CN113258998B - 一种基于光混频与延时量化的光链路延时快速测量装置 - Google Patents

一种基于光混频与延时量化的光链路延时快速测量装置 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于光混频与延时量化的光链路延时快速测量装置，该装置利用高稳参考源产生中频与本振信号，通过光子混频得到光域射频信号，以用于光链路延时的测量。测试信号分别经由待测链路与参考链路后经电域混频后将延时量信息传递至中频，并消除端口阻抗失配的影响。通过快速改变一系列本征信号的频率以及对返回的中频信号快速检相与延时量化，实现光链路延时的快速测量。本发明装置的信号发生器由锁相环可以快速稳定，因此信号处理器可以快速地改变信号产生器产生所需的本振信号；而光开关为电光开关，具有高速的切换响应，因而测量装置可以实现光链路延时的快速测量。本发明装置解决了传统光链路延时测量时间长，测量精度低的问题，可以快速得到高精度的光纤延时测量结果。

Description

一种基于光混频与延时量化的光链路延时快速测量装置
技术领域
本发明属于光学测量技术领域，具体涉及一种基于光混频与延时量化的光链路延时快速测量装置。
背景技术
光纤通信由于其具有带宽大、衰减小、抗干扰、保密性好的特性，被广泛地运用于长距离数据交换，建立了遍布全球的光纤网络，解决了传统微波技术损耗大、可用带宽资源少、保密性不佳的问题。而光纤在解决高带宽通信难题的同时，也在其他一些对延时非常敏感的领域大放光彩。
在军事上，相控阵雷达在军事对抗中的重要性不言而喻，它通常配备了多组天线，通过控制天线单元的幅度和相位来改变天线阵的波束方向。为了解决电移相的假延时问题，引入了光纤来对各个天线的真延时进行调节，从而进行目标的准确定位。基于微波光子技术的移相技术给相控阵雷达带来了抗电磁干扰强、带宽大、扫描角度宽、可追踪多目标的特点，因此其系统中的光延时的精确测定非常重要。在光纤水听器中，利用光纤对环境的敏感性将其做成传感器来感知水声。水听器一般有测试臂与参考臂，两臂光纤的长度差对水听器的性能有很大影响，若无法精确保持一致，当水声信号作用在测试臂上时，两臂的延时差不一致导致收到的信号相位发生变化，使传感结果受到影响，只有精确测量两臂差值才能使其发挥最好的性能。
随着微波光子学的迅猛发展，也为光纤延时的测量提供了多种方法。OTDR(Optical Time Domain Reflectometry)首先被提出，并被沿用至今，测量距离达几十公里，并对光纤中的断裂、连接处都具有检测功能。然而该方法依赖于光脉冲，其在传输过程中会展宽，测得的延时较为粗糙，且受制于光脉冲的长短，不能做到同时收发，存在测量盲区。随后，OFDR(Optical Frequency Domain Reflectometry)被提出，其利用发出光与返回光的拍频结果来对光纤延时进行测量，可以达到非常高的皮秒级精度，然而其对光源的要求很高，需要线性波长可调谐光源，成本高昂，测量时间很长，典型在数秒或数十秒水平。传统延时测量方法还有光相干域反射法，光低相干反射法等。以上测量方法都存在一些优势与不足，无法兼顾测量精度与测量时间。典型的测量时间均在秒级水平。
发明内容
鉴于上述，本发明提供了一种基于光混频与延时量化的光链路延时快速测量装置，能够快速测量光纤的相对延时。
一种基于光混频与延时量化的光链路延时快速测量装置，包括延时测量光路、高频信号产生电路、相位比较电路、MCU控制电路四个部分；其中，高频信号产生电路用于产生高本振信号LO与低中频信号IF，延时测量光路将高频信号产生电路的本振信号与中频信号调制到光路，进行光上变频生成RF信号。光信号经过待测光纤或参考光纤后由光电探测器拍频产生电信号，最终进入相位比较电路与本振信号LO进行下变频产生IF’，其与IF进行相位比较，得到RF经过链路的相位变化值。MCU控制电路控制高频信号产生电路中的信号发生器、延时测量光路中的第1光开关、第2光开关，并接收相位比较电路的相位信号。MCU通过改变信号发生器的本振信号频率、切换光开关，从而得到多组相位变化值，MCU在进行一系列计算后，得到光纤差分延时。
进一步地，所述延时测量光路包括连续工作CW激光器、双射频口电光调制器、待测光纤、参考光纤、第1光开关、第2光开关、光电探测器；其中，双射频口电光调制器将高频信号产生电路发出的本振信号LO与中频信号IF同时调制到CW激光器所发出的光上，进行光上变频生成RF信号。第1、2光开关控制待测光纤、参考光纤的接入，光信号通过4后，进入光电探测器转化为射频信号到达相位比较电路。
进一步地，所述相位比较电路包括混频器与鉴相器。其中，高频信号产生电路中信号发生器产生的本振信号LO与延时测量光路返回的高频信号RF’进行下变频，生成IF’，与DDS的IF信号在鉴相器进行鉴相，得到RF信号经过链路传输后的相位变化值。
进一步地，所述高频信号产生电路包括：高稳参考本振、信号发生器、DDS(DirectDigital Synthesizer)、第1耦合器、第2耦合器；其中，信号发生器利用高稳参考本振的低相噪参考信号输出本振信号LO，分别送往第1耦合器与DDS。第1耦合器分为两路分别连接电光调制器与相位比较电路。DDS以本振信号为参考，产生一个固定的中频信号IF，送往第二耦合器，第二耦合器分别连接电光调制器与相位比较电路，使中频信号IF参与光上变频与下变频。
所述MCU控制电路控制高频信号产生电路中的信号发生器、延时测量光路中的第1光开关、第2光开关，并接收相位比较电路的相位信号。MCU控制光开关依次接入待测光纤与参考光纤，快速切换信号发生器产生的中频信号频率，得到多组相位变化值，MCU通过延时量化计算，快速地得到光纤的差分延时。
进一步地，所述的光纤差分延时测量过程如下：
(1)MCU控制第1、2光开光使待测光纤接入，高频信号产生电路的信号发生器产生本振信号LO，频率为f，DDS产生稳定的低中频信号，相位比较电路中鉴相器得到射频信号相位变化值
Figure BDA0003074020760000031
(2)MCU改变信号发生器产生的LO信号，分别输出频率f0～fn，其中f0～fn与f的差满足一定的倍数关系k，即(fi-f)/(fi-1-f)＝k，1≤i≤n。从相位比较电路中分别得到相位变化值
Figure BDA0003074020760000032
(3)MCU控制第1、2光开光使参考光纤接入，重复以上步骤，得到相位变化值
Figure BDA0003074020760000033
与
Figure BDA0003074020760000034
(4)MCU利用得到的
Figure BDA0003074020760000035
所使用的频率与k值快速计算待测光纤相对于参考光纤的延时。
进一步地，所述耦合器为3dB耦合器，所述光探测器为高频宽带光电探测器，所述电光调制器为双射频口电光调制器。
进一步地，参考光纤可视为两光开关之间直连，参考光路的引入消除了射频阻抗匹配对测量精度的影响。
进一步地，由于本振信号为高频信号，信号发生器中的锁相环可以快速稳定，因此MCU可以快速地改变信号产生器产生的本振信号。光开关为电光开关，具有高速切换响应。综上，该装置可以进行光链路延时的快速测量。
附图说明
图1为本发明装置的系统示意图。
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，本发明基于光混频与延时量化的光链路延时快速测量装置，整个系统包括延时测量光路、高频信号产生电路、相位比较电路、MCU控制电路。其中延时测量光路包括CW激光器1、电光调制器2、待测光纤3、参考光纤4、第1光开关5、第2光开关6、光电探测器7，双射频口电光调制器2将高频信号产生电路发出的本振信号LO与中频信号IF同时调制到CW激光器1所发出的光上，以进行光上变频生成RF信号。第1光开关5、第2光开关6控制待测光纤、参考光纤的接入。光信号通过后，进入光电探测器7转化为电信号到达相位比较电路。
高频信号产生电路包括高稳参考本振8、信号发生器9、DDS(Direct DigitalSynthesizer)10、第1耦合器11、第2耦合器12；其中，信号发生器9利用高稳参考本振的低相噪参考信号输出本振信号LO，分别送往第1耦合器11与DDS10。第1耦合器11分为两路分别连接电光调制器2与相位比较电路。DDS以本振信号为参考，产生一个固定的中频信号IF，送往第二耦合器12，第二耦合器12分别连接电光调制器2与相位比较电路，使中频信号IF参与光上变频与下变频。
相位比较电路包括混频器13与鉴相器14；其中，高频信号产生电路中信号发生器9产生的本振信号LO与延时测量光路返回的高频信号RF’在混频器13进行下变频，生成IF’，与DDS10产生的IF信号在鉴相器14进行鉴相，得到RF信号经过链路传输后的相位变化值。
MCU15快速改变信号发生器9的LO信号频率，并通过改变光开关5、6的位置得到两组相位测量结果，最后进行光纤差分延时的计算。
本实施方式中，开始测量后，首先MCU15控制光开关5、6使待测光纤3接入，信号发生器9产生频率为f的本振信号，然后MCU15记录此刻鉴相器14得到的相位变化值，记为
Figure BDA0003074020760000041
随后MCU15控制信号发生器9改变频率，依次输出一组与f的差为等比数列的频率，记为f0～fn，其中f0～fn与f的差满足一定的倍数关系k，即(fi-f)/(fi-1-f)＝k，1≤i≤n。MCU从相位比较电路中得到一组相位
Figure BDA0003074020760000042
之后MCU控制第1、2光开关5、6使参考光纤4接入，令信号发生器9产生同样的频率f、f0～fn，得到另一相位变化值
Figure BDA0003074020760000051
与另一组相位
Figure BDA0003074020760000052
则该待测光纤相对于参考光纤的延时可用下式计算：
Figure BDA0003074020760000053
其中，
Figure BDA0003074020760000054
0≤i≤n。
本实施方式中，参考光纤可视为两光开关之间直连，参考光路的引入消除了射频阻抗匹配对测量精度的影响。
本实施方式中，高频信号产生电路输出的IF与LO通过双射频口电光调制器调制到光上，进行光上变频，生成RF信号。RF信号经链路传输后，发生相位变化，变为RF’，在光电探测器处拍频后，成为电信号，到达相位比较电路与高频信号产生电路的LO信号下变频，得到IF’，其与高频信号产生电路的IF进行鉴相，即利用上变频与下变频将射频信号的相位变化转移到中频处探测。且本振信号为高频信号，信号发生器中的锁相环可以在很短的时间稳定，因此MCU可以快速地改变信号产生器产生的LO信号。光开关为电光开关，可以在短时间内进行切换。该测量方法利用了在一个周期内通过相位测量延时值时不存在相位模糊度的特点，去除了相位模糊度对测量的影响，并通过倍频之间的相位关系对测量结果进行量化，使其更加精确。综上，该装置可以快速测量光链路延时，并得到精确的结果。
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 (5)

1.一种基于光混频与延时量化的光链路延时快速测量装置，其特征在于：包含有延时测量光路、高频信号产生电路、相位比较电路、MCU控制电路四个部分；其中：
所述高频信号产生电路用于产生本振信号LO与低中频信号IF；
所述延时测量光路将所述本振信号LO和所述低中频信号IF调制到光路，进行光上变频生成射频信号RF；光信号在通过待测光纤或参考光纤后，于光电探测器处拍频成为电信号，最后到达所述相位比较电路；
所述相位比较电路利用所述本振信号LO与所述延时测量光路返回的高频信号RF’进行下变频，将下变频得到的中频信号IF’与所述低中频信号IF鉴相后得到射频信号RF经链路传输后的相位变化值；
所述MCU控制电路控制所述高频信号产生电路中的信号发生器、延时测量光路中的第一光开关和第二光开关，并接收所述相位比较电路的相位信号；所述MCU控制电路控制光开关使光路依次接入所述待测光纤与所述参考光纤，快速切换信号发生器产生的本振信号频率，得到多组相位变化值；所述MCU控制电路通过延时量化计算，快速地得到所述待测光纤的差分延时。
2.根据权利要求1所述的测量装置，其特征在于：所述延时测量光路包括连续工作CW激光器、双射频口电光调制器、所述待测光纤、所述参考光纤、所述第一光开关、所述第二光开关、光电探测器；其中，所述双射频口电光调制器将所述本振信号LO与所述低中频信号IF同时调制到所述连续工作CW激光器所发出的光上，进行光上变频生成所述射频信号RF；所述第一光开关和所述第二光开关控制所述待测光纤、参考光纤的接入；光信号通过所述待测光纤或者所述参考光纤后，进入所述光电探测器转化为电信号到达相位比较电路。
3.根据权利要求1所述的测量装置，其特征在于：所述相位比较电路包括混频器与鉴相器；其中，所述本振信号LO与所述延时测量光路返回的高频信号RF’在混频器处进行下变频，生成所述中频信号IF’，与所述低中频信号IF信号在鉴相器进行鉴相，得到所述射频信号RF经过链路传输后的相位变化值。
4.根据权利要求2所述的测量装置，其特征在于：所述高频信号产生电路包括高稳参考本振、信号发生器、直接数字频率合成器(DDS)、第一耦合器、第二耦合器；其中，信号发生器利用所述高稳参考本振的低相噪参考信号输出所述本振信号LO，分别送往所述第一耦合器与所述直接数字频率合成器；所述第一耦合器分为两路分别连接所述电光调制器与所述相位比较电路；所述直接数字频率合成器以所述本振信号LO为参考，产生一个固定的所述低中频信号IF，送往所述第二耦合器，所述第二耦合器分别连接所述电光调制器与所述相位比较电路，使所述低中频信号IF参与光上变频与下变频。
5.根据权利要求4所述的测量装置，其特征在于：所述的光纤差分延时测量过程如下：
(1)所述MCU控制电路控制所述第一光开关和所述第二光开关使所述待测光纤接入，所述高频信号产生电路的信号发生器产生所述本振信号LO，频率为f，所述直接数字频率合成器输出稳定的所述低中频信号IF，所述相位比较电路中鉴相器得到所述射频信号RF的相位变化值
Figure FDA0003702798810000021
(2)所述MCU控制电路改变所述信号发生器产生的所述本振信号LO，分别输出频率f0～fn，其中f0～fn与f的差满足一定的倍数关系k，即(fi-f)/(fi-1-f)＝k，1≤i≤n， 从相位比较电路中分别得到相位变化值
Figure FDA0003702798810000022
(3)所述MCU控制电路控制所述第一光开关和所述第二光开光使所述参考光纤接入，重复以上步骤，得到相位变化值
Figure FDA0003702798810000023
与
Figure FDA0003702798810000024
(4)所述MCU控制电路利用得到的
Figure FDA0003702798810000025
所使用的频率与k值快速计算所述待测光纤相对于所述参考光纤的延时。
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