CN111692972A - 一种单纤单向光纤长度测量方法及系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种单纤单向光纤长度测量方法及系统，所述系统包括：频率源、第一激光器、第二激光器、第一波分复用器、光纤链路、EDFA、第二波分复用器、第一光电探测器、第二光电探测器、鉴相器和运算控制单元。本发明提升了测量范围及测量精度、保证了操作便捷性，降低了系统成本，简化了结构并集成装置，利于在实际工程广泛应用；其中，采用鉴相器对相位差进行检测，可提高光纤长度的测量精度。

Description

一种单纤单向光纤长度测量方法及系统

技术领域

本发明属于光纤长度测量技术领域，特别涉及一种单纤单向光纤长度测量方法及系统。

背景技术

光纤以通信容量大、传输距离远、信号串扰小、保密性能好、抗电磁干扰、传输质量佳等优点逐渐成为信息化时代的最佳传输介质之一。随着光纤通信和光纤传感技术的不断发展，长距离、高精度的光纤长度测量在通信、授时、军事、航天、航空、安全等领域内越来越具有重要的应用价值，对光纤长度测量精度的要求也日益提高。

目前，光纤长度测量的方法主要有：光时域反射法、光频域反射法、光脉冲延时法、光纤干涉法、激光相位法和激光锁模法等等。现有的这些方法各有其优势，也存在相对不足之处；例如，基于瑞利散射原理的光时域反射法，成本较高，测量精度为m量级；基于相干检测原理的光频域反射法，测量精度虽为mm量级，但光源相干条件较为苛刻，受温度影响较大；基于被动锁模原理的激光锁模法可实现长距离测量，但测量精度仅为cm量级。

综上，现有光纤长度测量方法难以在测量精度、测量范围、测量时间、操作便捷性和系统成本等方面做到兼顾，亟需一种新的单纤单向高精度长距离光纤长度测量方法及系统。

发明内容

本发明的目的在于提供一种单纤单向光纤长度测量方法及系统，以解决上述存在的一个或多个技术问题。本发明可在提升测量范围的同时，提升测量精度，保证操作便捷性，降低系统成本。

为达到上述目的，本发明采用以下技术方案：

本发明的一种单纤单向光纤长度测量方法，包括以下步骤：

步骤1：发射端的频率源输出频率为f的频率信号；将频率为f的频率信号同时调制在第一激光器与第二激光器上；其中，第一激光器发射的光的波长为λ₁，第二激光器发射的光的波长为λ₂，λ₁≠λ₂；

步骤2：在发射端，将第一激光器和第二激光器发射的两束光输入第一波分复用器，进行波分合束；由光纤链路进行传输，光纤链路长度为L；

步骤3：在接收端，通过第二波分复用器进行波分分束，将两种光信号分别送入第一光电探测器和第二光电探测器进行光电探测，得到频率为f的第一频率信号和频率为f的第二频率信号；

步骤4：将频率为f的第一频率信号与频率为f的第二频率信号送入鉴相器，获取两个频率为f的频率信号的相位差Δρ；

步骤5：根据步骤4获得的相位差Δρ进行计算获得光纤长度，计算表达式为，

式中，Δρ为相位差数据；λ₁为第一激光器发射的光的波长，λ₂为第二激光器发射的光的波长，λ₁≠λ₂；18为比例常数，

为比例常数的单位。

本发明的进一步改进在于，步骤1中，对第一激光器和第二激光器采用双层控温，用于稳定输出波长。

本发明的进一步改进在于，光纤链路中设置有EDFA，用于对光纤链路中的信号光进行功率补偿。

本发明的一种单纤单向光纤长度测量系统，包括：

发射端，用于通过频率源输出频率为f的频率信号；将频率为f的频率信号同时调制在第一激光器与第二激光器上；其中，第一激光器发射的光的波长为λ₁，第二激光器发射的光的波长为λ₂，λ₁≠λ₂；用于将第一激光器和第二激光器发射的两束光输入第一波分复用器，进行波分合束；

光纤链路，用于进行发射端和接收端的信号传输；其中，光纤链路长度为L；

接收端，用于通过第二波分复用器进行波分分束，将两种光信号分别送入第一光电探测器和第二光电探测器进行光电探测，得到频率为f的第一频率信号和频率为f的第二频率信号；用于将频率为f的第一频率信号与频率为f的第二频率信号送入鉴相器，获取两个频率为f的频率信号的相位差Δρ；根据获得的相位差Δρ进行计算获得光纤长度，计算表达式为，

式中，Δρ为相位差数据；λ₁为第一激光器发射的光的波长，λ₂为第二激光器发射的光的波长，λ₁≠λ₂；18为比例常数，

为比例常数的单位。

本发明的进一步改进在于，在发射端，对第一激光器和第二激光器采用双层控温，用于稳定输出波长。

本发明的进一步改进在于，光纤链路中设置有EDFA，用于对光纤链路中的信号光进行功率补偿。

本发明的进一步改进在于，所述发射端包括：

频率源，用于输出频率为f的频率信号；

第一激光器和第二激光器，用于接收频率源输出的频率信号，发射波长不同的光信号；其中，第一激光器发射的光的波长为λ₁，第二激光器发射的光的波长为λ₂，λ₁≠λ₂；

第一波分复用器，用于接收第一激光器和第二激光器发射的光信号，进行波分合束。

本发明的进一步改进在于，所述接收端包括：

第二波分复用器，用于接收光纤链路输出的信号，进行波分分束，输出两种光信号；

第一光电探测器和第二光电探测器，用于对第二波分复用器输出的两种光信号进行光电探测，得到频率为f的第一频率信号和频率为f的第二频率信号；

鉴相器，用于接收频率为f的第一频率信号与频率为f的第二频率信号，获取两个频率为f的频率信号的相位差Δρ；

运算控制单元，用于根据获得的相位差Δρ进行计算，计算公式为：

实现单纤单向光纤长度测量。

本发明的进一步改进在于，鉴相器的分辨率为10fs。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

本发明的方法，根据光纤折射率随波长变化，使模式内不同波长光的时间延迟不同；在发射端将频率信号同时调制在两个发出波长有差异的激光器上，经光纤链路传输后在接收端分别对相同频率调制的两种光信号进行光电探测，得到两个相同频率的频率信号；由高分辨率鉴相器对两个相同频率的频率信号进行相位差测量，根据相位差来准确计算光纤链路总长度。本发明采用单纤单向高精度长距离光纤长度测量方法，可在提升测量范围的同时提升测量精度、保证操作便捷性，降低系统成本，简化结构，集成装置，可利于在实际工程广泛应用。

本发明的系统，提升了测量范围及测量精度、保证了操作便捷性，降低了系统成本，简化了结构并集成装置，利于在实际工程广泛应用；其采用高分辨率鉴相器(例如，分辨率可选为10fs)对相位差进行检测，提高光纤长度的测量精度。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图做简单的介绍；显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来说，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本发明实施例的一种单纤单向光纤长度测量系统的示意图。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术效果及技术方案更加清楚，下面结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述；显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例。基于本发明公开的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的其它实施例，都应属于本发明保护的范围。

本发明实施例的一种单纤单向光纤长度测量方法，包括以下步骤：

步骤1：发射端频率源输出频率为f的频率信号，将频率为f的频率信号同时调制在激光器LD1、与激光器LD2上，LD1发射的光波长为λ₁，LD2发射的光波长为λ₂，其中λ₁≠λ₂，且在保证接收端光功率足够大的情况下，两激光器波长差异越大越好；

步骤2：步骤1所述两束光输入至WDM1(第一波分复用器)进行波分合束，由光纤链路进行传输，光纤链路长度为L；

步骤3：在接收端由WDM2(第二波分复用器)进行波分分束，将两种光信号分别送入PD1(第一光电探测器)与PD2(第二光电探测器)进行光电探测，得到频率为f的频率信号1与频率为f的频率信号2；

步骤4：将频率为f的频率信号1与频率为f的频率信号2送入鉴相器，获取两个频率为f的频率信号的相位差Δρ；

步骤5：由运算控制单元根据步骤4所获得的相位差Δρ进行计算，计算公式为：

式中，Δρ为步骤4所获取的相位差数据，λ₁为第一激光器发射的光的波长，λ₂为第二激光器发射的光的波长，λ₁≠λ₂，18为比例常数，

为比例常数的单位。

至此，实现了单纤单向高精度长距离光纤长度测量。

本发明实施例中，对两个激光器采用双层控温，以稳定其输出波长。

本发明实施例中，在长距离光纤链路中，往往需要EDFA(掺铒光纤放大器)对传输链路中的信号光进行功率补偿，短距离光纤链路中可以不加EDFA。

本发明实施例的方法，采用单纤单向高精度长距离光纤长度测量方法，提升了测量范围及测量精度、保证了操作便捷性，降低了系统成本，简化了结构并集成装置，可利于在实际工程广泛应用；其采用鉴相器对相位差进行检测，提高了光纤长度的测量精度。

请参阅图1，本发明实施例的一种单纤单向光纤长度测量系统，包括：频率源、LD1(第一激光器)、LD2(第二激光器)、WDM1(第一波分复用器)、光纤链路、EDFA、WDM2(第二波分复用器)、PD1(第一光电探测器)、PD2(第二光电探测器)、鉴相器和运算控制单元。

本发明实施例的系统，包括：

发射端，用于通过频率源输出频率为f的频率信号；将频率为f的频率信号同时调制在第一激光器与第二激光器上；其中，第一激光器发射的光的波长为λ₁，第二激光器发射的光的波长为λ₂，λ₁≠λ₂；用于将第一激光器和第二激光器发射的两束光输入第一波分复用器，进行波分合束；

光纤链路，用于进行发射端和接收端的信号传输；其中，光纤链路长度为L；

接收端，用于通过第二波分复用器进行波分分束，将两种光信号分别送入第一光电探测器和第二光电探测器进行光电探测，得到频率为f的第一频率信号和频率为f的第二频率信号；用于将频率为f的第一频率信号与频率为f的第二频率信号送入鉴相器，获取两个频率为f的频率信号的相位差Δρ；根据获得的相位差Δρ进行计算获得光纤长度，计算表达式为，

式中，Δρ为步骤4所获取的相位差数据，λ₁为第一激光器发射的光的波长，λ₂为第二激光器发射的光的波长，λ₁≠λ₂，18为比例常数，

为比例常数的单位。

本发明实施例的系统中，在发射端，对第一激光器和第二激光器采用双层控温，用于稳定输出波长。

本发明实施例的系统中，光纤链路中设置有EDFA，用于对光纤链路中的信号光进行功率补偿。

本发明实施例的系统中，所述发射端包括：

频率源，用于输出频率为f的频率信号；

第一激光器和第二激光器，用于接收频率源输出的频率信号，发射波长不同的光信号；其中，第一激光器发射的光的波长为λ₁，第二激光器发射的光的波长为λ₂，λ₁≠λ₂；

第一波分复用器，用于接收第一激光器和第二激光器发射的光信号，进行波分合束。

本发明实施例的系统中，所述接收端包括：

第二波分复用器，用于接收光纤链路输出的信号，进行波分分束，输出两种光信号；

第一光电探测器和第二光电探测器，用于对第二波分复用器输出的两种光信号进行光电探测，得到频率为f的第一频率信号和频率为f的第二频率信号；

高分辨率鉴相器，用于接收频率为f的第一频率信号与频率为f的第二频率信号，获取两个频率为f的频率信号的相位差Δρ；其中，高分辨率鉴相器的分辨率可选为10fs。

运算控制单元，用于根据获得的相位差Δρ进行计算，计算公式为：

式中，Δρ为步骤4所获取的相位差数据，λ₁为第一激光器发射的光的波长，λ₂为第二激光器发射的光的波长，λ₁≠λ₂，18为比例常数，

为比例常数的单位。

实现单纤单向光纤长度测量。

本发明实施例的一种单纤单向高精度长距离光纤长度测量方法，包括以下步骤：

步骤1：使频率源输出100MHz频率信号，将100MHz频率信号同时调制在激光器LD1、与激光器LD2上，对两个激光器采用双层控温，以稳定其输出波长，LD1发射的光波长为1550nm，LD2发射的光波长为1310nm；

步骤2：步骤1所述两束光输入至WDM1(第一波分复用器)进行波分合束，由光纤链路进行传输，光纤链路总长度为L；

步骤3：在接收端由WDM2(第二波分复用器)进行波分分束，将两种光信号分别送入PD1(第一光电探测器)与PD2(第二光电探测器)进行光电探测，得到100MHz频率信号1与100MHz频率信号2；

步骤4：将100MHz频率信号1与100MHz频率信号2送入鉴相器，获取两个100MHz频率信号的相位差Δρ，其中所采用鉴相器的相位分辨率为10fs；

步骤5：由运算控制单元根据步骤4所获得的相位差Δρ进行计算，计算公式为：

本发明采用分辨率为10fs的鉴相器，波长差异为240nm的两种波长，可使光纤长度测量精度达到2.3mm。

本发明实施例中，在保证接收端光功率足够大的情况下，使得第一激光器与第二激光器发出的光的波长差越大越好。在保证接收端光功率足够的情况下，两激光器所发射激光的波长差异越大越好。本发明实施例中采用的两激光器发光波长为1550nm，1310nm，即波长差异为240nm。

本领域内的技术人员应明白，本申请的实施例可提供为方法、系统、或计算机程序产品。因此，本申请可采用完全硬件实施例、完全软件实施例、或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且，本申请可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可用存储介质(包括但不限于磁盘存储器、CD-ROM、光学存储器等)上实施的计算机程序产品的形式。

本申请是参照根据本申请实施例的方法、设备(系统)、和计算机程序产品的流程图和/或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和/或方框图中的每一流程和/或方框、以及流程图和/或方框图中的流程和/或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理设备的处理器以产生一个机器，使得通过计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。

这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程数据处理设备以特定方式工作的计算机可读存储器中，使得存储在该计算机可读存储器中的指令产生包括指令装置的制造品，该指令装置实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能。

这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理设备上，使得在计算机或其他可编程设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理，从而在计算机或其他可编程设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的步骤。

以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其限制，尽管参照上述实施例对本发明进行了详细的说明，所属领域的普通技术人员依然可以对本发明的具体实施方式进行修改或者等同替换，这些未脱离本发明精神和范围的任何修改或者等同替换，均在申请待批的本发明的权利要求保护范围之内。

Claims (9)

1.一种单纤单向光纤长度测量方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1：发射端的频率源输出频率为f的频率信号；将频率为f的频率信号同时调制在第一激光器与第二激光器上；其中，第一激光器发射的光的波长为λ₁，第二激光器发射的光的波长为λ₂，λ₁≠λ₂；

步骤2：在发射端，将第一激光器和第二激光器发射的两束光输入第一波分复用器，进行波分合束；由光纤链路进行传输，光纤链路长度为L；

步骤3：在接收端，通过第二波分复用器进行波分分束，将两种光信号分别送入第一光电探测器和第二光电探测器进行光电探测，得到频率为f的第一频率信号和频率为f的第二频率信号；

步骤4：将频率为f的第一频率信号与频率为f的第二频率信号送入鉴相器，获取两个频率为f的频率信号的相位差Δρ；

步骤5：根据步骤4获得的相位差Δρ进行计算获得光纤长度，计算表达式为，

式中，Δρ为相位差数据；λ₁为第一激光器发射的光的波长，λ₂为第二激光器发射的光的波长，λ₁≠λ₂；18为比例常数，

为比例常数的单位。

2.根据权利要求1所述的一种单纤单向光纤长度测量方法，其特征在于，步骤1中，对第一激光器和第二激光器采用双层控温，用于稳定输出波长。

3.根据权利要求1所述的一种单纤单向光纤长度测量方法，其特征在于，光纤链路中设置有EDFA，用于对光纤链路中的信号光进行功率补偿。

4.一种单纤单向光纤长度测量系统，其特征在于，包括：

发射端，用于通过频率源输出频率为f的频率信号；将频率为f的频率信号同时调制在第一激光器与第二激光器上；其中，第一激光器发射的光的波长为λ₁，第二激光器发射的光的波长为λ₂，λ₁≠λ₂；用于将第一激光器和第二激光器发射的两束光输入第一波分复用器，进行波分合束；

光纤链路，用于进行发射端和接收端的信号传输；其中，光纤链路长度为L；

接收端，用于通过第二波分复用器进行波分分束，将两种光信号分别送入第一光电探测器和第二光电探测器进行光电探测，得到频率为f的第一频率信号和频率为f的第二频率信号；用于将频率为f的第一频率信号与频率为f的第二频率信号送入鉴相器，获取两个频率为f的频率信号的相位差Δρ；根据获得的相位差Δρ进行计算获得光纤长度，计算表达式为，

式中，Δρ为相位差数据；λ₁为第一激光器发射的光的波长，λ₂为第二激光器发射的光的波长，λ₁≠λ₂；18为比例常数，

为比例常数的单位。

5.根据权利要求4所述的一种单纤单向光纤长度测量系统，其特征在于，在发射端，对第一激光器和第二激光器采用双层控温，用于稳定输出波长。

6.根据权利要求4所述的一种单纤单向光纤长度测量系统，其特征在于，光纤链路中设置有EDFA，用于对光纤链路中的信号光进行功率补偿。

7.根据权利要求4所述的一种单纤单向光纤长度测量系统，其特征在于，所述发射端包括：

频率源，用于输出频率为f的频率信号；

第一激光器和第二激光器，用于接收频率源输出的频率信号，发射波长不同的光信号；其中，第一激光器发射的光的波长为λ₁，第二激光器发射的光的波长为λ₂，λ₁≠λ₂；

第一波分复用器，用于接收第一激光器和第二激光器发射的光信号，进行波分合束。

8.根据权利要求4所述的一种单纤单向光纤长度测量系统，其特征在于，所述接收端包括：

第二波分复用器，用于接收光纤链路输出的信号，进行波分分束，输出两种光信号；

第一光电探测器和第二光电探测器，用于对第二波分复用器输出的两种光信号进行光电探测，得到频率为f的第一频率信号和频率为f的第二频率信号；

鉴相器，用于接收频率为f的第一频率信号与频率为f的第二频率信号，获取两个频率为f的频率信号的相位差Δρ；

运算控制单元，用于根据获得的相位差Δρ进行计算，计算公式为：

实现单纤单向光纤长度测量。

9.根据权利要求4所述的一种单纤单向光纤长度测量系统，其特征在于，所述接收端包括：鉴相器的分辨率为10fs。

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