[發明專利]基于單光子超弱信號時間維度關聯的時頻同步系統及方法

有效

• 申請號: 202210352392.2
• 申請日: 2022-04-04
• 公開（公告）號: CN114785412B
• 公開（公告）日: 2022-11-18
• 發明（設計）人: 金賢敏;楊真;王莉;嚴增泉;胡琤球
• 申請（專利權）人: 上海交通大學
• 主分類號: H04B10/11
• 分類號: H04B10/11;H04B10/61;H04J3/06
• 代理公司: 上海交達專利事務所 31201
• 代理人: 王毓理;王錫麟

1.一種基于單光子超弱信號時間維度關聯的時頻傳輸系統，其特征在于，包括：分別設置于通信雙方的兩對發射模塊和接收模塊，其中：發射模塊用于發射時間信號和頻率信號，位于空海自由空間鏈路另一側的接收模塊將以本地時間為基準探測到的時頻信號進行同步校準，再解調出所編碼的時間信息，并計算其與以本地時鐘為基準所記錄的信號到達時間的差值，以實現絕對時間校準。

2.根據權利要求1所述的基于單光子超弱信號時間維度關聯的時頻傳輸系統，其特征是，所述的發射模塊，包括：時鐘基準單元、編碼單元、歸零開關鍵控(RZ-OOK)調制單元和激光發射單元，其中：時鐘基準單元根據本地時鐘基準生產標準的時間頻率信息，經信息編碼單元編碼后將時間信息嵌入頻率信息中生成一串二進制比特序列，RZ-OOK調制單元將比特序列調制成電脈沖信號輸出至激光發射單元。

3.根據權利要求2所述的基于單光子超弱信號時間維度關聯的時頻傳輸系統，其特征是，所述的激光發射單元包括：激光器和擴束裝置，其中：激光器根據RZ-OOK調制單元的電脈沖信號輸出相應的激光脈沖至擴束裝置進行擴束處理再發送至接收端，得到廣域覆蓋的效果，使得接收端更容易探測到信號。

4.根據權利要求1所述的基于單光子超弱信號時間維度關聯的時頻傳輸系統，其特征是，所述的接收模塊，包括：單光子探測單元、時間數字轉換設備(TDC)以及微處理單元，其中：單光子探測單元探測經空海自由空間鏈路衰減到單光子級的信號，時間數字轉換設備以本地時鐘為基準記錄信號到達時間和單光子響應時間并將所記錄的數據發送至微處理單元，微處理單元對數據進行頻率校準和時間信息解調，最終實現收發雙方的時頻信息同步；

所述的微處理單元包括：頻率信息校準子單元和時間信息解調子單元，其中：頻率信息校準子單元進行頻率的線性漂移校準和頻率的高階漂移校準步驟，時間信息解調子單元通過重構單周期脈沖波形并重構得到比特序列，從而獲取所編碼的時間信息。

5.根據權利要求4所述的基于單光子超弱信號時間維度關聯的時頻傳輸系統，其特征是，所述的單光子探測單元包括：收束裝置和單光子探測器，其中：收束裝置對采集到的信號進行匯聚處理，使得更多的信號被單光子探測器接收，提高系統的耦合效率；單光子探測器響應單光子事件產生電脈沖信號進而傳送至時間數字轉換設備記錄下信號到達時間。

6.根據權利要求4所述的基于單光子超弱信號時間維度關聯的時頻傳輸系統，其特征是，所述的頻率的線性漂移校準是指：將以接收端本地時鐘為基準所記錄的t_total秒獲得的數據劃分為每秒若干份的時間槽，提取每個時間槽內的所有光子到達時間數據并對一個脈沖周期T內的數據取余運算可獲得每個時間槽的符合波形，尋找符合計數峰所對應的時間并將其按時間順序排列在一起，獲得一串首尾相接的時間鏈，對時間鏈進行快速傅里葉變換(FFT)可獲取頻率線性漂移值，即第一個非零FFT峰對應的數值為k，則雙方時鐘在t_total秒內的總線性漂移為k×T ns；將線性漂移值均分至每個脈沖周期對所測得的光子到達時間數據t進行修正為t’：其中為發射端時鐘基準下t時間到達光子所對應的脈沖位置，從而實現粗同步。

7.根據權利要求4所述的基于單光子超弱信號時間維度關聯的時頻傳輸系統，其特征是，所述的頻率的高階漂移校準是指：將原始的以接收端本地時鐘為基準探測的時長為t_total秒的數據均勻等分為若干份時間塊，提取單個時間塊內的所有光子到達時間數據t并與相應時間塊的經線性頻率漂移校準后的光子到達時間t’作差，獲得單個時間塊數據的延時波形，延時峰所對應的延時時間Δt即為單個時間塊的高階頻率漂移值，將所獲得的線性頻率漂移值和高階漂移校準值作用于光子到達時間t，使其修正為與發射端同步的光子到達時間t”:其中是考慮高階漂移后、t時間到達光子所對應的發射端發射的真實脈沖位置，此時收發雙方時鐘已實現完全同步，接收端頻率信息校準完成。