[发明专利]一种基于单光子检测的光纤高精度授时装置和方法

说明书

本发明提供一种基于单光子检测的光纤高精度授时装置和方法。该方法包括以下步骤：原子钟源送出时钟信号和秒脉冲信号给授时中心站；授时中心站利用钟源信号产生经编码光脉冲信号注入光纤链路；终端站部分反射经编码光脉冲信号，并使其返回同一根光纤链路；中心站利用单光子检测器监测返回经编码光脉冲信号，测量环回时延，利用环回传输时延计算并补偿单向传播时延；终端站将中心站时延预补偿后的经编码光脉冲信号实施光电转换，从而完成时间同步。本发明具有基准统一、稳定性高，易于同时保证时间传递的长期稳定度和短期稳定度的优点。

技术领域

本发明涉及一种光纤链路高精度授时装置和方法，尤其涉及一种基于单光子检测的光纤高精度授时装置和方法。

背景技术

世界上各个大国都在积极发展自己高性能时间与频率系统，比较著名的主要是天基授时体系，比如美国的GPS系统、俄罗斯的GLONASS，欧洲的伽利略系统以及我国正在建设的北斗系统等。我国目前向普通民众和特殊用户可以提供的授时服务包括短波授时、长波授时、卫星授时、因特网授时以及电视授时等服务。天基时频网络受开放信道随机波动以及端设备外置而精度有限，如普通GPS系统授时精度为10纳秒量级，GPS载波相位法时间同步精度也只能达到纳秒量级，进一步提升精度等级已十分困难。此外，天基系统的稳定性和可靠性也存在隐患。相比较而言，光纤信道具有传输质量稳定可靠、相对封闭、抗干扰、传输特性变化缓慢、可有效管辖等优点。因此，在需要更高精度的时间传递场合，利用信道更好的光纤进行更高精度的时间和频率传递成为必然选择。

当前光纤和光网络高精度时间同步方法有两种，一是高精度时间频率信号通过光传送网(如SDH网络或以太网)进行时间频率传递与比对；另一种是高精度时间频率信号通过波分复用光传送网络传输。通过光传送网进行时频传递与比对的最大的问题是其精度受网络影响较大，时间同步精度只能到达百纳秒量级。因此，高精度时频传递与比对的主流方案是利用光波长信道直接进行时频信号的传递比对。

以100Km距离为例，当采用商用的G.652光纤进行时间传递时，由于在1550nm处色散系数D＝17ps/nm.km，则激光器波长漂移±0.1nm时会产生约340ps的授时误差。虽然在给定的同步距离上可以通过估算标准单模光纤的色散值进行理论修正，但实际应用中激光器的中心波长在使用过程中存在随机波动(一般商用激光器指标为±0.1nm)，并且不同厂家，不同批次以及在不同环境下的商用光纤色散值本身也在波动。

因此，只要授时系统采用两个不同的波长进行时间传递，则光纤色散和色散波动以及两个激光器波长的随机漂移，会导致授时的不对称性偏差以及偏差波动，在百公里的距离上授时误差可达百皮秒。

此外，对已有的光纤波分复用链路进行单纤双向传输改造会对提升系统的复杂度，并对已有系统的可靠性带来潜在的影响。因此，本发明提出一种只利用一个波道进行高精度授时的方案，可保证双向授时信道的完全对称，并易于和已有的波分复用链路兼容。

发明内容

发明目的：针对现有基于波分复用技术的授时方法中不对称性授时偏差难以抑制消除以及授时链路改造代价较大的问题，提出一种基于单光子检测的光纤高精度授时装置和方法。

技术方案：本发明的基于单光子检测的光纤高精度授时装置包括钟源、中心站、光纤和终端站；钟源产生时钟信号和秒脉冲信号；中心站基于时钟信号和秒脉冲信号产生经编码光脉冲信号，并经由光纤发送至终端站；终端站将经编码光脉冲信号的一部分偏振旋转后经由光纤反射回中心站，并将剩余部分恢复成秒脉冲信号；中心站基于单光子检测捕获偏振旋转后的经编码光脉冲信号，基于经编码光脉冲信号的发送时间和捕获时间之差计算预补偿延迟，并将后续产生的经编码光脉冲信号提前发送，提前量为预补偿延迟值；其中，终端站恢复预补偿的编码光脉冲信号而得到的秒脉冲信号与中心站的秒脉冲信号同步。

进一步地，所述中心站通过以下式子计算预补偿延迟：

ΔT＝T_p+τ_c，