CN109039453A - 一种传输光纤延时的测量系统及测量方法 - Google Patents
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Abstract
本发明为一种传输光纤延时的测量系统及测量方法，系统包括置于传输光纤两端的主、副机。主机控制数据处理单元发出的脉冲信号送到时延测量单元其计时器启动计时，同时送到光传输单元的脉冲信号复接转换为光信号经传输光纤传送到副机；副机的光中继单元接收主机的光信号经光电转换解复接得脉冲信号送入控制单元中继传输，返回的脉冲信号再次复接转换为光信号，经传输光纤返回主机；返回的光信号光电转换解复接，得到返回的脉冲信号，控制数据处理单元将其送入时延测量单元，计时器停止计时，并计算初始时延数据，传送到控制数据处理单元经计算得最终的传输光纤时延数据。本发明系统的测量精度优于±500ps，数据数字化便于分析和处理。
Description
技术领域
本发明涉及光纤传输技术领域，具体为一种传输光纤延时的测量系统及测量方法，以实现对科研、试验和生产中传输光纤延时的精确测量。
背景技术
光纤通信因其突出的优点，在现代通信系统中得到广泛的应用，随着技术进步，现有的光纤通信已经不能满足对信息传输高质量的要求，某些领域已提出需要补偿传输光纤的延时量，因此目前高精度的传输光纤延时测量技术越来越受到人们的重视。光纤传输延时能达到什么量级呢？以中心波长为1550nm的光纤通信为例，其在光纤中的折射率为1.4682。由下式(1)可计算光纤传输的延时t。
t＝(L×n)/c (1)
式(1)中L为光纤的长度，n为光纤的折射率，c为光在真空中的传输速度3×108m/s，依此推算每米光纤中传输的延时近似为4.89ns,100km的光纤传输延时近似为0.489ms。
目前国内外光纤延时测量的方法主要有以下三种方法：频域法、光学干涉法和光时域后向反射法。
频域法测量所用的仪器是矢量网络分析仪，矢量网络分析仪测量精度高，达到ps量级。但进行光纤延时测量时，需要外部级联光电转换设备，因而引入测量误差。当光纤长度为80km，级联的光电转换设备传输时延一致性低于±4ns，导致整个测试系统的测量精度劣于±4ns。另外由于矢量网络分析仪的输入输出端都在本地，此种测量方法不能应用于远程光纤的测量。
光学干涉法的测试系统是根据迈克尔逊干涉仪原理搭建而成，光学干涉法测量精度高，但平台搭建困难，测量精度与光源质量相关，使用复杂，当光纤长度较长时此法测量困难，故此光学干涉法不适合于工程上的应用。
光时域后向反射法通过发射光脉冲到光纤内,在端口接收返回的信息来测量延时，此种方法所用的仪器为光时域反射仪(OTDR)。此种测量方法可以对远程光缆进行测量，但是测量精度低。采用日本安立MT9090A的光时域反射仪，以80km的光纤计算，距离测量精度劣于±3.4米，换算成时间单位，延时测量精度劣于±16.626ns。
总之，目前需要一种精确测量传输光纤延时的设备及方法。
发明内容
本发明的目的是设计一种传输光纤延时的测量系统及测量方法，系统包括分别放置于传输光纤两端的主机和副机，主机包括控制数据处理单元、时延测量单元和光传输单元，控制数据处理单元发出的脉冲信号同时送到时延测量单元和光传输单元，时延测量单元的计时器启动计时，光传输单元则将脉冲信号复接转换为光信号经传输光纤传送到副机，副机包括控制单元和光中继单元，光中继单元接收主机发来的光信号后光电转换、解复接得脉冲信号送入控制单元，再中继传输，返回的脉冲信号，再次复接，电光转换为光信号，经传输光纤，返回主机；返回的光信号经光传输单元的接收通道光电转换、解复接，得到返回的脉冲信号，控制数据处理单元将其送入时延测量单元，其计时器停止计时，并计算初始时延数据，传送到控制数据处理单元再计算得到最终的传输光纤时延数据。
本发明设计的一种传输光纤延时的测量系统，包括分别放置于传输光纤两端的主机和副机。
所述主机包括控制数据处理单元、时延测量单元和光传输单元，并配有时钟源，时钟源产生的标准时钟分别接入控制数据处理单元、时延测量单元和光传输单元，各单元均按统一标准时钟进行数据处理。
所述控制数据处理单元含中心控制模块和与之相连的网络通信模块，网络通信模块与上位机相连接，传送本系统时延测量结果和工作状态信息；控制数据处理单元连接时延测量单元和光传输单元，控制其工作状态；控制数据处理单元产生脉冲分别传输到时延测量单元和光传输单元，将副机返回的脉冲送入时延测量单元作为停止脉冲；并读取时延测量单元的时延数据。
所述时延测量单元包含计时器和时延数据生成器，计时器从接到控制数据处理单元发出的脉冲即启动计时，接收到控制数据处理单元发送的副机返回的脉冲即停止计时。计时器生成计时时间，接入时延数据生成器得到32位的二进制初始时延数据，送回控制数据处理单元。
所述光传输单元中的波分复用器连接脉冲发送通道和脉冲接收通道，控制数据处理单元发出的启动脉冲经发送通道的复接器、光发射模块接入波分复用器，波分复用器经由传输光纤连接副机；从波分复用器接收的副机返回的光信号接入接收通道的光接收模块、解复接器，然后送回控制数据处理单元。
启动后主机时钟源的时钟接入复接器，控制数据处理单元发出的启动脉冲在复接器中与多路低速并行信号一起按本地时钟转换成高速串行数据，送入光发射模块进行电光转换，得到波长为λ1的光信号。
波分复用器接收的副机返回的光信号波长为λ2，在光接收模块进行光电转换得到高速串行数据，进入解复接器，还原为低速的并行信号，送回控制数据处理单元。
所述副机包括控制单元和光中继单元。
控制单元连接控制光中继单元正常工作，同时控制副机接收的主机的脉冲中继传输返回主机。
光中继单元的波分复用组件连接传输光纤的另一端，同时连接光信号接收通道和光信号发送通道，波分复用组件接收的主机发送的光信号接入光信号接收通道的光接收组件、解复接组件，所得脉冲信号接入控制单元；控制单元将该脉冲信号自动送入光信号发送通道的复接组件、光发射组件，得到光信号接入波分复用组件，经传输光纤送回主机。
波分复用组件接收的主机发送的光信号接入光信号接收通道的光接收组件，转换为高速串行数据的电信号，接入解复接组件，还原为低速的并行信号，即脉冲信号，同时恢复标准时钟，脉冲信号送到控制单元，时钟送入复接组件；控制单元对该脉冲信号进行中继传输，送入光信号发送通道成为返回脉冲，先进入复接组件，复接组件以解复接组件恢复的时钟为其工作时钟，按此时钟将多路低速并行数据转换成高速串行数据，再送入光发射组件电光转换得到波长为λ2的光信号，接入波分复用组件，与波长λ1的光信号复用于传输光纤，返回主机。
所述主机的时延测量单元还接有温度补偿模块，温度补偿模块与安装于主机机壳内的温度传感器连接，根据主机机壳内的环境温度对温度变化引起的延时偏移进行补偿。
主机的光传输单元的光发射模块和副机的光中继单元的光发射组件配有温度控制电路，以保证光发射模块和光发射组件中的激光器处于稳定的温度下，发出波长稳定的光信号，降低激光器的中心波长漂移对系统测量精度的影响。
所述主机发射的光信号波长λ1和副机发射的光信号波长λ2的差大于1.6nm，且(λ1+λ2)/2与本系统待测光信号波长λ差的绝对值小于0.15nm。
所述连接主机和副机的传输光纤的长度为10cm～120km。
所述主机的复接器、解复接器和副机的解复接组件、复接组件是传输的脉冲信号抖动小于±100ps的复接或解复接器件。
本发明设计的一种传输光纤延时的测量方法，采用本发明设计的一种传输光纤延时的测量系统，主要步骤如下：
Ⅰ、上位机对系统的检查
操作者通过上位机的人机界面检查传输光纤延时的测量系统主机的工作状态，包括发射光功率、接收光功率和光链路的状态是否处于原设置范围内；如检查系统状态正常，进入下一步骤；
Ⅱ、上位机启动时延测量
操作者在上位机的人机界面上向主机的控制数据处理单元发送时延测量指令，启动时延测量；
Ⅲ、主机启动脉冲发出
主机的控制数据处理单元接收到来自上位机的启动时延测量指令，同时向时延测量单元和光传输单元发射同源的脉冲信号P0；
该脉冲信号P0进入时延测量单元计时器启动计时；
该脉冲信号P0进入光传输单元的复接器与其它多路低速占位信号一起按本地时钟复接生成高速串行电信号，再进入光发射模块，电光转换为波长为λ1的光信号，接入波分复用器，经传输光纤传输到副机；
Ⅳ、副机返回光信号
副机光中继单元的波分复用组件，分解出波长为λ1光信号，送入光接收组件，光电转换为高速串行信号，再由解复接组件通过锁相环恢复出脉冲信号P0和时钟，解复接组件将时钟接入副机的复接组件，将脉冲信号P0送入控制单元，进行中继传输，反向传输脉冲信号P0，使之作为返回脉冲Pb传输到光中继单元的复接组件，复接组件按解复接组件恢复出的时钟工作得到高速串行信号，之后进入光发射组件，电光转换为波长λ2的光信号，经波分复用组件接入到传输光纤，传输回到主机；
Ⅴ、主机接收副机返回的光信号
副机返回的波长λ2的光信号经传输光纤到达主机的光传输单元，由波分复用器分离出波长为λ2的光信号，经光接收模块进行光电转换，恢复出高速串行信号，再经解复接器件还原出返回脉冲信号Pb，返回脉冲信号Pb经控制数据处理单元传输到时延测量单元；
Ⅵ、时延值的计算
返回脉冲信号Pb进入时延测量单元计时器停止计时；
时延测量单元在时域内精确测定启动脉冲信号P0和返回脉冲信号Pb之间的时延值，并生成32bit的初始时延数据，初始时延数据送入控制数据处理单元，经计算得到本系统的传输光纤时延。经网络通信模块传输到上位机，在人机界面上实时显示。
所述控制数据处理单元从时延测量单元得到的初始时延数据包括在传输光纤上往返的时延Ta，主机中脉冲信号固有的传输时延tM及副机中脉冲信号固有的传输时延tV
故求得传输光纤时延T＝(Ta/2)-tM-tV。
与现有技术相比，本发明一种传输光纤延时的测量系统及测量方法的优点为：1、实现高精度的时延测量，主机时延测量单元对脉冲信号时延的测量精度最高达10ps；2、时延数据数字化，形成32bit数据，便于后续采用高性能的数字处理器对数据进行分析和处理；3、温度漂移补偿电路很好的解决了由于环境温度变化引入的测量误差，测量系统在-40℃～60℃范围内的测量精度保持一致；4、系统的复接和解复接器件利用锁相技术实现了脉冲信号的低抖动光传输；主机和副机的时钟源同步，大大降低了脉冲信号中继传输所引起的抖动；解决了脉冲信号的低抖动光传输、脉冲信号的低抖动远端中继等问题；5、系统的光发射器件配置了温度控制电路，保证在-40℃～+60℃温度范围内，光信号中心波长的变化量小于0.04nm；6、综合本发明上述优化设计，脉冲信号传输稳定度可以达到±100ps，保障了系统测量精度优于±500ps。
附图说明
图1为本传输光纤延时的测量系统实施例的整体框图。
具体实施方式
传输光纤延时的测量系统实施例
本传输光纤延时的测量系统实施例如图1所示，图中实线箭头表示电信号连接，点虚线箭头表示光信号连接，空心箭头表示控制信号连接。本系统实施例包括分别放置于传输光纤两端的主机和副机。
本例主机包括控制数据处理单元、时延测量单元和光传输单元，并配有时钟源，时钟源产生的标准时钟分别接入控制数据处理单元、时延测量单元和光传输单元，各单元均按统一标准时钟进行数据处理。
所述控制数据处理单元含中心控制模块和与之相连的网络通信模块，网络通信模块与上位机相连接，传送本系统时延测量结果和工作状态信息；控制数据处理单元连接时延测量单元和光传输单元，控制其工作状态；控制数据处理单元产生脉冲分别传输到时延测量单元和光传输单元，将副机返回的脉冲送入时延测量单元作为停止脉冲；并读取时延测量单元的时延数据。
所述时延测量单元包含计时器和时延数据生成器，计时器从接到控制数据处理单元发出的脉冲即启动计时，接收到控制数据处理单元发送的副机返回的脉冲即停止计时。计时器生成计时时间，接入时延数据生成器得到32位的二进制初始时延数据，送回控制数据处理单元。
所述光传输单元中的波分复用器连接脉冲发送通道和脉冲接收通道，控制数据处理单元发出的启动脉冲经发送通道的复接器、光发射模块接入波分复用器，波分复用器经由传输光纤连接副机；从波分复用器接收的副机返回的光信号接入接收通道的光接收模块、解复接器，然后送回控制数据处理单元。
启动后主机的时钟源将时钟接入复接器，控制数据处理单元发出的启动脉冲在复接器中与多路低速并行信号一起按本地时钟转换成高速串行数据，送入光发射模块进行电光转换，得到波长为λ1＝1550.92nm的光信号。
波分复用器接收的副机返回的光信号波长为λ2＝1549.32nm，在光接收模块进行光电转换得到高速串行数据，进入解复接器，还原为低速的并行信号，送回控制数据处理单元。
所述副机包括控制单元和光中继单元。
控制单元连接控制光中继单元正常工作，同时控制副机接收的主机的脉冲中继传输返回主机。
光中继单元的波分复用组件连接传输光纤的另一端，同时连接光信号接收通道和光信号发送通道，波分复用组件接收的主机发送的光信号接入光信号接收通道的光接收组件、解复接组件，所得脉冲信号接入控制单元；控制单元将该脉冲信号自动送入光信号发送通道的复接组件、光发射组件，得到光信号接入波分复用组件，经传输光纤送回主机。
波分复用组件接收的主机发送的光信号接入光信号接收通道的光接收组件，转换为高速串行数据的电信号，接入解复接组件，还原为低速的并行信号，同时恢复标准时钟，脉冲信号送到控制单元，时钟送入复接组件；控制单元对该脉冲信号进行中继传输，送入光信号发送通道成为返回脉冲，进入复接组件，复接组件以解复接组件恢复的时钟作为其工作时钟，按此时钟将多路低速并行数据转换成高速串行数据，再送入光发射组件电光转换得到波长为λ2的光信号，接入波分复用组件，与波长λ1的光信号复用于传输光纤，返回主机。
本例主机的时延测量单元还接有温度补偿模块，温度补偿模块与安装于主机机壳内的温度传感器连接，根据主机机壳内的环境温度对温度变化引起的延时偏移进行补偿。
主机的光传输单元的光发射模块和副机的光中继单元的光发射组件配有温度控制电路(图1中未显示)。
本例连接主机和副机的传输光纤的长度为80km。
本例主机的复接器、解复接器和副机的解复接组件、复接组件是传输的脉冲信号抖动小于±100ps的复接或解复接器件。
传输光纤延时的测量方法实施例
本传输光纤延时的测量方法实施例，采用上述传输光纤延时的测量系统实施例，主要步骤如下：
Ⅰ、上位机对系统的检查
操作者通过上位机的人机界面检查传输光纤延时的测量系统主机的工作状态，包括发射光功率、接收光功率和光链路的状态是否处于原设置范围内；如检查系统状态正常，进入下一步骤；
Ⅱ、上位机启动时延测量
操作者在上位机的人机界面上向主机的控制数据处理单元发送时延测量指令，启动时延测量；
Ⅲ、主机启动脉冲发出
主机的控制数据处理单元接收到来自上位机的启动时延测量指令，同时向时延测量单元和光传输单元发射同源的脉冲信号P0；
该脉冲信号P0进入时延测量单元计时器启动计时；
该脉冲信号P0进入光传输单元的复接器与其它多路低速占位信号一起按本地时钟复接生成高速串行电信号，再进入光发射模块，电光转换为波长为λ1的光信号，接入波分复用器，经传输光纤传输到副机；
Ⅳ、副机返回光信号
副机光中继单元的波分复用组件，分解出波长为λ1光信号，送入光接收组件，光电转换为高速串行信号，再由解复接组件通过锁相环恢复出脉冲信号P0和时钟，解复接组件将时钟接入副机的复接组件，将脉冲信号P0送入控制单元，进行中继传输，反向传输脉冲信号P0，使之作为返回脉冲Pb传输到光中继单元的复接组件，复接组件按解复接组件恢复出的时钟工作得到高速串行信号，之后进入光发射组件，电光转换为波长λ2的光信号，经波分复用组件接入到传输光纤，传输回到主机；
Ⅴ、主机接收副机返回的光信号
副机返回的波长λ2的光信号经传输光纤到达主机的光传输单元，由波分复用器分离出波长为λ2的光信号，经光接收模块进行光电转换，恢复出高速串行信号，再经解复接器件还原出返回脉冲信号Pb，返回脉冲信号Pb经控制数据处理单元传输到时延测量单元；
Ⅵ、时延值的计算
返回脉冲信号Pb进入时延测量单元计时器停止计时；
时延测量单元在时域内精确测定启动脉冲信号P0和返回脉冲信号Pb之间的时延值，并生成32bit的初始时延数据，初始时延数据送入控制数据处理单元，经计算得到本系统的传输光纤时延。经网络通信模块传输到上位机，在人机界面上实时显示。
所述控制数据处理单元从时延测量单元得到的初始时延数据包括在传输光纤上往返的时延Ta，主机中脉冲信号固有的传输时延tM及副机中脉冲信号固有的传输时延tV
传输光纤时延T＝(Ta/2)-tM-tV。
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)
1.一种传输光纤延时的测量系统，包括分别放置于传输光纤两端的主机和副机，其特征在于：
所述主机包括控制数据处理单元、时延测量单元和光传输单元，并配有时钟源，时钟源产生的标准时钟分别接入控制数据处理单元、时延测量单元和光传输单元；
所述控制数据处理单元含中心控制模块和与之相连的网络通信模块，网络通信模块与上位机相连接，控制数据处理单元连接时延测量单元和光传输单元；控制数据处理单元产生脉冲分别传输到时延测量单元和光传输单元，将副机返回的脉冲送入时延测量单元作为停止脉冲；并读取时延测量单元的时延数据；
所述时延测量单元包含计时器和时延数据生成器，计时器从接到控制数据处理单元发出的脉冲即启动计时，接收到控制数据处理单元发送的副机返回的脉冲即停止计时；计时器生成计时时间，接入时延数据生成器得到32位的二进制初始时延数据，送回控制数据处理单元；
所述光传输单元中的波分复用器连接脉冲发送通道和脉冲接收通道，控制数据处理单元发出的启动脉冲经发送通道的复接器、光发射模块接入波分复用器，波分复用器经由传输光纤连接副机；从波分复用器接收的副机返回的光信号接入接收通道的光接收模块、解复接器，然后送回控制数据处理单元；
所述副机包括控制单元和光中继单元；
控制单元连接控制光中继单元正常工作，同时控制副机接收的主机的脉冲中继传输返回主机；
光中继单元的波分复用组件连接传输光纤的另一端，同时连接光信号接收通道和光信号发送通道，波分复用组件接收的主机发送的光信号接入光信号接收通道的光接收组件、解复接组件，所得脉冲信号接入控制单元；控制单元将该脉冲信号自动送入光信号发送通道的复接组件、光发射组件，得到光信号接入波分复用组件，经传输光纤送回主机。
2.根据权利要求1所述的传输光纤延时的测量系统，其特征在于：
所述主机的时延测量单元还接有温度补偿模块，温度补偿模块与安装于主机机壳内的温度传感器连接。
3.根据权利要求1所述的传输光纤延时的测量系统，其特征在于：
主机的光传输单元的光发射模块和副机的光中继单元的光发射组件配有温度控制电路。
4.根据权利要求1所述的传输光纤延时的测量系统，其特征在于：
所述主机发射的光信号波长λ1和副机发射的光信号波长λ2的差大于1.6nm，且(λ1+λ2)/2与本系统待测光信号波长λ差的绝对值小于0.15nm。
5.根据权利要求1所述的传输光纤延时的测量系统，其特征在于：
所述连接主机和副机的传输光纤的长度为10cm～120km。
6.根据权利要求1所述的传输光纤延时的测量系统，其特征在于：
所述主机的复接器、解复接器和副机的解复接组件、复接组件是传输的脉冲信号抖动小于±100ps的复接或解复接器件。
7.一种传输光纤延时的测量方法，采用根据权利要求1至6中任一项所述的传输光纤延时的测量系统，其特征在于主要步骤如下：
Ⅰ、上位机对系统的检查
操作者通过上位机的人机界面检查传输光纤延时的测量系统主机的工作状态，包括发射光功率、接收光功率和光链路的状态；如检查系统状态正常，进入下一步骤；
Ⅱ、上位机启动时延测量
操作者在上位机的人机界面上向主机的控制数据处理单元发送时延测量指令，启动时延测量；
Ⅲ、主机启动脉冲发出
主机的控制数据处理单元接收到来自上位机的启动时延测量指令，同时向时延测量单元和光传输单元发射同源的脉冲信号P0；
该脉冲信号P0进入时延测量单元计时器启动计时；
启动后主机时钟源的时钟接入复接器，该脉冲信号P0进入光传输单元的复接器与其它多路低速占位信号一起按本地时钟复接生成高速串行电信号，再进入光发射模块，电光转换为波长为λ1的光信号，接入波分复用器，经传输光纤传输到副机；
Ⅳ、副机返回光信号
副机光中继单元的波分复用组件，分解出波长为λ1光信号，送入光接收组件，光电转换为高速串行信号，再由解复接组件通过锁相环恢复出脉冲信号P0和时钟，解复接组件将时钟接入副机的复接组件，将脉冲信号P0送入控制单元，进行中继传输，反向传输脉冲信号P0，使之作为返回脉冲Pb传输到光中继单元的复接组件，复接组件按解复接组件恢复出的时钟工作得到高速串行信号，之后进入光发射组件，电光转换为波长λ2的光信号，经波分复用组件接入到传输光纤，传输回到主机；
Ⅴ、主机接收副机返回的光信号
副机返回的波长λ2的光信号经传输光纤到达主机的光传输单元，由波分复用器分离出波长为λ2的光信号，经光接收模块进行光电转换，恢复出高速串行信号，再经解复接器件还原出返回脉冲信号Pb，返回脉冲信号Pb经控制数据处理单元传输到时延测量单元；
Ⅵ、时延值的计算
返回脉冲信号Pb进入时延测量单元计时器停止计时；
时延测量单元在时域内精确测定启动脉冲信号P0和返回脉冲信号Pb之间的时延值，并生成32bit的初始时延数据，初始时延数据送入控制数据处理单元，经计算得到本系统的传输光纤时延；经网络通信模块传输到上位机，在人机界面上实时显示。
8.根据权利要求7所述的传输光纤延时的测量方法，其特征在于：
所述步骤Ⅵ的时延值的计算，传输光纤时延T＝(Ta/2)-tM-tV，式中
Ta为控制数据处理单元从时延测量单元得到的初始时延，
tM为主机中脉冲信号固有的传输时延，
tV为副机中脉冲信号固有的传输时延。
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