自由空间时间频率同步

发布时间：2017-04-02 12:12

  本文关键词：自由空间时间频率同步，，由笔耕文化传播整理发布。

【摘要】：在当今时间频率体系中,时间频率同步,尤其是自由空间时间频率同步发挥着不可替代的作用。本论文针对卫星导航定位与授时、射电天文学等领域的需求,开展了基于相位补偿的微波和光载射频两种自由空间时间频率同步方法的研究。该研究主要包括以下几个方面:1.基于相位补偿的自由空间微波频率同步。这一工作在距离为108 m的大气中实验演示了L波段频率信号的高稳定度传输。通过探测与补偿传输路径中的相位噪声和一系列频率变换,两条传输链路同时将相位锁定于同一频率参考源的不同频率信号由发射端发出,在接收端分别复现了参考频率,测得两复现的频率信号间的相对稳定度——即采用相位补偿方法的自由空间频率传输稳定度优于3×10-13/s、4×10-17/d。此方案可以将目前各种商用原子钟,如铯束钟、主动型氢原子钟等的频率信号传输至客户端并保持其频率稳定度,在异地原子钟的高精度频率比对、北斗卫星导航系统、射电天文学和海陆空天立体时间频率网络建设中有广阔的应用前景。2.基于相位补偿的星地微波频率同步链路可行性论证。为了预估主动相位补偿的微波频率传输方案在星地链路等远距离传输中的稳定度,将实验设备集成为可搬运系统,并在中国计量院昌平基地进行了从10 m到640 m不同传输距离上的测试。在气流相对平稳的夜间,测量了系统短期传输稳定度,并参照大气湍流标度律构建了传输稳定度与积分时间和传输距离的二元回归模型。回归分析的结果表明,若将这一模型外推到星地链路,传输稳定度有望达到1×10-12/s、6×10-16/d,这一指标较卫星双向时间频率比对法和基于GPS的时间频率传输方法有一到两个数量级的提升。3.基于相位补偿的自由空间光载射频频率同步。本论文提出了1550 nm波段自由空间光载射频的频率同步技术。利用18 mm口径光纤准直器搭建的频率同步系统在70 m室内空气中传输稳定度为2×10-12@1 s、9×10-16@104s,改进的利用300 mm口径反射式望远镜搭建的频率同步系统在30 m室内空气初步测试中传输稳定度下限为10-14@1 s、10-18@104 s。此外,采用温度补偿方法搭建了频率无关的光纤时延的测量与控制系统,与上述频率同步方法结合可以实现多路时标信号和频率信号的同时传输。
【关键词】：自由空间 时间频率同步 稳定度 星地链路 相位补偿
【学位授予单位】：清华大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：O412.1
【目录】：

• 摘要3-4
• Abstract4-9
• 第1章 绪论9-21
• 1.1 时间频率与量子频率标准9-12
• 1.1.1 时钟发展与时间频率体系9-10
• 1.1.2 量子频率标准10-12
• 1.2 时间频率同步的意义与发展现状12-14
• 1.3 自由空间时间频率同步概述14-20
• 1.3.1 罗兰 -C14
• 1.3.2 卫星共视法14-15
• 1.3.3 卫星双向时间频率传递法15-16
• 1.3.4 GPS载波相位法16
• 1.3.5 激光时间比对16-18
• 1.3.6 近年自由空间时间频率同步相关研究18-20
• 1.4 本论文主要内容20-21
• 第2章 自由空间时间频率同步相关理论与技术方法21-34
• 2.1 大气对自由空间链路的影响21-25
• 2.1.1 大气衰减21-22
• 2.1.2 色散与电离层22-23
• 2.1.3 大气湍流23-25
• 2.2 多径效应25-26
• 2.3 萨尼亚克效应26
• 2.4 时间频率稳定度与相位噪声26-31
• 2.4.1 稳定度与准确度26-27
• 2.4.2 频率稳定度的频域表征和时域表征27-31
• 2.4.3 时间频率稳定度测量方法31
• 2.5 锁相环31-32
• 2.6 PID控制32-34
• 第3章 主动相位补偿自由空间微波频率同步系统34-51
• 3.1 引言34
• 3.2 方案设计34-39
• 3.2.1 波段选择34-35
• 3.2.2 天线35-36
• 3.2.3 双工器与多工器36-37
• 3.2.4 频率合成37-38
• 3.2.5 测量系统38-39
• 3.2.6 电磁兼容39
• 3.3 实验原理与实验过程39-43
• 3.4 结果分析43-46
• 3.5 自由空间锁相微波链路在通信中的潜在应用46-49
• 3.6 锁相微波链路在射电天文学中的潜在应用49-51
• 第4章 相位补偿星地频率同步链路可行性论证51-63
• 4.1 引言51
• 4.2 全球卫星导航定位系统51-54
• 4.3 实验系统描述54-58
• 4.4 模型构建与数据分析58-63
• 4.4.1 二元线性回归模型58-61
• 4.4.2 回归模型的外推61-63
• 第5章 自由空间光载射频频率同步与基于光纤的时延测控63-84
• 5.1 引言63
• 5.2 自由空间光通信链路63-65
• 5.3 自由空间光载射频频率同步方案设计65-69
• 5.3.1 工作波长65-66
• 5.3.2 光学元件选型66-68
• 5.3.3 链路损耗68-69
• 5.4 自由空间光载射频频率同步初步实验69-74
• 5.4.1 相位补偿光载射频频率同步原理69-72
• 5.4.2 实验装置与实验过程72-73
• 5.4.3 结果分析73-74
• 5.5 对初步实验的改进74-77
• 5.6 光纤时延的测量和控制77-84
• 5.6.1 温控光纤延迟线相关研究77-79
• 5.6.2 实验原理与实验装置79-81
• 5.6.3 结果分析81-84
• 第6章 总结与展望84-86
• 参考文献86-93
• 致谢93-95
• 个人简历、在学期间发表的学术论文与研究成果95-97

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