技术领域
[0001] 本发明涉及自由空间光学时钟网络中的光学频率比对，特别是一种自由空间光学时钟网络中多普勒频移抑制系统与方法。
相关背景技术
[0002] 高精度的自由空间光学时钟网络(Free‑Space Optical ClockNetwork,FSOCN)能够促进导航、重力传感和光谱学等领域的应用，这些应用依赖于准确的时间测量和频率比对。然而，自由空间光学中的频率比对，由于大气湍流和平台运动引起的多普勒频移，不可避免地会在比对测试过程中引入非互易相位噪声。这种频移的幅度与运动速度和波长的倒数正相关，例如对于运动速度约为7.9km/s的近地轨道卫星和地面之间的通信波段光钟比对的应用，多普勒频移可超过10GHz。此前已经有报道了采用锁相环的方式对多普勒频移进行主动补偿[Dix‑Matthews B P,Gozzard D R,Karpathakis S F E,et al.Experimental Demonstration of Velocimetry by Actively Stabilized Coherent Optical Transfer[J].Physical Review Applied,2023,19(5):054018.]，这要求掌握平台运动速度的先验信息。虽然基于光梳的测速是可行的，但是他对锁相带宽要求较高，对于快速运动的平台，大额的多普勒频移可能会导致系统的频繁失锁，严重恶化分数频率不稳定度。更重要的是，对于光学频率比对系统而言，由于链路的时延，多普勒频移会导致双向测试的相位不同步，进一步恶化系统的残余相位噪声并降低不稳定度。另一种可行的方式为通过改变光学频率信号的频率来补偿多余的多普勒频移[Chiodo N,Djerroud K,Acef O,et al.Lasers for coherent optical satellite links with large dynamics[J].Appliedoptics,2013,52(30):7342‑7351.]，然而连续大范围窄线宽光源的移频是非常困难的，导致多普勒频移的补偿精度有限。
[0003] 因此，需要探索更加高效、精确的补偿方法，以提高自由空间光学时钟网络的稳定性和精度。
具体实施方式
[0038] 下面结合实施例和附图对本发明作进一步说明，本实施例以本发明的技术方案为前提进行实施，给出了详细的实施方式和和具体的工作流程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。
[0039] 请参阅图1，图1是本发明自由空间光学频率比对中的多普勒频移抑制方法的实施例，包括本地端1、自由空间链路2以及远端3；
[0040] 所述的本地端1由第一激光器101、第一光耦合器102、第一在线式法拉第旋转镜103、第一声光移频器104、第一信号发生器105、第一光学天线106以及延时单元107组成，所述的第一激光器101的输出端与所述的第一光耦合器102的第一输入端相连，所述的第一光耦合器102的第二输入端和输出端分别与所述的延时单元107的输入端以及所述的第一在线式法拉第镜103的输入端相连，所述的第一在线式法拉第镜103的输出端与所述的第一声光移频器104的输入端相连，所述的第一声光移频器104的射频输入端和输出端分别与所述的第一信号发生器105的输出端以及所述的第一光学天线106的输入端相连，所述的第一光学天线106的输出端与所述的自由空间链路2的一端相连；
[0041] 所述的远端3由第二激光器301、第二光耦合器302、第二在线式法拉第旋转镜303、第二声光移频器304、第二信号发生器305、第二光学天线306以及第一光电探测器307组成，所述的第二激光器301的输出端与所述的第二光耦合器302的第一输入端相连，所述的第二光耦合器302的第二输入端和输出端分别与所述的第一光电探测器307的输入端以及所述的第二在线式法拉第镜303的输入端相连，所述的第二在线式法拉第镜303的输出端与所述的第二声光移频器304的输入端相连，所述的第二声光移频器304的射频输入端和输出端分别与所述的第二信号发生器305的输出端以及所述的第二光学天线306的输入端相连，所述的第二光学天线306的输出端与所述的自由空间链路2的另一端相连；
[0042] 所述的延时单元107的一种实施例如图2所示，由第一可调光延迟线107‑1a以及第二光电探测器107‑2组成，所述的第一可调光延迟线107‑1a的输出端与所述的第二光电探测器107‑2的输入端相连；
[0043] 所述的延时单元107的另一种实施例如图3所示，由第二光电探测器107‑2以及第一可调电延迟单元107‑1b组成，所述的第二光电探测器107‑2的输出端与所述的第一可调电延迟单元107‑1b的输入端相连；
[0044] 实施例中，本地端1位于自由空间链路2的一端，远端3位于自由空间链路2的另一端。
[0045] 利用上述实施例进行的针对自由空间光学频率比对的多普勒频移抑制方法，其具体步骤如下：
[0046] 本地端1中第一激光器101所发出的光学频率信号的光场可以表示为：
[0047]
[0048] 其中，v1和 分别表示第一激光器101的初始角频率和相位。其经过第一光耦合器102以及第一在线式法拉第镜103后，一部分光被反射，经过第一光耦合器102后进入延时单元107。另一部分光经过第一声光移频器104以及第一光学天线106后经过自由空间链路2到达远端3。远端3接收到的光学频率信号经过第二光学天线306、第二声光移频器304、第二在线式法拉第镜303以及第二光耦合器302后进入第一光电探测器307。
[0049] 远端3中第二激光器301所发出的光学频率信号的光场可以表示为：
[0050]
[0051] 其中，v2和 分别表示第二激光器301的初始角频率和相位。其经过第二光耦合器302以及第二在线式法拉第镜303后，一部分光被反射，经过第二光耦合器302后进入第一光电探测器307。第一光电探测器307得到的拍频信号可以表示为：
[0052]
[0053] 其中，ω1和ω2分别表示第一声光移频器104以及第二声光移频器304的驱动角频率， 表示自由空间链路2引入的相位噪声。假设远端3以速度V(t)运动。由于多普勒效应，在本地端1引入的多普勒频移可以表示为：
[0054]
[0055] 其中，λ为光学频率信号的波长。当远端3的第二激光器301经过第二光耦合器302、第二在线式法拉第镜303、第二声光移频器304、第二光学天线305后通过自由空间链路2进入本地端1。经过第一光学天线105、第一声光移频器104、第一在线式法拉第镜103以及第一光耦合器102后进入延时单元107，假设第一可调光延迟线107‑1a或第一可调电延迟单元107‑1b不引入额外的延时，在第二光电探测器109‑2中得到的拍频信号可以表示为：
[0056]
[0057] 在比对测试中将E3和E4相加即可消除自由空间链路2引入的相位噪声。但由于远端平台的运动，额外的多普勒频移会恶化系统评估的稳定度。为了推导方便，假设远端3移动的速度V(t)随时间变化满足幅度为V0，周期为T0的正弦变化，其在本地端1引入的多普勒频移可以修改为：
[0058]
[0059] 在光学频率比对测试过程中，由于多普勒频移引入的频率偏差可以表示为：
[0060]
[0061] 其中，τlink为自由空间链路引入的延时，τd为第一可调光延迟线107‑1a或第一可调电延迟单元107‑1b引入的延时。由于频率偏差导致的阿伦偏差可以表示为：
[0062]
[0063] 其中，c为自由空间链路2中的光速。当第一可调光延迟线107‑1a或第一可调电延迟单元107‑1b引入的延时τd与自由空间链路2的延时τlink相等时，由于多普勒频移对系统稳定度的恶化可以被动地消除，从而消除自由空间中多普勒效应的影响。值得注意的是，所提出的延迟补偿方法适用于任何不规则的多普勒频移波动，因为只要保证本地端1和远端3中双向测量的时间对准，就可以有效地消除多普勒频移带来的频率漂移。
