CN109302258B - 一种光纤时间传递中时延偏差的自动补偿装置及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种光纤时间传递中时延偏差的自动补偿装置及方法，包括：发射端内设置有时差测量模块和时延补偿模块；时差测量模块，用于接收发射端发出的标准时间信号以及返回的时间信号并输出二者的时差值；时延补偿模块，用于根据时差测量模块获得的时差值获取时延补偿值并对发射端发出的标准时间信号进行补偿；通过时差测量模块计算获得预设同一根光纤链路中双向不同波长信号传输的往返时延差值；通过获得的往返时延差值计算获得时延补偿值；根据获得的时延补偿值，通过时延补偿模块对标准时间信号进行自动补偿。本发明可对双向时间信号在光纤链路中传输时的时延偏差进行实时自动补偿，可提高光纤时间传递精度。

Description

一种光纤时间传递中时延偏差的自动补偿装置及方法
技术领域
本发明属于光纤时间授时同步技术领域，特别涉及一种光纤时间传递中时延偏差的自动补偿装置及方法。
背景技术
随着科学技术的发展，在航空航天、雷达同步、尖端武器操控、高速通信以及深空探测等领域，都对授时精度提出了越来越高的要求。传统的授时方法如长波授时和卫星授时等，其授时精度基本只能达到纳秒量级，而光纤时间传递技术其授时精度可以优于一百皮秒。光纤时间传递技术具有授时精度高，设备价格低等优点，有着广阔的应用前景。
光纤时间传递中往往在同一根光纤中采用两种不同波长的激光信号进行双向时间信号传输，通过双向时间比对，从而实现高精度时间传递；由于传输双向时间信号的激光波长不同，使得双向时间信号在光纤链路中传输时延不同，从而引入了时延偏差，最终会影响光纤时间传递的精度；而时延偏差会随着光纤链路的变化而变化，难以通过人工预先设置的量进行补偿，使得光纤时间传递的精度难以提高，需要一种时延偏差的自动补偿装置及方法。
发明内容
本发明的目的在于提供一种光纤时间传递中时延偏差的自动补偿装置及方法，以解决上述存在的技术问题。本发明的方法，可对双向时间信号在光纤链路中传输时的时延偏差，进行实时自动补偿，可提高光纤时间传递精度。
为达到上述目的，本发明采用以下技术方案：
一种光纤时间传递中时延偏差的自动补偿装置，包括：发射端；发射端内设置有时差测量模块和时延补偿模块；时差测量模块，用于接收发射端发出的标准时间信号以及返回的时间信号并输出二者的时差值；时延补偿模块，用于根据时差测量模块获得的时差值获取时延补偿值并对发射端发出的标准时间信号进行补偿。
一种光纤时间传递中时延偏差的自动补偿装置，包括：发射端；发射端包括：时间信号保持模块、时延补偿模块、激光发射器、时差测量模块、探测器和微控单元；时间信号保持模块的输入端用于接收标准时间信号，输出端分别与时延补偿模块和时差测量模块的输入端相连接；探测器的输入端用于接收返回发射端的时间信号，探测器的输出端与时差测量模块的输入端相连接；时差测量模块的输出端与微控单元的输入端相连接；微控单元的输出端与时延补偿模块的输入端相连接；时延补偿模块的输出端与激光发射器的输入端相连接，激光发射器的输出端用于发射时间信号。
进一步的，还包括：波分复用模块；波分复用模块的发射通道的输入端与激光发射器的输出端相连接，发射通道的输出端用于与光纤链路相连接；波分复用模块的接收通道的输出端与接收器的输入端相连接，接收通道的输入端用于与光纤链路相连接。
进一步的，还包括，接收端；接收端与发射端通过一根光纤链路相连接。
进一步的，接收端包括：接收端波分复用模块、接收端激光发射器和接收端探测器；接收端波分复用模块的接收通道的输入端与光纤链路相连接，输出端与探测器的输入端相连接；探测器的输出端一路用于输出时间信号，探测器的输出端另一路与接收端激光发射器的输入端相连接；接收端波分复用模块的发射通道的输入端与接收端激光发射器的输出端相连接，发射通道的输出端与光纤链路相连接。
一种光纤时间传递中时延偏差的自动补偿方法，包括以下步骤：
步骤1，通过时差测量模块计算获得预设同一根光纤链路中双向不同波长信号传输的往返时延差值；
步骤2，通过步骤1获得的往返时延差值计算获得时延补偿值；
步骤3，根据步骤2获得的时延补偿值，通过时延补偿模块对标准时间信号进行自动补偿。
进一步的，在进行步骤1之前，测取所述预设同一根光纤链路的长度L，测取双向不同波长信号的波长λ1和λ2，其中，λ1为发射端的激光发射器发出的激光信号的波长，λ2为接收端激光发射器发出的激光信号的波长；
步骤1中，发射端发射标准时间信号到接收端的时间信号传输时延为τλ1，接收端返回时间信号给发射端的时间信号传输时延为τλ2，双向不同波长信号传输的往返时延差值为τλ1+λ2,其中τλ1+λ2＝τλ2+τλ1；
其中，
Figure BDA0001904503340000031
式中，n为折射率，c为光速。
进一步的，步骤2中：所述预设同一根光纤链路的长度L的计算式为：
Figure BDA0001904503340000032
标准时间信号的时延补偿值τλ1的计算公式为：
Figure BDA0001904503340000041
进一步的，步骤3中具体的补偿方法为：将计算出的τλ1值送入时延补偿模块，时延补偿模块内部根据τλ1值进行时延补偿。
进一步的，还包括步骤4；步骤4，重复步骤1至步骤3，使标准时间信号得到实时自动补偿。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
本发明的方法通过测量两束不同波长的激光信号的波长，测量时间信号在同一根光纤链路中双向不同波长传输的往返时延差值，计算出标准时间信号在所述光纤链路中的传输时延值，在发射端通过时延补偿模块对标准时间信号进行时延补偿；本发明针对双向时间信号在光纤链路中传输时延不同，对引入的时延偏差可实时自动补偿，可提高光纤时间传递精度。
进一步的，本发明采用实时自动补偿，当光纤链路更改或者光纤链路长度有所增减时，均不会影响光纤时间传递的精度，具有较高地自适应性和灵活性。
附图说明
图1是本发明的一种光纤时间传递中时延偏差的自动补偿装置的结构示意框图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步详细说明。
请参阅图1，本发明的一种光纤时间传递中时延偏差的自动补偿装置，包括：发射端和接收端；接收端与发射端通过一根光纤链路相连接。
发射端包括：时间信号保持模块、时延补偿模块、激光发射器、时差测量模块、探测器、波分复用模块和微控单元；时间信号保持模块的输入端用于接收标准时间信号，输出端分别与时延补偿模块和时差测量模块的输入端相连接；探测器的输入端用于接收返回发射端的时间信号，探测器的输出端与时差测量模块的输入端相连接；时差测量模块的输出端与微控单元的输入端相连接；微控单元的输出端与时延补偿模块的输入端相连接；时延补偿模块的输出端与激光发射器的输入端相连接，激光发射器的输出端用于发射时间信号。波分复用模块的发射通道的输入端与激光发射器的输出端相连接，发射通道的输出端与光纤链路相连接；波分复用模块的接收通道的输出端与接收器的输入端相连接，接收通道的输入端与光纤链路相连接。
接收端包括：接收端波分复用模块、接收端激光发射器和接收端探测器；接收端波分复用模块的接收通道的输入端与光纤链路相连接，输出端与探测器的输入端相连接；探测器的输出端一路用于输出时间信号，探测器的输出端另一路与接收端激光发射器的输入端相连接；接收端波分复用模块的发射通道的输入端与接收端激光发射器的输出端相连接，发射通道的输出端与光纤链路相连接。
本发明的一种光纤时间传递中时延偏差的自动补偿方法，是一种光纤时间传递中双向不同波长的时延偏差自动补偿方法，具体包括以下步骤：
步骤1，测量光纤时间传递中两束不同波长的激光信号的波长，并且记录下来；测取所述预设同一根光纤链路的长度L，测取双向不同波长信号的波长λ1和λ2，其中，λ1为发射端的激光发射器发出的激光信号的波长，λ2为接收端激光发射器发出的激光信号的波长。
步骤2，通过发射机内部的时差测量模块测量时间信号在同一根光纤链路中双向不同波长传输的往返时延差值；发射端发射标准时间信号到接收端的时间信号传输时延为τλ1，接收端返回时间信号给发射端的时间信号传输时延为τλ2，双向不同波长信号传输的往返时延差值为τλ1+λ2,其中τλ1+λ2＝τλ2+τλ1；
其中，
Figure BDA0001904503340000061
式中，n为折射率，c为光速。
步骤3，计算出时间信号从发射机传输到接收机的传输时延值；所述预设同一根光纤链路的长度L的计算式为：
Figure BDA0001904503340000062
标准时间信号的时延补偿值τλ1的计算公式为：
Figure BDA0001904503340000063
步骤4，根据计算出的传输时延值，在发射机的时延补偿模块进行时延补偿；具体的，将通过MCU计算出的τλ1值送入时延补偿模块，时延补偿模块内部根据τλ1值进行时延补偿。
步骤5，重复步骤2至步骤4，实现双向时间信号在光纤链路中由于传输时延不同而引入的时延偏差的实时自动补偿。
实施例
请参阅图1，本发明的一种光纤时间传递中双向不同波长的时延偏差自动补偿方法，具体包括以下步骤：
1)搭建光纤时间传递***，发射机与接收机之间用一根长度约为50km(光纤链路长度可以为不超过100km的任意长度)光纤进行连接，分别测量两个不同波长的激光信号的波长，并且记录下来，包括以下步骤：
1.1)用高精度波长计测量光纤时间传递发射机的激光信号的波长，为λ1＝1543.73nm；
1.2)用高精度波长计测量接收机的激光信号的波长，记录为λ2＝1542.94nm。
2)测量时间信号在同一根光纤链路中双向不同波长传输的往返时延差值，具体包括以下步骤：
2.1)光纤时间传递发射机将发射机保持的标准时间信号传输到接收机，时间信号传输时延记为τλ1；
2.2)接收机收到时间信号后将时间信号传输给发射机，时间信号传输时延记为τλ2；
2.3)通过发射机内部的时差测量模块测量发射机发射的时间信号与收到的时间信号的时差得到时间信号在一根光纤中双向不同波长传输的往返时延τλ1+λ2,其中τλ1+λ2＝τλ2+τλ1。
3)计算出时间信号在同一根光纤中，时间信号从发射机到接收机的传输时延，包括以下步骤：
3.1)L为光纤链路长度，n为折射率，c为光速，λ为波长，则时间信号在一定长度光纤链路中传输时的时延可以表示为：
Figure BDA0001904503340000071
3.2)根据公式，则时间信号在同一根光纤链路中双向不同波长的往返传输时延为：
Figure BDA0001904503340000081
光纤的链路长度L为：
Figure BDA0001904503340000082
3.3)将参数带入下面公式，可实时计算出时间信号从发射机传输到接收机的传输时延值τλ1
Figure BDA0001904503340000083
4)在光纤时间传递发射机进行时延自动补偿，根据实时计算出的时延补偿值τλ1，通过发射机内部的时延补偿模块进行实时时延自动补偿，从而补偿了双向时间信号在光纤链路中由于传输时延不同而引入的时延偏差，通过比对进入发射机的标准时间信号和接收机输出的时间信号，测得光纤时间传递精度达到了10ps@1s。
综上，本发明提供一种光纤时间传递中双向不同波长的时延偏差自动补偿方法，在同一根光纤中采用两束不同波长的激光进行双向时间信号传输，首先用波长计对上述两束激光的波长进行测量并记录；其中光纤时间传递发射机将时间信号发射给接收机，接收机收到时间信号后将时间信号发射给接收机，发射机通过测量发射出去的时间信号与收到的时间信号的时差得到时间信号在一根光纤中的往返时延；通过计算，得到发射机将时间信号发射给接收机时延值，将时延值发送给发射机内部的时延补偿模块进行时延补偿，重复以上补偿过程，从而实现了双向时间信号在光纤链路中传输时延不同而引入了时延偏差的实时自动补偿，提高了光纤时间传递精度。本方法采用实时自动补偿，当光纤链路更改，或者光纤链路长度有所增减，不会影响光纤时间传递的精度，具有高自适应性和灵活性采用本发明的方法，对光纤时间传递***进行了实验，使得由于光纤时间传递中不同波长引起的时延偏差得到自动补偿，从而使光纤时间传递精度达到10ps@1s。

Claims (6)

1.一种光纤时间传递中时延偏差的自动补偿装置，其特征在于，包括：发射端；
发射端包括：时间信号保持模块、时延补偿模块、激光发射器、时差测量模块、探测器和微控单元；
时间信号保持模块的输入端用于接收标准时间信号，输出端分别与时延补偿模块和时差测量模块的输入端相连接；探测器的输入端用于接收返回发射端的时间信号，探测器的输出端与时差测量模块的输入端相连接；时差测量模块的输出端与微控单元的输入端相连接；微控单元的输出端与时延补偿模块的输入端相连接；时延补偿模块的输出端与激光发射器的输入端相连接，激光发射器的输出端用于发射时间信号；
其中，时差测量模块用于计算获得预设同一根光纤链路中双向不同波长信号传输的往返时延差值；
还包括：波分复用模块；
波分复用模块的发射通道的输入端与激光发射器的输出端相连接，发射通道的输出端用于与光纤链路相连接；波分复用模块的接收通道的输出端与接收器的输入端相连接，接收通道的输入端用于与光纤链路相连接；
光纤时间传递精度能够达到10ps@1s。
2.根据权利要求1所述的一种光纤时间传递中时延偏差的自动补偿装置，其特征在于，还包括，接收端；
接收端与发射端通过一根光纤链路相连接。
3.根据权利要求2所述的一种光纤时间传递中时延偏差的自动补偿装置，其特征在于，接收端包括：接收端波分复用模块、接收端激光发射器和接收端探测器；
接收端波分复用模块的接收通道的输入端与光纤链路相连接，输出端与探测器的输入端相连接；探测器的输出端一路用于输出时间信号，探测器的输出端另一路与接收端激光发射器的输入端相连接；接收端波分复用模块的发射通道的输入端与接收端激光发射器的输出端相连接，发射通道的输出端与光纤链路相连接。
4.一种光纤时间传递中时延偏差的自动补偿方法，其特征在于，自动补偿方法的光纤时间传递精度能够达到10ps@1s；自动补偿方法的具体步骤包括：
步骤1，通过时差测量模块测量获得预设同一根光纤链路中双向不同波长信号传输的往返时延差值；
步骤2，通过步骤1获得的往返时延差值计算获得时延补偿值；
步骤3，根据步骤2获得的时延补偿值，通过时延补偿模块对标准时间信号进行自动补偿；
在进行步骤1之前，测取双向不同波长信号的波长λ1和λ2，其中，λ1为发射端的激光发射器发出的激光信号的波长，λ2为接收端激光发射器发出的激光信号的波长；
步骤1中，发射端发射标准时间信号到接收端的时间信号传输时延为τλ1，接收端返回时间信号给发射端的时间信号传输时延为τλ2，双向不同波长信号传输的往返时延差值为τλ1+λ2,其中τλ1+λ2＝τλ2+τλ1；
其中，
Figure FDA0003027322000000021
式中，n为折射率，c为光速，L为光纤链路的长度。
5.根据权利要求4所述的一种光纤时间传递中时延偏差的自动补偿方法，其特征在于，光纤链路的长度L的计算式为：
Figure FDA0003027322000000022
步骤2中，标准时间信号的时延补偿值τλ1的计算公式为：
Figure FDA0003027322000000031
6.根据权利要求5所述的一种光纤时间传递中时延偏差的自动补偿方法，其特征在于，步骤3中具体的补偿方法为：将计算出的τλ1值送入时延补偿模块，时延补偿模块内部根据τλ1值进行时延补偿。
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