众所周知，高精度时间频率已经成为国家科技、经济、军事和社会生活中至关重要的一个参量，关系着国家和社会的安全稳定。时间频率传递作为时间频率体系的重要组成部分，决定时间频率应用的最高精度。随着高精度时间频率在基础科学、卫星导航、载人航天、深空探测、海洋监测等领域发挥的作用越来越重要，对时间同步系统精度提出了更高需求。作为时间频率传递系统的直接拓展，精密测距决定了全球卫星导航系统、卫星编队、组网飞行等领域的应用精度。
由于激光信号具有更高载波频率和带宽等优点，研究基于激光的高精度时频传递和测距技术受到广泛关注，同时也展现了广阔的发展和应用空间。
基于光纤的时频传递技术
随着光纤制造技术的不断成熟以及光纤通信网络的大面积铺设，利用丰富的通信光纤实现高精度的时频传递和比对展现出明显的技术优势。20 世纪 80 年代，美国的喷气推进实验室 (Jet Propulsion Laboratory, JPL) 就已开始研究设计利用光缆网进行高精度时频传递，用于构建美国国家航空航天局 (National Aeronautics and Space Administration, NASA) 的航天测控导航网络 (Logan et al., 1992; Primas et al.,1989, 1988) ，该时频网络的授时性能达到纳秒量级，频率传递稳定度达到1×10-14 d-1，并已在美国“海盗计划”、“伽利略计划”、“卡西尼计划”、火星探测计划等重大航天工程及甚长基线干涉测量、相干阵列天线观测中得到重要应用 (Holman et al., 2004; Sato et al., 2000) 。NASA 已经开始研究开发能够替代当前深空探测网天线阵列的全光系统(Calhoun et al., 2007) 。欧洲正在考虑利用光纤将所有的天文台互连，实施广域范围内时间和频率的高度统一。由于利用光纤传递时频信号具有结构简单、成本低廉、抗干扰能力强、抗毁性高和传输损耗低等优势，用光纤进行时频信号的传递成为高精度时频传递的主要研究方向，也是目前精度最高的授时手段之一。
由于时间信号和频率信号的形式截然不同，光纤时间和微波传递方案也不同。首先，频率信号呈正弦形式，而时间信号呈脉冲形式，为保证线性调制，时间信号和频率信号需要分别调制到一个激光器上。此外，由于光纤色散，时间信号和频率信号所经历的传输时延并不相同，需要采用不同的补偿方案。根据传递信号形式的不同，光纤时频传递可分为三种：光纤时间同步、光纤微波频率传递和光纤光学频率传递。通过波分复用技术，光纤时间和频率传递可实现在单光纤上同时传输。随着远距离和网络化的光纤时间频率传递技术的实用化，基于光纤的时频传递系统将可用于构建精度高于现有任何授时手段的地基授时体系。
自由空间激光时间传递和测距技术
利用激光脉冲进行高精度时间传递的研究受到广泛关注。利用激光脉冲在地面测距站和卫星或卫星间的传播，实现星地、地面上两个远距离钟甚至两个卫星钟之间的同步。目前，利用激光脉冲在星地间实现的双向时间传递技术可达到小于 50ps 的时间同步精度(Samain et al., 2010; Exertier et al., 2008; Vrancken, 2008) ，已显现出比微波技术高至少 1 ～ 2 个量级的传递精度。上述星地激光时间传递均基于爱因斯坦时间同步法，通过测量激光脉冲的往返时间还将实现两地距离的测量。由于测量过程中需要对脉冲到达时间进行分辨，模糊范围受限于脉冲的重复周期。另外，受限于激光脉冲自身的时间抖动和测量设备自身的分辨率，目前基于激光脉冲的星地间时间传递精度达到 10ps 秒量级，测距精度达到厘米量级。
相对而言，激光干涉法可实现纳米级的测距精度，缺点是模糊范围受限于激光波长，一般比较小。飞秒光学频率梳 ( 简称“飞秒光频梳” ) 通过锁定飞秒锁模激光的重复频率和偏置频率至微波频率基准，在时域上得到重复频率稳定的飞秒脉冲激光，在频域上得到频率间隔稳定的激光频率梳。通过双光梳异步测量等方法，可使模糊范围从激光波长扩展到米量级，大大降低了激光干涉法测距的应用限制。由于在频率域和时间域上具有的独特优良特点，飞秒光频梳在绝对距离测量、精密光谱学、时间频率计量、空间应用、高精度距离测量、高精度时间频率传递等方面展现出巨大的优势和应用前景 (Newbury, 2011; Wojtkowski et al.,2002) 。
量子时间同步与定位技术
为了进一步提高时间同步精度， 21 世纪初，研究人员提出了量子时间同步的概念 (Giovannetti et al., 2001a) 。根据量子力学理论，单个脉冲的光子数压缩和多通道间脉冲的频率纠缠会转化为到达时间 (time of arrival, TOA) 的聚集。在理想的光子数压缩和频率一致纠缠状态下，测量信号脉冲传播时延的准确度将突破散粒噪声极限的测量精度限制，达到自然物理原理所能达到的最根本限制—— 量子力学的海森堡极限，有望把时间同步精度提高到亚皮秒量级。虽然量子时间同步技术仍处在协议研究和技术验证的早期阶段，但有关量子测距定位的方案已被若干小组研讨。2004 年，星基量子定位系统(quantum positioning system, QPS) 的设计方案最早由美国陆军研究实验室 (Army Research Laboratory, ARL) 的 Bahder 等(2004) 结合传统卫星定位思想与光量子纠缠脉冲干涉式测距技术提出。仿真计算结果表明，在忽略其他外因影响的条件下，定位的标准偏差可低于 1cm ，实质性研究至今尚未见报道。我国关于量子定位技术的研究报道主要为该方案的原理及基本实现方法性介绍。例如， 2012 年，雒怡等详细介绍了Bahder 基于纠缠量子对二阶量子相干的定位和时钟同步的基本原理，以及星基量子定位系统的初步方案。2018 年，中国科学技术大学丛爽等阐述了基于 3 颗卫星的星基量子定位系统的测距与定位方案，包括星地光链路的建立，量子纠缠光的发射与接收，到达时间差的获取，量子定位导航系统的测距，以及用户坐标的计算与导航。
随着光频梳技术的出现和成熟，激光脉冲时间传递的传播时延测量技术不再依赖于脉冲飞行时间 (time of flight,TOF)(Hansch, 2006; Ma et al., 2004) 。由于相位测量 (phase measurement, PH) 技术的采用，时间同步精度获得了革命性提高，从皮秒量级进入飞秒量级，极大增强了人们对实现更高时间传递精度的信心 (Giorgettaet al., 2013; Coddington et al., 2009) 。研究表明，基于量子优化的脉冲时间传递有望将精度进一步提高到阿秒量级(Lamine et al., 2008) 。此外，测量精度还可免受传输路径中如温度、压强、湿度、色散等变化的影响 (Jian et al., 2012) 。鉴于其特有的高传递精度、抗干扰等优势，开展量子优化的脉冲时间传递研究已展现巨大的应用前景。
《基于激光的高精度时间频率传递和测距技术》阐述了基于激光的高精度时间频率传递和测距技术，主要内容来自作者及团队于中国科学院国家授时中心在该领域开展的研究工作成果。本书可为高精度时间频率传递研究领域专业人员提供高质量的参考书，同时也可作为相关专业研究生的教材。
本书主要从以下技术进行系统介绍：
第一，基于光纤的时间频率传递技术。该技术已成为高精度时间频率传递的主要研究方向之一，也是目前传递精度最高的授时手段之一。目前，光纤时间频率传递技术正向着远距离、多节点和实用化发展，目标是建立一种与卫星授时系统相对独立、精度高于现有任何授时手段的、可靠运行的地基授时技术体系。
第二，自由空间激光时间传递和测距技术。利用激光脉冲进行测距和高精度时间传递是目前所有测距和星地时间比对方法中精度最高的一种。随着飞秒光频梳技术的发展和成熟，将该技术用于激光脉冲时间传递和测距，使得光学相干技术和脉冲飞行时间技术融合在一起，可以较好地解决光学长度度量中长距离和高精度之间的矛盾。
第三，量子时间同步技术。基于爱因斯坦时间同步原理，时间同步可能达到的精度由飞行脉冲时间延迟的测量精度决定，根据量子力学理论，最终受限于经典测量的散粒噪声极限。因此，量子时间同步技术被提出，以实现突破散粒噪声极限对同步精度的限制。
目前，国内外专门针对基于激光的高精度时间频率传递与测距进行系统介绍的专业书籍相对较少。本书的出版具有重要的学术价值。由于本书主要针对从事时间频率研究的工程技术人员和对时间频率体系有浓厚兴趣且有一定基础的读者，书籍内容将在较强学术性的基础上，尽量保证易懂。
作者简介
董瑞芳，女，物理学博士；现为中国科学院国家授时中心研究员，中国科学院大学岗位教师，博士生导师。入选中组部“国家高层次人才特殊支持计划”首批青年拔尖人才、陕西省中青年科技创新领军人才。目前，担任中国激光杂志社青年编辑委员会委员，英国物理学会期刊IOP SciNotes编委，《时间频率学报》编委；中国天文学会会员，国际天文学会会员，中国科学院留学人员联谊会常务理事。主要从事量子时间同步、高精度光纤时间频率传递研究。主持和主研15项国家级和省部级科研项目，包括国家自然科学基金重点项目、国家自然科学基金面上项目等。发表论文100余篇，授权发明专利14项，获陕西省科学院科学技术一等奖1项。
基于激光的高精度时间频率传递和测距技术
董瑞芳，刘涛，张首刚 著
北京：科学出版社，2021.10
ISBN 978-7-03-067342-8
责任编辑：祝 洁
内容简介
《基于激光的高精度时间频率传递和测距技术》针对基于激光的高精度时间频率传递和测距技术进行系统介绍。《基于激光的高精度时间频率传递和测距技术》主要内容：第1章绪论，主要介绍时间频率的基本概念、基本时间同步协议等；第2～4章，阐述光纤时间频率传递技术的基本原理、核心技术及发展概况，主要包括光纤时间同步技术、光纤微波频率传递技术和光纤光学频率传递技术；第5章，介绍星地激光时间传递及基于飞秒光频梳的测距技术；第6～8章讨论了前瞻性的量子时间同步技术，分别为基于频率纠缠光源到达时间测量的量子时间同步技术，基于平衡零拍探测和飞秒光频梳的量子优化时延测量技术。
目录速览
前言
第1章 绪论 1
1.1 时间频率的基本概念 2
1.1.1 时间和频率 2
1.1.2 时间频率的传递、比对与同步 3
1.2 基本时间同步协议 4
1.2.1 搬运钟时间同步协议 4
1.2.2 爱因斯坦时间同步协议 6
1.3 时间和频率传递性能评估 9
1.4 测距与定位原理 10
1.5 基于激光的高精度时频传递和测距技术 11
1.5.1 基于光纤的时频传递技术 12
1.5.2 自由空间激光时间传递和测距技术 12
1.5.3 量子时间同步与定位技术 13
1.6 本书主要内容 14
第2章 光纤时间同步技术 15
2.1 基于SDH的光网络时间同步技术 15
2.2 WR时间同步技术 17
2.2.1 精确时间协议 19
2.2.2 物理层频率同步 20
2.2.3 精确相位测量 21
2.3 基于WDM的光纤时间同步技术 23
2.3.1 光纤时间同步研究进展 23
2.3.2 光纤时间同步方法 25
2.3.3 光纤时间同步系统中的传输时延抖动影响因素 29
2.3.4 光纤时间同步系统中的补偿技术 33
2.3.5 光纤双向时间同步系统不确定度评估 35
2.3.6 光纤时间同步网络化方案 38
第3章 光纤微波频率传递技术 45
3.1 光纤微波频率传递研究进展 45
3.2 光纤微波频率传递基本原理 47
3.2.1 光学相位补偿 48
3.2.2 电学相位补偿 50
3.2.3 基于激光频率调制的光纤微波频率传递及其电学相位补偿 52
3.3 影响光纤微波频率传递性能的因素分析 54
3.3.1 传输时延对传递性能的限制 54
3.3.2 频率源噪声的影响 57
3.3.3 光纤链路中寄生反射的影响 59
3.3.4 光纤色散效应 59
3.3.5 偏振模色散效应 60
3.4 光纤微波级联传递技术 60
3.4.1 光纤微波频率传递的后置补偿 61
3.4.2 光纤微波级联传递 63
第4章 光纤光学频率传递技术 65
4.1 光纤光学频率传递研究进展 65
4.2 光纤光学频率传递基本原理 66
4.2.1 光纤传输相位噪声分析 67
4.2.2 多普勒噪声补偿原理 68
4.2.3 拍频探测 70
4.2.4 光纤散射效应 71
4.3 光纤光学频率传递中噪声补偿的限制分析 73
4.4 通信波段窄线宽激光光源 75
4.4.1 基于高精度光学参考腔的窄线宽激光光源 75
4.4.2 基于光纤干涉仪的窄线宽激光器 77
4.5 远距离光纤光学频率传递技术 82
4.5.1 光纤光学频率直连传递技术 82
4.5.2 光纤光学频率级联传递技术 86
4.6 新型光纤光学频率传递与比对技术 89
4.6.1 基于用户端补偿的一对多光纤光学频率传递 89
4.6.2 基于光纤的双向光学相位比对技术 92
4.6.3 基于本地端测量的双向光学相位比对 96
4.6.4 通信光网络无损接入技术 98
第5章 自由空间激光时间传递和测距技术 100
5.1 传统激光测距方法 100
5.1.1 脉冲法激光测距 100
5.1.2 相干法激光测距 101
5.1.3 三角法激光测距 103
5.2 卫星激光测距 105
5.2.1 卫星激光测距系统的基本组成 105
5.2.2 卫星激光测距误差来源及改正 106
5.3 星地激光时间传递技术 107
5.3.1 星地激光时间传递系统构成 108
5.3.2 星地激光时间传递原理 109
5.3.3 星地激光时间传递的校准和误差分析 110
5.3.4 激光时间传递研究进展 111
5.4 基于飞秒光频梳的测距技术 116
5.4.1 飞秒光频梳的特性 116
5.4.2 基于飞秒光频梳的绝对距离测量方法 118
5.4.3 基于飞秒光频梳测距的研究进展 128
第6章 量子时间同步技术 131
6.1 基于量子纠缠的时间同步技术 131
6.1.1 基于预纠缠共享的量子时间同步 131
6.1.2 基于分布式的量子时间同步 132
6.1.3 基于频率纠缠光源到达时间测量的量子时间同步 132
6.2 基于平衡零拍探测和飞秒光频梳的量子优化时间测量技术 135
第7章 基于频率纠缠光源到达时间测量的量子时间同步技术 138
7.1 基于频率纠缠光源到达时间测量的量子时间同步原理 138
7.2 频率纠缠光源的产生 140
7.2.1 量子纠缠 140
7.2.2 自发参量下转换过程 141
7.2.3 自发参量下转换效率 143
7.2.4 频率纠缠源的理论基础 145
7.2.5 频率纠缠光源的量化 149
7.3 频率纠缠光源的量子测量 156
7.3.1 二阶量子关联测量 157
7.3.2 频率纠缠度及频率关联系数的测量 158
7.3.3 频率不可分性及基于干涉的二阶量子关联测量 163
7.3.4 非局域色散消除 168
7.4 量子时间同步与定位协议 176
7.4.1 基于符合测量纠缠光子对的单向量子时间同步协议 176
7.4.2 基于纠缠光子的二阶量子相干符合测量的时间同步协议 178
7.4.3 基于传送带协议的色散消除量子时间同步协议 180
7.4.4 消色散光纤量子时间同步协议 185
7.4.5 双向量子时间同步协议 189
7.4.6 量子定位协议 192
第8章 基于平衡零拍探测和飞秒光频梳的量子优化时延测量 194
8.1 基于平衡零拍探测和飞秒光频梳的量子优化时延原理 194
8.2 量子光频梳的产生 197
8.2.1 高压缩度量子压缩光场到量子光频梳的研究进展 198
8.2.2 同步泵浦光学参量振荡器的理论模型 199
8.2.3 SPOPO的阈值及超模定义 201
8.2.4 阈值以下SPOPO的量子起伏特性 202
8.3 本底参考脉冲光场的脉冲整形 204
8.3.1 脉冲微分技术研究进展 204
8.3.2 基于双折射晶体的脉冲微分整形技术原理 205
8.3.3 基于4-f脉冲整形器的脉冲微分原理 207
8.4 载波包络相位噪声的抑制技术 209
8.4.1 飞秒脉冲激光源的载波包络相位锁定技术 210
8.4.2 超短脉冲额外载波相位噪声抑制技术 211
第9章 结语 213
参考文献 215
（本期编辑：王芳）
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