Способ синхронизации или сличения шкал времени и устройство для его осуществления (варианты) Российский патент 2018 года по МПК G04C10/02 

Предлагаемое изобретение относится к области обеспечения единства измерений времени и частоты, а именно к организации службы времени и частоты, которое может найти применение при обеспечении синхронизации или сличения шкал времени удаленных объектов путем передачи высокостабильных сигналов времени с применением волоконно-оптической линии, соединяющей объекты, и касается, в частности, способа синхронизации или сличения шкал времени и устройство для его осуществления.

Известны способ сличения шкал времени и устройство для его осуществления (патент RU 2547662 С1), состоящее из двух составных частей, размещенных на удаленных друг от друга объектах, соединенных волоконно-оптической линией, и содержащее на первом объекте таймер событий, генератор сигналов времени (шкалы времени), генератор оптических импульсов, фотоприемное устройство и блок разветвителей-объединителей, включающий в себя два волоконно-оптических разветвителя и волоконно-оптический объединитель. Второй объект содержит таймер событий, генератор сигналов времени (шкалы времени), генератор оптических импульсов, фотоприемное устройство и волоконно-оптический разветвитель. Кроме того, устройство включает систему передачи информации о временных интервалах на основе дополнительного канала передачи информации (например, Ethernet, беспроводной сети или др.), соединенную с таймерами событий первого и второго объектов. При этом способ заключается в сличении шкал времени в виде сигналов 1PPS на двух удаленных объектах, сформированных собственным генератором каждого объекта, путем генерации и регистрации оптических сигналов, определения временной задержки прихода оптических сигналов с одного объекта на другой методом обработки данных о моментах времени регистрации сигналов, по результатам которых производят сличение шкал времени. Основным недостатком данного устройства является использование для передачи временных интервалов, измеренных таймерами событий удаленных объектов, системы передачи информации на основе дополнительного канала передачи информации (например, Ethernet, беспроводной сети или др.), снижающего надежность и оперативность синхронизации или сличения шкал времени объектов. Кроме того, применяется двусторонняя передача сигналов времени между объектами, что приводит к необходимости использования на каждом объекте таймера событий, фотоприемного устройства и генератора оптического излучения, которые вносят дополнительные погрешности синхронизации или сличения шкал времени удаленных объектов.

Известны способ сличения шкал времени удаленных объектов по волоконно-оптической линии и устройство для его осуществления (, Krehlik and Marcin, Optical fibers in time and frequency transfer // Meas. Sci. Technol. - 2010. - 21. - 11 pp.), которое состоит из двух составных частей, размещенных на удаленных друг от друга объектах, соединенных волоконно-оптической линией, и содержит на первом объекте генератор сигналов времени (шкалы времени), генератор оптического излучения, волоконно-оптический циркулятор, оптическую управляемую линию задержки, фотоприемное устройство, таймер событий и персональный компьютер. Второй объект содержит волоконно-оптический циркулятор, фотоприемное устройство, генератор сигналов времени (шкалы времени) и генератор оптического излучения. При этом способ заключается в сличении шкал времени удаленных объектов путем генерации сигнала времени первого объекта, модуляции данным сигналом времени оптического излучения, его передачи с первого объекта на второй с использованием волоконно-оптической линии, связывающей удаленные объекты, выделения на втором объекте из модулированного оптического излучения сигнала времени, подстройки данными сигналами времени шкалы времени второго объекта, модуляции сигналами времени второго объекта оптического излучения, его передачи со второго объекта на первый с использованием волоконно-оптической линии, выделения на первом объекте из модулированного оптического излучения сигналов времени, измерении на первом объекте времени передачи сигнала времени от первого объекта на второй и обратно, определении времени задержки сигнала времени в канале передачи и его активной оптоэлектронной компенсации в передаваемом на второй объект сигнале времени первого объекта. Таким образом, на второй объект приходит сигнал времени, соответствующий сигналу времени первого объекта, по которому проводится сличение шкал времени удаленных объектов.

Основным недостатком данного устройства является использование активной оптоэлектронной системы компенсации времени задержки распространения сигнала времени в канале передачи на основе оптической управляемой линии задержки ввиду того, что находящиеся в настоящее время на рынке серийно-выпускаемые оптические управляемые линии задержки с большим диапазоном регулирования обладают малым быстродействием, недостаточным для компенсации быстрых суточных изменений времени задержки сигнала в канале передачи. Кроме того, применяется двусторонняя передача сигналов времени между объектами, что приводит к необходимости использования на каждом объекте генератора оптического излучения и фотоприемного устройства, которые вносят дополнительные погрешности сличения шкал времени удаленных объектов. Известны способ синхронизации шкал времени удаленных объектов по волоконно-оптической линии и устройство для его осуществления (Wang, В. et al. Precise and Continuous Time and Frequency Synchronisation at the 5,3⋅10^-19 Accuracy Level // Sci. Rep. - 2012. - 2. - 556 pp.), являющиеся наиболее близкими к предлагаемым и принятые за прототипы. Способ, принятый за прототип, заключается в синхронизации шкал времени удаленных объектов путем генерации сигнала времени первого объекта, модуляции данным сигналом времени оптического излучения, его передачи с первого объекта на второй с использованием волоконно-оптической линии, соединяющей уделенные объекты, ответвлении части модулированного оптического излучения и его передачи обратно со второго объекта на первый, выделении на первом объекте из модулированного оптического излучения сигнала времени, измерении на первом объекте времени передачи сигнала времени от первого объекта на второй и обратно, определении времени задержки сигнала времени в канале передачи и его активной электронной компенсации в передаваемом на второй объект сигнале времени первого объекта. Таким образом, на второй объект приходит сигнал времени, соответствующий сигналу времени первого объекта, по которому проводится синхронизация шкал времени удаленных объектов. Устройство, принятое за прототип, состоит из двух составных частей, размещенных на удаленных друг от друга объектах, соединенных волоконно-оптической линией, и содержит на первом объекте генератор сигналов времени (шкалы времени), электронную управляемую линию задержки, генератор оптического излучения, волоконно-оптический циркулятор, фотоприемное устройство, таймер событий и персональный компьютер. Второй объект содержит волоконно-оптический циркулятор, волоконно-оптический разветвитель, фотоприемное устройство и генератор сигналов времени (шкалы времени).

В устройстве, принятом за прототип, генератор сигналов времени (шкалы времени) первого объекта соединен с электронной управляемой линией задержки, к которой присоединен генератор оптического излучения, соединенный с одним из портов волоконно-оптического циркулятора первого объекта, который одним из портов присоединен к волоконно-оптической линии, связывающей удаленные объекты, а другим - с фотоприемным устройством первого объекта, соединенным с таймером событий, который соединен с генератором сигналов времени (шкалы времени) первого объекта и персональным компьютером, который также соединен с электронной управляемой линией задержки. На втором объекте волоконно-оптический циркулятор второго объекта соединен одним из портов с волоконно-оптической линией, связывающей удаленные объекты, а двумя другими - с волоконно-оптическим разветвителем, которой присоединен к фотоприемному устройству второго объекта, соединенному с генератором сигналов времени (шкалы времени) второго объекта. При этом модулированное сигналами времени генератора шкалы времени первого объекта оптическое излучение, формируемое генератором оптического излучения, передается по волоконно-оптической линии, связывающей удаленные объекты, на второй объект, где ответвляется обратно в волоконно-оптическую линию в направлении первого объекта, где с помощью фотоприемного устройства выделяются сигналы времени, содержащие удвоенное время задержки их распространения по волоконно-оптической линии от первого объекта в направлении второго и обратно. Значения указанного удвоенного времени задержки измеряются таймером событий и обрабатываются персональным компьютером для формирования управляющего воздействия на электронную управляемую линию задержки. Таким образом, на второй объект передается сигнал времени с уже скомпенсированным временем задержки в канале передачи, соответствующий сигналу времени первого объекта.

Основным недостатком способа и устройства, принятого за прототип, является использование активной электронной системы компенсации времени задержки распространения сигнала времени в канале передачи на основе электронной управляемой линии задержки ввиду того, что находящиеся в настоящее время на рынке серийно-выпускаемые электронные управляемые линии задержки не обладают одновременно большим диапазоном перестройки для компенсации медленных сезонных изменений времени задержки сигнала в канале передачи и малым шагом перестройки для плавной компенсации быстрых суточных изменений, что, в свою очередь, при изменении длины канала передачи в широком диапазоне вследствие сезонных изменений температуры волоконно-оптической линии, сильных вибраций или механических воздействий приводит к росту погрешности компенсации времени задержки сигнала в канале передачи и уменьшению точности синхронизации шкал времени удаленных объектов. Техническая задача, решаемая заявленным изобретением, состоит в создании способа синхронизации или сличения шкал времени и устройства для его осуществления.

Технический результат, достигаемый при реализации заявленного способа синхронизации или сличения шкал времени двух удаленных объектов, заключается в повышении точности синхронизации или сличения в различных условиях воздействия окружающей среды, например, сезонных и суточных изменений температуры волоконно-оптической линии в широком диапазоне, механических воздействий, вибраций, за счет обеспечения одновременно большого диапазона компенсации времени задержки сигнала в канале передачи, достаточного для обеспечения компенсации медленных сезонных изменений длины волоконно-оптической линии, связывающей удаленные объекты, и высокого быстродействия системы компенсации времени задержки сигнала в канале передачи для обеспечения компенсации быстрых суточных изменений длины волоконно-оптической линии, связывающей удаленные объекты, путем использования трехпроходной системы передачи сигналов времени по волоконно-оптической линии и пассивной системы компенсации времени задержки сигнала в канале передачи.

Данный технический результат достигается предлагаемым способом синхронизации или сличения шкал времени в виде сигналов 1PPS на двух удаленных объектах, заключающимся в том, что процесс проводят путем модуляции оптического излучения сигналом времени первого объекта, передачи модулированного оптического излучения с первого объекта на второй с использованием волоконно-оптической линии, выделении на втором объекте из модулированного оптического излучения сигнала времени, измерении на втором объекте времени Т_ШВ2 прихода первого сигнала времени, ответвлении части модулированного оптического излучения и его передачи со второго объекта на первый и обратно, выделении на втором объекте из модулированного оптического излучения сигнала времени, измерении на втором объекте времени t_2ϕ передачи сигнала времени от второго объекта на первый и обратно, определении времени t_ϕ задержки сигнала времени в канале передачи по формуле

где t_2ϕ - временя прохождения сигналом времени пути от второго объекта на первый и обратно;

t₁ - время прохождения сигналом времени пути от генератора сигналов времени (шкалы времени) первого объекта до входа волоконно-оптической линии со стороны первого объекта;

t₂ - время прохождения сигналом времени пути от выхода волоконно-оптической линии со стороны второго объекта до входа таймера событий;

t₃ - время прохождения ответвленным на втором объекте сигналом времени пути от волоконно-оптического разветвителя второго объекта до входа волоконно-оптической линии со стороны второго объекта;

t₄ - время прохождения ответвленным сигналом времени пути от выхода волоконно-оптической линии со стороны первого объекта до входа волоконно-оптической линии со стороны первого объекта; и компенсации времени t_ϕ задержки сигнала времени в канале передачи в измеренном времени Т_ШВ2 прихода первого сигнала времени для получения на втором объекте аналитической шкалы времени первого объекта по формуле

Т_ШВ1=Т_ШВ2-t_ϕ,

полученный при этом сигнал Т_ШВ1 времени на втором объекте соответствует сигналу времени первого объекта, по которому проводят синхронизацию или сличение шкал времени удаленных объектов.

Отличием и преимуществом указанного способа по сравнению со способом, принятым за прототип, являются применение трехпроходной системы передачи сигналов времени по волоконно-оптической линии и использование пассивной системы компенсации времени задержки сигнала времени в канале передачи, что позволяет отказаться от активной электронной системы компенсации на основе электронной управляемой линии задержки, обладающей при высоком быстродействии и малом шаге компенсации малым диапазоном компенсации, недостаточном для компенсации изменений длины волоконно-оптической линии в широком диапазоне.

Техническим результатом, достигаемым от реализации предлагаемого устройства для синхронизации или сличения шкал времени удаленных объектов, являются повышение точности синхронизации или сличения в различных условиях воздействия окружающей среды, например, сезонных и суточных изменений температуры волоконно-оптической линии, механических воздействий, вибраций, за счет использования трехпроходной системы передачи сигналов времени по волоконно-оптической линии, за счет использования в качестве таймера событий многостопового измерителя временных интервалов, позволяющего измерять время прихода каждого импульса сигналов времени первого объекта в шкале времени второго объекта и определять значения времен задержки между любыми парами приходящих импульсов сигналов времени с точностью до 4 пс, а также за счет применения поляризатора, позволяющего исключить интерференцию прямого и обратного оптического излучения.

Данный технический результат достигается предлагаемым устройством для синхронизации или сличения шкал времени состоящее из двух составных частей, размещенных на удаленных друг от друга объектах, включающее генератор сигналов времени (шкалы времени), генератор оптического излучения, волоконно-оптический циркулятор, волоконно-оптический разветвитель, фотоприемное устройство, таймер событий, персональный компьютер и волоконно-оптическую линию связи, соединяющую объекты и, отличающееся тем, что устройство дополнительно содержит поляризатор, расположенный на первом объекте, при этом первый объект содержит генератор сигналов времени (шкалы времени), соединенный с генератором оптического излучения первого объекта, подключенным к одному из портов волоконно-оптического циркулятора первого объекта, еще один порт волоконно-оптического циркулятора первого объекта соединен с волоконно-оптическим разветвителем данного объекта, а третий порт - с поляризатором, который соединен с волоконно-оптическим разветвителем первого объекта, причем данный волоконно-оптический разветвитель соединен с волоконно-оптической линией, связывающей удаленные объекты, при этом второй объект содержит волоконно-оптический циркулятор, который одним из портов соединен с волоконно-оптической линией, связывающей удаленные объекты, а двумя другими портами - с волоконно-оптическим разветвителем второго объекта, соединенным с фотоприемным устройством, расположенным на втором объекте, причем фотоприемное устройство соединено с таймером событий, в качестве которого используют многостоповый измеритель временных интервалов, расположенным на втором объекте, который соединен с генератором сигналов времени (шкалы времени) второго объекта и персональным компьютером.

Таким образом, предлагаемое устройство состоит из двух составных частей, размещенных на удаленных друг от друга объектах, соединенных волоконно-оптической линией, и содержит на первом объекте генератор сигналов времени (шкалы времени) данного объекта, генератор оптического излучения и волоконно-оптический циркулятор, при этом первый объект также включает волоконно-оптический разветвитель и поляризатор, а второй объект содержит фотоприемное устройство, таймер событий, в качестве которого используют многостоповый измеритель временных интервалов, и персональный компьютер, который также включает волоконно-оптический циркулятор, волоконно-оптический разветвитель и генератор сигналов времени (шкалы времени) второго объекта.

Сигналом времени 1 PPS, формируемым генератором сигналов времени (шкалы времени) первого объекта, модулируется оптическое излучение, формируемое генератором оптического излучения. Модулированное оптическое излучение, пройдя по волоконно-оптической линии, связывающей удаленные объекты, поступает на второй объект, где с помощью фотоприемного устройства выделяется сигнал времени. Время прихода данного сигнала времени фиксируется таймером событий в шкале времени второго объекта и запускается счетчик времени таймера событий. Часть модулированного оптического излучения на втором объекте ответвляется обратно в волоконно-оптическую линию, связывающую удаленные объекты, и проходит путь по ней со второго объекта на первый и обратно. На втором объекте данное модулированное оптическое излучение вновь поступает на фотоприемное устройство, где выделяется сигнал времени, который останавливает счетчик времени таймера событий, измеряя при этом время прохождения сигналом времени пути от второго объекта на первый и обратно. По измеренному значению времени прохождения сигналом времени пути от второго объекта на первый и обратно, известным величинам времен задержки сигнала времени в отдельных элементах схемы, за исключением времени задержки сигнала времени в волоконно-оптической линии, связывающей удаленные объекты, с помощью персонального компьютера определяется время задержки сигнала времени первого объекта в канале передачи, что позволяет скомпенсировать данное значение в измеренном времени прихода сигнала времени. Таким образом, реализуется пассивная система компенсации времени задержки сигнала времени в канале передачи и с помощью персонального компьютера формируется аналитическая шкала времени первого объекта на втором объекте. Проведение непрерывных измерений и расчета указанных величин в каждый момент времени позволяет учитывать изменения величины времени задержки сигнала времени в канале передачи, связанные с быстрыми суточными и медленными сезонными изменениями длины волоконно-оптической линии, связывающей удаленные объекты. С помощью аналитической шкалы времени первого объекта на втором объекте проводятся синхронизация или сличение шкал времени удаленных объектов. Отличием и преимуществом предложенного устройства являются использование трехпроходной системы передачи сигналов времени в канале передачи, отказ от активной системы компенсации времени задержки сигнала времени в канале передачи, обладающей при высоком быстродействии малым диапазоном компенсации, за счет использования пассивной системы компенсации на основе серийно выпускаемого многостопового измерителя временных интервалов, обладающего одновременно высоким быстродействием и большим диапазоном измерений временных интервалов для обеспечения большого диапазона компенсации времени задержки сигнала времени в канале передачи, а также применения поляризатора, позволяющего исключить интерференцию прямого и обратного оптического излучения.

Для реализации на втором объекте физической шкалы времени первого объекта предлагаемое устройство может дополнительно содержать на втором объекте формирователь шкалы времени, который соединен с генератором сигналов времени (шкалы времени) второго объекта, таймером событий и персональным компьютером. При этом генератор сигналов времени (шкалы времени) второго объекта служит опорной шкалой времени для формирователя шкалы времени. Таймер событий помимо измерений времени прихода сигналов времени и времени прохождения сигналом времени пути от второго объекта на первый и обратно, измеряет время задержки приходящих с первого объекта сигналов времени и сигналов времени, генерируемых формирователем шкалы времени. Измеренные таймером событий значения поступают на персональный компьютер, на котором формируется управляющее воздействие на формирователь шкалы времени для подстройки его шкалы времени к шкале времени первого объекта. Таким образом, на выходе формирователя шкалы времени формируется шкала времени первого объекта, которая используется для синхронизации или сличения удаленных шкал времени.

Для усиления оптического излучения при передаче сигналов времени на большие расстояния предлагаемое устройство может дополнительно содержать на первом и/или втором объектах волоконно-оптический усилитель и волоконно-оптический фильтр, в частности, между волоконно-оптическими циркуляторами и волоконно-оптическими разветвителями первого и/или второго объектов, причем волоконно-оптический циркулятор первого объекта одним из портов соединен с генератором оптического излучения, другим - с волоконно-оптическим разветвителем первого объекта, третьим - с волоконно-оптическим усилителем данного объекта, при этом волоконно-оптический усилитель первого объекта соединен с волоконно-оптическим фильтром данного объекта, который соединен с поляризатором, присоединенным к волоконно-оптическому разветвителю первого объекта, а волоконно-оптический циркулятор второго объекта одним из портов соединен с волоконно-оптической линией, связывающей удаленные объекты, еще одним - с волоконно-оптическим разветвителем второго объекта, другим - с волоконно-оптическим фильтром данного объекта, который соединен с волоконно-оптическим усилителем второго объекта, соединенным также с волоконно-оптическим разветвителем данного объекта. Для фильтрации сигнала от спонтанного излучения волоконно-оптических усилителей и повышения отношения сигнал/шум применяют волоконно-оптические фильтры в связке с волоконно-оптическими усилителями.

Для усиления оптического излучения при синхронизации или сличении шкал времени объектов, удаленных на большие расстояния, предлагаемое устройство может дополнительно содержать на первом и/или втором объектах волоконно-оптические усилители и волоконно-оптические фильтры, а также формирователь шкалы времени на втором объекте, для формирования физической шкалы времени первого объекта при этом волоконно-оптический циркулятор первого объекта одним из портов соединен с генератором оптического излучения, еще одним - с волоконно-оптическим разветвителем первого объекта, третьим - с волоконно-оптическим усилителем данного объекта, причем волоконно-оптический усилитель первого объекта соединен с волоконно-оптическим фильтром данного объекта, который соединен с поляризатором, который присоединен к волоконно-оптическому разветвителю первого объекта, а волоконно-оптический циркулятор второго объекта одним из портов соединен с волоконно-оптической линией, связывающей удаленные объекты, еще одним - с волоконно-оптическим разветвителем второго объекта, другим - с волоконно-оптическим фильтром данного объекта, который соединен с волоконно-оптическим усилителем второго объекта, соединенным также с волоконно-оптическим разветвителем данного объекта, при этом формирователь шкалы времени соединен с генератором сигналов времени (шкалы времени) второго объекта, таймером событий, и персональным компьютером.

Предложен второй вариант устройства для синхронизации или сличения шкал времени (второй вариант), состоящее из двух составных частей, размещенных на удаленных друг от друга объектах, включающее генератор сигналов времени (шкалы времени), генератор оптического излучения, волоконно-оптический разветвитель, фотоприемное устройство, таймер событий, персональный компьютер и волоконно-оптическую линию связи, соединяющую объекты и, отличающееся тем, что устройство дополнительно содержит зеркала, расположенные на первом и втором объектах, а также волоконно-оптический фильтр, расположенный на первом объекте, причем волоконно-оптический разветвитель первого объекта соединен с волоконно-оптической линией, связывающей удаленные объекты, зеркалом и волоконно-оптическим фильтром данного объекта, соединенным с генератором оптического излучения, который соединен с генератором сигналов времени (шкалы времени) первого объекта, и волоконно-оптический разветвитель второго объекта соединен с волоконно-оптической линией, связывающей удаленные объекты, зеркалом и фотоприемным устройством этого объекта, причем фотоприемное устройство соединено с таймером событий, в качестве которого используют многостоповый измеритель временных интервалов, расположенным на втором объекте, который соединен с генератором сигналов времени (шкалы времени) второго объекта и персональным компьютером.

Для реализации на втором объекте физической шкалы времени первого объекта предлагаемое устройство может дополнительно содержать на втором объекте формирователь шкалы времени, который соединен с генератором сигналов времени (шкалы времени) второго объекта, таймером событий и персональным компьютером.

Техническим результатом, достигаемыми от внедрения второго варианта предлагаемого устройства для синхронизации или сличения шкал времени удаленных объектов, являются также повышение точности синхронизации или сличения шкал времени в различных условиях воздействия окружающей среды, например, сезонных и суточных изменений температуры волоконно-оптической линии, механических воздействий, вибраций, за счет использования трехпроходной системы передачи сигналов времени по волоконно-оптической линии, за счет использования зеркал, обеспечивающих передачу моделированного оптического излучения со второго объекта на первый, за счет использования в качестве таймера событий многостопового измерителя временных интервалов, позволяющего измерять время прихода каждого импульса сигналов времени первого объекта в шкале времени второго объекта и определять значения времен задержки между любыми парами приходящих импульсов сигналов времени с точностью до 4 пс.

Изобретения поясняются чертежами.

На фиг. 1 показана схема устройства для реализации способа синхронизации или сличения шкал времени, состоящее из двух составных частей, размещенных на удаленных друг от друга объектах при формировании на втором объекте аналитической шкалы времени первого объекта;

на фиг. 2 представлена схема устройства, аналогичная представленной на фиг. 1, отличающаяся тем, что второй объект дополнительно содержит формирователь шкалы времени для формирования физической шкалы времени первого объекта;

на фиг. 3 представлена схема устройства, аналогичная представленной на фиг. 1, отличающаяся тем, что для усиления оптического излучения при синхронизации или сличении шкал времени объектов, удаленных на большие расстояния, устройство дополнительно содержит волоконно-оптические усилители и волоконно-оптические фильтры;

на фиг. 4 представлена схема устройства, аналогичная представленной на фиг. 1, отличающаяся тем, что для усиления оптического излучения при синхронизации или сличении шкал времени объектов, удаленных на большие расстояния, устройство дополнительно содержит волоконно-оптические усилители и волоконно-оптические фильтры, а также формирователь шкалы времени на втором объекте для формирования физической шкалы времени первого объекта;

на фиг. 5 показана схема устройства (второй вариант) для реализации способа синхронизации или сличения шкал времени, состоящее из двух составных частей, размещенных на удаленных друг от друга объектах с использованием зеркал на первом и втором объектах, а также волоконно-оптического фильтра на первом объекте при формировании на втором объекте аналитической шкалы времени первого объекта;

на фиг. 6 представлена схема устройства аналогичная представленной на фиг. 5, отличающаяся тем, что для реализации на втором объекте физической шкалы времени устройство дополнительно содержит на втором объекте формирователь шкалы времени.

На фиг. 1 показана схема устройства для реализации способа синхронизации или сличения шкал времени, состоящее из двух составных частей, размещенных на удаленных друг от друга объектах, и содержащее на первом объекте генератор 1 сигналов времени (шкалы времени) данного объекта, соединенный с генератором 2 оптического излучения, подключенным к одному из портов волоконно-оптического циркулятора 3. При этом еще один порт волоконно-оптического циркулятора 3 соединен с волоконно-оптическим разветвителем 4, а третий порт - с поляризатором 5. Причем волоконно-оптический разветвитель 4 соединен с волоконно-оптической линией 6, связывающей удаленные объекты. Второй объект содержит волоконно-оптический циркулятор 7, который одним из портов соединен с волоконно-оптической линией 6, связывающей удаленные объекты, а двумя другими портами - с волоконно-оптическим разветвителем 8, соединенным с фотоприемным устройством 9. Причем фотоприемное устройство 9 соединено с таймером 10 событий, который соединен с генератором 11 сигналов времени (шкалы времени) второго объекта и персональным компьютером 12. При указанном составе устройства на втором объекте на персональном компьютере 12 для синхронизации или сличения шкал времени удаленных объектов формируется аналитическая шкала времени первого объекта на основе измеренных значений времени прихода каждого импульса сигнала времени первого объекта в шкале времени второго объекта и вычисленных значений времени задержки каждого сигнала времени первого объекта в канале передачи.

На фиг. 2 показана схема устройства для реализации способа синхронизации или сличения шкал времени при формировании на втором объекте физической шкалы времени первого объекта, аналогичное показанному на фиг. 1, в котором формирователь 13 шкалы времени соединен с генератором 11 сигналов времени (шкалы времени) второго объекта, таймером 10 событий и персональным компьютером 12. При этом физическая шкала времени первого объекта формируется на втором объекте следующим образом. Опорной шкалой времени для формирователя 13 шкалы времени является генератор 11 сигналов времени (шкалы времени) второго объекта. Таймер 10 событий помимо измерений времени прихода первого сигнала времени первого объекта и времени прохождения сигналами времени пути от второго объекта на первый и обратно, измеряет время задержки приходящих с первого объекта сигналов времени и сигналов времени, генерируемых формирователем 13 шкалы времени. Измеренные таймером 10 событий значения поступают на персональный компьютер 12, на котором формируется управляющее воздействие на формирователь 13 шкалы времени для подстройки его шкалы времени под шкалу времени первого объекта.

На фиг. 3 показана схема устройства с волоконно-оптическими усилителями и волоконно-оптическими фильтрами при формировании на втором объекте аналитической шкалы времени первого объекта, аналогичное показанному на фиг. 1, в котором волоконно-оптический циркулятор 3 одним из портов соединен с генератором 2 оптического излучения, одним - с волоконно-оптическим разветвителем 4, третьим - с волоконно-оптическим усилителем 14 для усиления оптического излучения при передаче сигналов времени на большие расстояния. Причем волоконно-оптический усилитель 14 первого объекта соединен с волоконно-оптическим фильтром 15 данного объекта для фильтрации сигнала от спонтанного излучения волоконно-оптического усилителя 14 и повышения отношения сигнал/шум, который соединен с поляризатором 5, присоединенным к волоконно-оптическому разветвителю 4, и/или на втором объекте волоконно-оптический циркулятор 7 одним из портов соединен с волоконно-оптической линией 6, связывающей удаленные объекты, еще одним - с волоконно-оптическим разветвителем 8, другим - с волоконно-оптическим фильтром 17, который соединен с волоконно-оптическим усилителем 16, соединенным также с волоконно-оптическим разветвителем 8.

На фиг. 4 показана схема устройства с волоконно-оптическими усилителями и волоконно-оптическими фильтрами при формировании на втором объекте физической шкалы времени первого объекта, аналогичное показанному на фиг. 1, в котором волоконно-оптический циркулятор 3 одним из портов соединен с генератором 2 оптического излучения, одним - с волоконно-оптическим разветвителем 4, третьим - с волоконно-оптическим усилителем 14 для усиления оптического излучения при передаче сигналов времени на большие расстояния. Причем волоконно-оптический усилитель 14 первого объекта соединен с волоконно-оптическим фильтром 15 данного объекта для фильтрации сигнала от спонтанного излучения волоконно-оптического усилителя 14 и повышения отношения сигнал/шум, который соединен с поляризатором 5, присоединенным к волоконно-оптическому разветвителю 4, и/или на втором объекте волоконно-оптический циркулятор 7 одним из портов соединен с волоконно-оптической линией 6, связывающей удаленные объекты, еще одним - с волоконно-оптическим разветвителем 8, другим - с волоконно-оптическим фильтром 17, который соединен с волоконно-оптическим усилителем 16, соединенным также с волоконно-оптическим разветвителем 8, а для получения на втором объекте физической шкалы времени первого объекта формирователь 13 шкалы времени соединен с генератором 11 сигналов времени (шкалы времени) второго объекта, таймером 10 событий и персональным компьютером 12.

На фиг. 5 показана схема устройства (второй вариант) для реализации способа синхронизации или сличения шкал времени, состоящее из двух составных частей, размещенных на удаленных друг от друга объектах, и содержащее на первом объекте генератор 1 сигналов времени (шкалы времени) данного объекта, соединенный с генератором 2 оптического излучения, подключенным к волоконно-оптическому фильтру 20. При этом волоконно-оптический фильтр 20 соединен с волоконно-оптическим разветвителем 4, соединенным с зеркалом 18 и волоконно-оптической линией 6, связывающей удаленные объекты. Второй объект содержит волоконно-оптический разветвитель 8, который соединен с волоконно-оптической линией 6, связывающей удаленные объекты, зеркалом 19 и фотоприемным устройством 9. Причем фотоприемное устройство 9 соединено с таймером 10 событий, который соединен с генератором 11 сигналов времени (шкалы времени) второго объекта и персональным компьютером 12. При указанном составе устройства на втором объекте на персональном компьютере 12 для синхронизации или сличения шкал времени удаленных объектов формируется аналитическая шкала времени первого объекта на основе измеренных значений времени прихода каждого импульса сигнала времени первого объекта в шкале времени второго объекта и вычисленных значений времени задержки каждого сигнала времени первого объекта в канале передачи.

На фиг. 6 показана схема устройства с зеркалами и волоконно-оптическим фильтром при формировании на втором объекте физической шкалы времени первого объекта, аналогичное показанному на фиг. 5, в котором формирователь 13 шкалы времени соединен с генератором 11 сигналов времени (шкалы времени) второго объекта, таймером 10 событий и персональным компьютером 12.

Предложенный способ синхронизации или сличения шкал времени реализуется устройством, представленным на фиг. 1, следующим образом.

Введем следующие обозначения:

t₁ - время прохождения одного импульса времени от генератора сигналов времени (шкалы времени) первого объекта до входа волоконно-оптической линии 6, в течение которого формируется импульс времени, которым модулируется оптическое излучение, которое проходит волоконно-оптический циркулятор и волоконно-оптический разветвитель и попадает на вход волоконно-оптической линии, соединяющей удаленные объекты;

t_ВОЛ - время, за которое модулированное сигналом времени оптическое излучение проходит волоконно-оптическую линию, связывающую удаленные объекты;

t₂ - время прохождения сигнала времени от выхода волоконно-оптической линии до входа таймера событий, в течение которого, модулированное сигналом времени оптическое излучение проходит волоконно-оптический циркулятор второго объекта и волоконно-оптический разветвитель второго объекта, затем выделяется первый импульс времени в фотоприемном устройстве, который попадает на вход таймера событий, который измеряет время Т_ШВ2 прихода первого импульса времени первого объекта в шкале времени второго объекта;

таким образом, время задержки сигнала времени первого объекта во всем канале передачи составляет:

t_ϕ=t₁+t_ВОЛ+t₂;

t₃ - время, за которое часть модулированного сигналом времени оптического излучения, ответвленная волоконно-оптическим разветвителем второго объекта, проходит путь от волоконно-оптического разветвителя второго объекта через волоконно-оптический циркулятор второго объекта до входа в волоконно-оптическую линию со стороны второго объекта;

t₄ - время, за которое модулированное сигналом времени оптическое излучение проходит путь от выхода волоконно-оптической линии со стороны первого объекта, через волоконно-оптический разветвитель первого объекта, волоконно-оптический циркулятор первого объекта, далее через поляризатор и снова через волоконно-оптический разветвитель первого объекта до входа в волоконно-оптическую линию со стороны первого объекта;

далее через время t_BOЛ+t₂ на вход таймера событий попадает второй импульс времени, прошедший, по сравнению с первым импульсом, дополнительный путь от второго объекта на первый и обратно.

Таким образом, на вход таймера событий попадает два импульса времени, время задержки между которыми составляет:

t_2ϕ=t₃+t_ВОЛ+t₄+t_ВОЛ+t₂=2t_ВОЛ+t₂+t₃+t₄.

Величина соответствует времени прохождения сигналом времени пути от второго объекта на первый и обратно.

Далее получим величину времени задержки сигнала времени в волоконно-оптической линии, связывающей удаленные объекты:

.

Следовательно, время задержки сигнала времени первого объекта во всем канале передачи составляет:

.

Изменение величин t₁, t₂, t₃, t₄ в течение времени настолько мало, что можно считать их постоянными величинами, их значения могут быть измерены с высокой точностью до начала процесса синхронизации или сличения шкал времени предложенным способом.

Величины Т_ШВ2 и t_2ϕ измеряются таймером событий. Следовательно, имея на втором объекте на входе таймера событий физический сигнал времени (первый импульс сигнала 1 PPS) и рассчитанное на персональном компьютере время t_ϕ задержки сигнала времени первого объекта в канале передачи, можно получить аналитическую шкалу времени первого объекта, как:

Т_ШВ1=Т_ШВ2-t_ϕ

Работа предложенного устройства, представленного на фиг. 2, отличается тем, что на втором объекте формируется физическая шкала времени первого объекта за счет введения формирователя шкалы времени, при этом генератор сигналов времени (шкалы времени) второго объекта служит опорной шкалой времени для формирователя шкалы времени. Таймер событий помимо измерений времени Т_ШВ2 прихода первого сигнала времени первого объекта в шкале времени второго объекта и величин t_2ϕ измеряет значения времен t_Ф задержки приходящих с первого объекта сигналов времени и сигналов времени, генерируемых формирователем шкалы времени. Измеренные таймером событий значения поступают на персональный компьютер, на котором рассчитывается значение времени t_ϕ задержки сигнала времени первого объекта в канале передачи и формируется управляющее воздействие на формирователь шкалы времени для подстройки его шкалы времени под шкалу времени первого объекта:

Т_ШВ1=Т_ШВ2-t_ϕ-t_Ф

Таким образом, на выходе формирователя шкалы времени формируется шкала времени первого объекта Т_ШВ1.

Работа предложенного устройства, представленного на фиг. 3, отличается от устройства, представленного на фиг. 1, тем, что для усиления оптического излучения при синхронизации или сличении шкал времени объектов, удаленных на большие расстояния, в устройство введены волоконно-оптические усилители, а для фильтрации сигнала от спонтанного излучения волоконно-оптических усилителей и повышения отношения сигнал/шум - волоконно-оптические фильтры.

Работа предложенного устройства, представленного на фиг. 4, отличается от устройства, представленного на фиг. 1, тем, что для усиления оптического излучения при передаче сигналов времени на большие расстояния в схему передачи сигналов времени введены волоконно-оптические усилители, а для фильтрации сигнала от спонтанного излучения волоконно-оптических усилителей и повышения отношения сигнал/шум - введены волоконно-оптические фильтры, при этом на втором объекте формируется физическая шкала времени первого объекта за счет введения формирователя шкалы времени.

Работа предложенного устройства, представленного на фиг. 5, отличается от устройства, представленного на фиг. 1, тем, что для обеспечения передачи модулированного оптического излучения со второго объекта на первый и обратно вместо волоконно-оптического циркулятора первого объекта, поляризатора и/или волоконно-оптического циркулятора второго объекта применяются зеркала. Причем для фильтрации сигнала от обратного излучения при использовании зеркала на первом объекте применяется волоконно-оптический фильтр.

Работа предложенного устройства, представленного на фиг. 6, отличается от устройства, представленного на фиг. 5, тем, что на втором объекте формируется физическая шкала времени первого объекта за счет введения формирователя шкалы времени.

Предлагаемое изобретение относится к способу синхронизации или сличения шкал времени удаленных объектов путем передачи высокостабильных сигналов времени с применением волоконно-оптической линии, соединяющей объекты, и к устройству для его осуществления, состоящему из двух составных частей, размещенных на удаленных друг от друга объектах, и содержит на первом объекте генератор сигналов времени (шкалы времени), генератор оптического излучения, волоконно-оптический разветвитель, а также волоконно-оптический циркулятор и поляризатор либо зеркало и волоконно-оптический фильтр, на втором объекте - волоконно-оптический циркулятор либо зеркало, волоконно-оптический разветвитель, фотоприемное устройство, таймер событий, в качестве которого используют многостоповый измеритель временных интервалов, генератор сигналов времени и персональный компьютер. Технический результат заключается в повышении точности синхронизации или сличения в различных условиях воздействия окружающей среды за счет использования трехпроходной системы передачи сигналов времени по волоконно-оптической линии, многостопового измерителя временных интервалов, позволяющего измерять время прихода каждого импульса сигналов времени первого объекта в шкале времени второго объекта и определять значения времен задержки между любыми парами приходящих импульсов сигналов времени с точностью до 4 пс, а также за счет применения поляризатора, позволяющего исключить интерференцию прямого и обратного оптического излучения либо за счет использования зеркал, обеспечивающих передачу моделированного оптического излучения со второго объекта на первый и волоконно-оптического фильтра (второй вариант). 3 н. и 4 з.п. ф-лы, 6 ил.

1. Способ синхронизации или сличения шкал времени в виде сигналов 1PPS на двух удаленных объектах, сформированных генераторами, включающий генерацию сигнала времени, модуляцию сигналом времени оптического излучения, передачу модулированного оптического излучения с одного объекта на другой с использованием волоконно-оптической линии связи, выделение из модулированного оптического излучения сигнала времени, ответвление части модулированного оптического излучения и его передачу с одного объекта на другой, измерение времени передачи сигнала времени от одного объекта на другой и обратно, определение времени задержки в канале передачи и его компенсацию, отличающийся тем, что процесс проводят путем модуляции оптического излучения сигналом времени первого объекта, передачи модулированного оптического излучения с первого объекта на второй с использованием волоконно-оптической линии, выделении на втором объекте из модулированного оптического излучения сигнала времени, измерении на втором объекте времени Т_ШВ2 прихода первого сигнала времени, ответвлении части модулированного оптического излучения и его передачи со второго объекта на первый и обратно, выделении на втором объекте из модулированного оптического излучения сигнала времени, измерении на втором объекте времени t_2ϕ, передачи сигнала времени от второго объекта на первый и обратно, определении времени t_ϕ задержки сигнала времени в канале передачи по формуле

где t_2ϕ - время прохождения сигналом времени пути от второго объекта на первый и обратно;

t₁ - время прохождения сигналом времени пути от генератора сигналов времени (шкалы времени) первого объекта до входа волоконно-оптической линии со стороны первого объекта;

t₂ - время прохождения сигналом времени пути от выхода волоконно-оптической линии со стороны второго объекта до входа таймера событий;

t₃ - время прохождения ответвленным на втором объекте сигналом времени пути от волоконно-оптического разветвителя второго объекта до входа волоконно-оптической линии со стороны второго объекта;

t₄ - время прохождения ответвленным сигналом времени пути от выхода волоконно-оптической линии со стороны первого объекта до входа волоконно-оптической линии со стороны первого объекта;

и компенсации времени t_ϕ задержки сигнала времени в канале передачи в измеренном времени Т_ШВ2 прихода первого сигнала времени для получения на втором объекте аналитической шкалы времени первого объекта по формуле

полученный при этом сигнал Т_ШВ1 времени на втором объекте соответствует сигналу времени первого объекта, по которому проводят синхронизацию или сличение шкал времени удаленных объектов.

2. Устройство для синхронизации или сличения шкал времени, состоящее из двух составных частей, размещенных на удаленных друг от друга объектах, включающее генератор сигналов времени (шкалы времени), генератор оптического излучения, волоконно-оптический циркулятор, волоконно-оптический разветвитель, фотоприемное устройство, таймер событий, персональный компьютер и волоконно-оптическую линию связи, соединяющую объекты, отличающееся тем, что устройство дополнительно содержит поляризатор, расположенный на первом объекте, при этом первый объект содержит генератор сигналов времени (шкалы времени), соединенный с генератором оптического излучения, подключенным к одному из портов волоконно-оптического циркулятора первого объекта, еще один порт волоконно-оптического циркулятора первого объекта соединен с волоконно-оптическим разветвителем данного объекта, а третий порт - с поляризатором, который соединен с волоконно-оптическим разветвителем первого объекта, причем данный волоконно-оптический разветвитель соединен с волоконно-оптической линией, связывающей удаленные объекты, при этом второй объект содержит волоконно-оптический циркулятор, который одним из портов соединен с волоконно-оптической линией, связывающей удаленные объекты, а двумя другими портами - с волоконно-оптическим разветвителем второго объекта, соединенным с фотоприемным устройством, расположенным на втором объекте, причем фотоприемное устройство соединено с таймером событий, в качестве которого используют многостоповый измеритель временных интервалов, расположенным на втором объекте, который соединен с генератором сигналов времени (шкалы времени) второго объекта и персональным компьютером.

3. Устройство по п. 2, отличающееся тем, что оно дополнительно содержит на втором объекте формирователь шкалы времени, причем формирователь шкалы времени соединен с генератором сигналов времени (шкалы времени), таймером событий и персональным компьютером второго объекта.

4. Устройство по п. 2, отличающееся тем, что оно дополнительно содержит на первом и втором объектах волоконно-оптический усилитель и волоконно-оптический фильтр, причем волоконно-оптический циркулятор первого объекта одним из портов соединен с генератором оптического излучения, другим - с волоконно-оптическим разветвителем первого объекта, третьим - с волоконно-оптическим усилителем данного объекта, при этом волоконно-оптический усилитель первого объекта соединен с волоконно-оптическим фильтром данного объекта, который соединен с поляризатором, присоединенным к волоконно-оптическому разветвителю первого объекта, при этом волоконно-оптический циркулятор второго объекта одним из портов соединен с волоконно-оптической линией, связывающей удаленные объекты, еще одним - с волоконно-оптическим разветвителем второго объекта, другим - с волоконно-оптическим фильтром данного объекта, который соединен с волоконно-оптическим усилителем второго объекта, соединенным также с волоконно-оптическим разветвителем данного объекта.

5. Устройство по п. 2, отличающееся тем, что оно дополнительно содержит на первом и втором объектах волоконно-оптический усилитель и волоконно-оптический фильтр, а также формирователь шкалы времени на втором объекте, при этом волоконно-оптический циркулятор первого объекта одним из портов соединен с генератором оптического излучения, еще одним - с волоконно-оптическим разветвителем первого объекта, третьим - с волоконно-оптическим усилителем данного объекта, причем волоконно-оптический усилитель первого объекта соединен с волоконно-оптическим фильтром данного объекта, который соединен с поляризатором, который присоединен к волоконно-оптическому разветвителю первого объекта, а волоконно-оптический циркулятор второго объекта одним из портов соединен с волоконно-оптической линией, связывающей удаленные объекты, еще одним - с волоконно-оптическим разветвителем второго объекта, другим - с волоконно-оптическим фильтром данного объекта, который соединен с волоконно-оптическим усилителем второго объекта, соединенным также с волоконно-оптическим разветвителем данного объекта, при этом формирователь шкалы времени соединен с генератором сигналов времени (шкалы времени) второго объекта, таймером событий и персональным компьютером.

6. Устройство для синхронизации или сличения шкал времени, состоящее из двух составных частей, размещенных на удаленных друг от друга объектах, включающее генератор сигналов времени (шкалы времени), генератор оптического излучения, волоконно-оптический разветвитель, фотоприемное устройство, таймер событий, персональный компьютер и волоконно-оптическую линию связи, соединяющую объекты, отличающееся тем, что устройство дополнительно содержит зеркала, расположенные на первом и втором объектах, а также волоконно-оптический фильтр, расположенный на первом объекте, причем волоконно-оптический разветвитель первого объекта соединен с волоконно-оптической линией, связывающей удаленные объекты, зеркалом и волоконно-оптическим фильтром данного объекта, соединенным с генератором оптического излучения, который соединен с генератором сигналов времени (шкалы времени) первого объекта, и волоконно-оптический разветвитель второго объекта соединен с волоконно-оптической линией, связывающей удаленные объекты, зеркалом и фотоприемным устройством этого объекта, причем фотоприемное устройство соединено с таймером событий, в качестве которого используют многостоповый измеритель временных интервалов, расположенным на втором объекте, который соединен с генератором сигналов времени (шкалы времени) второго объекта и персональным компьютером.

7. Устройство по п. 6, отличающееся тем, что оно дополнительно содержит на втором объекте формирователь шкалы времени, причем формирователь шкалы времени соединен с генератором сигналов времени (шкалы времени), таймером событий и персональным компьютером второго объекта.