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CN110995341B - 基于光载微波干涉的光纤时延测量方法及装置 - Google Patents

基于光载微波干涉的光纤时延测量方法及装置 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于光载微波干涉的光纤时延测量方法，将两路波长不同的光载波耦合为一路后，用微波信号对其进行强度调制；将所得调制光信号中的两路不同波长的光载微波信号分离出来，令其中一路通过待测光纤后与另一路光载微波信号耦合为一路，对耦合后的光载微波信号进行光电探测并测量出所得光电流的幅度；令所述微波信号从零开始扫频，并在每个频点重复以上过程，从而得到随所述微波信号频率变化而呈周期性变化的光电流幅度信息，最后根据所述光电流幅度信息解算出待测光纤的时延。本发明还公开了一种基于光载微波干涉的光纤时延测量装置。本发明可以低成本实现高精度、大范围的光纤时延测量。

Description

基于光载微波干涉的光纤时延测量方法及装置
技术领域
本发明涉及一种光纤时延测量方法及装置。
背景技术
常用的光纤时延测量方法主要有脉冲法、频率扫描干涉法和相推法三种。脉冲法通过观测发射光脉冲与接收光脉冲的时间间隔计算出被测光纤的时延，由于光纤色散会对光脉冲进行展宽，恶化测量精度，因此脉冲法不适合对长光纤进行精确测量。脉冲法存在着许多不可避免的误差，如仪器分辨力误差、光纤色散误差等。因此脉冲法的测量精度只是米量级，且随着光纤时延的增加，测量误差也随着增大。频率扫描干涉法需要使用连续扫频激光器，价格昂贵，而且受限于这种激光器的线宽跟扫频线性度，其测量范围较小，一般为10微秒(公里)量级，而且测量精度随着光纤时延的增大而明显减小。相推法由于使用相位变化来推算光纤时延，精度较高，且可以规避大时延量恶化精度的问题，但是相推法需要使用价格较高的微波鉴相器，尤其在使用较高频率的微波信号进行测量的时候，没有高频的微波鉴相器，需要上、下变频，容易带来额外的鉴相误差。
综上，现有技术存在以下缺点：(1)脉冲法的测量精度不高，只能达到10纳秒(米级)量级；(2)频率扫描干涉法难以准确测量长光纤时延，且对光源的要求很高，价格昂贵；(3)相推法需要使用价格较高的微波鉴相器，成本高。
发明内容
本发明所要解决的技术问题在于克服现有技术不足，提供一种基于光载微波干涉的光纤时延测量方法，可以低成本实现高精度、大范围的光纤时延测量。
本发明的技术方案具体如下：
一种基于光载微波干涉的光纤时延测量方法，将两路波长不同的光载波耦合为一路后，用微波信号对其进行强度调制；将所得调制光信号中的两路不同波长的光载微波信号分离出来，令其中一路通过待测光纤后与另一路光载微波信号耦合为一路，对耦合后的光载微波信号进行光电探测并测量出所得光电流的幅度；令所述微波信号从零开始扫频，并在每个频点重复以上过程，从而得到随所述微波信号频率变化而呈周期性变化的光电流幅度信息，最后根据所述光电流幅度信息解算出待测光纤的时延。
优选地，具体根据下式解算出待测光纤的时延τD：
Figure BDA0002337643470000021
其中，τ0为所述另一路光载微波信号的时延；按照所述微波信号从小到大的顺序，fk表示光电流幅度的第k个波谷所对应的微波信号频率，k为正整数。
优选地，用波分复用器将所得调制光信号中的两路不同波长的光载微波信号分离出来。
优选地，用微波功率计测量出所得光电流的幅度。
根据相同的发明构思还可以得到以下技术方案：
一种基于光载微波干涉的光纤时延测量装置，包括：
光源模块，用于生成两路波长不同的光载波并将其耦合为一路；
微波源，用于输出从零开始扫频的微波信号；
强度调制器，用于用微波扫频源输出的微波信号对光源模块输出光信号进行强度调制；
光载微波干涉模块，用于将强度调制器所输出调制光信号中的两路不同波长的光载微波信号分离出来，并令其中一路通过待测光纤后与另一路光载微波信号耦合为一路；
光电探测器，用于对光载微波干涉模块输出的耦合后的光载微波信号进行光电探测；
幅度提取模块，用于从光电探测器的输出信号中提取出随所述微波信号频率变化而呈周期性变化的光电流幅度信息；
解算模块，用于根据所述光电流幅度信息解算出待测光纤的时延。
优选地，解算模块具体根据下式解算出待测光纤的时延τD：
Figure BDA0002337643470000022
其中，τ0为所述另一路光载微波信号的时延；按照所述微波信号从小到大的顺序，fk表示光电流幅度的第k个波谷所对应的微波信号频率，k为正整数。
优选地，所述光载微波干涉模块使用波分复用器将强度调制器所输出调制光信号中的两路不同波长的光载微波信号分离出来。
优选地，所述幅度提取模块为微波功率计。
相比现有技术，本发明技术方案具有以下有益效果：
(1)结构简单，不需要微波鉴相，容易实现；
(2)系统稳定性高，重复精度可达微米级；
(3)采用的器件均为光通信领域成熟的商用器件，价格低廉，总体成本低。
附图说明
图1为本发明光纤时延测量装置一个具体实施例的结构原理示意图。
具体实施方式
针对现有技术不足，本发明的解决思路是将微波信号强度调制到两个波长不同的光载波上，再通过波分复用器将光信号按照波长分开，一路不经过待测光纤，作为参考路，一路经过待测光纤，作测量路，最后将其合束输入光电探测器，这就形成了光载微波干涉仪，扫描微波信号的频率，并通过成熟的微波功率提取技术提取出微波信号的幅度变化，由此可得到微波干涉条纹，并解算出光纤时延。
本发明的光纤时延测量方法具体如下：将两路波长不同的光载波耦合为一路后，用微波信号对其进行强度调制；将所得调制光信号中的两路不同波长的光载微波信号分离出来，令其中一路通过待测光纤后与另一路光载微波信号耦合为一路，对耦合后的光载微波信号进行光电探测并测量出所得光电流的幅度；令所述微波信号从零开始扫频，并在每个频点重复以上过程，从而得到随所述微波信号频率变化而呈周期性变化的光电流幅度信息，最后根据所述光电流幅度信息解算出待测光纤的时延。
本发明基于光载微波干涉的光纤时延测量装置，包括：
光源模块，用于生成两路波长不同的光载波并将其耦合为一路；
微波源，用于输出从零开始扫频的微波信号；
强度调制器，用于用微波扫频源输出的微波信号对光源模块输出光信号进行强度调制；
光载微波干涉模块，用于将强度调制器所输出调制光信号中的两路不同波长的光载微波信号分离出来，并令其中一路通过待测光纤后与另一路光载微波信号耦合为一路；
光电探测器，用于对光载微波干涉模块输出的耦合后的光载微波信号进行光电探测；
幅度提取模块，用于从光电探测器的输出信号中提取出随所述微波信号频率变化而呈周期性变化的光电流幅度信息；
解算模块，用于根据所述光电流幅度信息解算出待测光纤的时延。
为了便于公众理解，下面通过一个具体实施例，并结合附图来对本发明的技术方案及其原理进行详细说明：
本实施例中测量装置的结构如图1所示，光源1与光源2分别产生一个光载波，两个光载波的波长不同，并且分别对应于波分复用器的两个波长通道，利用光耦合器合为一路之后，输入到光强度调制器，被微波源输出的微波信号调制后，再用波分复用器将波长不同的光信号分为两路，一路作参考路，一路作测量路。
两束光载波耦合之后的光信号可以表示为：
Figure BDA0002337643470000041
经过强度调制后产生的光信号可表示为：
Figure BDA0002337643470000042
其中，ω是微波信号的角频率，M是调幅系数。
通过波分复用器，将强度调制的光信号按照波长分为两路，一路光信号进测量路，经过待测光纤，另一路光信号进参考路，此后两路光信号可分别表示为：
Figure BDA0002337643470000043
其中，τ0为参考路的时延，τD为待测光纤的时延，α1，α2分别为测量路和参考路损耗系数。
再将两路光信号耦合为一路，经光电探测器拍频转换为电信号，为：
Figure BDA0002337643470000044
其中，η为光电探测器的响应度。由此可以得到光电流的幅度为：
Figure BDA0002337643470000051
利用微波功率计提取出光电流的幅度信息后，可以发现光电流的幅度随微波信号频率呈现周期性的变化，并且这个周期等于待测光纤与参考路的时延差的倒数，由于参考路的时延τ0可由校准得到，从而可计算得到待测光纤的时延τD。
解算方法具体如下：
按照微波频率从小到大的顺序，依次找出光电流幅度的k个波谷频率，记为f1,f2,…fk；根据公式(5)可知第k个波谷频率为：
Figure BDA0002337643470000052
所以可得待测光纤的时延为：
Figure BDA0002337643470000053
综上可知，本发明测量装置结构简单，所使用部件均比较易得且廉价，解算过程也极为简便，因此可以低成本实现高精度、大范围的光纤时延测量。

Claims (8)

1.一种基于光载微波干涉的光纤时延测量方法，其特征在于，将两路波长不同的光载波耦合为一路后，用微波信号对其进行强度调制；将所得调制光信号中的两路不同波长的光载微波信号分离出来，令其中一路通过待测光纤后与另一路光载微波信号耦合为一路，对耦合后的光载微波信号进行光电探测并测量出所得光电流的幅度；令所述微波信号从零开始扫频，并在每个频点重复以上过程，从而得到随所述微波信号频率变化而呈周期性变化的光电流幅度信息，最后根据所述光电流幅度信息解算出待测光纤的时延。
2.如权利要求1所述基于光载微波干涉的光纤时延测量方法，其特征在于，具体根据下式解算出待测光纤的时延τD：
Figure FDA0002337643460000011
其中，τ0为所述另一路光载微波信号的时延；按照所述微波信号从小到大的顺序，fk表示光电流幅度的第k个波谷所对应的微波信号频率，k为正整数。
3.如权利要求1所述基于光载微波干涉的光纤时延测量方法，其特征在于，用波分复用器将所得调制光信号中的两路不同波长的光载微波信号分离出来。
4.如权利要求1所述基于光载微波干涉的光纤时延测量方法，其特征在于，用微波功率计测量出所得光电流的幅度。
5.一种基于光载微波干涉的光纤时延测量装置，其特征在于，包括：
光源模块，用于生成两路波长不同的光载波并将其耦合为一路；
微波源，用于输出从零开始扫频的微波信号；
强度调制器，用于用微波扫频源输出的微波信号对光源模块输出光信号进行强度调制；
光载微波干涉模块，用于将强度调制器所输出调制光信号中的两路不同波长的光载微波信号分离出来，并令其中一路通过待测光纤后与另一路光载微波信号耦合为一路；
光电探测器，用于对光载微波干涉模块输出的耦合后的光载微波信号进行光电探测；
幅度提取模块，用于从光电探测器的输出信号中提取出随所述微波信号频率变化而呈周期性变化的光电流幅度信息；
解算模块，用于根据所述光电流幅度信息解算出待测光纤的时延。
6.如权利要求5所述基于光载微波干涉的光纤时延测量装置，其特征在于，解算模块具体根据下式解算出待测光纤的时延τD：
Figure FDA0002337643460000021
其中，τ0为所述另一路光载微波信号的时延；按照所述微波信号从小到大的顺序，fk表示光电流幅度的第k个波谷所对应的微波信号频率，k为正整数。
7.如权利要求5所述基于光载微波干涉的光纤时延测量装置，其特征在于，所述光载微波干涉模块使用波分复用器将强度调制器所输出调制光信号中的两路不同波长的光载微波信号分离出来。
8.如权利要求5所述基于光载微波干涉的光纤时延测量装置，其特征在于，所述幅度提取模块为微波功率计。
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