確保國家時(shí)間基準(zhǔn)的準(zhǔn)確度及運(yùn)行安全
來源：科技日?qǐng)?bào) 2016-5-30 李海峰
超高精度時(shí)間頻率傳輸與同步項(xiàng)目由清華大學(xué)研究團(tuán)隊(duì)牽頭。項(xiàng)目主要完成人為王力軍、王波、李天初、高超、張建偉、馮焱穎、陳偉亮、朱璽、董婧雯、袁一博。完成單位為清華大學(xué)和中國計(jì)量科學(xué)研究院。
隨著現(xiàn)代高精度原子鐘的快速發(fā)展，頻率穩(wěn)定度在1E-16/s的頻率振蕩器以及頻率不確定度在1E-18的光鐘相繼出現(xiàn)。現(xiàn)有的時(shí)頻傳輸和同步技術(shù)已無法滿足高精度原子鐘時(shí)間頻率比對(duì)的需求，需要發(fā)展具有更高精度的時(shí)頻傳輸與同步方法。基于光纖鏈路的時(shí)頻同步技術(shù)以其具有的低損耗、高穩(wěn)定度優(yōu)勢而逐漸發(fā)展成為一種新型同步技術(shù)，世界各國均已開展對(duì)此項(xiàng)技術(shù)的研究。清華大學(xué)和中國計(jì)量科學(xué)研究院研究團(tuán)隊(duì)充分利用現(xiàn)有的光纖網(wǎng)絡(luò)資源，自主研制了“超高精度時(shí)間頻率傳輸與同步系統(tǒng)”。該系統(tǒng)技術(shù)方案先進(jìn)，創(chuàng)新性強(qiáng)，整體性能指標(biāo)達(dá)到國際領(lǐng)先水平。
項(xiàng)目創(chuàng)新之處體現(xiàn)在很多方面，首先就是對(duì)光纖鏈路時(shí)延起伏的實(shí)時(shí)測量與動(dòng)態(tài)補(bǔ)償，實(shí)現(xiàn)了微波頻率信號(hào)的高穩(wěn)定度傳輸——將微波頻率信號(hào)調(diào)制在通訊波段的激光載波上，通過光纖鏈路進(jìn)行傳輸后，在發(fā)射端實(shí)時(shí)監(jiān)測返回光信號(hào)所攜帶的光纖傳輸鏈路相位噪聲信息，然后主動(dòng)控制發(fā)射端信號(hào)的相位對(duì)該噪聲進(jìn)行實(shí)時(shí)補(bǔ)償，實(shí)現(xiàn)了微波頻率信號(hào)的高穩(wěn)定度傳輸，進(jìn)而，將發(fā)射端的時(shí)間、頻率及相位以超高精度復(fù)現(xiàn)于接收端。由于自由空間中頻率信號(hào)的傳輸與同步對(duì)全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)（尤其是北斗系統(tǒng)）和射電天文學(xué)（例如甚長基線干涉測量）等具有重要意義，項(xiàng)目組在光纖時(shí)間頻率補(bǔ)償技術(shù)的基礎(chǔ)上還首次提出并實(shí)驗(yàn)成功演示了自由空間高精度頻率傳輸技術(shù)。
基于對(duì)光纖頻率傳輸系統(tǒng)的環(huán)內(nèi)與環(huán)外器件進(jìn)行了噪聲來源與補(bǔ)償機(jī)理的理論分析，項(xiàng)目組還創(chuàng)新性地提出了環(huán)外器件的噪聲探測與抑制技術(shù)。通過對(duì)多方面噪聲抑制的改進(jìn)，提高了系統(tǒng)的傳輸穩(wěn)定度。針對(duì)某些應(yīng)用領(lǐng)域?qū)r(shí)間頻率同時(shí)傳輸與同步的應(yīng)用需求，項(xiàng)目組通過波分復(fù)用技術(shù)及脈沖時(shí)延測量及控制技術(shù)實(shí)現(xiàn)了時(shí)間頻率信號(hào)的同時(shí)傳輸與同步。經(jīng)測試，在清華大學(xué)至中國計(jì)量科學(xué)研究院昌平園區(qū)往返約80公里的城市光纖鏈路上傳輸9.1GHz微波頻率信號(hào)的穩(wěn)定度為：7E-15/s，4.5E-19/天，時(shí)間信號(hào)的傳輸穩(wěn)定度優(yōu)于±50ps。2011年12月經(jīng)科技查新表明，這一測試結(jié)果為：同類方法中，國際最好指標(biāo)。
自項(xiàng)目研發(fā)取得突破以來，基于此技術(shù)研發(fā)的高精度光纖頻率傳輸系統(tǒng)已經(jīng)過國家質(zhì)檢總局組織的專家鑒定，鑒定委員會(huì)認(rèn)為：“NIM-THU原子時(shí)信號(hào)光纖傳輸系統(tǒng)”，瞄準(zhǔn)國家重大需求，實(shí)現(xiàn)了微波頻率信號(hào)的高穩(wěn)定度傳輸，具有很高的實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。可應(yīng)用于分布式守時(shí)體系、時(shí)頻系統(tǒng)的統(tǒng)一、甚長基線射電天文觀測及衛(wèi)星定位觀測等領(lǐng)域。系統(tǒng)技術(shù)方案先進(jìn)，創(chuàng)新性強(qiáng)，整體性能指標(biāo)達(dá)到國際領(lǐng)先水平。項(xiàng)目執(zhí)行期間共發(fā)表SCI論文13篇，EI論文3篇，申請(qǐng)國家技術(shù)發(fā)明專利7項(xiàng)（已公開），授權(quán)3項(xiàng)。
隨著超高精度時(shí)間頻率傳輸與同步關(guān)鍵技術(shù)的成熟，項(xiàng)目的應(yīng)用推廣也在如火如荼地進(jìn)行。目前已聯(lián)合中國計(jì)量科學(xué)研究院、中國航天科工集團(tuán)203所、北京衛(wèi)星導(dǎo)航中心等多家科研單位，在北京地區(qū)建立區(qū)域時(shí)頻同步網(wǎng)絡(luò)。在清華大學(xué)至中國計(jì)量院的光纖鏈路上，成功演示了被傳輸頻率信號(hào)的任意點(diǎn)高精度下載，大大增強(qiáng)了區(qū)域時(shí)頻網(wǎng)的實(shí)用性。這一區(qū)域網(wǎng)最終建成后，將實(shí)現(xiàn)北京地區(qū)各時(shí)頻科研單位之間優(yōu)質(zhì)時(shí)間頻率資源的共享；進(jìn)一步確保國家時(shí)間基準(zhǔn)的準(zhǔn)確度，以及中國標(biāo)準(zhǔn)時(shí)的運(yùn)行安全可靠性；實(shí)現(xiàn)北斗時(shí)間與中國標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間的統(tǒng)一；并為下一步國家時(shí)間頻率體系的建設(shè)提供前期演示。此外，清華大學(xué)研制的光纖時(shí)頻傳遞系統(tǒng)于2014年8月4日至2015年5月14日，在某深空站參與某航天器試驗(yàn)測試任務(wù)，效果良好。
在國際合作應(yīng)用方面也同時(shí)穩(wěn)步進(jìn)展，2013年6月4日，清華大學(xué)研究團(tuán)隊(duì)加入國際大科學(xué)工程——平方公里陣列射電望遠(yuǎn)鏡（Square Kilometre Array，SKA）的信號(hào)與數(shù)據(jù)傳輸（SADT）工作包國際聯(lián)盟，高精度頻率傳輸與同步技術(shù)用于解決SKA基于光纖網(wǎng)絡(luò)的參考頻率分發(fā)與同步任務(wù)（STFR.FRQ）這一關(guān)鍵技術(shù)難點(diǎn)之一。目前他們?yōu)镾KA設(shè)計(jì)的參考頻率傳輸與同步方案已通過兩輪方案評(píng)審成為首選方案。2015年9月，清華大學(xué)研究團(tuán)隊(duì)赴南非SKA臺(tái)址，進(jìn)行了參考頻率傳輸與同步系統(tǒng)的測試驗(yàn)證，效果非常理想，為SKA相關(guān)工作的繼續(xù)推進(jìn)奠定了基礎(chǔ)。
王力軍，清華大學(xué)物理系、精儀系雙聘教授，中國計(jì)量科學(xué)研究院首席研究員，“中國計(jì)量科學(xué)研究院—清華大學(xué)”精密測量實(shí)驗(yàn)室主任。美國光學(xué)學(xué)會(huì)會(huì)員、曾任德國馬—普學(xué)會(huì)（Max-Planck Research Group）新成立的光學(xué)、信息、光電子學(xué)研究所所長（Director），組建該所，是馬普迄今為止唯一的中國籍所長。2006和2009年兩次應(yīng)諾貝爾委員會(huì)邀請(qǐng)為次年的諾貝爾物理獎(jiǎng)建議人選。2008年入選我國首批“國家特聘專家”，2010年全時(shí)回國，擔(dān)任科技部973項(xiàng)目首席科學(xué)家、專家組成員。王力軍教授長期致力于光學(xué)、精密測量物理及應(yīng)用、激光與物質(zhì)相互作用等方面的基礎(chǔ)研究；發(fā)表SCI論文130余篇，他引5200余次。
編輯：苑苑
