基于光生毫米波的空间时间频率比对系统与比对方法

本发明涉及光学时间频率传递领域，特别是适用于基于光生毫米波的高精度空间时间频率比对与传递。

背景技术：

1、时间频率比对和传递可实现远程频标的校准与分发，可使处于不同地理位置的用户共享统一的时间频率基准源。为了保证基准源性能，时间频率比对的精度必须比被比对的时间频率信号高一个量级以上。基于光纤传输的优良特性，大范围长距离光纤时间频率比对和同步技术取得了重大的进展。但光纤链路存在无法覆盖的空间，尤其是涉及可移动平台(如车地、星地、星间、海陆之间等)时，无法为“空-天-陆-海”提供全覆盖高精度时间频率比对。基于卫星的天基微波时间频率比对系统具有灵活、不受地域限制等优势，但是其精度有限。近些年基光载波的空间时间频率比对和传递取得了极大的突破，比如美国nist实现了基于光学频率梳的300km自由空间时间频率比对与传递[caldwell,e.d.,deschenes,j.d.,ellis,j.,swann,w.c.,stuhl,b.k.,bergeron,h.,newbury,n.r.and sinclair,l.c.,2023.quantum-limited optical time transfer for future geosynchronouslinks.nature,618(7966),pp.721-726.]，中国科学技术大学也在实现了113公里的时间频率比对与传递[shen,q.,guan,j.y.,ren,j.g.,zeng,t.,hou,l.,li,m.,cao,y.,han,j.j.,lian,m.z.,chen,y.w.and peng,x.x.,2022.free-space dissemination of time andfrequency with 10-19instability over 113km.nature,610(7933),pp.661-666.]，时间比对与传递的性能可以达到飞秒量级，频率比对与传递的稳定度可达到1e-19。但是空间光链路特别是近地面链路受天气、大气湍流等因素的影响会引起信号随机衰落甚至丢失。因此只有天气较好的情况下系统才能够正常运行，一旦遇到雨天、大雾、雪天系统无法正常运行。而处于毫米波段的特别是e波段毫米波(millimeter-wave，mm-wave)，即频率在71-76ghz与81-86ghz范围内的无线信号，被认为十分适用于建设远距离无线回传系统。由于e波段的超大带宽和相对较低的大气衰减，可以小于0.4db、km，并且可以天气条件较差的环境下运行，对于远距离传输方面有着明显优势。此外，毫米波段较短的波长，10ps量级，对于1/1000的相位测量精度，时间差的测量精度可达到10fs量级，可满足高精度的比对和传递需求。

技术实现思路

1、本发明的目的在于针对现有技术的不足，提供一种基于光生毫米波的高精度空间时间频率比对系统与比对方法，可以实现基于高稳定毫米波的时间频率比对与同步，采用该结构可以保证系统时间频率比对与传递的同时大幅度提升系统的连续运行率，克服现有基于光载波时间频率比对与传递连续运行率测不足以及基于微波时间频率比对与传递精度不足的问题，满足自由空间链路的高精度无间断时间频率比对与传递的需求。

2、为达到上述目的，本发明的技术解决方案如下：

3、一方面，本发明提供一种基于光生毫米波空间时间频率比对方法，其特点在于，包括步骤如下：

4、主端将锁定到光学参考的毫米波信号通过自由空间毫米波链路发送到从端，与此同时，从端将锁定到光学参考的毫米波信号通过毫米波链路发送到主端；

5、主端测得本地锁定到光学参考的毫米波信号与从端接收到锁定到光学参考的毫米波信号的时间差tba，并通过自由空间微波链路发送到从端，与此同时，从端测得本地锁定到光学参考的毫米波信号与主端接收到锁定到光学参考的毫米波信号的时间差tab；

6、从端根据双向比对原理计算主从两端的钟差δt，δt＝(tab-tba)/2，并调整从端的光学参考频率和相位，使δt→0，从而实现主从两端的时间频率同步。

7、进一步，所述主端或从端锁定到光学参考的毫米波信号，具体是：

8、-获得锁定到主或从光学参考上的光学频率梳，其中主或从光学频率梳锁定到所述主或从光学参考上，所述主或从光学参考包括超稳激光器和光学原子钟；所述光学频率梳的n个频率fi,m分别由n个连续激光器锁定，n＝2或3，i＝0,...,n；

9、-将所述锁定到光学频率梳的连续激光器通过外差拍频获得毫米波信号。

10、进一步，将所述光学频率通过外差拍频获得毫米波信号，具体是：

11、第n个连续激光器与第n+1个连续激光器的输出光耦合后，在光电探测器上拍频获得毫米波信号fmmi+1,m，用于发送到另一端，和/或，用于本地与接收到毫米波的拍频。

12、进一步，所述主端测得本地锁定到光学参考的毫米波信号与从端接收到锁定到光学参考的毫米波信号的时间差tba，或者，所述从端测得本地锁定到光学参考的毫米波信号与主端接收到锁定到光学参考的毫米波信号的时间差tab，具体是：

13、所述主端将主光电探测器上拍频获得毫米波信号fmm1,m通过自由空间毫米波链路传输至从端，所述从端两个从连续激光器输出光耦合后在从光电探测器上拍频获得毫米波信号fmm2,s，利用从时间测量与解调器获得毫米波信号fmm1,m和毫米波信号fmm2,s混频后的的时间差tab；

14、所述从端将从光电探测器上拍频获得毫米波信号fmm1,s通过自由空间毫米波链路传输至主端，所述主端两个主连续激光器耦合后在主光电探测器上拍频获得毫米波信号fmm2,m，利用主时间测量与调制器获得毫米波信号fmm2,s和毫米波信号fmmi+1,m的时间差tba。

15、另一方面，本发明还提供一种基于光生毫米波高精度空间时间频率比对系统，包括主端、从端、以及连接该主端和从端的自由空间链路，其特点在于，所述自由空间链路包括自由空间毫米波链路和自由空间微波链路；

16、所述主端和从端，均包括光学频率参考、光学频率梳、n个连续激光器，n＝2或3，第一光耦合器、第一光电探测器、第二光耦合器、第二光电探测器、毫米波极化复用器、毫米波天线、毫米波混频器、时间测量与调制器、微波天线；

17、所述光学频率参考至少包括超稳激光器和光学原子钟，所述光学频率梳锁定到所述光学频率参考，所述n个连续激光器分别通过光学锁相环或者注入锁定的方式锁定所述主光学频率梳n个频率fi,m上，i＝0,...,n；

18、第1个连续激光器与第2个连续激光器的输出光耦合后，在第一光电探测器上拍频获得第一毫米波信号，用于发射至另一端；第2个连续激光器与第3个连续激光器的输出光耦合后，在第二光电探测器上拍频获得第二毫米波信号，用于与从另一端接收到的毫米波信号拍频；

19、所述第一毫米波信号依次经所述毫米波极化复用器、毫米波天线、自由空间毫米波链路达到另一端，经另一端的毫米波天线、毫米波极化复用器与另一端第2个连续激光器与第3个连续激光器的输出光经所述第二光耦合器后在所述第二光电探测器上拍频获得的第二毫米波信号分别达到毫米波混频器的两个输入端，利用时间测量与解调器测量毫米波混频器的输出信号的时间差，即所述主端和从端分别侧得各自毫米波信号的时间差；

20、所述主端将主端测得毫米波信号的时间差，通过所述自由空间微波链路发送到所述从端，由所述从端解调得到主端测得毫米波信号的时间差；

21、所述从端根据解调主端测得毫米波信号的时间差和本地从端测得毫米波信号的时间差的钟差，调整所述从端的光学参考频率和相位，使该钟差无限接近0，从而实现主从两端的时间频率同步。

22、与现有技术相比，本发明的有益效果是：

23、本发明通过基于光生毫米波的高精度空间时间频率比对与传递，提升了系统的连续运行率，本发明克服了现有基于微波和基于光载波时间频率比对时间差测量范围不足的缺点，特别是现有基于光载时间频率在空间传递时面临损耗较大特别是云雾、雨雪等天气条件下完全无法工作的问题，有效提升传统基于微波的时间频率比对方法精度不足和基于光载波时间频率比对连续运行率较低的问题，系统具有底噪低、结构简单、可靠性高的优点。