向時(shí)間比對(duì)；高精度；溫度漂移系數(shù)

0 引言

高精度時(shí)間傳遞可以提高導(dǎo)航系統(tǒng)的授時(shí)精度，從而提高衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)位置和速度信息獲取的精度[1]。光纖雙向時(shí)間比對(duì)是一種單纖雙向雙波長(zhǎng)高精度時(shí)間比對(duì)方法，采用不同波長(zhǎng)在同一根光纖中進(jìn)行雙向傳遞，由于在信號(hào)往返鏈路上都受到相同的環(huán)境變化，因此可以認(rèn)為環(huán)境變化引起的往、返鏈路時(shí)延變化是相同的[2]。該方法精度可以達(dá)到100 ps量級(jí)，相比于衛(wèi)星傳輸中常見的ns量級(jí)精度指標(biāo)，在傳輸精度上提高了一個(gè)數(shù)量級(jí)[3]。而且利用光纖進(jìn)行高精度時(shí)間傳遞具有損耗低、抗電磁干擾、價(jià)格低和結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單的優(yōu)勢(shì)，使其成為遠(yuǎn)距離高精度時(shí)間傳遞的主要方案之一[4]。德國(guó)物理技術(shù)研究所(PTB)在73 km光纖鏈路上進(jìn)行了光纖雙向時(shí)間比對(duì)試驗(yàn)，時(shí)間比對(duì)精度低于100 ps[5]；法國(guó)激光物理實(shí)驗(yàn)室(LPL)報(bào)道了540 km的光纖時(shí)間頻率傳遞試驗(yàn)[6]；國(guó)家計(jì)量院和北京衛(wèi)星導(dǎo)航中心報(bào)道了109 km光纖雙向時(shí)間比對(duì)試驗(yàn)，時(shí)間比對(duì)精度優(yōu)于200 ps[7]。

由于受到光信號(hào)衰減和發(fā)射引入的噪聲、光纖色散特性、溫度變化以及振動(dòng)等因素影響，光纖傳輸鏈路存在較大的光學(xué)相位的隨機(jī)起伏，對(duì)時(shí)間比對(duì)精度帶來較大的影響。本文提出了一種基于雙向偽碼測(cè)距的光纖時(shí)間比對(duì)方法，利用同一根光纖進(jìn)行時(shí)間信號(hào)的傳遞，可以抵消環(huán)境溫度變化、振動(dòng)等引起的影響，經(jīng)過試驗(yàn)驗(yàn)證精度可以達(dá)到100 ps量級(jí)[8]。利用所設(shè)計(jì)的光纖雙向時(shí)間比對(duì)系統(tǒng)及溫控設(shè)備驗(yàn)證了光纖鏈路的溫度漂移系數(shù)。

1 一種適合遠(yuǎn)距離高精度的光纖雙向比對(duì)方法

1.1 光纖雙向時(shí)間比對(duì)原理

光纖雙向時(shí)間比對(duì)原理如圖1所示。

(a) 光纖雙向比對(duì)系統(tǒng)A站

(b) 光纖雙向比對(duì)系統(tǒng)B站圖1 光纖雙向比對(duì)系統(tǒng)原理

A站鐘源輸出的10 MHz時(shí)頻信號(hào)進(jìn)入本振模塊生成70 MHz信號(hào)，鐘源輸出的1 PPS、10.23 MHz時(shí)頻信號(hào)進(jìn)入信號(hào)產(chǎn)生模塊實(shí)現(xiàn)偽隨機(jī)碼生成，再進(jìn)入中頻調(diào)制模塊將偽碼信號(hào)調(diào)制到70 MHz載波上，輸出70 MHz擴(kuò)頻信號(hào)，70 MHz電信號(hào)進(jìn)入光調(diào)制器A進(jìn)行電光轉(zhuǎn)換成波長(zhǎng)為λ1的光信號(hào)，經(jīng)過半導(dǎo)體激光器A發(fā)射進(jìn)入光環(huán)行器A的端口1，從端口2注入光纖；光信號(hào)經(jīng)過光纖鏈路從光環(huán)形器B的端口2進(jìn)入，端口3輸出進(jìn)入光電探測(cè)器B，將接收到的光信號(hào)轉(zhuǎn)換成70 MHz電信號(hào)，再進(jìn)入B站時(shí)間信號(hào)接收單元獲得測(cè)量數(shù)據(jù)TAB[9]。時(shí)間信號(hào)由B站經(jīng)光纖時(shí)間比對(duì)系統(tǒng)傳向A站的工作原理與上述A站向B站傳遞時(shí)間信號(hào)是一致的，得到測(cè)量數(shù)據(jù)TBA[10]。

設(shè)TA為A站發(fā)射測(cè)距信號(hào)時(shí)刻，TB為B站發(fā)射測(cè)距信號(hào)時(shí)刻，A站和B站兩地鐘的瞬時(shí)鐘差ΔT=TB-TA，則

(1)

(2)

(3)

當(dāng)A站和B站在同一時(shí)刻發(fā)送1 PPS信號(hào)，由于傳輸路徑相同且傳輸光信號(hào)波長(zhǎng)接近，傳輸時(shí)延接近可近似相等，即τBA≈τAB，則有

(4)

1.2 溫度變化對(duì)光纖時(shí)延的影響

溫度是影響光纖時(shí)間比對(duì)的主要原因[11]，當(dāng)溫度變化時(shí)，光纖折射率會(huì)隨之發(fā)生變化，且光纖本身會(huì)因?yàn)闇囟雀淖儺a(chǎn)生物理上熱膨脹或壓縮，使得光信號(hào)在光纖中傳輸?shù)臅r(shí)延發(fā)生變化，從而接收端接收到的信號(hào)會(huì)發(fā)生抖動(dòng)[12]。

光信號(hào)通過長(zhǎng)度為L(zhǎng)、群折射率為ng的光纖的傳輸時(shí)延τ為[13]：

(5)

當(dāng)溫度發(fā)生變化時(shí)，時(shí)延的變化為[14]：

(6)

式(6)表明了光纖時(shí)延將隨溫度的變化而變化，即溫度變化會(huì)產(chǎn)生時(shí)延抖動(dòng)[15]。單模裸光纖和預(yù)涂覆光纖的熱膨脹系數(shù)很小，約為5×10-7℃，光纖長(zhǎng)度為100km(25 ℃時(shí))，光波長(zhǎng)1 550nm，通過仿真得到的光纖時(shí)延隨溫度的變化如圖2所示。

圖2 光纖鏈路時(shí)延隨溫度的變化

由圖2可以看出，雖然函數(shù)關(guān)系式較為復(fù)雜，但光纖時(shí)延在-20～50 ℃隨溫度的變化幾乎是線性的，且變化率為正值。

光纖時(shí)延隨溫度的變化通常采用光纖時(shí)延溫度漂移系數(shù)Kf來表征，它是指當(dāng)某一波長(zhǎng)的光信號(hào)在光纖上傳輸時(shí)，由單位溫度變化引起的單位長(zhǎng)度光纖傳輸時(shí)延的變化，通過計(jì)算得出在波長(zhǎng)為1 550 nm處，在-20～50 ℃的范圍內(nèi)，溫度漂移系數(shù)典型值為38.24 ps/km℃。

2 光纖雙向時(shí)間比對(duì)試驗(yàn)及試驗(yàn)結(jié)果

2.1 光纖雙向時(shí)間比對(duì)試驗(yàn)系統(tǒng)

光纖雙向時(shí)間比對(duì)系統(tǒng)框圖如圖3所示，進(jìn)行比對(duì)的A站和B站分別配備一個(gè)鐘源，鐘源提供時(shí)間信號(hào)發(fā)射單元工作所需的時(shí)碼信號(hào)(1PPS、10MHz等)，時(shí)間間隔計(jì)數(shù)器(SR620)用于測(cè)量A站和B站的實(shí)際鐘差。由A站和B站得到的時(shí)間比對(duì)測(cè)量數(shù)據(jù)TAB和TBA通過測(cè)試軟件進(jìn)行存儲(chǔ)。

圖3 光纖雙向時(shí)間比對(duì)系統(tǒng)

在65 km的光纖鏈路上對(duì)上述方案進(jìn)行了試驗(yàn)驗(yàn)證，A站發(fā)射光波長(zhǎng)為1 550.12 nm，B站發(fā)射光波長(zhǎng)為1 550.92 nm，碼速率為5.115 Mcps。試驗(yàn)獲得2個(gè)單向測(cè)試偽距值；實(shí)際鐘差由時(shí)間間隔計(jì)數(shù)器SR620直接測(cè)得；測(cè)量鐘差經(jīng)光纖雙向比對(duì)算法利用2個(gè)偽距值計(jì)算獲得。

試驗(yàn)結(jié)果如圖4所示。波峰和波谷代表了晝夜環(huán)境溫度變化引起的光纖時(shí)延波動(dòng)，單向偽距值與實(shí)際鐘差的差值表示單向時(shí)延波動(dòng)。由圖4可以看出，A站與B站間的雙向時(shí)延波動(dòng)趨勢(shì)相同；測(cè)量鐘差與實(shí)際鐘差的差值表示光纖雙向時(shí)間比對(duì)精度。經(jīng)過約48 h的長(zhǎng)時(shí)間試驗(yàn)，比對(duì)精度為108 ps，如圖5所示。

圖4 光纖雙向比對(duì)系統(tǒng)雙向時(shí)延波動(dòng)

圖5 光纖雙向時(shí)間比對(duì)精度

2.2 溫度試驗(yàn)

為了驗(yàn)證光纖雙向時(shí)間比對(duì)試驗(yàn)中溫度變化對(duì)光纖鏈路的影響，利用溫箱開展了光纖雙向時(shí)間比對(duì)溫度試驗(yàn)，試驗(yàn)中將50 km的光纖置于溫箱中，試驗(yàn)結(jié)果如圖6所示。

(a) 溫箱溫度曲線

(b) 時(shí)延變化圖6 光纖時(shí)間比對(duì)系統(tǒng)時(shí)延隨溫度變化結(jié)果

從試驗(yàn)數(shù)據(jù)可知，溫度變化導(dǎo)致時(shí)延緩慢且大動(dòng)態(tài)范圍的變化，在-35～50 ℃的高低溫環(huán)境下，光纖單向傳輸路徑時(shí)延變化為165.1 ns，可以計(jì)算得出溫度漂移系數(shù)為38.85 ps/km℃，與理論值符合較好。

3 結(jié)束語

本文提出了基于雙向偽碼測(cè)距的光纖時(shí)間比對(duì)方法，并通過試驗(yàn)驗(yàn)證了光纖時(shí)間比對(duì)精度可達(dá)到100ps量級(jí)。但由于光纖色散特性引起的鏈路不對(duì)稱性、光器件處理引入的誤差及硬件電路時(shí)延的不對(duì)稱性等仍會(huì)帶來較大誤差[16]，可以通過模型修正及硬件時(shí)延標(biāo)定等方法進(jìn)一步提高時(shí)間比對(duì)精度。

[1] 譚述森.導(dǎo)航衛(wèi)星雙向偽距時(shí)間同步[J].中國(guó)工程科學(xué)，2006，8(12)：70-74.

[2] 丁小玉，盧 麟，張寶富，等.光纖Round-Trip法授時(shí)的誤差分析[J].激光與光電子學(xué)進(jìn)展，2010，47(4)：040603.[3] 周 兵，龔 航.高精度時(shí)頻信號(hào)的遠(yuǎn)距離傳輸技術(shù)[J].全球定位系統(tǒng)，2014，39(6)：38-41.

[4] 李曉亞，朱 勇，盧 麟，等．高精度光纖時(shí)頻伺服傳遞實(shí)驗(yàn)研究[J]．光學(xué)學(xué)報(bào)，2013，34(5)：0506004.

[5]ROSTM,PISETERD,YANGW,etal.TimeTransferthroughOpticalFibersoveraDistanceof73kmwithanUncertaintyBelow100ps[J].Metrolagia,2012(49):772-778.

[6]LOPEZO,KANJA,POTTIEPE,etal.DisseminationofTimeandRFFrequencyviaaStabilizedFiberOpticLinkoveraPublicFiberNetwork[J].ApplPhysB,2012,110(1):3-6.

[7]LIANGKun,ZhangAi-min,YANGZhi-qiang,etal.PreliminaryTimeTransferthroughOpticalFiberatNIM[C]∥FCS,IEEEInternational,2015:742-746.[8] 黃承強(qiáng)，楊旭海，陳 亮，等.衛(wèi)星雙向時(shí)間比對(duì)的設(shè)備時(shí)延方法[J].飛行器測(cè)控學(xué)報(bào)，2015，34(3)：273-279.

[9] 趙文軍，周明翔.光纖時(shí)間傳遞方法及誤差分析[J].無線電工程，2012，42(12)：46-50.

[10] 王蘇北.高精度光纖時(shí)間傳遞的碼型設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[D].上海：上海交通大學(xué)，2013.

[11] 江少平，張 浩，姜文寧，等.鏈路時(shí)延波動(dòng)對(duì)光纖時(shí)間傳遞穩(wěn)定性的影響[J].激光與光電子學(xué)進(jìn)展，2016，53(4)：040603.[12] 黃 璜，吳龜靈，胡 亮，等.光纖鏈路時(shí)延波動(dòng)對(duì)頻率傳遞穩(wěn)定度的影響[J].光學(xué)學(xué)報(bào)，2015，35(5)：0506006.[13]GHOSHGorach,MICHIYUKIEndo,TAKASHIIwasaki.Temperature-dependentSellmeierCoefficientsandChromaticDispersionsforSomeOpticalFiberGlasses[J].JLightwaveTechnol,1994,12(8):1 338-1 342.

[14]ATSUSHIImaoka,MASAMIKihara.AccurateTime/FrequencyTransferMethodUsingBidirectionalWDMTransmission[J].IEEETransactionsonInstrumentationandMeasurement,1998,47(2):537-542.

[15]TSENGWen-hung.MicrowaveandOpticalTimeTransferTechniquesandtheirApplicationsonOptoelectronicOscillators[D].Xinzhu:NationalTsing-HuaUniversity,2012.[16] 丁小玉，盧麟，張寶富，等.光纖Round-Trip法授時(shí)的誤差分析[J].激光與光電子學(xué)進(jìn)展，2010(47)：040603.

王崇陽 男，(1990—)，碩士研究生。主要研究方向：光纖時(shí)頻傳遞。

蔚保國(guó) 男，(1966—)，博士生導(dǎo)師，研究員。主要研究方向：衛(wèi)星導(dǎo)航總體技術(shù)、航天測(cè)控技術(shù)、陣列信號(hào)處理技術(shù)和自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)技術(shù)等。

Research on Remote High-accuracy Two-way Time Transfer Based on Optical Fiber

WANG Chong-yang1,2,YU Bao-guo1,2,WANG Zheng-yong1,2

(1.StateKeyLaboratoryofSatelliteNavigationSystemandEquipmentTechnology,ShijiazhuangHebei050081,China;2.The54thResearchInstituteofCETC,ShijiazhuangHebei050081,China)

The time transfer accuracy is influence by optical phase fluctuation of transmission link based on optical fiber caused by optical signal attenuation,temperature variation and vibration.In view of this problem,this paper studies an optical-fiber two-way time transfer method based on two-way pseudo noise (PN) ranging principle,and builds the model system for test and verification.The results show that the single optical-fiber two-way dual-wavelength transmission scheme can eliminate the asymmetry of to-and-from link transmission time delay in 65 km optical-fiber link,and make time transfer accuracy up to 108 ps.The main factor causing time delay fluctuation is optical fiber refractive index variation caused by temperature variation.This paper analyzes and simulates the relationship of temperature variation and optical-fiber time delay.The temperature test results show that the temperature drift coefficient of optical-fiber time delay varying with temperature accords with theoretical value.

PN code ranging;two-way time transfer through optical fiber;high accuracy;temperature drift coefficient

10.3969/j.issn.1003-3106.2017.03.12

王崇陽,蔚保國(guó),王正勇.遠(yuǎn)距離高精度光纖雙向時(shí)間比對(duì)方法研究[J].無線電工程,2017,47(3):47-50.

2016-12-21

國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(91638203)。

TN253

A

1003-3106(2017)03-0047-04