CN109547098A - 一种微波光子延时测量校准装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种微波光子延时测量校准装置，包括延时测量系统、相位检测校准系统以及待测光路三部分；相位检测校准系统内部的信号发生器产生的一组单频信号可以选用其它多个不同的频点，每个频点之间满足一定的倍数关系，通过检测参考光链路与被测光链路之间每个频点的差分相位，并经相位量化以校准微波光子链路延时。本发明装置在原理方案上排除了相位测量中360°相位模糊问题，利用高稳定的氢钟以及光延迟模型可以实现对高精度光延时量测量装置的精确校准，更大的延时量测量可以利用更多的标准频率信号。

Description

一种微波光子延时测量校准装置

技术领域

本发明属于光学测量技术领域，具体涉及一种微波光子延时测量校准装置。

背景技术

作为微波光子技术的一个重要应用，光纤延迟线相比传统的电延迟具有体积小、质量轻、带宽宽、损耗低、抗干扰能力强等优点，逐渐应用到雷达系统及电子对抗系统等领域，比如光纤延迟线在传统相位干涉仪中的应用，利用光纤延迟线将不同天线接收到的信号进行延迟，使系统能够分时处理各路信号，可以有效解决传统相位干涉仪设备量大、系统复杂的问题，这也是现在相位干涉仪研究领域的热点问题。

光纤在信号传输过程中具有高抗干扰能力、高传输速率以及极低的传输误码率等优点，因此光纤成为现代通信网络传输信息的最佳媒质，光纤通信也成为宽带通信系统的最佳技术选择，在信息高速公路建设中扮演着至关重要的角色。在光纤测试、光缆铺设、故障检查等各方面都会涉及到光纤延时的测量，在各类光纤实验以及工程中也经常会涉及到光纤延时的测量；可以说，准确的光纤延时的测量在几乎所有的光纤通信以及光纤传感系统中都极为重要。

传统的光纤延时测量方法有光时域反射原理(OTDR)，低同调反射原理(OLCR)和光频域反射测量原理(OFDR)等。OTDR广泛应用到光纤网络通信领域来测量光纤长度，检测光缆断点位置等，但是由于方法本身误差的影响，测试精度只能达到微秒级别。OLCR测试精度高，精度可达飞秒级别，而且结构简单，方便制成便携仪器，但是OLCR的动态范围比较小，最大的测量范围只有几厘米，同时要求干涉仪两臂反射回来的偏振状态要匹配，否则会影响OLCR测量精确度。

OFDR测量光纤延时测量的方法是采用对光源进行频率调制，则探测器上的信号拍频会随散射点距离的增加而增加，而探测器上的能量正比于该点散射大小。OFDR的测量精度比OTDR高，可以达到皮秒量级，测量范围比OLCR大，可达几千米，具有较高的实用性。但是传统的基于OFDR延时测量系统缺少校准方案，不能给出不同时间尺度下光延时测量的精度。

发明内容

鉴于上述，本发明提供了一种微波光子延时测量校准装置，能够实现对高精度光延时量测量装置的精确校准。

一种微波光子延时测量校准装置，包括延时测量系统、相位检测校准系统以及待测光路三部分；其中：

所述延时测量系统通过向待测光路发出一路光信号以测量待测光路的光延时量，并根据测量结果动态调整待测光路中主动光学补偿器内部光路延时，以保证待测光路的光延时量在所需的控制精度范围内；

所述相位检测校准系统将一组不同频率的单频信号依次调制到光信号上，通过向待测光路发出该光信号以测量单频信号经待测光路延时后与原信号之间的相位差，通过对相位差进行量化，进而根据量化结果通过延时校准算法计算出不同时间尺度下待测光路的光延时量。

进一步地，所述待测光路包括两个波分复用器B1～B2、环形器、主动光学补偿器、法拉第旋转镜、待测光纤以及光放大器；其中，波分复用器B1将延时测量系统发出的光信号与相位检测校准系统发出的光信号合并至同一光路上并经环形器接入主动光学补偿器，主动光学补偿器的输出端通过待测光纤连接至法拉第旋转镜，合并后的光信号经法拉第旋转镜原路反射回环形器后进入光放大器进行补偿放大，进而通过波分复用器B2重新分成两路光信号分别返回至各自的系统。

进一步地，所述延时测量系统采用双光路差分结构，其包括测试光源、两个耦合器C1～C2、参考光路、光电探测器以及测量补偿模块；其中测试光源通过调制将射频信号调制到其发出的光信号上，该光信号经耦合器C1分成两路，一路输出至待测光路，另一路进入系统内部的参考光路；由于测试光源采用低相干光源，其波长的相干长度远小于待测光路与参考光路的光程差，因此待测光路返回的光信号与参考光路的光信号在耦合器C2处叠加输出并经光电探测器转化为电信号，最终由测量补偿模块基于该电信号计算测量出待测光路的光延时量，进而根据测量结果动态调整主动光学补偿器内部光路延时。

进一步地，所述相位检测校准系统包括信号发生器、光电调制器、相位检测器、光电探测器、激光器和延时校准模块；其中，信号发生器以氢钟作为参考信号源用于产生一组多个不同频率的单频信号提供给光电调制器和光电探测器，光电调制器将这些单频信号按照先后顺序调制到激光器发射的光信号上并送入到待测光路中，光电探测器将待测光路返回的光信号转化为对应频率的电信号输送到相位检测器中与原单频信号鉴相测得相位差，延时校准模块通过对相位差进行量化，进而根据量化结果通过延时校准算法计算出不同时间尺度下待测光路的光延时量。

进一步地，各单频信号的频率依次满足一定的倍数关系，优选倍数为10。

进一步地，所述延时校准算法的具体过程如下：

(1)在待测光路不接入待测光纤的情况下(即主动光学补偿器输出端直接连接法拉第旋转镜的情况下)，由延时测量系统计算测量得到待测光路的光延时量为τ₀，由相位检测校准系统测得各单频信号对应的相位n为不同频率单频信号的数量；

(2)在待测光路接入待测光纤的情况下，由延时测量系统计算测量得到待测光路的光延时量为τ₁，由相位检测校准系统测得各单频信号对应的相位

(3)通过计算得到待测光纤的光延时量τ＝τ₁-τ₀以及各单频信号经待测光路延时后与原信号之间的相位差i为自然数且1≤i≤n；

(4)计算确定各频点对应时间位的单位延时量以及每一时间位上的具体数值，其中第i频点对应时间位的单位延时量t_i＝1/kf_i，f_n为第i个单频信号的频率，第i时间位上的具体数值 为向下取整函数，k为相邻两个频点之间的频率倍数；

(5)根据步骤(4)中的结果得出不同时间尺度下待测光路的光延时量。

进一步地，所述环形器采用宽带光环形器，所述光耦合器采用3dB耦合器，所述光电探测器采用宽带光电探测器。

基于上述技术方案，本发明装置在原理方案上排除了相位测量中360°相位模糊问题，利用高稳定的氢钟以及光延迟模型可以实现对高精度光延时量测量装置的精确校准，更大的延时量测量可以利用更多的标准频率信号。

附图说明

图1为本发明装置的系统结构示意图。

图2为本发明装置中延时测量系统的结构示意图。

图3为本发明装置中的相位检测校准系统的结构示意图。

具体实施方式

为了更为具体地描述本发明，下面结合附图及具体实施方式对本发明的技术方案进行详细说明。

如图1所示，本发明微波光子延时测量校准装置包括延时测量系统1、相位检测与校准系统2和待测光路3三个部分；待测光路包括波分复用器4和10，环形器5、主动光学补偿器6、待测光纤接口7、法拉第旋转镜8以及光放大器9，待测光路3通过波分复用器4将延时测量系统1和相位检测与校准系统2发出的两路光信号合路到同一测试光路上，经环形器5后连接主动光学补偿器6，接着为待测光纤接口7，后连接法拉第旋转镜8，光信号经法拉第旋转8返回后连接光放大器9以补偿链路损耗，最后通过波分复用器10重新将两路光分开返回到各自系统处理。

如图2所示，延时测量系统1包括测试光源11、光耦合器12和13、光电探测器14以及参考光路15；延时测量系统1采用的是双光路差分结构，内部测试光源11为低相干性光源，通过直接调制或外调制方式将射频信号调制到该光源发出激光信号上，经耦合器12分成两路，一路输出到外部待测光路3，一路进入系统内部参考光路15；由于测试光源11为低相干光源，其相干长度远小于待测光路3和参考光路15的光程差，因此待测光路3返回的光信号和参考光路15的光信号在系统内部耦合器13处叠加输出，经光电探测器14转化为电信号后测量延时量，从而动态调整主动光学补偿器6内部光路延时。

如图3所示，相位检测与校准系统2包括高稳定氢钟16、信号发生器17、光电调制器18、光电探测器19、相位探测器20和激光器21；信号发生器17是以高稳定氢钟16作为参考信号源，可以产生9个高时间稳定性的单频信号，分别为100Hz，1kHz，10kHz，100kHz，1MHz，10MHz，100MHz，1GHz，10GHz，通过光电调制器18将这些单频信号按照先后顺序调制到激光器21发射的光载波上送入到外部待测光路3中，通过内部光电探测19将待测光路3返回的光信号转化为对应频率的电信号输送到相位探测器20中与初始信号鉴相测得相位差，通过相位量化和延时校准算法对延时量进行校准。

图1中在A和B不接待测光纤，即直接连接的情况下，可通过时延测量系统测得的延时量τ₀，通过相位检测与校准系统测得上述9个标准频率信号相位分别为

在A和B连接待测光纤的情况下，可通过延时测量系统测得的延时量τ₁，通过相位检测与校准系统测得的上述9个标准频率信号的相位分别为 将前后两次对应测量的量相减即可得到待测光纤段的光延时量为τ₁-τ₀，上述9个频点的相位差为

针对上述9个标准频率100Hz，1kHz，10kHz，100kHz，1MHz，10MHz，100MHz，1GHz，10GHz，分别对应的延时量的1ms位，0.1ms位，0.01ms位，1μs位，0.1μs位，0.01μs位，1ns位，0.1ns位，0.01ns位；对上述9个相位差以36°为单位经行量化并向下取整，即可得到该位的数值；比较待测光路测得的延时量和通过延时校准系统修正后的光延时量，即可得到不同时间尺度下光延时测量的精度。

本实施方式的工作原理如下：

对于延时测量系统，以直接调制方式为例，输入激光器的射频信号可以表示为：

i_RF(t)＝I_RFcos(ω_RFt) (1)

其中：I_RF表示射频信号幅值，ω_RF表示射频信号频率。

对于某一直流偏置点I₀而言，输入激光器的电流大小为直流偏置电流与射频信号电流之和，即：

i_in(t)＝I₀+I_RFcos(ω_RFt) (2)

故输出光功率可以表示为：

P(t)＝P₀(1+mcos(ω_RFt)) (3)

激光器出来的光信号被等分成两部分，分别进入待测光路和参考光路，传输后在末端的光耦合器相加输出，由于激光器为低相干光源，满足条件：

其中：λ₀是延时测量系统所用光源的中心频率，Δλ为其光谱宽度，ΔL是待测光路和参考光路的光程差；因此，耦合器输出的光功率可以表示为：

P_out(t)＝α_loss[P_0back(t)+P_1back(t)] (5)

其中：α_loss是链路损耗，P_0back(t)和P_1back(t)分别是两路返回的光强；假设待测光路延时为τ_f，参考光路的延时为τ_r，则它们经过传输信号变为：

其中：和是微波信号分别在两光路中产生的相位变化量，f_RF是微波信号的频率，m为强度调制系数。

输出的光信号到光电探测器中，忽略直流分量，可得一阶信号输出的电流为：

其中：η为光电转化效率，α_loss是链路损耗；光电探测器输出的信号放大后输入到检波管中得到输出信号：

Vout＝|Acos[2πf_RF(τ_r-τ_f)]| (9)

可以看到，输出电压Vout的大小和f_RF满足余弦关系，余弦函数的周期和(τ_r-τ_f)的值有关；只要测得相邻的两个Vout为0的频点f_RF0和f_RF1，即可得到延时量：

对于校准系统，由于光源产生的光是宽谱光，其相干长度非常短，所以在计算过程中可以只关注它功率变化，不用考虑其场相位，偏振态等问题，可以表示成P，P为其激光功率。

信号发生器产生的信号可以表示为：

V_m(t)＝V_mcos(ω_mt) (11)

其中：V_m为输入信号的幅度，ω_m为输入信号的频率。

校准系统采用MZM调制器时，加在MZM调制器上的偏置电压为：

V_bias(t)＝V_DC+V_mcos(2π_fmt) (12)

它引起的光的相位变化为：

其中：V_DC为稳压直流电源提供的直流电压，V_π为MZM调制器的半波电压；式(13)的第一部分是直流偏置产生的相位变化，第二部分是由调制信号产生的相位的变化。对于MZM调制器来说，当初始相位且输入信号为小信号时，激光功率的变化趋于线性状态；一般情况下MZM调制器偏置点都要放置在半波电压的位置，即这样就可以使得一阶电信号增益最大，同时可以很好地抑制高次谐波信号。

经调制的激光，在MZM输出端的表达形式为：

其中：是调制器的啁啾产生的相位附加量，为激光器输入的光强，α_MZM为MZM调制器的损耗，P_MZM(t)是MZM调制器输出的光强。

在A和B之间直接连接的情况下，已测得的光延时量为τ₀，MZM输出的光信号经待测光路后信号变为：

在A和B之间连接待测光纤的情况下，已测得的光延时量为τ₁，MZM输出的光信号经待测光路后信号变为：

最后通过光电探测器将光信号转化为电信号，忽略拍频后的直流信号和高阶分量，得到一阶信号的输出电流为：

其中：k＝0即表示A和B之间直接连接时待测光路返回的信号和初始信号的相位差；k＝1即表示A和B之间连接待测光纤时待测光路返回的信号与初始信号的相位差。

对于9个频点的信号，每个频率由于待测光纤段的延时引起的相位差分别为：

其中：m＝0，1，2，3，4，5，6，7，8，分别对应100Hz、1kHz、10kHz、100kHz、1MHz、10MHz、100MHz、1GHz和10GHz九个频率信号，每个频率的信号由于待测光纤段引起的相位差和待测光纤段引起的时延τ_m存在关系 将其中的2π用360°表示可得量化公式：

其中：为量化规则，即将频率f_m对应的相位差除以36°并向下取整；为频点f_m对应的单位延时量；如1kHz频率对应的相位差如果是73°，那么经量化取整为2，在延时量的0.1ms位上数字为2，即0.2ms。

由于光延时测试光路和校准光路采用不同的波长，由色散引入的系统误差需要进行修正，采用波长基准对λ₀为中心的信号波长以及λ₁波长进行精确测量，由光纤色散测量仪测定待测光纤的色散量，通常商用光纤色散仪具有较高的精度，如EXFO FTB5800色散测量仪测量120km G.652光纤的色散不确定量3.1ps/nm，可以满足系统要求。由色散测量结果、光载波波长测量结果以及调制器信号频率等参数，根据本项目建立的光延迟模型，修正光延时测试结果，消除测量的系统误差。

本实施方式在原理方案上排除了相位测量中360°相位模糊问题，利用高稳定的氢钟以及光延迟模型可以实现对高精度光延时量测量装置的精确校准，更大的延时量测量可以利用更多的标准信号频率。

上述对实施例的描述是为便于本技术领域的普通技术人员能理解和应用本发明。熟悉本领域技术的人员显然可以容易地对上述实施例做出各种修改，并把在此说明的一般原理应用到其他实施例中而不必经过创造性的劳动。因此，本发明不限于上述实施例，本领域技术人员根据本发明的揭示，对于本发明做出的改进和修改都应该在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种微波光子延时测量校准装置，其特征在于：包括延时测量系统、相位检测校准系统以及待测光路三部分；其中：

所述延时测量系统通过向待测光路发出一路光信号以测量待测光路的光延时量，并根据测量结果动态调整待测光路中主动光学补偿器内部光路延时，以保证待测光路的光延时量在所需的控制精度范围内；

所述相位检测校准系统将一组不同频率的单频信号依次调制到光信号上，通过向待测光路发出该光信号以测量单频信号经待测光路延时后与原信号之间的相位差，通过对相位差进行量化，进而根据量化结果通过延时校准算法计算出不同时间尺度下待测光路的光延时量。

2.根据权利要求1所述的微波光子延时测量校准装置，其特征在于：所述待测光路包括两个波分复用器B1～B2、环形器、主动光学补偿器、法拉第旋转镜、待测光纤以及光放大器；其中，波分复用器B1将延时测量系统发出的光信号与相位检测校准系统发出的光信号合并至同一光路上并经环形器接入主动光学补偿器，主动光学补偿器的输出端通过待测光纤连接至法拉第旋转镜，合并后的光信号经法拉第旋转镜原路反射回环形器后进入光放大器进行补偿放大，进而通过波分复用器B2重新分成两路光信号分别返回至各自的系统。

3.根据权利要求1所述的微波光子延时测量校准装置，其特征在于：所述延时测量系统采用双光路差分结构，其包括测试光源、两个耦合器C1～C2、参考光路、光电探测器以及测量补偿模块；其中测试光源通过调制将射频信号调制到其发出的光信号上，该光信号经耦合器C1分成两路，一路输出至待测光路，另一路进入系统内部的参考光路；由于测试光源采用低相干光源，其波长的相干长度远小于待测光路与参考光路的光程差，因此待测光路返回的光信号与参考光路的光信号在耦合器C2处叠加输出并经光电探测器转化为电信号，最终由测量补偿模块基于该电信号计算测量出待测光路的光延时量，进而根据测量结果动态调整主动光学补偿器内部光路延时。

4.根据权利要求1所述的微波光子延时测量校准装置，其特征在于：所述相位检测校准系统包括信号发生器、光电调制器、相位检测器、光电探测器、激光器和延时校准模块；其中，信号发生器以氢钟作为参考信号源用于产生一组多个不同频率的单频信号提供给光电调制器和光电探测器，光电调制器将这些单频信号按照先后顺序调制到激光器发射的光信号上并送入到待测光路中，光电探测器将待测光路返回的光信号转化为对应频率的电信号输送到相位检测器中与原单频信号鉴相测得相位差，延时校准模块通过对相位差进行量化，进而根据量化结果通过延时校准算法计算出不同时间尺度下待测光路的光延时量。

5.根据权利要求4所述的微波光子延时测量校准装置，其特征在于：各单频信号的频率依次满足一定的倍数关系，优选倍数为10。

6.根据权利要求5所述的微波光子延时测量校准装置，其特征在于：所述延时校准算法的具体过程如下：

(1)在待测光路不接入待测光纤的情况下，由延时测量系统计算测量得到待测光路的光延时量为τ₀，由相位检测校准系统测得各单频信号对应的相位n为不同频率单频信号的数量；

(2)在待测光路接入待测光纤的情况下，由延时测量系统计算测量得到待测光路的光延时量为τ₁，由相位检测校准系统测得各单频信号对应的相位

(3)通过计算得到待测光纤的光延时量τ＝τ₁-τ₀以及各单频信号经待测光路延时后与原信号之间的相位差即i为自然数且1≤i≤n；

(4)计算确定各频点对应时间位的单位延时量以及每一时间位上的具体数值，其中第i频点对应时间位的单位延时量t_i＝1/kf_i，f_n为第i个单频信号的频率，第i时间位上的具体数值 为向下取整函数，k为相邻两个频点之间的频率倍数；

(5)根据步骤(4)中的结果得出不同时间尺度下待测光路的光延时量。