基于单光子超弱信号时间维度关联的时频同步系统及方法技术方案

一种基于单光子超弱信号时间维度关联的时频同步系统及方法，包括：分别设置于通信双方的两对发射模块和接收模块，其中：发射模块用于发射时间信号和频率信号，位于空海自由空间链路另一侧的接收模块将以本地时间为基准探测到的时频信号进行同步校准，再解调出所编码的时间信息，并计算其与以本地时钟为基准所记录的信号到达时间的差值，以实现绝对时间校准。本发明专利技术采用光子幅度和时间维的信息作为时频传输的载体，利用接收到的单光子超弱信号时间维度的特征进行信息解码从而实现时频同步，具有可对抗超大信道损耗以及负信噪比环境的特性，且具备抗信号丢失的能力，能够有效实现空海跨域的大深度、高精度时频传输。高精度时频传输。高精度时频传输。

Time frequency synchronization system and method based on time dimension correlation of single photon ultra weak signal

【技术实现步骤摘要】
基于单光子超弱信号时间维度关联的时频同步系统及方法


[0001]本专利技术涉及的是一种光通信领域的技术，具体是一种基于单光子超弱信号时间维度关联的时频同步系统及方法。

技术介绍

[0002]现有天空平台与大深度水下平台的时频信息传输普遍采用海面第三方平台作为中转，但这种方式系统结构较为复杂且同步精度低下。光因其具备同时能够穿透自由空间、大气与水体的特性以及极高的载波频率，能够应用于空海时频信号的跨域高精度传输。然而，现有的基于光作为载波的时频传输技术仅能克服较低的信道损耗，无法满足大深度水下平台的跨域高精度导航及定位需求。因此，亟需研究可承受超大损耗的适用于空海跨域、水下大深度穿透的时频同步技术。

技术实现思路

[0003]本专利技术针对现有单光子通信技术无法适用大损耗环境下信号大量丢失问题，无法实现空海跨域的时频同步的问题，提出一种基于单光子超弱信号时间维度关联的时频同步系统及方法，采用光子幅度和时间维的信息作为时频传输的载体，利用接收到的单光子超弱信号时间维度的特征进行信息解码从而实现时频同步，具有可对抗超大信道损耗以及负信噪比环境的特性，且具备抗信号丢失的能力，能够有效实现空海跨域的大深度、高精度时频传输。
[0004]本专利技术是通过以下技术方案实现的：
[0005]本专利技术涉及一种基于单光子超弱信号时间维度关联的时频同步系统，包括：分别设置于通信双方的两对发射模块和接收模块，其中：发射模块用于发射时间信号和频率信号，位于空海自由空间链路另一侧的接收模块将以本地时间为基准探测到的时频信号进行同步校准，再解调出所编码的时间信息，并计算其与以本地时钟为基准所记录的信号到达时间的差值，以实现绝对时间校准。
[0006]所述的空海自由空间链路，即空气
‑
海水跨介质链路，无第三方中转装置，存在大损耗，信道环境具有突变性，对光路具折射反射等有复杂的相互作用。
[0007]所述的发射模块，包括：时钟基准单元、编码单元、归零开关键控(RZ
‑
OOK)调制单元和激光发射单元，其中：时钟基准单元根据本地时钟基准生产标准的时间频率信息，经信息编码单元编码后将时间信息嵌入频率信息中生成一串二进制比特序列，RZ
‑
OOK调制单元将比特序列调制成电脉冲信号输出至激光发射单元。
[0008]所述的激光发射单元包括：激光器和扩束装置，其中：激光器根据RZ
‑
OOK调制单元的电脉冲信号输出相应的激光脉冲至扩束装置进行扩束处理再发送至接收端，得到广域覆盖的效果，使得接收端更容易探测到信号。
[0009]所述的接收模块，包括：单光子探测单元、时间数字转换设备(TDC)以及微处理单元，其中：单光子探测单元探测经空海自由空间链路衰减到单光子级的信号，时间数字转换
设备以本地时钟为基准记录信号到达时间和单光子响应时间并将所记录的数据发送至微处理单元，微处理单元对数据进行频率校准和时间信息解调，最终实现收发双方的时频信息同步。
[0010]所述的单光子探测单元包括：收束装置和单光子探测器，其中：收束装置对采集到的信号进行汇聚处理，使得更多的信号被单光子探测器接收，提高系统的耦合效率；单光子探测器响应单光子事件产生电脉冲信号进而传送至时间数字转换设备记录下信号到达时间。
[0011]本专利技术涉及一种基于上述系统的时频同步方法，包括以下步骤：
[0012]步骤1)根据分别设置于两个授时站的发射端各自的本地基准时钟生成标准频率信号和时间信号，将发射时间信息编码到频率信息中生成N比特长度的信号并对时频信号进行循环制备并进行RZ
‑
OOK调制，得到一系列激光脉冲信号后再经扩束处理后分别在各自对应的发射时间向对方授时站发射。
[0013]步骤2)设置于两个授时站的接收端各自对接收到的时频信号进行单光子探测，同时通过时间数字转换设备记录信息到达时间以及单光子响应时间，然后两个授时站同时对单光子负载的时频信号进行同步校准处理并得到对方授时站发射的时间信息。
[0014]所述的步骤2具体包括：
[0015]步骤2.1)线性频率漂移校准：以接收端本地时钟为基准获取探测时长为t
total
秒的数据，将每一秒的时间块等分为500个时间槽为例，提取每个时间槽内的所有光子到达时间数据并对T＝20ns(T是单个光脉冲的周期长度)取余运算为例，寻找符合计数峰所对应的时间，从而获得一串首尾相接的时间链，对时间链进行快速傅里叶变换(FFT)可获取第一个非零FFT峰对应的数值k，则双方时钟在t
total
秒内的总线性漂移为k
×
20ns。将时钟漂移的线性项均分至每一脉冲周期以实现粗同步。
[0016]步骤2.2)高阶频率漂移校准：将以接收端本地时钟为基准获取的探测时长为t
total
秒的数据均匀划分成宽度为1s的时间块为例，提取单个时间块内的所有光子到达时间数据并与相应时间块的经线性频率漂移校准后的光子到达时间作差可得到每秒的延时波形，提取延时峰所对应的延时时间即为每秒的高阶漂移值，将线性漂移值、高阶漂移校准值作用于光子到达时间之后，收发双方时钟已实现完全同步，接收端频率信息校准完成。
[0017]步骤2.3)重构单周期脉冲波形，并确定时间滤波窗口：所有校准后的光子到达时间对20ns取余运算，计算0
‑
20ns中每64ps(取决于时间数字转换设备的精度，以64ps为例)时长间隔的累计光子数获得重构脉冲波形，根据重构脉冲波形确定时间滤波窗口，获得有效光子到达时间的数据。
[0018]所述的时间滤波窗口，涵盖绝大部分的脉冲并滤除大部分噪声，剔除所有取余后数值在时间滤波窗口外的探测事件。
[0019]步骤2.4)计算比特序列的有效光子数：生成一段长度为N(N为编码的比特长度，取决于所需要传的时间、频率信息转换成的二进制比特序列的长度)的全零数组以记录不同比特位的光子数，有效光子到达时间除以20ns并上取整，获得该探测事件所对应的脉冲位P：当P≤N，则该光子事件所编码的比特位为P，对应在数组的第P位数值加一；否则该光子事件所编码的比特位为P对N取余，同时，对应数组的相应比特位数值加一。对所有有效光子到达事件进行上述操作，并获得比特序列的有效光子计数。
[0020]步骤2.5)重构发射端的时间信息：根据比特序列的光子数统计分布确定最优光子数阈值N
th
，比特序列中所有光子数≥N
th
的比特位判别为1比特，而所有光子数<N
th
的比特判别为0比特，任一授时站根据重构的比特信息经RZ
‑
OOK解调获得对方授时站发射的时间信息。
[0021]步骤3)两个授时站根据解调出的发射信号的时间信息以及所记录的接收信号的时间信息计算时差并求均值，作为两个授时站之间的时间差，然后以一端时钟源为基准调整另一端，实现两站的绝对时间同步。技术效果本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于单光子超弱信号时间维度关联的时频传输系统，其特征在于，包括：分别设置于通信双方的两对发射模块和接收模块，其中：发射模块用于发射时间信号和频率信号，位于空海自由空间链路另一侧的接收模块将以本地时间为基准探测到的时频信号进行同步校准，再解调出所编码的时间信息，并计算其与以本地时钟为基准所记录的信号到达时间的差值，以实现绝对时间校准。2.根据权利要求1所述的基于单光子超弱信号时间维度关联的时频传输系统，其特征是，所述的发射模块，包括：时钟基准单元、编码单元、归零开关键控(RZ
‑
OOK)调制单元和激光发射单元，其中：时钟基准单元根据本地时钟基准生产标准的时间频率信息，经信息编码单元编码后将时间信息嵌入频率信息中生成一串二进制比特序列，RZ
‑
OOK调制单元将比特序列调制成电脉冲信号输出至激光发射单元。3.根据权利要求2所述的基于单光子超弱信号时间维度关联的时频传输系统，其特征是，所述的激光发射单元包括：激光器和扩束装置，其中：激光器根据RZ
‑
OOK调制单元的电脉冲信号输出相应的激光脉冲至扩束装置进行扩束处理再发送至接收端，得到广域覆盖的效果，使得接收端更容易探测到信号。4.根据权利要求1所述的基于单光子超弱信号时间维度关联的时频传输系统，其特征是，所述的接收模块，包括：单光子探测单元、时间数字转换设备(TDC)以及微处理单元，其中：单光子探测单元探测经空海自由空间链路衰减到单光子级的信号，时间数字转换设备以本地时钟为基准记录信号到达时间和单光子响应时间并将所记录的数据发送至微处理单元，微处理单元对数据进行频率校准和时间信息解调，最终实现收发双方的时频信息同步；所述的微处理单元包括：频率信息校准子单元和时间信息解调子单元，其中：频率信息校准子单元进行频率的线性漂移校准和频率的高阶漂移校准步骤，时间信息解调子单元通过重构单周期脉冲波形并重构得到比特序列，从而获取所编码的时间信息。5.根据权利要求4所述的基于单光子超弱信号时间维度关联的时频传输系统，其特征是，所述的单光子探测单元包括：收束装置和单光子探测器，其中：收束装置对采集到的信号进行汇聚处理，使得更多的信号被单光子探测器接收，提高系统的耦合效率；单光子探测器响应单光子事件产生电脉冲信号进而传送至时间数字转换设备记录下信号到达时间。6.根据权利要求4所述的基于单光子超弱信号时间维度关联的时频传输系统，其特征是，所述的频率的线性漂移校准是指：将以接收端本地时钟为基准所记录的t
total
秒获得的数据划分为每秒若干份的时间槽，提取每个时间槽内的所有光子到达时间数据并对一个脉冲周期T内的数据取余运算可获得每个时间槽的符合波形，寻找符合计数峰所对应的时间并将其按时间顺序排列在一起，获得一串首尾相接的时间链，对时间链进行快速傅里叶变换(FFT)可获取频率线性漂移值，即第一个非零FFT峰对应的数值为k，则双方时钟在t
total
秒内的总线性漂移为k
×
T ns；将线性漂移值均分至每个脉冲周期对所测得的光子到达时间数据t进行修正为t
’
：其中为发射端时钟基准下t时间到达光子所对应的脉冲位置，从而实现粗同步。7.根据权利要求4所述的基于单光子超弱信号时间维度关联的时频传输系统，其特征
是，所述的频率的高阶漂移校准是指：将原始的以接收端本地时钟为基准探测的时长为t
total
秒的数据均匀等分为若干份时间块，提取单个时间块内的所有光子到达时间数据t并与相应时间块的经线性频率漂移校准后的光子到达时间t
’
作差，获得单个时间块数据的延时波形，延时峰所对应的延时时间Δt即为单个时间块的高阶频率漂移值，将所获得的线性频率漂移值和高阶漂移校准值作用于光子到达时间t，使其修正为与发射端同步的光子到达时间t”:其中是考虑高阶漂移后、t时间到达光子所对应的发射端发射的真实脉冲位置，...

【专利技术属性】
技术研发人员：金贤敏，杨真，王莉，严增泉，胡琤球，
申请(专利权)人：上海交通大学，
类型：发明
国别省市：