CN113091617A

CN113091617A - 一种新型的多模光纤光程变化测量系统

Info

Publication number: CN113091617A
Application number: CN202110337019.5A
Authority: CN
Inventors: 王子南; 王钰尧; 蒋家林
Original assignee: University of Electronic Science and Technology of China
Current assignee: University of Electronic Science and Technology of China
Priority date: 2021-03-29
Filing date: 2021-03-29
Publication date: 2021-07-09
Anticipated expiration: 2041-03-29
Also published as: CN113091617B

Abstract

本发明公开了一种新型的多模光纤光程变化测量系统，包括激光器，激光器的载波通过调制模块分为本振光和信号光；信号光的传输路径为：调制模块输出信号光到光环形器的端口1、光环形器的端口2输出信号光到待测光纤、待测光纤接收并通过端口2返回反射的信号光、反射的信号光通过光环形器的端口3传输到自适应增益控制光放大模块进行信号光的整形；整形后的信号光与本振光通过光耦合器耦合后，进行拍频并得到拍频光信号，主路光电探测器将接收到的拍频光信号转换为主路电信号并发送至采集模块。本发明可以将由模式耦合不稳定现象造成的强度不稳定的光学信号整流成稳定的信号，实时、准确地实现多模光纤的光程变化量的测量。

Description

一种新型的多模光纤光程变化测量系统

技术领域

本发明属于激光测距技术领域，目的在于解决现有的多模光纤的模式耦合现象，测量多模光纤的光程变化量，涉及一种新型的多模光纤光程变化测量系统。

背景技术

光纤作为光传导工具，在日常生活中有着非常广泛的应用，确保光纤传输信号质量的稳定，对于不管是科学研究还是光纤在生活各方面的运用都有着非常重要的意义。光纤会受到外界环境因素改变(如温度、应力等)的干扰，导致光纤长度会随之不断地发生改变，这就造成了传输激光时延过程的不确定性，因此光纤长度及其变化的实时测量是非常关键的一步，可以通过测量光纤长度的实时变化情况，以便实现对环境干扰的实时补偿，从而达到提高传输激光信号质量的目的，更好将光纤用于生活之中。在普通单模光纤的长度测量中，由于其激光功率稳定，可以获得强度较为稳定的信号，从而可实现对光纤长度的实时精准测量；但是对于多模光纤，由于受到外界环境的干扰会导致模式耦合现象的发生，造成信号强度波动，对于采集信号带来极大的挑战。

对于激光测距，截止到目前为止，国内外可以用于激光测距的仪器和方法有很多种，其中最常见的有：脉冲飞行时间法测距，这种方法的探测距离可以达到km量级，这一种在军事、工业和航空等领域较为常用的测距方法，其中就包含了调幅连续波激光测距，因为是对回波相位的探测，也称为相位测距，还有三角测量法，共焦法等基于几何的方案，这些方案仅仅可用于空间光测距。可以采用一种新型的方案对于光纤长度变化量的测量精度比较高并且速度快，动态范围大。

发明内容

本发明的目的在于：提供了一种新型的多模光纤光程变化测量系统，解决了上述问题的不足。

本发明采用的技术方案如下：

一种新型的多模光纤光程变化测量系统，包括激光器，激光器的载波通过调制模块分为本振光和信号光；

信号光的传输路径为：调制模块输出信号光到光环形器的端口1、光环形器的端口2输出信号光到待测光纤、待测光纤接收并通过端口2返回反射的信号光、反射的信号光通过光环形器的端口3传输到自适应增益控制光放大模块进行信号光的整形；

整形后的信号光与本振光通过光耦合器耦合后，进行拍频并得到拍频光信号，主路光电探测器将接收到的拍频光信号转换为主路电信号并发送至采集模块，采集模块接收主路电信号并进行相位解调与输出。

进一步地，所述自适应增益控制光放大模块包括支路光电探测器、放大器和控制计算模块，控制计算模块根据预设的光信号阈值、支路光电探测器的支路电信号、计算得出放大器的增益系数，并控制放大器按增益系数进行信号光的整形。

进一步地，所述自适应增益控制光放大模块为控制型时：端口3一部分光直接打入放大器的输入端，另一支路的光打入支路光电探测器的输入端转换成支路电信号，支路光电探测器的输出端与控制计算模块的输入段相连，根据输入的支路电信号计算相应的放大器的增益系数来调整信号光的大小，抑制其强度波动。

进一步地，所述自适应增益控制光放大模块为反馈型时：端口3全部光打入放大器的输入端，支路光电探测器的输入端采集放大器输出端的信号光、并转换成支路电信号，支路光电探测器的输出端与控制计算模块的输入段相连，根据输入的支路电信号计算相应的放大器的增益系数来调整下一时刻信号光的大小，抑制其强度波动。

进一步地，所述放大器采用半导体光放大器或者增益可调的掺铒光纤放大器。

进一步地，还包括信号发生模块，产生一定频率的调制信号给调制模块。

进一步地，采用I/Q调制，分别注入I、Q两路，注入两路的信号有着90度的相位差。

综上所述，由于采用了上述技术方案，本发明的有益效果是：

1.基于特殊的增益控制光放大模块，本发明可以将由模式耦合不稳定现象造成的强度不稳定的光学信号整流成稳定的信号，实时、准确地实现多模光纤的光程变化量的测量。

2.本发明可以实现模式耦合干扰下的多模光纤光纤光程变化的实时测量，对于传输激光信号质量的稳定，提供了有力的保障，通过系统得到解调信号将其注入采集设备中，利用相关的程序，实现了对于解调信号的实时精准监控，监测累计周期变化量，计算得到相对应的解卷绕相位，反映监测信号受到的扰动，最终转换成所需要的光纤光程的变化量。

3.本系统改善并解决了特定的技术问题，最终实现了光纤的实时精准低成本动态测距系统，整个发明也进一步地实现了相关的测距工作，验证了动态测量光纤长度变化量方案的可行性，为光纤在现实生活中的使用与激光信号的可靠传输提供技术保障。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本发明的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，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相关的附图，其中：

图1是本发明提供的一种新型的多模光纤光程变化测量系统的结构框图。

图2是本发明实施例1提供的一种新型的多模光纤光程变化测量系统控制型结构框图。

图3是本发明实施例2提供的一种新型的多模光纤光程变化测量系统反馈型结构框图。

图4是说明本发明实施例2工作原理的信号图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明，即所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本发明实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。

因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明的实施例，本领域技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

需要说明的是，术语“第一”和“第二”等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。

下面结合实施例对本发明的特征和性能作进一步的详细描述。

实施例一

本发明较佳实施例提供的一种新型的多模光纤光程变化测量系统，系统如图1所示，其中调制模块的作用是在动态测量时，对载波进行频率调制；主路光电探测器的作用是把接收到的光信号转换为主路电信号，方便下一步解调主路电信号的相位信息；采集模块对处理得到的主路电信号进行进一步处理。所述光环形器的端口包括端口1、端口2和端口3，其中调制模块的输出端口连接光环形器的端口1，光环形器的端口2与待测光纤相连，将信号光输入待测光纤并接收所述待测光纤返回反射的信号光，光环形器的端口3将返回反射的信号光射入自适应增益控制光放大模块进行光信号的整形。

具体地，自适应增益控制光放大模块主要是为了解决多模光纤的模式耦合现象。由于外界环境变化会影响多模光纤中的模式耦合系数，进而造成信号强度波动，对于主路光电探测模块的动态范围与信号采集模块的量化精度要求极高，自适应增益控制光放大模块通过将由模式耦合不稳定现象造成的强度不稳定的光学信号整流成稳定的信号，以便于后期的探测与信号采集。自适应增益控制光放大模块的核心思想就是通过探测接受信号的强度值，将其转换成支路电信号，以此为基础对放大器进行调控

整形后的信号光与本振光通过光耦合器耦合后，进行拍频并得到拍频光信号，主路光电探测器将接收到的拍频光信号转换为主路电信号并发送至采集模块，采集模块接收主路电信号并进行相位解调与输出，以实现多模光纤光程变化量的实时监控。通过不同的结构可以设置多种自适应增益控制光放大模块，可以根据不同的需求设计具体的结构。

假如所使用的待测光纤的长度没有任何变化，对应的也就是待测光纤所处的环境没有任何的变化，那么最终得到的拍频光信号就是之前调制模块所调制的信号，但假如待测光纤所处环境部分因素发生了改变，导致了光纤长度随之发生了改变，那么所得信号的频率就会发生改变，也就是在原有的频率基础上产生一个变量。利用这个频移值的变量，通过积分来计算得到想要的待测光纤长度的具体变化量，实时地针对环境干扰进行一定程度的补偿，来弥补传输信号质量的不确定性。

将解调信号通过采集设备进行采集，其中采集设备所起到的主要作用为，将处理得到的解调信号注入采集模块，并对采集到的解调信号进行周期变化量的实时监控计算得到周期变化量的累加值，利用该累计值与光纤光程变化间线性关系计算环境变化造成的光纤光程变化量。

通过得到的周期变化量可以根据一定的数值关系来计算光纤长度的变化量。每一个周期内，假如光纤长度发生改变对应的解调信号的周期也会发生改变，可以通过对周期变化量的积分，来计算待测光纤光程的变化量。两者之间的关系可以表示为：

r∝ΔT

式中，r为光纤光程的变化量，ΔT为周期变化量的累加值。

实施例二

本实施例在实施例一的基础上，如图2所示提供了一种新型的多模光纤光程变化测量系统控制型结构框图，激光器的输出段与调制模块的输入段相连，信号发生模块的输出端为调制模块提供调制信号，调制模块的输出端与光环形器的1端口相连，光环形器的2端口与待测光纤相连，信号光打入待测光纤中，待测光纤返回反射的信号光打入光环形器的2端口，从3端口射出；

一部分光直接打入放大器的输入端，另一支路的光打入支路光电探测器的输入端转换成支路电信号，支路光电探测器的输出端与控制计算模块的输入段相连，根据输入的支路电信号计算相应的放大器的增益系数来调整光信号的大小，抑制其强度波动，使其强度保持平稳，经过如上整形后的信号与本振信号在耦合器处耦合，耦合的光信号打入主路光电探测器转变为主路电信号，最后经采集模块采集。

本实施例中的增益控制光放大模块是将光环形器3端口输出的反射光信号分成两路，其中一路通向支路光电探测器和控制计算模块所在的支路，另外一路通向放大器，由支路光电探测器所在的支路监测光信号的大小，根据其当前的强度情况进行计算，然后调整放大器的增益效果，将信号处理成我们设定好的阈值G。若光信号强度为s(t)，增益则为

由上式可知，经过放大器增益后的信号变成一段稳定的光信号，其强度大小为α，其中α为可调节的增益系数，通过改变α的值可以实现不同的增益效果。通过放大器的增益，对输入的光信号进行整形，由于多模光纤模式耦合带来的光信号强度波动可以得到极大的抑制，对于采集设备精度要求高的问题就可以得到合理解决。

实施例三

如图3所示提供了一种新型的多模光纤光程变化测量系统反馈型结构框图，本实施例与实施例2的主要区别是：实施例2是采用反射光信号打入放大器前分出一路光进行直接控制，通过这一路光程更短的探测与控制计算光路，探测本次时刻的信号光强度，基于此进行相应计算，调整放大器的的增益效果，实现光信号整形；本实施例是采用反馈机制，通过本次时刻的信号来预估下一时刻的信号大小，基于此调整放大器的增益效果，进行对应的光信号整形。

如图4可知，通过该新型的多模光纤光程变化测量系统反馈型结构框图我们可以通过支路光电探测器得出t₁时刻的光信号强度s(t₁),通过如下关系，得出t₂时刻的光信号强度s(t₂)，

由上式可知，经过放大器增益后的信号变成一段稳定的光信号，其强度大小为α，其中α为可调节的增益系数，通过改变α的值可以实现不同的增益效果；可以看出通过某一时刻的信号我们可以推测出下一时刻信号的强度，以此为基础，调整放大器来实现光信号整形。

自适应增益控制光放大模块是将反射光信号通过放大器之后再分出一路经过支路光电探测器和控制计算模块，作用到放大器上，两路汇合形成一个负反馈系统，通过该负反馈系统来对信号光进行调节，抑制其波动，使其达到测量要求。

基于实施例1-3：

优选地，信号发生模块的作用是产生一定频率的调制信号给电光调制器，利用I/Q调制，分别注入I、Q两路，注入两路的信号有着90度的相位差；

优选地，利用自适应增益控制光放大模块，可以对上述问题进行优化，例如采用半导体光放大器或者增益可调的掺铒光纤放大器将波动的信号整形成稳定的光信号。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明的保护范围，任何熟悉本领域的技术人员在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims

1.一种新型的多模光纤光程变化测量系统，其特征在于：包括激光器，激光器的载波通过调制模块分为本振光和信号光；

2.根据权利要求1所述的一种新型的多模光纤光程变化测量系统，其特征在于：所述自适应增益控制光放大模块包括支路光电探测器、放大器和控制计算模块，控制计算模块根据预设的光信号阈值、支路光电探测器的支路电信号、计算得出放大器的增益系数，并控制放大器按增益系数进行信号光的整形。

3.根据权利要求2所述的一种新型的多模光纤光程变化测量系统，其特征在于：所述自适应增益控制光放大模块为控制型时：端口3一部分光直接打入放大器的输入端，另一支路的光打入支路光电探测器的输入端转换成支路电信号，支路光电探测器的输出端与控制计算模块的输入段相连，根据输入的支路电信号计算相应的放大器的增益系数来调整信号光的大小，抑制其强度波动。

4.根据权利要求2所述的一种新型的多模光纤光程变化测量系统，其特征在于：所述自适应增益控制光放大模块为反馈型时：端口3全部光打入放大器的输入端，支路光电探测器的输入端采集放大器输出端的信号光、并转换成支路电信号，支路光电探测器的输出端与控制计算模块的输入段相连，根据输入的支路电信号计算相应的放大器的增益系数来调整下一时刻信号光的大小，抑制其强度波动。

5.根据权利要求2所述的一种新型的多模光纤光程变化测量系统，其特征在于：所述放大器采用半导体光放大器或者增益可调的掺铒光纤放大器。

6.根据权利要求1所述的一种新型的多模光纤光程变化测量系统，其特征在于：还包括信号发生模块，产生一定频率的调制信号给调制模块。

7.根据权利要求5所述的一种新型的多模光纤光程变化测量系统，其特征在于：采用I/Q调制，分别注入I、Q两路，注入两路的信号有着90度的相位差。