自由空间激光时频传输研究进展 
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1 引言
高精度时频传输在守时授时、定位导航、深空探测、甚长基线干涉测量以及基础物理研究领域等有着重要和广泛的应用[1-6],目前,基于光纤的时频传输技术已经发展得非常成熟,相关的技术指标也已经达到了很高的水平,时间传输的稳定度和精度达到了ps甚至是fs量级[7-8],频率传输稳定度的阿伦偏差也达到了10-20@104 s量级[9-10],足以满足现有的高精度冷原子光钟比对的应用需求。然而,对于某些并不方便铺设光纤的场合(如偏远地区、快速机动等应用场合)以及需要更广域范围(如洲际、全球、星际)的时频传输场合,自由空间激光时频传输技术就可以发挥其重要作用。
传统的基于自由空间的时频传输技术有罗兰-C技术、卫星共视法、卫星双向时间频率传递法、全球定位系统(GPS)载波相位法等,这些技术均基于微波的时频传输技术。上述技术中,卫星双向时间频率传递法和GPS载波相位法的频率传输稳定度可以达到天稳10-15量级,时间传递精度可以达到ns量级,然而随着原子频标的快速发展,其传输精度和稳定度满足不了现有高精度冷原子光钟的比对与分发需求,而自由空间激光时频传输的精度和稳定度可以很好地满足如此高精度的应用需求[11]。同时由于光波频率比微波频率高几个量级,光波用于通信时具有更大的带宽,因此得到了各国的广泛研究。
本文首先介绍了国内外在自由空间激光时频传输方面的研究进展,分别从近地空间和星地间两个方面进行介绍,然后分析了几种自由空间激光时频传输技术的优缺点和发展趋势,最后进行了总结。
2 自由空间激光时频传输研究进展
2.1 近地激光时频传输
2009年,德国埃朗根-纽伦堡大学Sprenger等[12]首次对大气湍流对激光传输相位噪声的影响进行了实验测量,如
图 1. 德国自由空间激光时频传输实验装置图[12]
Fig. 1. Experimental setup of free-space laser time and frequency transfer of Germany[12]
2010年法国巴黎天文台的Djerroud等[13]通过研究得出了不同的结论。经过实验研究证实空间激光链路不仅可以用于长距离时频传输,并且可以应用于星地时频传输。他们采用的方案和前者很类似,也是利用AOM和干涉拍频进行光频传递,如
图 2. 法国自由空间激光时频传输实验装置图[13]
Fig. 2. Experimental setup of free-space laser time and frequency transfer of France[13]
随着光频梳在光纤时频传输中的应用发展,2009年,美国汉茨维尔大学的Alatawi等[14]首次展示了基于光频梳的自由空间光载射频传输技术,如
图 3. 美国基于光频梳的自由空间激光时频传输实验装置图[14]
Fig. 3. Experimental setup of optical frequency comb based free-space laser time-frequency transfer of USA[14]
美国国家标准技术研究所(NIST)利用自身在超稳激光器及光频梳技术研究方面的优势,也开展了一系列基于自由空间激光时频传输技术的研究。从2013年到现在,NIST的研究人员逐步从自由空间光钟比对[11]、大气湍流引起的光学相位噪声对传输稳定性的影响[15]、不同湍流强度下的自由空间光钟同步[16]、自由空间运动平台对飞秒量级自由空间光钟同步带来的影响[17]等方面开展了全面深入的研究,下面重点对其进行介绍。
早在2013年,NIST的研究人员采用类似于微波的光学双向时频传输(O-TWTFT)技术进行了自由空间光钟比对实验,获取了很好的性能指标[11]。通过2 km自由空间链路的光钟比对实验得到:在1000 s积分时间下,钟差的稳定度可以达到1×10-18以下,系统偏置小于4×10-19,这表明自由空间激光时频传递完全可以满足现有最高精度光钟的比对需求,其采用的具体方案如
图 4. 基于光学双向时频传输的光钟比对[11]。(a)基于光频梳和LOS技术的自由空间光钟比对实验原理图;(b) LOS基本原理图
Fig. 4. Optical clock comparison based on optical two-direction time-frequency transfer[11]. (a) Schematic of free-space optical clock comparison based on frequency comb and LOS; (b) schematic of LOS
2014年,NIST的研究人员基于O-TWTFT技术,研究了大气湍流带来的相位噪声及其对自由空间激光时频传输性能的影响[15]。其采用基于飞行时间的测量技术,分析飞行时间的相位噪声谱密度,相对于传统基于连续光频的测量技术,该技术具有可以进行长时间连续测量的优势,因此,最终可以获得更低频段的相位噪声谱密度。除了从飞行时间的角度进行分析外,研究人员还从载波包络相位以及到达角起伏的噪声谱密度两方面来互相印证,获得了2 km自由空间传输距离、一定的大气湍流的条件下100 μHz~0.5 Hz范围内的噪声谱密度曲线,经分析,三者的结果是一致的。得出的结论是:噪声谱密度与频率只是一个简单的指数关系,在低频段并没有出现传统基于泰勒“冻湍流”假设理论所预期的滚降特性及不同的频段分区特性;在大气湍流对时频传输稳定性的影响方面,在中等大气湍流强度(湍流结构常数
2016年,NIST的研究人员利用3个光频梳并结合相干光通信及伪码测量时延等技术,又实现了4 km自由空间链路下两个光钟的同步,其原理如
图 5. 基于光频梳的自由空间光钟同步原理图[19]
Fig. 5. Schematic of free-space optical clock synchronization based on optical frequency comb[19]
2019年,NIST的研究人员研究了运动平台对自由空间光钟同步带来的影响,以及如何实现运动平台下光钟的同步[17]。其实验装置和之前的自由空间光钟同步[19]一样,只是对在自由空间激光链路中加入了运动的模拟和实验,如
图 6. 基于光频梳的自由空间光钟同步原理图[17]。(a)角锥位于导轨上;(b)角反射器位于无人机上
Fig. 6. Schematic of free-space optical clock synchronization based on optical frequency comb[17]. (a) Pyramid on rail; (b) retro-reflector on quadcopter
国内在自由空间激光时频传输方面的研究并不多,从文献报道来看,早期清华大学有过初步的研究[20],近几年电子科技大学的侯冬课题组在这一方向取得了一定的研究进展,他们将光纤时频传递中的一些常用技术应用在自由空间时频传输上[21],例如利用电学移相器对大气链路引入的相位噪声进行反馈补偿[22-23],100 m传输距离下获得的1 GHz射频信号频率稳定性的秒稳为2×10-13,千秒稳为2×10-16;另外,他们利用光频梳在大气中的往返和基于光频梳高次谐波的被动补偿技术来进行射频传输[24],传输的信号频率是2 GHz,传输距离为几十米,获得的频率稳定度可以达到秒稳3×10-13,千秒稳为6×10-17,并且展示了在大气传输链路中间任意节点下载射频信号的频率稳定性结果[25],结果表明该技术可以应用于大气链路中任意节点时频信号的分发和下载。中国科学院上海光学精密机械研究所在自由空间相干光通信[26-27]和光纤时频传输方向[28-30]有着多年的研究基础,2019年,蔡海文课题组将光纤时频传输中的基于相位共轭的被动补偿技术应用于自由空间激光时频传输中,获得了较好的性能指标,在室内走廊124 m传输距离下,1 GHz信号的传递稳定性的秒稳为6.8×10-15,千秒稳为3.2×10-17[31]。
当然,除了上述的研究外,也有其他研究机构进行了自由空间激光时频传输技术的研究,
表 1. 各研究单位自由空间激光时频传输性能指标对比
Table 1. Comparison of performance of free-space laser time-frequency transmission obtained by research units
|
从
2.2 星地激光时频传输
到目前为止,进行过星地激光时频传输的研究单位并不多,以下选取几个有代表性的研究计划进行介绍。
2.2.1 LTT计划
LLT(laser time transfer)计划[33-34]是中国的上海天文台组织实施的星地激光时间比对实验,捷克理工大学也参与了其中单光子探测器的设计等相关工作,该计划于2008年在国际上首次实现了导航卫星和地面站之间的高精度激光时频传输实验。其空间载荷设备搭载在我国的第一代北斗导航卫星上,包括中轨卫星(MEO,轨道高度21500 km)和倾斜同步轨道卫星(IGSO,轨道高度36000 km)。其采用卫星激光测距(SLR)技术进行星地时钟比对,原理如
式中:ε为系统误差。
该计划分别在2008年对北斗一号的MEO卫星以及在2010和2011年对IGSO卫星进行了激光时频比对实验,星上是我国自主研制的空间铷原子钟,地面站用的是高稳定度氢钟,几次的实验结果表明,两者的钟差可以达到300 ps,频率稳定度可以达到10-14量级。该实验结果极大地鼓舞了欧洲T2L2和ELT计划的加快实施。后续将研究新的测试方法及更高精度的探测器及计时器,以期在星地时钟比对及性能评估上起到更为重要的作用。
2.2.2 T2L2计划
T2L2(time transfer by laser link)计划是20世纪90年代由法国国家太空研究中心(CNES)和法国蔚蓝海岸天文台(OCA)共同主导的,其目的是实现相隔103 km以上距离的时钟同步,并达到单次测量精度和准确度均小于50 ps的指标[35-36]。和中国的LTT计划一样,T2L2计划采用基于SLR的技术进行时频传输。该系统地面站的配置主要包括待同步的时钟、激光器、望远镜、光学定时器、探测器以及电子学计时器等,其中:激光器采用的是532 nm Nd∶YAG倍频激光器;光学定时器是地面站的一个核心模块,通过控制秒脉冲信号和正弦射频信号的相位关系可以实现精确的时间同步,主要利用的是电光晶体的偏振效应,由于不存在光电转换过程,其精度可以达到10 ps以下;探测器工作在盖革模式,时间走离与探测光子数的系数约为每10年100 ps,由于大气湍流等会引起接收光功率的变化,因此探测器工作时需要保证光功率的恒定或者对光功率进行测量,从而对时间走离带来的误差进行补偿修正。空间载荷配置包括时钟、角反射器阵列、探测器以及电子学计时器,其中探测器工作在多光子探测模式。时钟比对的原理和地面、空间载荷的配置如
图 8. T2L2的时钟比对原理及地面站和空间载荷配置[35]。(a) T2L2的星地时钟比对原理图;(b)地面站的配置;(c)空间载荷配置
Fig. 8. Schematic of clock comparison of T2L2 and configuration of ground station and space payload[35]. (a) Schematic of satellite-ground time clock comparison of T2L2; (b) configuration of ground station; (c) configuration of space payload
首先在俄罗斯的和平号空间站搭载空间载荷进行实验[37],后来将空间载荷搭载在2008年发射的Jason2海洋地形卫星上,轨道高度为1336 km,轨道倾角约为66°,单次通过一个站点的最大时间约为1000 s。经过一系列的测试及校准工作后,相继进行了T2L2与GPS共视法[38]以及非共视法[39]的时频传输对比实验。T2L2和共视法的对比实验主要是在欧洲的3个地面站之间进行比较,T2L2和GPS共视法各自独立校准,最终的实验结果表明,两者的一致性非常好,达到亚ns量级,两者之间的时间差值不超过240 ps,差值的均方根抖动小于500 ps,而且抖动主要来源于GPS共视法。T2L2和非共视法的对比实验在4个地面站进行,包括欧洲的两个地面站和中国的两个地面站(上海和长春),4个站之间的距离已经超过5000 km,最终的实验结果表明,两者的差值小于1 ns,两者的联合不确定度在1 ns量级,这和预期基本上是一致的。这说明T2L2技术是可以应用于未来的大洲内和洲际间的时频传递的,还可以应用于北斗或者伽利略导航系统,或者可以应用于欧洲的空间冷原子钟系统里面。
2.2.3 ELT计划
ELT(European laser timing)计划是由捷克的布拉格大学和德国慕尼黑工业大学联合提出的,是T2L2计划的后续计划,该计划可基于SLR技术实现更高精度的星地时间同步。空间载荷计划搭载在国际空间站(ISS,轨道高度为400 km)上,主要是用于进行ISS上的空间冷原子钟(ACES)和地面站时钟的比对及同步验证,期望同步的精度达到几个ps,准确度达到50 ps量级[40-42]。ELT和T2L2有两个不同点:1) ELT的空间载荷上含有内部时延校正模块,可严格区分发射和接收时延,并可进行永久的内部时延校正,从而保证长期的高精度同步;2) 空间站载荷中的探测器的工作模式不同,T2L2采用的是多光子探测模式,而ELT采用的是单光子探测模式。单光子探测模式的好处就是不需要对探测器进行复杂的时延校正(大气湍流等造成入射到探测器上的能量不同,会有非线性效应,需要通过测量功率进行校正),并简化了结构设计,带来的不利影响是信噪比会略有下降。然而,目前地面测距站进行了一些初步的测试,测试数据表明时间传递的秒稳可以达到几个ps,天稳可以达到7 ps,这是很好的结果。由于ACES和地面站还可以用传统的微波链路进行时频传输,因此,ELT还可以和微波链路进行比对,目前ACES还没有发射,因此还需要进一步的实验验证。
3 自由空间激光时频传输的发展趋势
从近些年的研究进展来看,自由空间激光时频传输主要有以下几个发展趋势:
1) 在性能指标上,自由空间激光时频传输朝着更高传递精度的方向发展。为了满足更高精度光钟的分发比对要求,采用光学频率梳进行传递,相对于传统的基于脉冲幅度调制的技术具有更高的传递精度;另外,相对于连续光频传递来说,可以同时实现频率传递和时间传递,但是目前基于光频梳的空间时频传输技术只是在较短传输距离、较慢相对运动的情况下实现的,针对更长传输距离及更快相对运动的情况带来的双向链路互易性、大的多普勒频移、大气链路色散等问题,研究人员还需要进行更深入的研究和实际的工程验证,如果能在技术上解决这些问题,未来基于光频梳的空间时频传输技术有望用于星地或者星间的时频传递。
2) 自由空间激光时频传输技术与现有的自由空间相干激光通信技术相融合,向时频传输、通信及测距一体化的方向发展。由于双向时频传输比对及光钟同步等需要进行双向通信,而更高精度的时频传输需要将时间的粗测和精测相结合,星地及星间时频传输需要对卫星进行精密定轨等,因此,未来需将这些技术相结合,以实现对现有的时频比对性能指标的超越。
3) 从点对点的传输向网络化时频传输方向发展。单一的点对点的时频传输应用已经无法满足越来越多的应用需求,比如分布式雷达,未来的星间组网需实现精密定位以及其他需要多点时频信号同步的场合等。时频组网相对于点对点传输具有更强的抗损毁及更高的可靠性等优势,因此必然会成为未来的发展趋势。
4 结论
自由空间激光时频传输技术相对于光纤时频传输技术来说,具有灵活、便于实现更广域时频分发比对等优势,相对于基于微波的自由空间时频传输来说,具有更高的传输精度,因此得到了越来越广泛的研究。光学频率梳由于具有可以同时传输光频和射频的灵活性,具有很高的传输稳定度,因此,在时频传输中应用越来越广泛。另外,很多应用以及星间时钟比对、星地授时等需要进行数据通信,因此,研究时频传输及通信一体化是一个重要的发展趋势。总之,自由空间激光时频传输以其高精度、高稳定度的优势必定会在未来的时频传输领域得到越来越重要的应用。
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