一种基于主动相位噪声补偿的星地光频比对系统及方法与流程

本发明涉及一种基于主动相位噪声补偿的星地光频比对系统及方法，属于光钟时间频率领域。

背景技术：

1、近年来光钟稳定度和不确定度有了大幅提升，频率稳定度和不确定度均已达到了e-18量级，而且锶原子光钟已经在空间站实现了搭载。传统的星地时频同步链路通常是微波时频同步链路和基于激光脉冲的时间传递链路。前者频频传递精度10-15-10-16/天量级。后者时间传递精度较高，但是无法实现光学频率传递和比对。因此亟需研究基于光钟的星地频率比对方法和技术。

技术实现思路

1、本发明的技术解决问题是：克服现有技术的不足，提供了一种基于主动相位噪声补偿的星地光频比对系统，利用光学频率梳，将窄线宽激光器间接锁定在光钟上，通过主动相位噪声补偿技术在星上复现一个与地面频率稳定度和准确度相当的光学频率信号，通过比对星上复现的光频和星上窄线宽激光器输出的光频来实现光钟的比对。该方法能够实现相对静止的卫星和地面系统之间的光钟比对，能够为全球光钟比对提供技术支撑。

2、本发明的技术解决方案是：

3、第一方面，

4、本发明提出一种基于主动相位噪声补偿的星地光频比对系统，包括：卫星激光器与光钟锁定系统、星上收发系统、频率比对测量系统、主动相位噪声补偿系统以及地面激光器与光钟锁定系统；

5、卫星激光器与光钟锁定系统用于将第二窄线宽激光器锁定到第二光钟上，将第二窄线宽激光器输出信号发送给频率比对测量系统；

6、地面激光器与光钟锁定系统用于将第一窄线宽激光器锁定到第一光钟上，将第一窄线宽激光器输出信号发送给主动相位噪声补偿系统，主动相位噪声补偿系统在地面将激光信号放大并发送给星上收发系统，星上收发系统将一部分激光信号返回地面给主动相位噪声补偿系统，用于激光传输路径相位噪声补偿，另一部分激光信号送入频率比对测量系统，在频率比对测量系统中与第二窄线宽激光器输出信号进行比对，获得频率差，从而实现星地的光频比对。

7、进一步的，所述地面激光器与光钟锁定系统包括第一光钟、第一光梳锁定单元、第一光学频率梳、第一窄线宽激光锁定单元和第一窄线宽激光器；

8、将第一光学频率梳信号与第一光钟信号接入第一光梳锁定单元，通过第一光梳锁定单元内部的锁相环路，调整第一光学频率梳，使第一光学频率梳的载波包络相移fceo和重复频率frep锁定到第一光钟上；

9、将第一光学频率梳信号与第一窄线宽激光器信号接入第一窄线宽激光锁定单元，通过第一窄线宽激光锁定单元内部的锁相环路，调整第一窄线宽激光器，使第一窄线宽激光器锁定到第一光学频率梳上。

10、进一步的，所述星上激光器与光钟锁定系统包括第二光钟、第二光梳锁定单元、第二光学频率梳、第二窄线宽激光锁定单元和第二窄线宽激光器；

11、将第二光学频率梳信号与第二光钟信号接入第二光梳锁定单元，通过第二光梳锁定单元内部的锁相环路，调整第二光学频率梳，使第二光学频率梳的载波包络相移fceo和重复频率frep锁定到第二光钟上；

12、将第二光学频率梳信号与第二窄线宽激光器信号接入第二窄线宽激光锁定单元，通过第二窄线宽激光锁定单元内部的锁相环路，调整第二窄线宽激光器，使第二窄线宽激光器锁定到第二光学频率梳上。

13、进一步的，所述光钟为基于单离子囚禁和冷却的离子光钟或基于中性原子光晶格囚禁的光晶格原子钟；

14、所述基于单离子囚禁和冷却的离子光钟包括：汞离子光钟、铝离子光钟、镱离子光钟、钙离子光钟、锶离子光钟和铟离子光钟；

15、所述基于中性原子光晶格囚禁的光晶格原子钟：锶原子光钟、镱原子光钟、镁原子光钟和汞原子光钟。

16、进一步的，所述主动相位噪声补偿系统，包括伺服控制器、混频器、第一频率综合单元、压控振荡器、第一低通滤波器、第一光电探测器、第一双向光放大器、第一声光调制器、第一分束器、第二分束器、第一自适应光学收发终端、第一环形器；

17、第一窄线宽激光器输出信号经第一分束器分束后发给第一环形器，第一环形器输出信号经第一声光调制器移频，再经过第一双向光放大器放大后经由第一自适应光学收发终端发向卫星；

18、接收到星上返回的激光信号后，先通过第一自适应光学收发终端补偿波前畸变和光束漂移；

19、第一自适应光学收发终端输出的信号接入第一双向光放大器，第一双向光放大器输出信号接入第一声光调制器移频，第一声光调制器将输出的信号经第一环形器后与来自第一分束器的光信号进入第二分束器，第二分束器输出信号进入第一光电探测器；

20、第一光电探测器输出信号接入第一低通滤波器，滤波后的信号与第一频率综合单元输出的信号接入混频器，混频器输出信号接入伺服控制器，伺服控制器输出信号接入压控振荡器，压控振荡器输出信号接入第一声光调制器；调整伺服控制器的环路滤波参数，待环路稳定后，实现了链路相位噪声的补偿，在星上复现了与地面光频信号频率稳定度和准确度相当的信号。

21、进一步的，所述星上收发系统，包括第二自适应光学收发终端、第二双向光放大器、第二声光调制器、第二频率综合单元、第二环形器、第三分束器；

22、星上收发系统接收到地面发送的信号后，先进入第二自适应光学终端，补偿波前畸变和光束漂移；

23、补偿后的信号经第二双向光放大器放大后进入第二声光调制器，使用第二频率综合单元产生的信号送入第二声光调制器，移频后，进入第二环形器；

24、进入第二环形器的信号通过第三分束器分成两束光，其中一路光信号进入第二环形器，再经第二声光调制器移频后经第二双向光放大器和第二自适应光学收发终端后发向地面；另一路光信号进入频率比对测量系统。

25、进一步的，第二自适应光学收发终端包含四象限光电探测器、快反镜，通过四象限光电探测器输出信号的相差来快速调整快反镜的角度，从而实现光束对准。

26、进一步的，在卫星上，使用频率比对测量系统测量出地面发送的激光信号和星上第二窄线宽激光器输出信号的频率差δf，此频率差减去两次移频的频率即为星地窄线宽激光器的频率差，并利用下行链路将结果传送至地面；如果星地有较小的相对运动，则减去相对运动引起的频差δfv后才是星地窄线宽激光器的频率差。

27、进一步的，所述频率比对测量系统，包括第二光电探测器、第二低通滤波器、计数器、第四分束器，实现高精度频率的测量，计数器的参考频率由第二频率综合单元提供；

28、比对测量过程为：

29、1)将第二窄线宽激光器与来自地面系统经第三分束器分光后的激光信号接入频率比对测量系统中的第四分束器；

30、2)第四分束器输出信号接入第二光电探测器，第二光电探测器输出信号接入第二低通滤波器，低通滤波后的信号接入计数器，得到频差δf；

31、3)计算相对运动引起的频差δfv，再减去第一声光调制器频率f1和第二声光调制器频率f2，则δf-f1-f2-δfv即为星地窄线宽激光器的频率差。

32、第二方面，

33、本发明还提出一种基于主动相位噪声补偿的星地光频比对方法，包括如下步骤：

34、步骤1、将地面系统中的第一光学频率梳锁定到第一光钟上：将第一光学频率梳信号与第一光钟信号接入第一光梳锁定单元，通过第一光梳锁定单元内部的锁相环路，调整第一光学频率梳，使第一光学频率梳的载波包络相移fceo和重复频率frep锁定到第一光钟上；

35、步骤2、将地面系统中的第一窄线宽激光器锁定到第一光学频率梳上：将第一光学频率梳信号与第一窄线宽激光器信号接入第一窄线宽激光锁定单元，通过第一窄线宽激光锁定单元内部的锁相环路，调整第一窄线宽激光器，使第一窄线宽激光器锁定到第一光学频率梳上；

36、步骤3、将星上系统中的第二光学频率梳锁定到第二光钟上：将第二光学频率梳信号与第二光钟信号接入第二光梳锁定单元，通过第二光梳锁定单元内部的锁相环路，调整第二光学频率梳，使第二光学频率梳的载波包络相移fceo和重复频率frep锁定到第二光钟上；

37、步骤4、将星上系统中的第二窄线宽激光器锁定到第二光学频率梳上：将第二光学频率梳信号与第二窄线宽激光器信号接入第二窄线宽激光锁定单元，通过第二窄线宽激光锁定单元内部的锁相环路，调整第二窄线宽激光器，使第二窄线宽激光器锁定到第二光学频率梳上；

38、步骤5、第一窄线宽激光器输出信号经由第一分束器、第一环形器后进入第一声光调制器，压控振荡器输出信号接入第一声光调制器，第一声光调制器输出信号经过第一双向光放大器放大后送到第一自适应光学收发终端，第一自适应光学收发终端将地面移频后的第一窄线宽激光器信号发向星上收发系统；

39、步骤6、使用星上收发系统对接收到的光信号进行移频、放大，并将大部分信号发向地面系统，具体步骤如下：

40、1)星上收发系统接收到地面发送的信号后，先进入收发系统中的第二自适应光学终端，补偿由于大气湍流等原因造成的波前畸变和光束漂移；

41、2)补偿后的信号先进入第二双向光放大器放大，放大后的信号送到第二声光调制器，第二频率综合单元将频率为f2的移频信号输入第二声光调制器，第二声光移频器将输入的光信号移频f2后，进入第二环形器；

42、3)进入第二环形器的信号通过第三分束器分成两路光，其中一路光信号进入第二环形器，再经第二声光调制器、第二双向光放大器、第二自适应光学收发终端后发向地面；另一路光信号进入频率比对测量系统；

43、步骤7、地面系统进行主动相位噪声补偿，补偿星地往返光链路引入的相位噪声，具体步骤如下：

44、1)地面系统接收到星上返回的激光信号后，先通过第一自适应光学收发终端补偿由于大气湍流等原因造成的波前畸变和光束漂移；

45、2)第一自适应光学收发终端输出的信号接入第一声光调制器aom1移频f1，第一声光调制器将输出的信号经第一环形器后与来自第一分束器的光信号进入第二分束器，第二分束器输出信号进入第一光电探测器；

46、3)第一光电探测器输出信号接入第一低通滤波器，滤波后的信号与第一频率综合单元输出的频率为2(f1+f2)信号接入混频器混频，混频后的信号接入伺服控制器；

47、4)将伺服控制器输出信号接入压控振荡器，压控振荡器接入第一声光调制器aom1；

48、5)调整伺服控制器的环路滤波器参数，待环路稳定后，实现了链路相位噪声的补偿，在星上复现了与地面光频信号频率稳定度和准确度相当的信号。

49、步骤8、频率比对测量系统进行星地频率测量和比对，具体步骤为：

50、1)将第二窄线宽激光器与来自地面系统经第三分束器分光后的激光信号接入频率比对测量系统中的第四分束器；

51、2)第四分束器输出信号接入光电探测器，光电探测器输出信号接入低通滤波器，低通滤波后的信号接入计数器，得到频差δf；

52、3)计算相对运动引起的频差δfv，再减去第一声光调制器频率f1和第二声光调制器频率f2，则δf-f1-f2-δfv即为星地窄线宽激光器的频率差。

53、本发明与现有技术相比的有益效果是：

54、(1)本发明提供了一种基于主动相位噪声补偿的星地光学频率比对方法，该方法将地面超稳激光信号复现至卫星上，为地面光频信号与卫星光频信号的比对提供了支撑。

55、(2)本发明方法利用光梳实现了光钟信号与窄线宽激光信号的锁定，使窄线宽激光器输出信号具有光钟信号的频率稳定度和准确度，通过窄线宽激光器频率比对来实现光钟频率比对。