光纖時頻傳輸及其在航天探測中的應(yīng)用

張安旭，孫亨利，戴一堂，任天鵬，黃寧博，呂　強，徐　坤，唐歌實

(1.中國電子科技集團公司 航天信息應(yīng)用技術(shù)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；3.北京郵電大學(xué) 信息光子學(xué)與光通信國家重點實驗室，北京 100876；4.北京航天飛行控制中心 航天飛行動力學(xué)技術(shù)重點實驗室，北京100094)

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光纖時頻傳輸及其在航天探測中的應(yīng)用

張安旭1,2，孫亨利1,2，戴一堂3，任天鵬4，黃寧博1,2，呂強1,2，徐坤3，唐歌實4

(1.中國電子科技集團公司 航天信息應(yīng)用技術(shù)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；3.北京郵電大學(xué) 信息光子學(xué)與光通信國家重點實驗室，北京 100876；4.北京航天飛行控制中心 航天飛行動力學(xué)技術(shù)重點實驗室，北京100094)

面向航天探測等應(yīng)用中對時頻同步的需求，針對傳統(tǒng)時頻傳輸方法精度不足的問題，提出了一種基于光纖色散時延調(diào)控的時頻傳遞系統(tǒng)。分析了利用不同光載波波長產(chǎn)生不同色散時延的方法，來補償光纖信道由于環(huán)境因素的變化產(chǎn)生的時延隨機抖動的原理。設(shè)計了多個頻率傳輸實驗，實驗結(jié)果表明，該系統(tǒng)可以獲得6.5×10-14@1 s和2.1×10-17@104s的頻率穩(wěn)定度。該時頻傳遞技術(shù)已成功應(yīng)用于“嫦娥三號”精密測定軌試驗和北斗導(dǎo)航衛(wèi)星連線干涉測量系統(tǒng)。

時間頻率傳輸；色散時延；航天探測；連線干涉

0　引言

高穩(wěn)定原子頻率標(biāo)準(zhǔn)的出現(xiàn)推動了通信[1]、導(dǎo)航[2]、電力[3]、交通[4]、天文觀測[5]、航天測控[6]和基礎(chǔ)科學(xué)研究[7]等諸多領(lǐng)域的發(fā)展，這些應(yīng)用都需要時間和頻率標(biāo)準(zhǔn)信號的高精度傳遞[8]。比如在現(xiàn)代天文觀測中，為了獲得較高的測量分辨率，往往使用天線陣列來合成大等效口徑的方式，避免單個天線口徑過大帶來的技術(shù)難度的成本的快速增加。以阿塔卡瑪大型毫米波天線陣列(ALMA)為例，它由66個天線組成，天線間的最長距離可達18 km。多天線陣列協(xié)同工作，關(guān)鍵之處在于保證天線組陣中各個天線單元接收到的信號間相位關(guān)系的一致性。所以ALMA處理中心的原子鐘合成的頻率參考信號需要被傳輸至各個天線[9]。

傳統(tǒng)的時頻傳遞方案主要包括衛(wèi)星雙向時間傳遞、無線傳輸和直接電纜傳輸?shù)?，這些傳遞方法的穩(wěn)定度與頻率源相比往往下降幾個數(shù)量級，難以滿足天線組陣系統(tǒng)對高精度時頻信號的需求[10]。相比而言，通過光纖的時頻傳遞具有低噪聲、低損耗和高可靠性等優(yōu)勢，可以獲得很好的短期頻率穩(wěn)定度。雖然光纖會受周圍環(huán)境變化的影響，導(dǎo)致在其中傳輸?shù)臅r頻信號的長期穩(wěn)定度出現(xiàn)惡化，但是對其進行適當(dāng)控制后還是可以實現(xiàn)很好的長期穩(wěn)定性[11]。所以基于光纖的時頻傳遞已經(jīng)成為未來高穩(wěn)定時頻傳輸與分布的首選方案。

本文通過對時頻信號在光纖信道中傳輸機理的分析研究，提出了基于光纖色散時延調(diào)控的時頻傳遞技術(shù)[12]。該技術(shù)具有寬帶、大范圍補償與快速調(diào)節(jié)等優(yōu)勢，相關(guān)研究成果已應(yīng)用于航天探測等領(lǐng)域。

1　基于光纖色散時延調(diào)控的時頻傳遞原理

光信號在光纖中傳輸時會與光纖介質(zhì)的束縛電子相互作用，使光纖介質(zhì)的響應(yīng)與光信號的頻率相關(guān)，這就是光纖的色散特性。由于色散的存在，不同波長的光載波會以不同的群速度傳輸。射頻信號加載到不同的光載波上傳輸，其在光纖中經(jīng)歷的時延也不一樣。通過色散作用產(chǎn)生的時延變化，可以用來補償光纖由于溫度變化和震動等環(huán)境因素引起的傳輸時延和信號相位抖動，這種方法就是基于光纖色散時延調(diào)控的時頻傳遞技術(shù)，其基本系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1　基于光纖色散時延調(diào)控的時頻傳遞系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

光纖時頻傳遞的目標(biāo)是將位于中心站的頻率信號和時間信號通過長距離的光纖傳輸?shù)竭h端，在此過程中保持時間和頻率信號的高穩(wěn)定性。高穩(wěn)定的時間和頻率信號一般由原子頻率標(biāo)準(zhǔn)合成，它們通過電光轉(zhuǎn)換加載到可調(diào)諧激光源產(chǎn)生光載波上。光載時頻信號經(jīng)過光纖傳輸?shù)竭h端后分成2部分，其中一部分經(jīng)光電轉(zhuǎn)換恢復(fù)成射頻時頻信號。由于光纖容易受環(huán)境溫度變化和震動的影響，其傳輸時延會發(fā)生變化，時延的變化會導(dǎo)致在其中傳輸?shù)臅r頻信號的時延和相位發(fā)生抖動，進而影響遠端恢復(fù)的時頻信號的穩(wěn)定性。遠端光載時頻信號的另一部分則通過原來的光纖鏈路返回到中心站。返回到中心站的頻率參考信號被提取出來，與頻率參考源進行相位誤差檢測。頻率參考信號的相位誤差反映了光纖鏈路的時延變化，使用它控制可調(diào)諧激光源產(chǎn)生的光載波的波長，進而補償光纖時延的抖動。

1.1頻率參考信號的相位抖動補償

頻率參考信號ωrf經(jīng)過一個正交偏置的推挽馬赫-曾德爾調(diào)制器來調(diào)制光載波ωop，調(diào)制深度為m=Vrf/Vπ，調(diào)制后的光信號的場強度可以表示為：

(1)

這里考慮的是頻率參考ωrf的頻率和相位，所以略去了與幅度相關(guān)的內(nèi)容，下面也進行同樣的處理。

假設(shè)調(diào)制后的光信號經(jīng)過一段長度為z的普通單模光纖傳輸，光纖的模式傳輸常量為β(ω)，那么傳輸后光信號會出現(xiàn)大小為χ(ω)=β(ω)z的相移。除了傳輸引入的相移，信號在光纖鏈路中傳輸還會經(jīng)歷一個隨環(huán)境變化而隨機變化的時延Δτlk，所以傳輸后的光場可表示為：

(2)

從式(2)可以得出在遠端恢復(fù)出的射頻信號：

(3)

式(3)中，

(4)

是與色散導(dǎo)致的射頻信號的功率衰落相關(guān)的一個量，它對ωrf的相位沒有影響。

在光纖中反向傳輸?shù)墓庑盘柦?jīng)歷相同的延時Δτlk，往返傳輸?shù)街行恼竞蟮摩豶f可以表示為：

Ert∝cos(ωrft+2ωrfΔτlk-χ(ωop+ωrf)+χ(ωop-ωrf))。

(5)

通過比較往返傳輸后的信號Ert和頻率參考源信號的相位，可以得到一個相位差：

Δφ=2ωrfΔτlk-(χ(ωop+ωrf)-χ(ωop-ωrf))。

(6)

該相位差是光載波頻率ωop的函數(shù)。

這個相位差被用來反饋控制光載波頻率ωop，光載波的頻率發(fā)生變化，相位差Δφ也會出現(xiàn)相應(yīng)的變化。比較式(3)和式(6)可以發(fā)現(xiàn)，遠端信號的相位為Δφ的一半，所以只要中心站通過調(diào)整光載波的頻率，使得往返傳遞后信號與源信號的相位差Δφ被穩(wěn)定，那么遠端頻率參考信號ωrf的相位也會保持穩(wěn)定，不受光纖的隨機時延抖動Δτlk的影響。

1.2時間和本振信號的傳輸時延抖動補償

除了頻率參考信號，通過光纖也可以傳遞寬帶的時間信號和多個本振信號。在傳輸多個射頻信號時，所有信號調(diào)制同一光載波后，得到的信號的邊帶在光譜上也是有著不同頻率的。雖然這種頻率差值(射頻頻率差值)相對于光載波的頻率來說非常小，不過由于高階色散的作用，它們還是有傳輸速率的不同。

通過式(3)可以得出頻率參考信號ωrf經(jīng)過單向傳輸后的相位變化為：

(7)

那么其經(jīng)歷的傳輸時延為：

(8)

將其中的χ(ω)在頻率ωop附近展開成泰勒級數(shù)的形式：

(9)

通過式(8)和式(9)可以得到：

(10)

也就是說，這個時延既和射頻信號的頻率ωrf有關(guān)，又和光載波的頻率ωop有關(guān)。

考慮角頻率為ωlo的本振信號和ωrf一起調(diào)制到同一光載波ωop傳輸?shù)那樾?時間信號是寬帶的，但是其可以看作多個正弦信號的疊加，所以這里只分析單個本振信號)。這時ωlo和ωrf經(jīng)歷的延時會不一樣，它們的差值可以表示為：

Δrfτ(ωop)=τ(ωlo,ωop)-τ(ωrf,ωop)=

(11)

式(11)說明，由于ωlo和ωrf的頻率不一樣，當(dāng)ωrf的相位或者說傳輸時延穩(wěn)定下來后，ωlo和ωrf經(jīng)歷的時延不一樣。如果這里的光載波頻率ωop不發(fā)生變化，這個時延差會是一個常量，2個信號經(jīng)歷的時延雖然不一樣，不過都是穩(wěn)定的，所以2個信號的相位也將是穩(wěn)定的。

但是這里需要調(diào)節(jié)光載波的頻率ωop來穩(wěn)定ωrf的相位。當(dāng)光載波的頻率從ωop1變?yōu)棣豲p2時，這個時延差會發(fā)生變化。這個變化可以表示為：

ΔopΔrfτ=Δrfτ(ωop2)-Δrfτ(ωop1)=

(12)

所以這個延時差的變化和射頻頻率以及光頻率都相關(guān)。當(dāng)ωrf的相位穩(wěn)定后，ωlo的傳輸時延會有一點不穩(wěn)定。

為了知道這個延時不穩(wěn)定的大小，可以忽略式(12)中的高階項，只考慮其第一個非零項：

(13)

也就是說，這個殘留的時延不穩(wěn)定，主要是由光纖的4階色散引起的。由于光纖的高階色散數(shù)值非常小，通過實際的測量和計算，發(fā)現(xiàn)在大多數(shù)實際應(yīng)用中，這個時延差的變化可以忽略[13]?？梢哉J為，一旦頻率參考信號ωrf的相位穩(wěn)定了，和它一起傳遞的其他信號的相位和時延也就穩(wěn)定了。

2　頻率傳輸實驗及結(jié)果分析

2.1多頻率標(biāo)準(zhǔn)傳輸實驗設(shè)計

為了驗證上述基于光纖色散時延調(diào)控的時頻傳遞原理，進行了如圖2所示的實驗[13]。實驗傳輸了2個射頻頻率信號ωrf1和ωrf2，頻率分別為2.46 GHz和8.00 GHz。ωrf1和ωrf2通過2個微波信號源產(chǎn)生，為了保證它們之間有一個穩(wěn)定的初始相位差，這2個微波信號源經(jīng)一個10 MHz的參考信號同步起來。ωrf1和ωrf2耦合在一起后通過電光調(diào)制器調(diào)制到光載波上。這里使用的電光調(diào)制器為鈮酸鋰馬赫-曾德爾調(diào)制器，它的傳輸曲線是非線性的正弦曲線。為了減小調(diào)制過程中的非線性，實驗中使用偏置控制器保證調(diào)制器始終工作在正交偏置點，也就是其傳輸曲線中線性度最好的區(qū)域。

圖2　基于光纖色散時延調(diào)控的時頻傳遞實驗

被調(diào)制后的光信號經(jīng)過一個光環(huán)行器，然后進入光纖鏈路。實驗中的光纖鏈路由2卷長度分別為10 km和20 km的普通單模光纖組成，在2段光纖中間加入了一個馬達驅(qū)動的可調(diào)光延時線來模擬鏈路的快速時延抖動。這個可調(diào)光延時線通過一臺獨立的電腦來控制，實驗中時延變化的速度為1 ps/s，調(diào)節(jié)范圍為500 ps。除了可調(diào)光延時線引入的快速的時延抖動，光纖周圍環(huán)境的變化也給鏈路時延帶來很大的變化，特別是溫度的起伏，每攝氏度的溫度變化引起的光纖的時延變化約為1.05 ns。經(jīng)過光纖后的光信號被部分反射回來，在中心站被恢復(fù)成射頻信號。其中2.46 GHz的信號被帶通濾波器濾出來和源信號進行相位比較，也就是說這個2.46 GHz的信號也被用作頻率參考信號。

2.2實驗結(jié)果和分析

實驗中記錄并比較了在補償和不補償鏈路時延抖動的情況下，2.46 GHz和8.00 GHz的信號傳輸后相位時間的變化[13]。在整個測量過程中，可調(diào)光延時線一直在進行往返的時延調(diào)節(jié)，單程的時延調(diào)節(jié)大小為500 ps。在不對光纖鏈路的時延變化進行補償?shù)那闆r下，2.46 GHz信號傳輸?shù)竭h端后的相位時間抖動如圖3所示。

圖3　信號相位時間的變化

在圖3中可以看到，相位時間有著明顯的鋸齒形變化，其峰峰值約為500 ps，這部分變化是由可調(diào)光延時線往返調(diào)節(jié)導(dǎo)致的。同時，光纖周圍環(huán)境的變化，尤其是溫度的變化，也給鏈路帶來了大約650 ps的時延變化。所以2.46 GHz的信號在104s的測試時間中，整個相位時間抖動為1182.5 ps。實驗中，光纖周圍環(huán)境溫度的變化也被記錄下來，在104s的時間范圍內(nèi)，溫度的變化約為0.6 ℃。考慮到光纖時延變化與溫度變化的關(guān)系為35 ps/km/℃，在給定的30 km的光纖長度下，這個溫度變化引起的光纖時延變化為630 ps，與實驗測得的650 ps的時延變化非常接近。

在鏈路延時被穩(wěn)定后，同樣長的測試時間間隔中，2.46 GHz信號的相位時間抖動的峰峰值只有3.15 ps，如圖3所示。這里的相位時間抖動是在可調(diào)光延時線持續(xù)工作的情況下測得的，同時這段測量時間內(nèi)光纖周圍的溫度也發(fā)生了變化，但是鏈路的時延被很好地穩(wěn)定下來。

同樣地，8.00 GHz信號的相位時間抖動也使用采樣示波器記錄下來。在不穩(wěn)定鏈路時延的情況下，8.00 GHz信號在104s時間內(nèi)經(jīng)歷的相位時間抖動峰峰值為1034.6 ps。當(dāng)鏈路的延時被穩(wěn)定下來后，這一相位時間抖動的峰峰值被限制在2.08 ps。

在另一個實驗中，2.48 GHz的頻率信號經(jīng)過60 km光纖的傳輸，在遠端恢復(fù)出射頻信號，測量了其單邊帶相位噪聲，如圖4(a)所示[14]。穩(wěn)定了光纖鏈路的時延后，頻率信號在3 Hz偏移頻率處的相位噪聲為-77.3 dBc/Hz，與不穩(wěn)定鏈路時延的情況相比較，這里的相位噪聲大約減小了10 dB。當(dāng)偏移頻率超過10 Hz后，補償鏈路時延后信號的相位噪聲和自由傳輸時基本一樣。在實驗中也測試了頻率信號傳輸后的頻率穩(wěn)定度，其結(jié)果表示為圖4(b)所示的阿倫方差。經(jīng)自由運行的鏈路傳輸，也就是沒進行任何時延抖動補償?shù)那闆r下，信號的短期穩(wěn)定度為2.3×10-13(1 s平均時間)。補償鏈路時延抖動后，信號傳輸后頻率的短期穩(wěn)定度被提高到6.5×10-14(1 s平均時間)，長期頻率穩(wěn)定度則為2.1×10-17(104s平均時間)。同時，在圖4中，也給出了測量系統(tǒng)的噪底，其秒穩(wěn)定度約為2.9×10-14。

圖4　單邊帶相位噪聲和頻率穩(wěn)定性

3　基于光纖色散時延調(diào)控的頻率傳遞應(yīng)用

從2013年12月“嫦娥三號”探月航天器成功在月球軟著陸至今，持續(xù)對航天器上搭載的X頻段信標(biāo)信號其進行跟蹤測量，提取高精度的頻率信息，形成開環(huán)測速、三向測速處理結(jié)果，開展航天器精密測定軌試驗。為完成試驗?zāi)繕?biāo)，必須精確測量“嫦娥三號”轉(zhuǎn)發(fā)回地面的信標(biāo)信號，測量天線處需要高穩(wěn)定的多個本振信號，來保證接收到的信標(biāo)信號的相位信息不被干擾。從中心機房到天線有近百米距離，射頻本振信號的相位在倍頻與傳遞過程中易受環(huán)境溫度變化、天線伺服電機振動等因素的影響產(chǎn)生隨機抖動，必須加以抑制。利用基于光纖色散時延調(diào)控的時頻傳遞系統(tǒng)，實現(xiàn)X-L混頻本振、L-中頻混頻本振的同纜、同時穩(wěn)相傳輸，如圖5所示。實際得到小于0.01 rad的本振相位漂移，確保系統(tǒng)總體達到9.8 mHz的頻率估計精度和0.384 mm/s的測速精度，圓滿達到了航天器精密測定軌試驗的目的[15]。

圖5　“嫦娥三號”無線電測月系統(tǒng)

干涉測量的被動式測量特征對實現(xiàn)在軌航天器的軌道監(jiān)測具有重要意義。利用分別位于北京飛行控制中心和衛(wèi)星通信地面站的天線，進行了在軌航天器被動式的高精度連線干涉測量。2個天線站點之間的直線距離為5.5 km，通過長度為15 km的光纖連接，形成連線干涉測量系統(tǒng)，如圖6所示。

圖6　北斗導(dǎo)航衛(wèi)星連線干涉測量系統(tǒng)

通過基于光纖的多本振穩(wěn)相傳輸系統(tǒng)實現(xiàn)頻率同步，為提升在軌航天器軌道監(jiān)測精度做關(guān)鍵技術(shù)支撐。測試中，2個連線天線單元共同跟蹤待測衛(wèi)星和一顆北斗導(dǎo)航衛(wèi)星，其中北斗導(dǎo)航衛(wèi)星作為標(biāo)校衛(wèi)星，根據(jù)干涉測量數(shù)據(jù)處理方法得到待測衛(wèi)星的干涉時延與角位置。系統(tǒng)最終實現(xiàn)了優(yōu)于0.4 ns的干涉時延測量精度，在5.5 km基線上實現(xiàn)約千分之一度的測角精度，且測角精度有望通過增加基線長度獲得進一步的提高[16]。

4　結(jié)束語

本文提出了基于光纖色散時延調(diào)控的時頻傳遞技術(shù)，分析了利用不同光載波波長產(chǎn)生不同色散時延的方法來補償光纖信道由于環(huán)境因素的變化產(chǎn)生的時延隨機抖動的原理，進行了多個實驗研究時頻傳遞系統(tǒng)的性能，實驗結(jié)果表明，該系統(tǒng)可以獲得6.5×10-14@1 s和2.1×10-17@104s的頻率穩(wěn)定度。該時頻傳遞技術(shù)已成功應(yīng)用于“嫦娥三號”精密測定軌試驗和北斗導(dǎo)航衛(wèi)星連線干涉測量系統(tǒng)，并有望在未來的深空探測、導(dǎo)航定位和天文觀測等多個領(lǐng)域發(fā)揮作用。

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張安旭男，(1985—)，博士，工程師。主要研究方向：微波光子學(xué)和自由空間光通信。

孫亨利男，(1986—)，碩士，工程師。主要研究方向：微波光子學(xué)和自由空間光通信。

Time and Frequency Transmission over Optical Fiber and Its Applications in Aerospace Measurement

ZHANG An-xu1,2,SUN Heng-li1,2,DAI Yi-tang3,REN Tian-peng4,HUANG Ning-bo1,2,LV Qiang1,2,XU Kun3,TANG Ge-shi4

(1.Key Laboratory of Aerospace Information Applications,CETC,Shijiazhuang Hebei 050081,China;2.The54thResearchInstituteofCETC,ShijiazhuangHebei050081,China;3.StateKeyLaboratoryofInformationPhotonicsandOpticalCommunications,BUPT,Beijing100876,China;4.NationalKeyLaboratoryofScienceandTechnologyonAerospaceFlightDynamics,BACC,Beijing100094,China)

A time and frequency transmission technique based on dispersion induced delay of optical fiber link has been proposed to meet the strict synchronization requirements in applications such as aerospace measurement.The principle of the transmission system has been analyzed.Several experiments have been carried out with frequency stability of 6.5×10-14at 1 s and 2.1×10-17at 104s,respectively.The transmission system has been used in a lunar radio measurement of the Chang’E-3 spacecraft and a connected element interferometry system.

time and frequency transmission;dispersion delay;aerospace measurement;connected element interferometry

10.3969/j.issn.1003-3106.2016.09.04

2016-05-07

國家自然科學(xué)基金青年基金資助項目(61401411)。

TN29

A

1003-3106(2016)09-0015-05

引用格式：張安旭,孫亨利,戴一堂,等.光纖時頻傳輸及其在航天探測中的應(yīng)用[J].無線電工程,2016,46(9):15-19,23.