CN108418633B - 瞬态脉冲电信号光纤传输系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种瞬态脉冲电信号光纤传输系统，包括依次连接的脉冲光信号生成模块、第一光纤耦合器、电信号转换模块、信号处理器和记录模块，所述电信号转换模块包括第一马赫增德尔调制器、第二马赫增德尔调制器、功分器和延时部件，所述功分器分别与第一马赫增德尔调制器和第二马赫增德尔调制器连接，所述光纤延时部件设置在第二马赫增德尔调制器和信号处理器之间。采用本发明提供的瞬态脉冲电信号光纤传输系统，设计巧妙，结构新颖，易于实现，利用该系统能够在强电磁环境下进行电信号传输，不仅能够具有较高的带宽、较大的动态范围，同时可以避免记录系统被损坏的风险，多路合成一路可以节省记录系统的成本。
Description
技术领域
本发明属于信号传输技术领域，具体涉及一种瞬态脉冲电信号光纤传输系统。
背景技术
在具有核辐射及强电磁辐射等特殊环境下，比如惯性约束激光聚变(ICF)研究中，靶场环境对实验数据的采集和传输有较大的影响。高额中子会对测量和分析仪器带来损坏风险，强电磁环境对传统的铜电缆信号传输线路造成干扰，并可能带来强瞬变电压，容易烧坏示波器等信号接收设备。实验中探测器的数量多，对信道和信号处理设备数量的需求也大。探测器到实验靶场外的数据分析仪器间信号传输距离长，高速信号经电缆传输后易失真。因此，以电缆为主的传统信号采集传输系统在ICF等环境下如何安全可靠工作，是当前及今后亟待解决的问题。
靶场环境中信号传输最大的问题是电磁干扰和信道容量小，这是由于电传输系统本身的性质决定的，所以可以用光传输代替电传输。将现有探测器输出的电信号转换成光信号，经光纤传输到不受干扰的靶场之外，再进行信号处理。在靶场环境下采用光传输系统的优点：抗中子辐射/电磁干扰能力强；光纤带宽远大于信号记录长度，可考虑发展多通道；无过压损坏风险；高带宽，有利于传输超高速信号。
现在已经成熟应用的光纤通讯系统，其采用的是数字通信，需要在传输光纤两端分别布置编码/解码设备，光信号以二进制方式在光纤中传输。但是在ICF实验靶场环境下，不能直接引入此类光纤通讯系统。因为现有的编码设备以电驱动方式工作，若布置在探测器之后，处在靶场强中子/电磁环境下将难以正常工作。所以，靶场所需的光信号传输系统就只能以模拟通信方式工作，简单来说，就是需将探测器输出的电信号转换为等比幅值的光信号，通过光纤传出。由此带来对于系统的要求：1、高动态(DR)范围，以实现信号强/弱部分的分别准确传输；2、高带宽，以实现高速信号的传输，避免信号失真。
发明内容
为解决以上技术问题，本发明提供一种瞬态脉冲电信号光纤传输系统，不仅能够具有较高的带宽、较大的动态范围，同时可以避免记录系统被损坏的风险，多路合成一路可以节省记录系统的成本。
为实现上述目的，本发明技术方案如下：
一种瞬态脉冲电信号光纤传输系统，其要点在于：包括依次连接的脉冲光信号生成模块、第一光纤耦合器、电信号转换模块、信号处理器和记录模块，所述电信号转换模块包括第一马赫增德尔调制器、第二马赫增德尔调制器、功分器和延时部件，所述功分器分别与第一马赫增德尔调制器和第二马赫增德尔调制器连接，所述光纤延时部件设置在第二马赫增德尔调制器和信号处理器之间；待测电信号由功分器按比例分为两个电信号，并分别导入第一马赫增德尔调制器和第二马赫增德尔调制器，同时脉冲光信号生成模块生成的脉冲光信号经第一光纤耦合器等分为两个相同的脉冲光信号，并分别导入第一马赫增德尔调制器和第二马赫增德尔调制器，在第一马赫增德尔调制器中合成的一个携带电信号信息的脉冲光信号由信号处理器导入记录模块，并由记录模块记录，在第二马赫增德尔调制器中合成的一个携带电信号信息的脉冲光信号经延时部件延时后由信号处理器导入记录模块，并由记录模块记录。
采用以上结构，通过脉冲光信号携带电信号的信息，克服了传统电缆在特殊靶场环境长距离传输造成的信号失真、带宽降低、动态范围受限等弊端，不仅能够具有较高的带宽，而且多路合成一路，可以节省记录系统的成本；同时，由于采用的是不等分功分器，进入两个马赫增德尔调制器的电信号幅值存在一定比例，可以增加该系统的动态范围；并且，信号处理器和记录模块之间通过长光纤连接，能够通过光纤将待测电信号传输到如靶场等特殊环境外进行记录的方法，可以避免记录模块被损坏的风险。
作为优选：所述脉冲光信号生成模块包括激光器、脉冲信号发生器和声光调制组件；由激光器输出的一个连续信号光和由脉冲信号发生器输出的一个脉冲信号在声光调制组件中调制得到一个脉冲光信号。采用以上结构，能够调制得到稳定的脉冲光信号。
作为优选：所述声光调制组件包括声光调制器驱动和声光调制器；激光器输出的一个连续信号光导入声光调制器，同时脉冲信号发生器输出的一个脉冲信号经声光调制器驱动导入声光调制器，在声光调制器中调制得到一个脉冲光信号。采用以上结构，简单可靠，易于实现，成本相对低廉。
作为优选：所述信号处理器为第二光纤耦合器。采用以上结构，该第二光纤耦合器为2X1单模光纤耦合器，能够稳定可靠地将从第一马赫增德尔调制器和第二马赫增德尔调制器输出的携带电信号信息的脉冲光信号经传输光纤引入记录模块，并由记录模块记录。
作为优选：所述信号处理器包括光纤本体，该光纤本体包括同时与第一马赫增德尔调制器和第二马赫增德尔调制器连接的输入耦合段以及与记录模块连接的输出耦合段，所述输入耦合段和输出耦合段之间具有交替连接的信号复制段和连接耦合段，所述输入耦合段的后端与第一个信号复制段的前端耦合，所述输出耦合段的前端与最后一个信号复制段的后端耦合；所述信号复制段包括相互独立的传输部和延迟部，任一所述连接耦合段的前端与上一个传输部和延迟部的后端同时耦合，同一连接耦合段的后端与下一个传输部和延迟部的前端同时耦合，第N个信号复制段中，延迟部的长度比传输部的长度长2N-1vt0；其中，N为正整数，v为脉冲光信号在光纤本体中的传输速度，t0为复制后的相邻脉冲光信号的间隔时间。采用以上结构，通过输入耦合段能够将输入的脉冲光信号一分为二分别引入第一个信号复制段的传输部和延迟部中，而连接耦合段能够接收上一个信号复制段的传输部和延迟部传输来的脉冲光信号，并将脉冲光信号一分为二再分别引入下一个信号复制段的传输部和延迟部中；并且，由于第N个信号复制段中，延迟部的长度比传输部的长度长2N- 1vt0，因此，最终从输出耦合段输出的各个脉冲光信号等间距分布，实现将单个脉冲光信号进行经过复制变成多个光学特性相同的脉冲光信号，从而能够对这些脉冲光信号做平均，降低了在传输及记录过程中引入的噪声，使信噪比变为处理单一脉冲光信号的根号M倍，其中，M为复制后得到的脉冲光信号的总数，从而提高了所测信号的信噪比和动态范围；而且，在脉冲光信号能量较大时，这样的结构能够减少非线性效应的影响。
作为优选：所述连接耦合段包括熔融段和位于该熔融段两端的锥形段，各个锥形段的直径自熔融段向外逐渐增大。采用以上结构，熔锥型的连接耦合段能够将多根光纤可靠地耦合在一起，融合程度高。
作为优选：所述相邻脉冲光信号的间隔时间t0大于脉冲光信号的脉冲宽度。采用以上结构，使相邻脉冲光信号不叠加，易于后期处理。
作为优选：所述记录模块包括依次连接的掺铒光纤放大器、光电探测器和示波器，所述掺铒光纤放大器通过单模光纤与信号处理器连接。采用以上结构，结构简单，易于实现，成本相对低廉。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
采用本发明提供的瞬态脉冲电信号光纤传输系统，设计巧妙，结构新颖，易于实现，利用该系统能够在强电磁环境下进行电信号传输，不仅能够具有较高的带宽、较大的动态范围，同时可以避免记录模块被损坏的风险，多路合成一路可以节省记录系统的成本。
附图说明
图1为本发明的结构示意图；
图2为信号处理器其中一个实施例的结构示意图；
图3为连接耦合段的结构示意图。
具体实施方式
以下结合实施例和附图对本发明作进一步说明。
如图1所示，一种瞬态脉冲电信号光纤传输系统，包括依次连接的脉冲光信号生成模块2、第一光纤耦合器5、电信号转换模块3、信号处理器1和记录模块4。
所述脉冲光信号生成模块2包括激光器21、脉冲信号发生器22和声光调制组件23。其中，所述声光调制组件23包括声光调制器驱动231和声光调制器232。脉冲信号发生器22和声光调制器232以及声光调制器驱动231和声光调制器232均采用电连接，而激光器21和声光调制器232则通过保偏光纤连接。其中，激光器21采用1550nmDFB激光器，该波长的光在光纤中传输的损耗最小。
激光器21输出的一个连续信号光导入声光调制器232，同时脉冲信号发生器22输出的一个脉冲信号经声光调制器驱动231导入声光调制器232，在声光调制器232中调制得到一个脉冲光信号。
所述电信号转换模块3包括第一马赫增德尔调制器31、第二马赫增德尔调制器32、功分器33和延时部件34，所述功分器33分别与第一马赫增德尔调制器31和第二马赫增德尔调制器32连接，所述光纤延时部件34设置在第二马赫增德尔调制器32和信号处理器1之间。其中，功分器33与第一马赫增德尔调制器31和第二马赫增德尔调制器32之间均采用电连接，而第一光纤耦合器5采用1X2保偏光纤耦合器，其输入端与声光调制器232连接，两个输出端分别与第一马赫增德尔调制器31和第二马赫增德尔调制器32连接。
其中，第一马赫增德尔调制器31和第二马赫增德尔调制器32为铌酸锂晶体材料制成，对信号光的偏振很敏感，因此，所有进入第一马赫增德尔调制器31和第二马赫增德尔调制器32输入端以前的光纤均采用保偏光纤，所有从第一马赫增德尔调制器31和第二马赫增德尔调制器32输出端以后的光纤均采用单模光纤。单模光纤只能传输一种模式的光，模间色散很小，适合于远距离的传输。本发明具有体积小、重量轻、损耗小、带宽大、传输距离远、抗电磁干扰能力强等优点，为解决特殊环境下，传统电缆长距离传输带宽受限、信号失真以及动态范围受限等因素的影响。
待测电信号A由功分器33按1:4的比例不等分为两个电信号，并分别导入第一马赫增德尔调制器31和第二马赫增德尔调制器32，同时脉冲光信号生成模块2生成的脉冲光信号经第一光纤耦合器5等分为两个相同的脉冲光信号，并分别导入第一马赫增德尔调制器31和第二马赫增德尔调制器32，在第一马赫增德尔调制器31中合成的一个携带电信号信息的脉冲光信号由信号处理器1导入记录模块4，在第二马赫增德尔调制器32中合成的一个携带电信号信息的脉冲光信号经延时部件34延时后由信号处理器1导入记录模块4。
其中一种实施例：所述信号处理器1为第二光纤耦合器，该第二光纤耦合器为2X1单模光纤耦合器，其两个输入端分别与第一马赫增德尔调制器31和第二马赫增德尔调制器32连接，输出端经长距离的单模光纤与掺铒光纤放大器41连接。
另一种实施例：请参见图2，所述信号处理器1包括光纤本体，该光纤本体包括同时与第一马赫增德尔调制器31和第二马赫增德尔调制器32连接的输入耦合段11以及与记录模块4连接的输出耦合段14，所述输入耦合段11和输出耦合段14之间具有交替连接的信号复制段12和连接耦合段13，所述输入耦合段11的后端与第一个信号复制段12的前端耦合，所述输出耦合段14的前端与第N个信号复制段12的后端耦合，任一个连接耦合段13的前端与上一个信号复制段12的后端耦合，同一连接耦合段13的后端与下一个信号复制段12的前端耦合。脉冲光信号每经过一个信号复制段12就被一分为二地进行复制，且不会改变光学特性，因此，最终从输出耦合段14输出M个光学特性相同的脉冲光信号，其中，M为正整数。
所述输入耦合段11具有两个信号输入子光纤111，分别与第一马赫增德尔调制器31和第二马赫增德尔调制器32连接。
所述信号复制段12包括相互独立的传输部121和延迟部122，任一所述连接耦合段13的前端与上一个信号复制段12的传输部121的后端和延迟部122的后端同时耦合，同一连接耦合段13的后端与下一个信号复制段12的传输部121的前端和延迟部122的前端同时耦合。
需要指出的是，第N个信号复制段12中，延迟部122的长度比传输部121的长度长2N -1vt0，其中，N为小于等于M的正整数，v为脉冲光信号在单模光纤1中的传输速度，t0为复制后的相邻脉冲光信号的间隔时间，并且，所述相邻脉冲光信号的间隔时间t0大于脉冲光信号的脉冲宽度。这样的设计使各个脉冲光信号等间距分布，且相邻的脉冲光信号不会叠加。
进一步地，各个传输部121的长度相同，从而既减小了设计难度，又提高了脉冲光信号的复制效率。
请参见图3，所述连接耦合段13包括熔融段131和位于该熔融段131两端的锥形段132，各个锥形段132的直径自熔融段131向外逐渐增大，位于连接耦合段13前端的锥形段132与上一个信号复制段12的传输部121的后端和延迟部122的后端同时耦合，而位于连接耦合段13后端的锥形段132与下一个信号复制段12的传输部121的前端和延迟部122的前端同时耦合。
请参见图1，所述记录模块4包括依次通过单模光纤连接的掺铒光纤放大器41、光电探测器42和示波器43，所述掺铒光纤放大器41与信号处理器1的输出耦合段14连接。掺铒光纤放大器41与信号处理器1之间通过较长的单模光纤连接，将携带电信号信息的脉冲光信号传至靶场外，可以避免记录模块4被损坏的风险。最后经过掺铒光纤放大器41线性放大，由光电探测器42和示波器43记录下来。其中，掺铒光纤放大器41提供1550nm中心波长附近36nm谱宽范围内的20dB线性增益，确保经多程传输后的信号能被探测，是系统达到高动态范围的关键部分。
本瞬态脉冲电信号光纤传输系统适用于纳秒量级的短脉冲模拟信号传输，信号的幅值可以从0～200V，带宽可以达到40GHz，单次测量具有较高的动态范围。由于马赫增德尔调制器的尺寸小，在特殊环境下(中子、γ射线以及强电磁辐射下)易于防护。在未知短脉冲瞬态电信号测量时，相比于单支路马赫增德尔调制器传输系统，多支路马赫增德尔调制器传输系统不仅可以增加该信号的动态范围，同时可以避免因电信号幅值过大引起调制信号畸变在数据处理时产生的误判。两个马赫增德尔调制器支路，不同比例的电信号调制，经光纤传输系统传输，由记录系统记录可以在数据处理时相互补充，提高精度和动态范围。
该系统主要用于特殊环境下(中子、γ射线以及强电磁等辐射下)，未知电信号的传输。主要用于取代传统电缆(因传统电缆在特殊环境特别是强电磁环境下易受干扰，严重影响信号传输精度)。根据待传输信号的实验需求，灵活更改系统配件(包括不同半波电压的马赫增德尔调制器，马赫增德尔调制器的数量，是否加入衰减器，是否加入特殊结构光纤信号复制设备等等)，满足不同的测量需求。若测量小信号(幅值小于半波电压的一半即工作在线性区内)，则仅需单个马赫增德尔调制器传输系统，也不需要使用衰减器(衰减器将降低系统带宽以及影响信号的时间基准)。若测量大信号，可使用多路马赫增德尔调制器传输系统，既可提高动态范围也可不使用衰减器，但是若信号太大将超过记录系统的带宽。对灵敏度要求较高的信号可选用半波电压较小的马赫增德尔调制器；对动态范围要求较高的信号可选用多支路马赫增德尔调制器传输系统与信号处理器1的第二种实施例；对带宽要求较高的信号可尽量避免使用衰减器等等。
最后需要说明的是，上述描述仅仅为本发明的优选实施例，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不违背本发明宗旨及权利要求的前提下，可以做出多种类似的表示，这样的变换均落入本发明的保护范围之内。
Claims (6)
1.一种瞬态脉冲电信号光纤传输系统，其特征在于：包括依次连接的脉冲光信号生成模块(2)、第一光纤耦合器(5)、电信号转换模块(3)、信号处理器(1)和记录模块(4)，所述电信号转换模块(3)包括第一马赫增德尔调制器(31)、第二马赫增德尔调制器(32)、功分器(33)和延时部件(34)，所述功分器(33)分别与第一马赫增德尔调制器(31)和第二马赫增德尔调制器(32)连接，所述光纤延时部件(34)设置在第二马赫增德尔调制器(32)和信号处理器(1)之间；
待测电信号(A)由功分器(33)按比例分为两个电信号，并分别导入第一马赫增德尔调制器(31)和第二马赫增德尔调制器(32)，同时脉冲光信号生成模块(2)生成的脉冲光信号经第一光纤耦合器(5)等分为两个相同的脉冲光信号，并分别导入第一马赫增德尔调制器(31)和第二马赫增德尔调制器(32)，在第一马赫增德尔调制器(31)中合成的一个携带电信号信息的脉冲光信号由信号处理器(1)导入记录模块(4)，在第二马赫增德尔调制器(32)中合成的一个携带电信号信息的脉冲光信号经延时部件(34)延时后由信号处理器(1)导入记录模块(4)；
所述脉冲光信号生成模块(2)包括激光器(21)、脉冲信号发生器(22)和声光调制组件(23)；由激光器(21)输出的一个连续信号光和由脉冲信号发生器(22)输出的一个脉冲信号在声光调制组件(23)中调制得到一个脉冲光信号；
所述记录模块(4)包括依次连接的掺铒光纤放大器(41)、光电探测器(42)和示波器(43)，所述掺铒光纤放大器(41)通过单模光纤与信号处理器(1)连接。
2.根据权利要求1所述的瞬态脉冲电信号光纤传输系统，其特征在于：所述声光调制组件(23)包括声光调制器驱动(231)和声光调制器(232)；激光器(21)输出的一个连续信号光导入声光调制器(232)，同时脉冲信号发生器(22)输出的一个脉冲信号经声光调制器驱动(231)导入声光调制器(232)，在声光调制器(232)中调制得到一个脉冲光信号。
3.根据权利要求1所述的瞬态脉冲电信号光纤传输系统，其特征在于：所述信号处理器(1)为第二光纤耦合器。
4.根据权利要求1所述的瞬态脉冲电信号光纤传输系统，其特征在于：所述信号处理器(1)包括光纤本体，该光纤本体包括同时与第一马赫增德尔调制器(31)和第二马赫增德尔调制器(32)连接的输入耦合段(11)以及与记录模块(4)连接的输出耦合段(14)，所述输入耦合段(11)和输出耦合段(14)之间具有交替连接的信号复制段(12)和连接耦合段(13)，所述输入耦合段(11)的后端与第一个信号复制段(12)的前端耦合，所述输出耦合段(14)的前端与最后一个信号复制段(12)的后端耦合；
所述信号复制段(12)包括相互独立的传输部(121)和延迟部(122)，任一所述连接耦合段(13)的前端与上一个传输部(121)和延迟部(122)的后端同时耦合，同一连接耦合段(13)的后端与下一个传输部(121)和延迟部(122)的前端同时耦合，第N个信号复制段(12)中，延迟部(122)的长度比传输部(121)的长度长2N-1vt0；
其中，N为正整数，v为脉冲光信号在光纤本体中的传输速度，t0为复制后的相邻脉冲光信号的间隔时间。
5.根据权利要求4所述的瞬态脉冲电信号光纤传输系统，其特征在于：所述连接耦合段(13)包括熔融段(131)和位于该熔融段(131)两端的锥形段(132)，各个锥形段(132)的直径自熔融段(131)向外逐渐增大。
6.根据权利要求4所述的瞬态脉冲电信号光纤传输系统，其特征在于：所述相邻脉冲光信号的间隔时间t0大于脉冲光信号的脉冲宽度。
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