依据光纤折射率温变效应,得出了单向链路和往返双纤链路中单波长信号时延波动与双波长信号时延差波动的比值相等的理论模型,进而提出了与现有光纤通信网络兼容的双纤单向传输授时方法,仿真研究了双波长信号时延差波动和比值随波长和温度的变化规律。搭建了75 km双纤单向链路的延时测量平台,对比值相等模型进行了实验研究。实验结果表明:传输50 km后在终端站得到的比值为-266.9,时间信号经75 km双纤往返传输回本地站后得到的比值为-256.4,推算得出单向传输时延波动的理论与实际值相差520 ps。仿真和实验结果验证了基于双纤单向传输的授时方法的可行性。

在逆向调制无线光通信系统中，大气湍流对系统的影响大于传统的无线光通信系统。本文研究了一种基于逆向端调制器分集的逆向调制无线光通信系统，以减小大气湍流对系统的影响。利用相位屏法，建立了弱湍流下的激光大气的传输模型，对比分析了逆向调制无线光通信系统逆向端逆向调制器分集和不分集分别所受到的大气湍流的影响。结果显示在相同情况下，逆向调制无线光通信系统在逆向端对逆向调制器进行分集能抑制大气湍流对系统的影响，使整个系统的闪烁指数下降。

针对光载无线通信(ROF)链路大量程、高精度时延测量需求,提出了基于时、频、信共传模式下的ROF链路时延测量方案。将秒脉冲信号进行副载波调制,使ROF信号和时延测量信号同波长传输,解决了秒脉冲测量信号对于ROF信号的干扰问题,同时实现了ROF传输和高精度时延测量功能。搭建了实验测量系统,验证了ROF系统和时延测量系统的兼容共生特性,测量了温度剧烈变化下的25 km光纤链路绝对时延及其时延变化。实验结果表明该方法在保证ROF链路信号传输质量的情况下能够实现高精度、大量程的链路时延测量。

针对光纤链路大量程、高精度时延的测量要求,提出了秒脉冲信号与频率信号同波长共传方案。该方案将秒脉冲计数法粗测与频率信号比相法细测的结果拼接组合,以实现对光纤链路真时延的高精度测量。搭建了实验测量系统,验证了粗、细测量结果的一致性,测量了剧烈温变条件下25 km光纤链路的绝对时延及其时延变化。实验结果表明,该方法能够将脉冲计数法的大量程优势和相位测量法高分辨率优势有效融合。

研究了基于光纤环形网的多点高精度时频传递的方法,提出了终端站对钟差自感知的方案,将对钟差的感知测量以及补偿转移到终端站执行,实现网络中各个终端站与中心站的时频同步。搭建了长度为100 km的光纤环形网多点时频传递系统,实验研究了链路中色散带来的不对称性偏差的校消方法,验证了链路温度变化下的多点时频传递性能,测量的时频传递同步误差的峰峰值低于400 ps,均方根误差小于60 ps,表明终端站可以在光纤环形网的任意位置灵活接入。

基于多相位屏原理并利用功率谱反演法,建立了光强闪烁对脉冲到达时刻抖动的影响模型,仿真研究了不同接收孔径和不同传输距离条件下脉冲到达时刻抖动的变化规律。仿真结果表明:在孔径接收条件下,脉冲到达时刻抖动呈正偏态分布;采用大孔径接收天线可有效抑制脉冲到达时刻的抖动;与近地端相比,传输距离的变化对远地端脉冲到达时刻抖动的影响较小。搭建了大气湍流引起的脉冲到达时刻抖动的实验平台,采集了经过湍流信道传播的秒脉冲波形,利用门限检测法确定了脉冲到达时刻。实验结果表明,脉冲到达时刻抖动分布与理论分析结果相符。

针对双波长空间激光授时系统受大气折射率分布的影响而产生授时偏差的问题,利用实测气象数据建立了大气折射率分布对授时偏差的影响模型。以该模型为基础分别仿真研究了在地面终端捕获模式和星上终端捕获模式下双向链路不对称时延差和收发终端位置偏差随不同地区、不同月份和不同天顶角的变化规律。结果表明:大气压强越低,大气温度越高,不对称时延差和收发终端位置偏差越小;星上终端捕获模式下的授时偏差达到百皮秒量级;地面终端捕获模式下的授时偏差达到纳秒量级,通过进一步双向精密对准可将其减少到十皮秒量级。在卫星过顶时间内,不对称时延差和收发终端位置偏差随天顶角的变化而变化,并且存在地面终端地理位置的差异,需实时校正并消除不对称时延差和收发终端位置偏差。

在高精度光纤频标传递过程中,需要对光纤链路引入的相位波动进行测量和补偿,其中引入的频率串扰是影响频标传递性能因素之一。为评估频率串扰对光纤频标传递性能影响,建立了频率串扰对频率传递稳定度的影响模型。在光纤链路温度变化条件下,通过仿真分析和实验研究了频率串扰与稳定度损失之间的关系。结果表明,频标的稳定度损失与串扰因子和频率有关。串扰因子越大,信号的阿伦方差曲线整体上移幅度越大,且串扰因子和稳定度损失峰值近似呈线性关系;频标频率变化时,频标传递的长期稳定度并非只受由温度缓慢变化引起的时延缓慢漂移的影响,也与频率点和时延波动量有关。频率升高时,频率稳定度损失的峰值点向短稳移动。

为了进一步提高光电振荡器的实用性, 提出了一种基于耦合型电增益环腔的小型化光电振荡器。利用电功分器和放大器构成电增益环腔, 其梳状滤波效应可以有效对光电振荡器进行模式选择, 结合直接调制半导体激光器, 单模光纤和光电检测器, 有效实现了小型化光电振荡器。理论上分析了电增益环腔的基本原理, 并且通过仿真进行了验证。实验中获得了中心频率为12.624 GHz的微波信号, 其相位噪声为-102 dBc/Hz@10 kHz。该方案在结构简单的条件下可以得到质量较高的射频信号, 可以作为光电振荡器实用化的一种解决方法。