遠距離高精度光纖雙向時間比對方法研究

王崇陽，蔚保國,王正勇

(1.衛星導航系統與裝備技術國家重點實驗室，河北 石家莊 050081；2.中國電子科技集團公司第五十四研究所，河北 石家莊 050081)

遠距離高精度光纖雙向時間比對方法研究

王崇陽1,2，蔚保國1,2,王正勇1,2

(1.衛星導航系統與裝備技術國家重點實驗室，河北 石家莊 050081；2.中國電子科技集團公司第五十四研究所，河北 石家莊 050081)

針對光纖傳輸鏈路因受光信號衰減、溫度變化和振動等因素引起的光學相位起伏，影響時間比對精度的問題，研究了基于雙向偽碼測距原理的光纖雙向時間比對方法，并搭建模型系統進行了實驗驗證。結果表明，通過單光纖雙向雙波長的傳輸方案，在65 km光纖鏈路上，抵消了往返鏈路傳輸時延的不對稱性，使時間比對精度可達108 ps。溫度變化引起光纖折射率變化是導致時延波動的主要因素，對溫度變化與光纖時延的關系進行了分析和仿真，通過溫度試驗驗證了光纖時延隨溫度變化的溫度漂移系數與理論值相符。

偽碼測距；光纖雙向時間比對；高精度；溫度漂移系數

0 引言

高精度時間傳遞可以提高導航系統的授時精度，從而提高衛星導航系統位置和速度信息獲取的精度[1]。光纖雙向時間比對是一種單纖雙向雙波長高精度時間比對方法，采用不同波長在同一根光纖中進行雙向傳遞，由于在信號往返鏈路上都受到相同的環境變化，因此可以認為環境變化引起的往、返鏈路時延變化是相同的[2]。該方法精度可以達到100 ps量級，相比于衛星傳輸中常見的ns量級精度指標，在傳輸精度上提高了一個數量級[3]。而且利用光纖進行高精度時間傳遞具有損耗低、抗電磁干擾、價格低和結構簡單的優勢，使其成為遠距離高精度時間傳遞的主要方案之一[4]。德國物理技術研究所(PTB)在73 km光纖鏈路上進行了光纖雙向時間比對試驗，時間比對精度低于100 ps[5]；法國激光物理實驗室(LPL)報道了540 km的光纖時間頻率傳遞試驗[6]；國家計量院和北京衛星導航中心報道了109 km光纖雙向時間比對試驗，時間比對精度優于200 ps[7]。

由于受到光信號衰減和發射引入的噪聲、光纖色散特性、溫度變化以及振動等因素影響，光纖傳輸鏈路存在較大的光學相位的隨機起伏，對時間比對精度帶來較大的影響。本文提出了一種基于雙向偽碼測距的光纖時間比對方法，利用同一根光纖進行時間信號的傳遞，可以抵消環境溫度變化、振動等引起的影響，經過試驗驗證精度可以達到100 ps量級[8]。利用所設計的光纖雙向時間比對系統及溫控設備驗證了光纖鏈路的溫度漂移系數。

1 一種適合遠距離高精度的光纖雙向比對方法

1.1 光纖雙向時間比對原理

光纖雙向時間比對原理如圖1所示。

(a) 光纖雙向比對系統A站

(b) 光纖雙向比對系統B站圖1 光纖雙向比對系統原理

A站鐘源輸出的10 MHz時頻信號進入本振模塊生成70 MHz信號，鐘源輸出的1 PPS、10.23 MHz時頻信號進入信號產生模塊實現偽隨機碼生成，再進入中頻調制模塊將偽碼信號調制到70 MHz載波上，輸出70 MHz擴頻信號，70 MHz電信號進入光調制器A進行電光轉換成波長為λ1的光信號，經過半導體激光器A發射進入光環行器A的端口1，從端口2注入光纖；光信號經過光纖鏈路從光環形器B的端口2進入，端口3輸出進入光電探測器B，將接收到的光信號轉換成70 MHz電信號，再進入B站時間信號接收單元獲得測量數據TAB[9]。時間信號由B站經光纖時間比對系統傳向A站的工作原理與上述A站向B站傳遞時間信號是一致的，得到測量數據TBA[10]。

設TA為A站發射測距信號時刻，TB為B站發射測距信號時刻，A站和B站兩地鐘的瞬時鐘差ΔT=TB-TA，則

(1)

(2)

(3)

當A站和B站在同一時刻發送1 PPS信號，由于傳輸路徑相同且傳輸光信號波長接近，傳輸時延接近可近似相等，即τBA≈τAB，則有

(4)

1.2 溫度變化對光纖時延的影響

溫度是影響光纖時間比對的主要原因[11]，當溫度變化時，光纖折射率會隨之發生變化，且光纖本身會因為溫度改變產生物理上熱膨脹或壓縮，使得光信號在光纖中傳輸的時延發生變化，從而接收端接收到的信號會發生抖動[12]。

光信號通過長度為L、群折射率為ng的光纖的傳輸時延τ為[13]：

(5)

當溫度發生變化時，時延的變化為[14]：

(6)

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

圖2 光纖鏈路時延隨溫度的變化

由圖2可以看出，雖然函數關系式較為復雜，但光纖時延在-20～50 ℃隨溫度的變化幾乎是線性的，且變化率為正值。

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

2 光纖雙向時間比對試驗及試驗結果

2.1 光纖雙向時間比對試驗系統

光纖雙向時間比對系統框圖如圖3所示，進行比對的A站和B站分別配備一個鐘源，鐘源提供時間信號發射單元工作所需的時碼信號(1PPS、10MHz等)，時間間隔計數器(SR620)用于測量A站和B站的實際鐘差。由A站和B站得到的時間比對測量數據TAB和TBA通過測試軟件進行存儲。

圖3 光纖雙向時間比對系統

在65 km的光纖鏈路上對上述方案進行了試驗驗證，A站發射光波長為1 550.12 nm，B站發射光波長為1 550.92 nm，碼速率為5.115 Mcps。試驗獲得2個單向測試偽距值；實際鐘差由時間間隔計數器SR620直接測得；測量鐘差經光纖雙向比對算法利用2個偽距值計算獲得。

試驗結果如圖4所示。波峰和波谷代表了晝夜環境溫度變化引起的光纖時延波動，單向偽距值與實際鐘差的差值表示單向時延波動。由圖4可以看出，A站與B站間的雙向時延波動趨勢相同；測量鐘差與實際鐘差的差值表示光纖雙向時間比對精度。經過約48 h的長時間試驗，比對精度為108 ps，如圖5所示。

圖4 光纖雙向比對系統雙向時延波動

圖5 光纖雙向時間比對精度

2.2 溫度試驗

為了驗證光纖雙向時間比對試驗中溫度變化對光纖鏈路的影響，利用溫箱開展了光纖雙向時間比對溫度試驗，試驗中將50 km的光纖置于溫箱中，試驗結果如圖6所示。

(a) 溫箱溫度曲線

(b) 時延變化圖6 光纖時間比對系統時延隨溫度變化結果

從試驗數據可知，溫度變化導致時延緩慢且大動態范圍的變化，在-35～50 ℃的高低溫環境下，光纖單向傳輸路徑時延變化為165.1 ns，可以計算得出溫度漂移系數為38.85 ps/km℃，與理論值符合較好。

3 結束語

本文提出了基于雙向偽碼測距的光纖時間比對方法，并通過試驗驗證了光纖時間比對精度可達到100ps量級。但由于光纖色散特性引起的鏈路不對稱性、光器件處理引入的誤差及硬件電路時延的不對稱性等仍會帶來較大誤差[16]，可以通過模型修正及硬件時延標定等方法進一步提高時間比對精度。

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王崇陽 男，(1990—)，碩士研究生。主要研究方向：光纖時頻傳遞。

蔚保國 男，(1966—)，博士生導師，研究員。主要研究方向：衛星導航總體技術、航天測控技術、陣列信號處理技術和自動測試系統技術等。

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,王正勇.遠距離高精度光纖雙向時間比對方法研究[J].無線電工程,2017,47(3):47-50.

2016-12-21

國家自然科學基金資助項目(91638203)。

TN253

A

1003-3106(2017)03-0047-04