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上海交通大學科研團隊研制出高精度光纖時間同步系統

時間:2018-09-13發布者:央廣網瀏覽次數:1447次

      央廣網上海9月12日消息(記者吳善陽 唐奇云)在日常生活中,如果我們和朋友約定的聚會時間具體到了“秒”,那是再精確不過的了。可是在深空探測、射電天文、基礎物理測量等前沿科研領域,以及導航定位、通信、電力、金融等關系國計民生的領域中,“秒”的精度還遠遠不夠——我們需要獲取更高的時間頻率精度,每一次時頻精度的提高,都能夠使人們在更深的層次上認識物質世界。

      現有的衛星等時間傳遞的精度受空間信道的影響,難以滿足前沿科研、高精度導航定位、5G通信等應用的需求。而光纖時間傳遞系統利用光纖傳輸的高穩定、大帶寬、低損耗等優勢,可有效突破現有技術限制,實現高精度、長距離時間傳遞。在此背景下,上海交通大學區域光纖通信網與新型光通信系統國家重點實驗室吳龜靈教授團隊歷經多年潛心研究,采用多項自主核心專利技術,最大限度地利用光網絡資源實現了超長距離、分布式、大范圍高精度時間傳遞,即便身處地球任意一個地方,也能達到精準“同步”。該技術將于本月19日開幕的第二十屆中國國際工業博覽會展出亮相。


上海交通大學科研團隊研制出高精度光纖時間同步系統。(央廣網發 上海交通大學 供圖)

      自主研發光纖時間傳遞技術使時間精準“同步”時間是七個國際基本物理量之一,是關系國計民生、社會和國家發展的信息基石,對社會的支撐包括:導航定位、通信、電力、金融、智能交通、數字地球、航空航天、前沿科技等等,幾乎是全方位。

      基于衛星的雙向時間比對是目前性能最高的時間頻率傳遞手段,但它的精度會受到溫度、電離層變化等干擾,且價格昂貴、核心技術受國外壟斷。為了充分發揮高精度時間頻率基準的效用,推動深空探索、大地觀測、基本物理常數測定等科學研究,實現高精度導航定位、國家時間頻率體系,以及支持新一代通信、電力、金融、智能交通、物聯網等,亟需發展高精度的廣域時間同步系統。

      光纖時間傳遞技術利用光纖通道的低損耗、大帶寬、高穩定等優點,是目前最高精度的時間傳遞手段。在光纖網絡已覆蓋全球的基礎上,光纖時間傳遞在精度、覆蓋范圍、成本、可靠性、安全性等方面都具有明顯的優勢,有望成為未來地基時間傳遞的主要手段之一。美國、歐洲、日本等都高度關注這項技術的發展,投入大量資金開展相關技術和系統設備的研制。

      吳龜靈團隊采用“雙向時分同纖同波傳輸”、“低抖動自對準時間編解碼”、“單纖雙向傳輸-單向放大”、“單纖雙向光電中繼與多路下載”等多項自主核心專利技術,在有效抑制后向散射噪聲的影響的同時,最大限度保證鏈路雙向傳輸對稱性,無需鏈路標定;傳遞精度優于100皮秒(1皮秒等于10000億分之一秒),距離超過13000公里,處于國際領先水平;系統具備多種組網方式,可根據應用需求靈活組網,可嵌入現有光網絡,最大限度利用光網絡資源實現超長距離、分布式、大范圍高精度時間傳遞;可用于支撐形成統一標準時的國家/國際時間頻率體系、衛星導航、航天等重大基礎設施與工程的建設,也可滿足通信、電力、金融、分布式雷達、智能交通、物聯網等對精準時間同步的需求。

      核心技術國際領先 為關鍵領域及前沿探索提供重要支撐,據介紹,吳龜靈團隊采用國際上首次提出的“雙向時分同纖同波時間傳遞”技術,突破了雙向對稱性與后向散射噪聲之間的相互制約,同時獲得高穩定度和高準確度,且無需鏈路標定,大大降低了系統復雜度和運維成本;同時該團隊首個提出與現有光網絡兼容的高對稱低噪聲雙向光放大技術,實現多跳超長距離光放大,極大拓展傳輸距離的同時,可使光纖授時通路嵌入光纖網絡,最大限度利用光網絡資源;專利的高對稱低噪聲光電中繼與多點接入技術,可實現大范圍、分布式、扁平化的光纖時間傳遞,增加光纖時間傳遞的可靠性、安全性;采用基于高精度光學相干檢測和光電混合檢測的零值標定方法,標定精度達皮秒(ps)量級;傳遞精度優于100皮秒,距離超過13000公里,遠超國際上同等精度下的最長光纖時間傳輸距離。

      研制的光纖時間同步系統擁有完全自主核心知識產權,包括:美國和歐洲授權發明專利各1項,國家授權發明專利11項,申請美國和歐洲專利各1項、PCT專利3項、國家發明專利6項。在國際期刊和時頻領域頂級會議上發表論文20多篇。

      該系統的應用還將帶來多方面的重大社會效益。在國家時間頻率體系、衛星導航等國家重大基礎設施中的應用,將為建成高精度、獨立自主、安全可靠的國家時間標準及導航定位系統提供關鍵支撐;通過提供高精度的時間,不僅可大大提升現有科學研究的觀察能力,而且還會為開拓新的探測手段和方法提供基礎,推動包括引力波探測、相對論驗證在內的諸多前沿基礎科學研究;通過為5G、物聯網等提供低成本的納秒(ns)級時間同步,為推動5G等相關產業的建設和發展發揮重大作用。

      值得注意的是,除了該時間同步系統之外,本屆工博會上海交大共有20項參展項目,實物展示達80%,其中4項獲得2017年度國家科技進步二等獎,4項獲得上海市獎項,項目涉及智能制造、信息技術、人工智能、新材料、微納米技術、新能源汽車裝備、高端醫療設備、機器人、臨床醫學、現代農業等多個領域。

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