高精度光纤时频传递及组网技术研究

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高精度时频信号在现代通信、电网监控、导航定位、基线干涉等众多民用、军用领域有着举足轻重的地位。利用光纤进行时频传递,拥有更高的传递精度,才可以满足新一代时频标准的需求。网络化的多点时频传递技术不仅在干涉测量领域能够极大地提高成像分辨率,更是可以构成地基时频传递网络,作为卫星时频传递的互补方案,为国家提供强大的时频基准支撑。基于上述研究背景,本文针对既有的重大应用需求,从时频传递的理论体系出发,开展高精度时频的传递与同步技术研究,并进一步提出构建时频网络化传递的基本架构,从而深入研究高精度时频组网技术。研究内容贯穿基础理论、单元技术、传递系统三个层次,传递方式从“点对点”到“多对多”的网络化传递逐层递进。内容主要涉及:时频噪声的表征和来源、链路噪声补偿技术,时间信号同步技术,长距离时频传递系统、多点时频组网技术等。  本文的主要研究成果和创新点包括:  1.由时频信号的幂律表征、系统噪声的主要来源、传递链路的噪声抑制这三个层面出发,建立了一套较为完整的时频传递理论体系,对后续各项单元技术的攻克和传递系统的设计提供了重要的指导作用。  2.从关键技术上:针对光学补偿,改进了光纤延时线的动态范围和反馈带宽;针对电学补偿方式,提出了一种相位共轭的电学时频同时补偿方法,实现补偿频率信号的同时,也抑制了链路噪声对时间信号的影响;  3.研究时间信号同步技术,提出一种分频钟时间传递方法及其同步校准算法,克服秒脉冲信号(1PPS)在调制解调中引入的额外噪声。在实地110km光纤链路中验证其性能,1PPS信号的时间方差达到1.2ps@103s,比采用直接1PPS传递方案,提高了近3个量级。  4.初步构建一套高精度时频网络化传递的体系架构,在拓扑结构模型和网络分层模型的基础上,从数据链路平面和精准控制平面两个网络层次,分析高精度时频同步网所需攻克的各项关键技术,并在工程上搭建了一套具备核心监控功能的高精度时频传递系统,为时频组网的顶层设计提供重要的参考  5.提出一种时频同传的树形点对多组网方案,它通过“虚拟钟”的传递思路,实现降低时频信号中心站负担的要求并提高了组网系统的稳健性;我们还对时频系统的网络容量和网络覆盖范围进行一定的分析。在25km和50km的两个末端节点上短期稳定度分别达到:2×10-14@1s和5×10-14@1s,长期稳定度均优于10-17,于此同时,各站之间的时间信号同步精度均小于80ps,时间方差在103s-104s尺度下达到1.8ps。  6.首次提出多对多的高精度时频传递方案,允许将高精度时频信号注入到稳定的环形链路内的任意位置。在验证性实验中,对于主钟和从钟的传递不稳定度,分别达到3×10-14@1 s和5×10-14@1s;此外该方案允许多钟源在自由链路下直接比对;满足在环形网络中进行最佳时钟选择的需要;同时提出一种适用于时频环形网络自愈环的实现方式。向建立高效可靠的高精度时频同步网,迈出了重要的一步。  7.面向实际工程应用,解决实际链路中强度噪声明显、链路损耗大,色散噪声多,反馈带宽有限等问题,对高精度光纤时频传递系统进行合理有效的参数设计,在275km光纤链路中(国内直接传递最长距离),实现传递系统不稳定度达5×10-14@1s和7×10-18@1day;与此同时,1PPS信号的时间方差也可达到2.4ps@103s。此外,还取得了420km级联光纤链路上的高精度时频传递的结果,其性能在该距离尺度下也达到了国际水平。
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