[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

一種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，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。本發明采用光子幅度和時間維的信息作為時頻傳輸的載體，利用接收到的單光子超弱信號時間維度的特征進行信息解碼從而實現時頻同步，具有可對抗超大信道損耗以及負信噪比環境的特性，且具備抗信號丟失的能力，能夠有效實現空海跨域的大深度、高精度時頻傳輸。

技術領域

本發明涉及的是一種光通信領域的技術，具體是一種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。

背景技術

現有天空平臺與大深度水下平臺的時頻信息傳輸普遍采用海面第三方平臺作為中轉，但這種方式系統結構較為復雜且同步精度低下。光因其具備同時能夠穿透自由空間、大氣與水體的特性以及極高的載波頻率，能夠應用于空海時頻信號的跨域高精度傳輸。然而，現有的基于光作為載波的時頻傳輸技術僅能克服較低的信道損耗，無法滿足大深度水下平臺的跨域高精度導航及定位需求。因此，亟需研究可承受超大損耗的適用于空海跨域、水下大深度穿透的時頻同步技術。

發明內容

本發明針對現有單光子通信技術無法適用大損耗環境下信號大量丟失問題，無法實現空海跨域的時頻同步的問題，提出一種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，采用光子幅度和時間維的信息作為時頻傳輸的載體，利用接收到的單光子超弱信號時間維度的特征進行信息解碼從而實現時頻同步，具有可對抗超大信道損耗以及負信噪比環境的特性，且具備抗信號丟失的能力，能夠有效實現空海跨域的大深度、高精度時頻傳輸。

本發明是通過以下技術方案實現的：

本發明涉及一種基于單光子超弱信號時間維度關聯的時頻同步系統，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。

所述的空海自由空間鏈路，即空氣-海水跨介質鏈路，無第三方中轉裝置，存在大損耗，信道環境具有突變性，對光路具折射反射等有復雜的相互作用。

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。

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。

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。

本發明涉及一種基于上述系統的時頻同步方法，包括以下步驟：