CN104458215A - 一种光纤延迟线的延迟时间测量电路 - Google Patents

Abstract

本发明为一种光纤延迟线的延迟时间测量电路，激光脉冲发射部分激光器发出的窄脉冲激光被光纤分路器分成2路。激光脉冲接收部分包括两套相同的光电探测器、自动增益控制电路和时刻鉴别电路。一路激光直接进入第一光电探测器，另一路窄脉冲激光经待测光纤延迟线进入第二光电探测器。2路转换的电信号分别经各自的自动增益控制电路接入各自的时刻鉴别电路。第一、二时刻鉴别电路的输出分别接入时间数字处理模块的启和停通道，后者输出接入与上位机相连的主控制模块。数字处理模块由计时起始和终止信号得时间差，转换成数字信号，经主控制模块发送上位机显示并输出测量结果。本发明实现皮秒级的延迟时间测量，精度高、刷新率高；易于实施。

Description

一种光纤延迟线的延迟时间测量电路

技术领域

本发明涉及光纤技术领域，具体涉及一种基于时间数字转换器芯片的光纤延迟线的延迟时间测量电路。

背景技术

随着光纤技术的不断发展，作为新型信号处理器件的光纤延迟线正广泛应用。光纤延迟线的原理是射频电信号变换成该信号调制的光信号后送入光纤，再将射频调制的光信号变换为原来的射频电信号。射频信号瞬时存储在光纤延迟线中，延迟时间与光纤的长度成正比。

光纤延迟线在光纤通信系统中可实现信号的编码与缓存，在光纤传感与光学测量系统中参与实现测量信号的采集与传输，在光控相控阵列天线系统中实现微波信号的精确相位分配与控制、雷达回波信号的相关除噪，在电子对抗系统中实现信号瞬间存储、对敌方实施欺骗性干扰的激光引信系统；也在微波光子学等领域得到应用。相关应用领域均要求光纤延迟线的延迟时间必须非常精确，尤其是在军事应用领域，要求更加严格。

虽然目前测量光纤延迟线延迟时间的方法有很多，但测量精度都不高，专门的光纤延迟线延迟时间测量仪器国内外均还处于研制阶段。目前市场急需快速、准确测量光纤延迟线延迟时间的测量装置和方法。

发明内容

本发明的目的是设计一种光纤延迟线的延迟时间测量电路，包括激光脉冲发射部分、激光脉冲接收部分、时间数字处理模块及主控制电路部分，以时间数字转换芯片(Time to Digital Converter，TDC)为核心的时间数字处理模块，测量经过光纤延迟线和没经过光纤延迟线的光脉冲间隔时间，得到激光在光纤延迟线中的准确延迟时间。

本发明设计的一种光纤延迟线的延迟时间测量电路包括激光脉冲发射部分、激光脉冲接收部分、时间数字处理模块及主控制模块。

所述激光脉冲发射部分包括激光器、激光器驱动电路、光纤分路器，激光器驱动电路的信号输出端接入激光器的控制端，激光器发射的激光接入光纤分路器。激光器驱动电路产生窄脉冲驱动信号并输出可控驱动电流，驱动激光器发出窄脉冲激光，进入光纤分路器的窄脉冲激光作为信号源分成两路。

激光脉冲接收部分包括两套相同的电路，即顺序连接第一光电探测器、第一自动增益控制电路和第一时刻鉴别电路，以及顺序连接第二光电探测器、第二自动增益控制电路和第二时刻鉴别电路。光纤分路器分出的一路窄脉冲激光直接进入第一光电探测器，另一路窄脉冲激光经过待测的光纤延迟线后进入第二光电探测器。两个光电探测器转换所得的电信号分别经各自的自动增益控制电路接入各自的时刻鉴别电路。

第一时刻鉴别电路和第二时刻鉴别电路的输出分别作为启动计时和结束计时信号接入时间数字处理模块的启和停通道。时间数字处理模块为时间数字转换芯片及附属电路，其输出接入主控制模块。

主控制模块与上位机相连接，由上位机配置主控制模块的相关参数，控制延迟时间测量的过程，测量结果由上位机显示输出。上位机配置参数包括时间数字转换芯片工作模式选择和测量模式选择。时间数字转换芯片(TDC-GPX芯片)的设计可按需求选择I、G、R、M四种工作模式，对应不同的精度和测量范围。测量模式选择1～20次的测量次数，当选择多次测量模式芯片可对测量数据进行对比和平均化处理。

所述的激光器为单纵模DFB激光器(外调制的分布反馈激光器)，中心波长为1064nm，谱宽小于10nm，上升下降时间小于1ns。其线性度好、响应速度快、工作频率高、频带宽，以产生上升、下降时间小的窄脉冲激光。

所述的光纤分路器为单模光纤分路器，分光比为90:10～97:3，大部分激光束进入待测光纤延迟线。

所述的第一、第二光电探测器为响应频率大于7.5GHz，暗电流小于5nA，响应波长覆盖1064±20nm的APD(雪崩光电二极管)类型光电探测器。

所述的第一、第二光电探测器的电路结构相同，包括APD光电探测器和检测电路,APD光电探测器将接收到的光信号变为与之成比例的电流信号，检测电路为由低噪声集成运放及反馈电阻组成的低噪声跨阻放大电路,将APD光电探测器所得电流信号转换成电压信号并进行放大，抑制对光电探测器的暗电流噪声，有效减小噪声对测量系统的影响,以利于时刻鉴别电路的鉴别阈值判定。

所述第一、第二自动增益控制电路的结构相同，包括顺序连接的可控增益放大器和峰值检测器，还有增益控制器，前一级光电控测器的输出接入可控增益放大器，峰值检测器的输出端接入时刻鉴别电路，其反馈信号接入增益控制器；增益控制器的控制信号接入可控增益放大器。增益控制器根据反馈信号控制可控增益放大器，使其放大的脉冲信号幅值保持在固定的区间内，有效地降低由于脉冲信号强度的变化造成时刻鉴别误差。

所述第一、第二时刻鉴别电路的结构相同，包括延时器、低通滤波器、反向输入电路、2个高速比较器和D触发器，前一级自动增益控制电路输出信号分为三路，第一路信号经延时器输入高速比较器A的正相输入端，第二路信号经低通滤波器输入到高速比较器A的反相输入端，第三路信号直接输入到高速比较器B的正相输入端，反向输入电路的输出信号接入高速比较器B的反相输入端。高速比较器A和高速比较器B的输出接入D触发器，第一、第二时刻鉴别电路的D触发器输出的TTL电平信号分别作为启动计时和结束计时信号接入时间数字处理模块的启和停通道。

所述第一、第二时刻鉴别电路中的高速比较器A、B响应时间小于500ps，最高工作带宽大于4GHz，并配有TTL/CMOS电平兼容输出。

使用时本电路通电、完成初始化，需要时上位机配置主控制模块的工作模式和测量模式，即选择时间数字转换芯片的工作模式和测量模式；主控制模块发送指令到激光脉冲发射部分的激光器驱动电路，激光器驱动电路驱动激光器发出脉冲激光束，激光束经光纤分路器分为两束，其中一束直接进入激光脉冲接收部分的第二光电探测器、第二自动增益控制电路和第二时刻鉴别电路，另一束则经过待测的光纤延迟线进入第一光电探测器、第一自动增益控制电路和第一时刻鉴别电路，光电探测器将光信号转换为脉冲电信号，自动增益控制电路将脉冲激光信号转换的模拟脉冲电压调整为幅值和形状趋近一致的脉冲电压信号。自动增益控制电路输出的脉冲电压信号在时刻鉴别电路分成三路，经延时器输入到高速比较器A正相输入端反向延时信号和经低通滤波器衰减后的衰减信号相加、产生的过零点为时刻鉴别的定时点。当高速比较器A的正相、反相输入端信号的相对大小发生改变时，其输出状态改变，状态改变后的时刻点不受输入信号幅值的改变的影响，定时点始终在信号达到其某一固定大小比例时发生，故可实现恒定比值时刻鉴别。高速比较器B作为鉴别比较器，反向输入电路的信号调节其鉴别的阈值。高速比较器A和B输出的时刻信号送入D触发器产生同步的TTL信号。反向输入电路设定一个鉴别的阈值，通过调节方向输入电路的输出电压改变阈值大小。只有当高速比较器B输入信号的幅值大于鉴别阈值时，高速比较器B才输出“高”信号进入D触发器的CLK(时钟)输入端，令D触发器产生与高速比较器A同步的信号。而当高速比较器B输入信号低于鉴别阈值时，D触发器输出为高电平。

直接进入第一光电探测器的脉冲激光、经第一自动增益控制电路和第一时刻鉴别电路产生的TTL信号接入时间数字处理模块的启通道，为其计时的起始信号；经过光纤延迟线进入第二光电探测器的脉冲激光、经第二自动增益控制电路和第二时刻鉴别电路产生的TTL信号接入时间数字处理模块的停通道，为其计时的终止信号。数字处理模块由计时的起始信号和计时的终止信号得到二者的时间差，转换成数字信号，经主控制模块发送给上位机，上位机显示并输出测量结果。主控制模块得到测量结果后，发送指令到激光脉冲发射部分的激光器驱动电路，停止激光发射。

与现有的技术相比，本发明一种光纤延迟线的延迟时间测量电路的优点为：1、自动增益控制电路控制脉冲信号放大幅值趋近一致，减小了整个电路的时刻鉴别误差，时刻鉴别电路为恒定比值鉴别，即使输出幅值改变，定时点始终在信号达到固定比例时产生，有效地降低激光脉冲幅值变化所引起的漂移误差，结合激光器的超窄脉冲激光，时间数字转换芯片可实现皮秒级的延迟时间测量，测量精度高、测量刷新率高；2、本电路采用现有元器件，易于实施，且体积小、功耗低，适用于各领域光纤延迟线延迟时间的测量。

附图说明

图1为本光纤延迟线的延迟时间测量电路的结构框图。

图2为图1中激光接收部分的自动增益控制电路框图；

图3为图1中激光接收部分的时刻鉴别电路框图电路。

具体实施方式

本光纤延迟线的延迟时间测量电路实施例如图1所示，包括激光脉冲发射部分、激光脉冲接收部分、时间数字处理模块及主控制模块。

本例主控制模块包括相互连接的现场可编程门阵列FPGA和微处理器单元MCU，现场可编程门阵列与激光器驱动电路连接、为其提供脉冲信号，现场可编程门阵列还为时间数字处理模块的时间数字转换芯片提供时序信号。微处理器单元通过USB接口或者RS232接口与上位机连接，接受上位机的指令并向上位机传送测量结果。微处理单元经串行外设接口(SPI接口)与时间数字转换芯片连接，以完成上位机对其的参数设置，并读取其所得的测量结果。微处理单元还为其它各电路提供驱动控制信号、使之正常工作。上位机配置主控制模块微处理单元的相关参数，控制延迟时间测量的过程，测量结果由上位机显示输出。

本例激光脉冲发射部分包括激光器、激光器驱动电路、光纤分路器，激光器驱动电路的信号输出端接入激光器的控制端，激光器发射的激光接入光纤分路器。本例的激光器为单纵模DFB激光器，中心波长为1064nm，脉宽2ns，上升下降时间小于500ps。激光器驱动电路提供100mA到700mA可控的驱动电流，并产生脉宽2ns，上升沿500ps的脉冲信号。

本例光纤分路器为单模光纤分路器，分光比为95:5，大部分激光束进入待测光纤延迟线。

激光脉冲接收部分包括两套相同的电路，即顺序连接第一光电探测器、第一自动增益控制电路和第一时刻鉴别电路，以及顺序连接第二光电探测器、第二自动增益控制电路和第二时刻鉴别电路。光纤分路器分出的一路窄脉冲激光直接进入第一光电探测器，另一路窄脉冲激光经过待测的光纤延迟线后进入第二光电探测器。两个光电探测器转换所得的电信号分别经各自的自动增益控制电路接入各自的时刻鉴别电路。第一时刻鉴别电路和第二时刻鉴别电路的输出分别作为启动计时和结束计时信号接入时间数字处理模块的启和停通道。

本例时间数字处理模块为时间数字转换芯片及附属电路，其输出接入主控制模块的微处理单元，本例时间数字转换芯片为德国ACAM公司的TDC-GPX芯片，本例上位机设置其工作模式为R模式，双通道27皮秒精度，单通道40MHz采样率，可配置作为扩展。

本例的第一、第二光电探测器为响应频率大于7.5GHz，暗电流小于5nA，响应波长覆盖1064±20nm的APD类型光电探测器。

所述第一、第二自动增益控制电路的结构相同，如图2所示，包括顺序连接的可控增益放大器和峰值检测器，还有增益控制器，光电探测器的输出接入可控增益放大器，峰值检测器的输出端接入时刻鉴别电路，其反馈信号接入增益控制器；增益控制器的控制信号接入可控增益放大器。

所述第一、第二时刻鉴别电路的结构相同，如图3所示，包括延时器、低通滤波器、反向输入电路、2个高速比较器和D触发器，前一级自动增益控制电路输出信号分为三路，第一路信号经延时器输入高速比较器A的正相输入端，第二路信号经低通滤波器输入到高速比较器A的反相输入端，第三路信号直接输入到高速比较器B的正相输入端，反向输入电路的输出信号接入高速比较器B的反相输入端。高速比较器A和高速比较器B的输出接入D触发器，第一、第二时刻鉴别电路的D触发器输出的TTL电平信号分别作为启动计时和结束计时信号接入时间数字处理模块的启和停通道。

本例工作时，激光脉冲发射部分，由激光器驱动电路驱动产生的脉宽2ns，上升沿500ps的激光脉冲信号，经过光纤分路器5％的脉冲光信号直接送到激光接收部分的第一光电探测器，经第一自动增益控制电路、第一时刻鉴别电路，所得同步TTL信号最终进入数字时间处理模块的K通道作为计时的起始点；95％脉冲光信号通过光纤延迟线后进入第二光电探测器，经第二自动增益控制电路、第二时刻鉴别电路，所得同步TTL信号最终进入数字时间处理模块的K通道作为计时的结束点。时间数字转换芯片测量计算出计时开始信号和计时结束信号之间经过的逻辑门的个数就可以精确的计算出二信号之间的时间间隔，并转换为数字信号作为测量结果。由微处理单元读取，传送给上位机显示输出。

上述实施例，仅为对本发明的目的、技术方案和有益效果进一步详细说明的具体个例，本发明并非限定于此。凡在本发明的公开的范围之内所做的任何修改、等同替换、改进等，均包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种光纤延迟线的延迟时间测量电路，包括激光脉冲发射部分、激光脉冲接收部分、时间数字处理模块及主控制模块；

所述激光脉冲发射部分包括激光器、激光器驱动电路、光纤分路器，激光器驱动电路的信号输出端接入激光器的控制端，激光器发射的激光接入光纤分路器；

激光脉冲接收部分包括两套相同的电路，即顺序连接第一光电探测器、第一自动增益控制电路和第一时刻鉴别电路，以及顺序连接第二光电探测器、第二自动增益控制电路和第二时刻鉴别电路；光纤分路器分出的一路窄脉冲激光直接进入第一光电探测器，另一路窄脉冲激光经过待测的光纤延迟线后进入第二光电探测器，两个光电探测器转换所得的电信号分别经各自的自动增益控制电路接入各自的时刻鉴别电路；

第一时刻鉴别电路和第二时刻鉴别电路的输出分别作为启动计时和结束计时信号接入时间数字处理模块的启和停通道；时间数字处理模块为时间数字转换芯片及附属电路，其输出接入主控制模块；

主控制模块与上位机相连接。

2.根据权利要求1所述的光纤延迟线的延迟时间测量电路，其特征在于：

所述的激光器为单纵模DFB激光器，中心波长为1064nm，谱宽小于10nm，上升下降时间小于1ns。

3.根据权利要求1所述的光纤延迟线的延迟时间测量电路，其特征在于：

所述的光纤分路器为单模光纤分路器，分光比为90:10～97:3，大部分激光束进入待测光纤延迟线。

4.根据权利要求1所述的光纤延迟线的延迟时间测量电路，其特征在于：

所述光电探测器为响应频率大于7.5GHz，暗电流小于5nA，响应波长覆盖1064±20nm的APD类型光电探测器。

5.根据权利要求1所述的光纤延迟线的延迟时间测量电路，其特征在于：

所述第一、第二自动增益控制电路的结构相同，包括顺序连接的可控增益放大器和峰值检测器，还有增益控制器，前一级光电控测器的输出接入可控增益放大器，峰值检测器的输出端接入时刻鉴别电路，其反馈信号接入增益控制器；增益控制器的控制信号接入可控增益放大器。

6.根据权利要求1所述的光纤延迟线的延迟时间测量电路，其特征在于：

所述第一、第二时刻鉴别电路的结构相同，包括延时器、低通滤波器、反向输入电路、2个高速比较器和D触发器，前一级自动增益控制电路输出信号分为三路，第一路信号经延时器输入高速比较器A的正相输入端，第二路信号经低通滤波器输入到高速比较器A的反相输入端，第三路信号直接输入到高速比较器B的正相输入端，反向输入电路的输出信号接入高速比较器B的反相输入端；高速比较器A和高速比较器B的输出接入D触发器，第一、第二时刻鉴别电路的D触发器输出的TTL电平信号分别作为启动计时和结束计时信号接入时间数字处理模块的启和停通道。

7.根据权利要求6所述的光纤延迟线的延迟时间测量电路，其特征在于：

所述第一、第二时刻鉴别电路中的高速比较器A、B响应时间小于500ps，最高工作带宽大于4GHz，并配有TTL/CMOS电平兼容输出。

8.根据权利要求1所述的光纤延迟线的延迟时间测量电路，其特征在于：

所述主控制电路包括相互连接的现场可编程门阵列和微处理器单元，现场可编程门阵列与激光器驱动电路连接、为其提供脉冲信号，现场可编程门阵列还为时间数字处理模块的时间数字转换芯片提供时序信号；微处理器单元通过USB接口或者RS232接口与上位机连接，接受上位机的指令并向上位机传送测量结果，微处理单元经串行外设接口与时间数字转换芯片连接，以完成上位机对其的参数设置，并读取其所得的测量结果，微处理单元还为其它各电路提供驱动控制信号。