空间时频传递中的线性光学采样技术研究

发布时间：2020-11-02 21:26

　　 科技的进步总伴随着测量精度的提高,时间作为一个古老的物理量,它的精度随着人类文明的发展而得到不断的提升,目前在实验室中光钟的稳定度已经达到10-19量级。高精度的时钟在如基础物理、精密测量、定位导航、深空探测、高速通信等领域扮演着重要角色,为了将超高精度的时钟应用在这些领域,对于时间(频率)信号传递的研究就十分重要。这其中,通过自由空间链路进行时间频率传递的方案由于具备传输距离远,覆盖范围广,方便组网的特点,一直都是国内外研究的重点方向。基于微波技术的空间时频传递发展最早,也最为成熟,它的日稳定度可达10-15量级,随后发展的基于脉冲激光的时频传递技术在精度和稳定度上有了进一步的提升,但仍然无法满足目前超高精度时钟的传递需求。随着飞秒光学频率梳技术的发展,一种基于双光梳干涉的线性光学采样技术开始被应用到空间时频传递实验中,并在测试结果中达到10-19量级的传递稳定度,展示出极大的潜力。在本论文中,针对远距离高精度空间时频传递的应用背景,对线性光学采样技术进行了研究,将相关研究成果应用在实际的空间时频传递实验中,取得了良好的实验结果。本论文的主要内容包括以下4部分:首先,针对线性光学采样对输出信号高信噪比的需求,设计了一款高性能平衡探测器。通过对平衡探测器的结构构型进行分析,并对其输出噪声进行理论仿真,最终实现一款带宽大于100MHz,等效噪声功率密度为4.88pW/(?),共模抑制比52dB的高性能平衡探测器,其综合性能相比于商用平衡探测器有较大幅度的提升。其次是对线性光学采样数据采集与处理系统的研究,为了满足日后远距离时间同步实验中对实时性的需求,设计了一套数据采集与处理系统,用于探测器信号的采集量化以及基于线性光学采样算法的实时处理。两个模拟输入通道支持的最高采样率为400MSps,所达到的最高有效位数分别为11.06与11.30,符合我们的设计需求。我们还基于线性光学采样的原理,在可编程逻辑器件中实现了对探测器数据的实时处理。在本论文中展示了实时处理研究中最为关键的实时寻峰以及实时斜率计算的逻辑设计,对一帧数据的处理时间约为34.5us,相比于离线处理方式大幅缩短了计算时间,且实时处理结果与离线处理结果基本一致,相对误差在3%以内。接着,搭建了一套完整的线性光学采样测试系统,对影响线性光学采样性能的几个重要参数进行了研究,包括接收信号光功率、本振光功率、色散展宽、光梳重复频率差、采集卡分辨率、探测器增益。通过参数优化最终实现了系统的高精度高灵敏度,其最低灵敏度为3.03nW,最优时间测量精度达到2.06fs。通过研究这些参数对线性光学采样的精度和灵敏度的影响,为以后远距离空间时频传递实验的性能优化提供充分的依据。最后,基于我们实现的平衡探测器搭建了两套线性光学采样系统,并分别使用两套自制的数据采集与处理系统,完成了 16km往返大气链路下的空间时频传递实验,实现了 3.39×10-18@1640秒的传递稳定度以及1.96fs@10秒的时间稳定度。本论文的主要创新之处在于:1.针对线性光学采样的需求,设计了一款同时实现高增益(160kV/W)、高带宽(大于100MHz)、低噪声(4.88pW/█)的高性能平衡探测器,其综合性能优于目前现有商业平衡探测器。2.设计并实现了实时的线性光学采样数据采集与处理系统。系统模拟输入的最高有效位数为11.3,所支持的最高采样率为400MSps。对实时化的线性光学采样数据处理进行了研究,单帧数据的处理时间为34.5us,与离线处理结果的相对误差小于3%。3.搭建了一套完整的线性光学采样原型系统,系统分析并实验研究了各项关键参数对系统性能的影响,通过参数优化最终实现了高精度高灵敏度,其最低灵敏度为3.03nW,最优时间测量精度达到2.06fs,为未来空间时频传递实验打下了坚实的技术基础。4.在探测器、数据采集与处理系统以及线性光学采样性能研究的基础上,完成了 16km往返大气链路下的双光梳对打空间时频传递实验,时间偏差最小值为1.96fs,传递的稳定度经过1640s的积分时间后为3.39×10-18。
【学位单位】：中国科学技术大学
【学位级别】：博士
【学位年份】：2020
【中图分类】：TN929.1
【部分图文】：

?第１章绪论???波动。对频率而言，频率准确度表征着频率源输出信号的实际频率与标称频率的??符合程度，频率稳定度则指输出信号在采样时间内的频率偏差相对平均频率偏差??的波动。准确度与稳定度的关系可以用图１．１中的打靶来形容，情况ａ中打靶点??均集中在靶心，既准确又稳定，下方频率－时间的曲线可以与之相类比，时间信息??均匀的分布在指定的频率周围，情况ｂ中打靶点散布在靶心及四周，准确但不稳??定，情况ｃ中打靶点集中在靶子的一侧，不准确但稳定，情况ｄ中则既不准确又??不稳定。??Ｖ?“?Ｖ?＾?＾?Ｖ?“?Ｖ?ｈ??％?一＾ｖ〇?ｖ〇??ｖ〇??＊?Ｖ?Ｙ?一一＾???？??—？???？??？??Ｔｉｍｅ?Ｔｉｍｅ?Ｔｉｍｅ?Ｔｉｍｅ??ａ）?ｂ）?ｃ）?ｄ）??图１．１准确度与稳定度之间的联系［４２］??对于频率稳定度的分析可以从频域与时域两个方面进行，在频域中一般采用??功率谱密度描述，这里以输出正弦信号的频率源为例，它可以写为如下形式：??＾（０?＝?［＾〇?＋?ｓｉｎ［２＾ｖ０＾?＋?（ｐ｛ｔ）］?（ｌ．ｌ）??其中，＆为频率源的标称振幅，、则为频率源的标称频率，Ａｆ与奴／）分别为振幅??的变化与相位的变化。在时频传递过程中，引入的噪声会导致相位发生变化，进??而导致频率的起伏，由上述公式可以推导出在时刻ｔ的瞬间频率为??／、?１?ｄｃｐ｛ｔ）??ＫＯ?＝?ｖ０＋－－－＾?（１．２）??２ｎ?ａｔ??则瞬间频率与标称频率之间的相对偏差可以写作??／、?ｖ（／）－ｖ０?１?ｄ（ｐ（ｔ）??＝?——（１３）??ｖ０?２；ｚｖ０?ａｔ??根据傅里叶变换，可以将

?第１章绪论???干涉仪（ＭＺＩ）。干涉仪输出信号的－３ｄＢ带宽随距离的增长以２５０Ｈｚ／ｍ增加，因而??往返距离为１００ｍ时增加的带宽为２５ｋＨｚ，之后光电探测器的输出被送入频谱仪??进行分析，以衡量光频传递的性能。文章的实验结果指出单向光频及光载射频传??递在无补偿时可以在数百米的情况下进行，但更长距离的传输则必须进行补偿。??￣

递在无补偿时可以在数百米的情况下进行，但更长距离的传输则必须进行补偿。??Ｄｉｏｄｅ?Ｌａｓｅｒ?＾?＼?＜?－?５ｇｍ?＞〈￣？??１５５０ｎｍ?Ｉ?Ｌ．ＳＪ?，?＼??ｖ?Ｒｅｔｒｏｒｅｆｌｅｃｔｏｒ??ＡＯＭ?ｗ????＾?ａ?Ｃｏｕｎｔｅｒ??＿ＳＤ＿?Ｓｐｅｃｔｒｕｍ??＼?｜＼｜?Ａｎａｌｙｚｅｒ??图１．３?Ｂ．?Ｓｐｒｅｎｇｅｒ相干时频传递实验原理图［５６］??
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本文编号：2867592