CN112202523B - 一种双纤双波时间传递***及瞬时钟差估算方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种双纤双波时间传递***及瞬时钟差估算方法，主授时站点和从授时站点之间通过光纤链路连接，主授时站点和从授时站点均具有激光发射器、波分复用模块、时间间隔测量模块、光探测器、发射通道、接收通道，主授时站点还具有时间信号保持模块，从授时站点还具有时钟、时延补偿模块，本发明可解决环境温度变化对光纤时间同步精度的影响，同时解决实地布设光纤链路长度不可测量、纤芯温度变化对光纤长度的影响，通过对两种波长、四路时间信号的传输时延和与时延差的测量，并在算法中消除环境温度对折射率、光信号传输群时延、光纤长度等方面的影响，可对主从站点的时钟钟差进行精准测算，并实现实时自动补偿，提高光纤时间传递精度。

Description

一种双纤双波时间传递***及瞬时钟差估算方法

技术领域

本发明涉及光纤时间同步技术领域，尤其涉及一种双纤双波时间传递***及瞬时钟差估算方法。

背景技术

随着高精度频标技术的不断突破，当前精度最高的原子频标精度已达到10^-16量级，光钟的秒稳定度和天稳定度已达到10^-16和10^-18量级，时间已成为7个国际基本单位中测量精度最高的物理量。随着科学研究、导航定位、航空航天、电力传输、军事安全等领域对时间同步精度和稳定性需求的不断提高，如何将高精度时频信息传输给各个用户端，成为了该领域的重要课题。

由于具有低损耗、高稳定、大带宽等独特优势，光纤时频同步技术在近些年已成为精度最高的授时手段之一。根据光缆网铺设的实际情况，对远距离高精度光纤时间传递方法展开研究，具有十分重要的现实意义。

目前，光纤时间传递技术研究方法主要有：1)双纤双向同波长传输技术、2)单纤双向波分复用技术、3)单纤双向环回法、4)单纤双向时分复用技术等方法。比较以上4种方法，双纤双向同波长传输存在光纤链路长度不相等，现网光纤长度无法精准测量的问题；单纤双向波分复用和环回法存在往返波长、折射率不相等导致往返时延不对称，而由于环境温度难以测量，授时***缺乏对环境温度变化影响时延差值变化的跟踪估算；单纤双向时分技术的成本高、难以大范围应用。

在实际的光纤链路上，将不可避免地受到环境因素影响，例如压力、温度变化等，其中温度变化会明显影响光纤链路的传递时延值，是影响基于单纤双向波分复用和环回法传递精度的主要因素。对于基于波分复用技术的环回传递中往返时延差

的计算，目前主要有中科院授时中心给出了相关方法，见“一种光纤时间传递中时延偏差的自动补偿装置及方法”(申请公布号CN109302258A，申请号201811526157.2)。该估算方法直接将

与

之间的关系做定量分析(常温下)，对于温度变化条件下的时延差变化没有加以考虑。因此仅适用于实验室常温条件下的测试，对于实际铺设的光纤还需进一步分析。

综上所述，现有技术存在的问题是：现有成本、技术成熟度、精度均适用于大范围组网的光纤授时方法为基于WDM技术的环回传递法，但现有光纤传递技术通常仅在实验室恒温环境下应用，并没有考虑温度变化条件下的时延差变化，同时现有技术中也没有在温度变化环境下估算往返时延差的方法，在一定程度上影响了实际铺设光缆网的授时精度，因此该因素是光纤授时取得实用所急需考虑的。

发明内容

本发明的目的就在于为了解决上述问题而提供一种双纤双波时间传递***及瞬时钟差估算方法。

解决上述技术问题的难度：若能始终掌握光纤纤芯的实时温度，则能够直接计算出往返时延，较为准确地计算出时延差。然而，即便只是保持测量光纤表面的温度，并将测试数据传输给时延差计算部分，就已经很难完成。同时，通过光纤表层温度估算纤芯温度误差较大，再考虑到实际环境下往往通过光缆网传递，光缆网、光纤、纤芯三者的温度各不相同，可见想直接测量得到所需要的数据基本不可能，因此目前尚未提出较好的方法。

解决上述技术问题的意义：在温度变化条件下通过对两根光纤上4路时间信号的时延值测量，并通过时延的比值关系，求解主从站点的钟差，在算法中消除了光纤长度受温度变化的影响因素，同时消除了不同波长时延值随温度变化的影响因素。

本发明通过以下技术方案来实现上述目的：

本发明一种双纤双波时间传递***，包括主授时站点和从授时站点，所述主授时站点和从授时站点之间通过光纤链路连接，所述主授时站点和从授时站点均具有激光发射器、波分复用模块、时间间隔测量模块、光探测器、发射通道、接收通道，所述主授时站点还具有时间信号保持模块，所述从授时站点还具有时钟、时延补偿模块，激光发射器用于把时间信号转换为光信号；波分复用模块用于把时间信号调制到两个不同波长发送到光纤链路中，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；时间间隔测量模块用于测量发送或接收信号起止时刻，并输出二者的时差值；光探测器用于接收对方站点发送来的时间信号；时延补偿模块用于根据估算获取的钟差值对从站待驯服时钟的时间信号进行补偿。

进一步，所述光纤链路为两根光纤，光纤长度分别为L₁和L₂，主授时站点时钟ClockA作为参考钟源，从授时站点时钟Clock B作为待驯服时钟，时钟Clock A与时钟Clock B钟差为ΔT；在同一时刻，主授时站点时钟Clock A的时间信号经过调制后以波长λ₁和λ₂经光纤L₁向从站发送；从授时站点时钟Clock B的时间信号经过调制后以波长λ₁和λ₂经光纤L₂向主站发送。

进一步，主授时站点经长度为L₁的光纤向从授时站点发送的波长λ₁时间信号在光纤链路中的传输时延为τ₁；主授时站点经长度为L₁的光纤向从站发送的波长λ₂时间信号在光纤链路中的传输时延为τ₂；从授时站点经长度为L₂的光纤向主授时站点发送的波长λ₁时间信号在光纤链路中的传输时延为τ₃；从授时站点经长度为L₁的光纤向主授时站点发送的波长λ₂时间信号在光纤链路中的传输时延为τ₄。

本发明一种双纤双波时间传递***的瞬时钟差估算方法，包括以下步骤：

步骤1：通过4个时间间隔测量模块测量获取值TIC₁、TIC₂、TIC₃和TIC₄；

步骤2：根据步骤1获取的测量值与时延值及钟差的关系式，结合时延比值关系，计算主从站点钟差值ΔT；

步骤3：根据步骤2获得的钟差值，通过从站时延补偿模块对从站时钟进行补偿，实现主从站点时间同步；

步骤4：重复步骤1至步骤3，获取瞬时钟差，实现主从站点实时时间同步。

进一步，所述主授时站点安装两台时间间隔测量模块TIC₁和TIC₂，TIC₁用于测量主站Clock A发出时间信号时刻至主授时站点接收到自从授时站点Clock B发送的时间信号的时刻的时间间隔，即：TIC₁＝τ₃+ΔT；TIC₂用于测量长度为L₂的光纤上的从授时站点向主授时站点发送波长λ₁与λ₂的时间信号的时延差，即：TIC₂＝τ₃-τ₄；从授时站点安装两台时间间隔测量模块TIC₃和TIC₄，TIC₃用于测量长度为L₁的光纤上的主授时站点向从站发送波长λ₁与λ₂时间信号的时延差，即：TIC₃＝τ₁-τ₂；TIC₄用于测量从授时站点Clock B发出时间信号时刻至从授时站点接收到自主授时站点Clock A发送的时间信号的时刻的时间间隔，即：TIC₄＝τ₂-ΔT。

进一步，所述光纤传输时延τ₁、τ₂、τ₃、τ₄与光纤长度、传输波长及折射率的关系是：

式中，τ为光纤传输时延、L为光纤长度、C为光速、n为折射率、λ为波长；

得，

因此可得：

根据TIC₁＝τ₃+ΔT，TIC₂＝τ₃-τ₄，TIC₃＝τ₁-τ₂，TIC₄＝τ₂-ΔT和

五个方程可求解主站Clock A和从站Clock B的钟差ΔT：

将计算出的钟差ΔT送入时延补偿模块，在从站补差时钟Clock B。

本发明的有益效果在于：

本发明是一种双纤双波时间传递***及瞬时钟差估算方法，与现有技术相比，本发明可解决环境温度变化对光纤时间同步精度的影响的技术难题，同时解决实地布设光纤链路长度不可测量、纤芯温度变化对光纤长度的影响等技术难题，通过对两种波长、四路时间信号的传输时延和与时延差的测量，并在算法中消除环境温度对折射率、光信号传输群时延、光纤长度等方面的影响，可对主从站点的时钟钟差进行精准测算，并实现实时自动补偿，可提高光纤时间传递精度。

附图说明

图1是本发明的方法原理示意图；

图2是本发明的方法时序图；

图3是本发明的TIC₁实测值；

图4是本发明的TIC₂实测值；

图5是本发明的TIC₃实测值；

图6是本发明的TIC₄实测值；

图7是本发明的钟差ΔT估算精度曲线图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步说明：

本发明一种双纤双波时间传递***，包括主授时站点和从授时站点，所述主授时站点和从授时站点之间通过光纤链路连接，所述主授时站点和从授时站点均具有激光发射器、波分复用模块、时间间隔测量模块、光探测器、发射通道、接收通道，所述主授时站点还具有时间信号保持模块，所述从授时站点还具有时钟、时延补偿模块，激光发射器用于把时间信号转换为光信号；波分复用模块用于把时间信号调制到两个不同波长发送到光纤链路中，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；时间间隔测量模块用于测量发送或接收信号起止时刻，并输出二者的时差值；光探测器用于接收对方站点发送来的时间信号；时延补偿模块用于根据估算获取的钟差值对从站待驯服时钟的时间信号进行补偿。

进一步，所述光纤链路为两根光纤，光纤长度分别为L₁和L₂，主授时站点时钟ClockA作为参考钟源，从授时站点时钟Clock B作为待驯服时钟，时钟Clock A与时钟Clock B钟差为ΔT；在同一时刻，主授时站点时钟Clock A的时间信号经过调制后以波长λ₁和λ₂经光纤L₁向从站发送；从授时站点时钟Clock B的时间信号经过调制后以波长λ₁和λ₂经光纤L₂向主站发送。

进一步，主授时站点经长度为L₁的光纤向从授时站点发送的波长λ₁时间信号在光纤链路中的传输时延为τ₁；主授时站点经长度为L₁的光纤向从站发送的波长λ₂时间信号在光纤链路中的传输时延为τ₂；从授时站点经长度为L₂的光纤向主授时站点发送的波长λ₁时间信号在光纤链路中的传输时延为τ₃；从授时站点经长度为L₁的光纤向主授时站点发送的波长λ₂时间信号在光纤链路中的传输时延为τ₄。

如图1所示：本发明一种双纤双波时间传递***的瞬时钟差估算方法，包括以下步骤：

步骤1：通过4个时间间隔测量模块测量获取值TIC₁、TIC₂、TIC₃和TIC₄；

步骤2：根据步骤1获取的测量值与时延值及钟差的关系式，结合时延比值关系，计算主从站点钟差值ΔT；

步骤3：根据步骤2获得的钟差值，通过从站时延补偿模块对从站时钟进行补偿，实现主从站点时间同步；

步骤4：重复步骤1至步骤3，获取瞬时钟差，实现主从站点实时时间同步。

上述方法步骤的时序如下所示：

TIC₁＝τ₃+ΔT (1)

TIC₂＝τ₃-τ₄ (2)

TIC₃＝τ₁-τ₂ (3)

TIC₄＝τ₂-ΔT (4)

主授时站点安装两台时间间隔测量模块TIC₁和TIC₂，TIC₁用于测量主站Clock A发出时间信号时刻至主授时站点接收到自从授时站点Clock B发送的时间信号的时刻的时间间隔，即：TIC₁＝τ₃+ΔT；TIC₂用于测量长度为L₂的光纤上从授时站点向主授时站点发送波长λ₁与λ₂的时间信号的时延差，即：TIC₂＝τ₃-τ₄；从授时站点安装两台时间间隔测量模块TIC₃和TIC₄，TIC₃用于测量长度为L₁的光纤上主授时站点向从站发送波长λ₁与λ₂时间信号的时延差，即：TIC₃＝τ₁-τ₂；TIC₄用于测量从授时站点Clock B发出时间信号时刻至从授时站点接收到自主授时站点Clock A发送的时间信号的时刻的时间间隔，即：TIC₄＝τ₂-ΔT。

进一步，所述光纤传输时延τ₁、τ₂、τ₃、τ₄与光纤长度、传输波长及折射率的关系是：

式中，τ为光纤传输时延、L为光纤长度、C为光速、n为折射率、λ为波长；

得，

因此可得：

根据TIC₁＝τ₃+ΔT，TIC₂＝τ₃-τ₄，TIC₃＝τ₁-τ₂，TIC₄＝τ₂-ΔT和

五个方程可求解主站Clock A和从站Clock B的钟差ΔT：

将计算出的钟差ΔT送入时延补偿模块，在从站补差时钟Clock B。

实验验证：

实验设置参数表

为增大主从站点两根光纤链路长度的不一致性，主授时站点与从授时站点通过100km和75km的G.652单模光纤连接形成双纤链路。为模拟实地授时***中同根光缆中的相邻的往返光纤，保证环境温变导致光纤温度变化的一致性，所有光纤均是同一批次相同规格的产品，均放置在可编程温控箱内。本实验开始测量后，利用恒温箱将光纤环境温度在0min到60min内从室温-20℃升至40℃后保持温度不变，从而改变光信号在光纤内的延迟波动。为便于进行数据测量与性能评估，主授时站点和从授时站点的所有设备及光纤链路都放置在同一实验室内。为了减小光纤器件及测量平台硬件由于环境温度波动给测量数据带来随机波动和测量误差，实验室环境温度控制在23℃左右，使得两个激光器发出的特定波长的光信号不易发生波长漂移。

实验中需要测量四组时延数据，分别由四个分辨率为10ps的时间间隔测量模块测得。

位于主授时站点的TIC₁用于测量主站Clock A发出时间信号时刻至主授时站点接收到自从授时站点Clock B发送的时间信号的时刻的时间间隔，即：TIC₁＝τ₃+ΔT，测量结果如图3所示。

位于主授时站点的TIC₂用于测量长度为L₂的光纤上的从授时站点向主授时站点发送波长λ₁与λ₂的时间信号的时延差，即：TIC₂＝τ₃-τ₄，测量结果如图4所示。

位于从授时站点的TIC₃用于测量长度为L₁的光纤上的主授时站点向从站发送波长λ₁与λ₂时间信号的时延差，即：TIC₃＝τ₁-τ₂，测量结果如图5所示。

位于从授时站点的TIC₄用于测量从授时站点Clock B发出时间信号时刻至从授时站点接收到自主授时站点Clock A发送的时间信号的时刻的时间间隔，即：TIC₄＝τ₂-ΔT，测量结果如图6所示。

通过

计算的主授时站点与从授时站点的钟差值与经测量的钟差值进行对比，可获得钟差估算精度如图7所示。

本发明提供一种在温度变化环境下也能精确估算主从站点钟差的方法，从而极大节约成本，提高光纤时间传递精度、拓展其适用环境。本发明在100km光纤的两端，使用1490nm和1550nm两种波长时，能够将-20～40℃内变化的光纤时延差降低大约100ps，如果采用常规的1310nm/1550nm波长对组合，授时精度将提升大约300ps。本发明能够帮助实际铺设的光缆网大幅提高授时精度，具有重要的现实意义与应用价值。

以上显示和描述了本发明的基本原理和主要特征及本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。

Claims (1)

1.一种双纤双波时间传递***，其特征在于：包括主授时站点和从授时站点，所述主授时站点和从授时站点之间通过光纤链路连接，所述主授时站点和从授时站点均具有激光发射器、波分复用模块、时间间隔测量模块、光探测器、发射通道、接收通道，所述主授时站点还具有时间信号保持模块，所述从授时站点还具有时钟、时延补偿模块，激光发射器用于把时间信号转换为光信号；波分复用模块用于把时间信号调制到两个不同波长发送到光纤链路中，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；时间间隔测量模块用于测量发送或接收信号起止时刻，并输出二者的时差值；光探测器用于接收对方站点发送来的时间信号；时延补偿模块用于根据估算获取的钟差值对从站待驯服时钟的时间信号进行补偿；

所述光纤链路为两根光纤，光纤长度分别为L₁和L₂，主授时站点时钟Clock A作为参考钟源，从授时站点时钟Clock B作为待驯服时钟，时钟Clock A与时钟Clock B钟差为ΔT；在同一时刻，主授时站点时钟Clock A的时间信号经过调制后以波长λ₁和λ₂经光纤L₁向从站发送；从授时站点时钟Clock B的时间信号经过调制后以波长λ₁和λ₂经光纤L₂向主站发送；

主授时站点经长度为L₁的光纤向从授时站点发送的波长λ₁时间信号在光纤链路中的传输时延为τ₁；主授时站点经长度为L₁的光纤向从站发送的波长λ₂时间信号在光纤链路中的传输时延为τ₂；从授时站点经长度为L₂的光纤向主授时站点发送的波长λ₁时间信号在光纤链路中的传输时延为τ₃；从授时站点经长度为L₁的光纤向主授时站点发送的波长λ₂时间信号在光纤链路中的传输时延为τ₄；

所述双纤双波时间传递***的瞬时钟差估算方法包括以下步骤：

步骤1：通过4个时间间隔测量模块测量获取值TIC₁、TIC₂、TIC₃和TIC₄；

步骤2：根据步骤1获取的测量值与时延值及钟差的关系式，结合时延比值关系，计算主从站点钟差值ΔT；

步骤3：根据步骤2获得的钟差值，通过从站时延补偿模块对从站时钟进行补偿，实现主从站点时间同步；

步骤4：重复步骤1至步骤3，获取瞬时钟差，实现主从站点实时时间同步；

主授时站点安装两台时间间隔测量模块TIC₁和TIC₂，TIC₁用于测量主站Clock A发出时间信号时刻至主授时站点接收到自从授时站点Clock B发送的时间信号的时刻的时间间隔，即：TIC₁＝τ₃+ΔT；TIC₂用于测量长度为L₂的光纤上的从授时站点向主授时站点发送波长λ₁与λ₂的时间信号的时延差，即：TIC₂＝τ₃-τ₄；从授时站点安装两台时间间隔测量模块TIC₃和TIC₄，TIC₃用于测量长度为L₁的光纤上的主授时站点向从站发送波长λ₁与λ₂时间信号的时延差，即：TIC₃＝τ₁-τ₂；TIC₄用于测量从授时站点Clock B发出时间信号时刻至从授时站点接收到自主授时站点Clock A发送的时间信号的时刻的时间间隔，即：TIC₄＝τ₂-ΔT；

光纤传输时延τ₁、τ₂、τ₃、τ₄与光纤长度、传输波长及折射率的关系是：

式中，τ为光纤传输时延、L为光纤长度、C为光速、n为折射率、λ为波长；

得，

因此可得：

根据TIC₁＝τ₃+ΔT，TIC₂＝τ₃-τ₄，TIC₃＝τ₁-τ₂，TIC₄＝τ₂-ΔT和

五个方程可求解主站Clock A和从站Clock B的钟差ΔT：

将计算出的钟差ΔT送入时延补偿模块，在从站补差时钟Clock B。

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