CN113295097A - 基于光波元件分析仪群时延的光纤长度测量方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及基于光波元件分析仪群时延的光纤长度测量方法及装置，包括以下步骤：步骤1：校准光波元件分析仪；步骤2：设置光波元件分析仪的光波参数；步骤3：在光波元件分析仪中接入被测光纤，获得被测光纤的群时延τ_GD；步骤4：利用获得的群时延τ_GD，和光速c及光纤折射率n计算被测光纤的长度L；其中，步骤2设置的光波参数满足关系：

Δf为频率跨度，p为测量点数，α为频点密度系数，L为光纤长度，c为光速，n为光纤折射率。测量装置简单，仅通过一台光波元件分析仪作为测试仪器即可完成测量。

Description

基于光波元件分析仪群时延的光纤长度测量方法及装置

技术领域

本发明涉及光纤检测领域，具体为基于光波元件分析仪群时延的光纤长度测量方法及装置。

背景技术

本部分的陈述仅仅是提供了与本发明相关的背景技术信息，不必然构成在先技术。

光纤长度影响信号的延时和信号的相位，信号的延时能够影响光通信系统的采样时间等，信号的相位能够影响光通信系统数据的采集等。理想条件下，光在光纤中的传播速度为3×10⁸m/s，若光纤长度相差1mm，则在1GHz的频率下，相位差为1.2°，通常情况下，光通信系统要求各路信号间的相位差约在5°左右。因此，光纤长度的测量对衡量光通信系统的性能极为重要。

现有的光纤长度的测量方法有后向散射法、脉冲法和相移法三种。

后向散射法是利用光在光纤中传输时的瑞利散射和菲涅尔反射所产生的背向散射光测量光纤长度，其典型应用为光时域反射计(OTDR)，OTDR通过激光光源发射光脉冲到待测光纤内，当光在光纤内传输时，由于瑞利散射会有部分光返回到OTDR中，计算从发射信号到返回信号所用的时间和传输速度，从而计算出光纤长度。

由于背向散射光信号极其微弱，要准确定位，通常采用统计平均的方法来提高信噪比，以减少接收器固有的随机噪声的影响，因此易受噪声影响；OTDR还存在事件盲区、衰减盲区等干扰因素，导致其测量精度较低。OTDR虽然测量范围较大，但是测量精度受到很大限制，只能达到米级，且随着光纤长度的增加，测量误差也随着增大。

光频域反射计(OFDR)是采用对光源进行频率调制，调制后的光射入光纤，传输过程中发生后向散射以及反射，在入射端处接收其返回的光信号，得到其相位-频率以及振幅-频率响应，对其进行傅立叶逆变换，得到光纤脉冲响应，进而计算得到光纤长度。OFDR的测量精度比OTDR高，可以达到毫米量级，测量范围可达几千米，具有较高的实用性，但是OFDR系统对激光光源的稳定性和相干性有很高的要求，所以测量稳定性差。

脉冲法是通过观测参考光纤与被测光纤中传输光的脉冲叠加过程，然后利用两个脉冲的时间差计算出被测光纤的长度。一些文献中提出利用锁相技术控制飞秒脉冲的方法，这类方法使测量准确度和分辨力得到了极大的提高，但是由于光纤色散会对光脉冲进行展宽，导致其测量距离非常小，因此脉冲法不适合对较长光纤的测量。

相位法测量光纤长度是通过测定调制光经过待测光纤的时间t后所产生的相位偏移，从而求得光纤长度。传统的调制相移法由于对相位测量要求高而导致其测量重复性比较差，测量精度较低。为了克服传统调制相移法测量频率范围窄、测量准确度低的缺点，一些文献提出利用一体化矢量网络分析仪的高速调制信号同步技术及高频信号相位差测量技术，设计并研制了单模光纤长度测量装置，该方法缺点在于测量装置由分布式反馈激光器、矢量网络分析仪、光电转换器，前置放大器、光分路器等组成，测量装置复杂，带来较大的测量不确定度，降低了测量的精度。

发明内容

为了解决上述背景技术中存在的技术问题，本发明提供基于光波元件分析仪群时延的光纤长度测量方法及装置，通过测定调制光经过待测光纤的时间t后所产生的相位偏移实现光纤长度的测量。

为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

本发明的第一个方面提供一种基于光波元件分析仪群时延的光纤长度测量方法，包括以下步骤：

步骤1：校准光波元件分析仪；

步骤2：设置光波元件分析仪的参数；

步骤3：在光波元件分析仪中接入被测光纤，获得被测光纤的群时延τ_GD；

步骤4：利用获得的群时延τ_GD，和光速c及光纤折射率n计算被测光纤的长度L；

其中，步骤2设置的参数满足关系：

Δf为频率跨度，p为测量点数，α为频点密度系数，L为光纤长度，c为光速，n为光纤折射率。

步骤1包括：利用柔性射频电缆分别连接在微波信号发射接口与第一接口之间，和微波信号接收接口与第二接口之间，利用校准光纤连接光输出、光输入端口，校准光波元件分析仪。

步骤2设置的参数包括中心频率、频率跨度Δf、测试点数p、光波长及光功率。

步骤2中，频点密度系数α的取值范围为0.85≤α≤0.95。

步骤3拆除校准光纤后将被测光纤接入光波元件分析仪完成群时延的测量。

步骤3中，将被测光纤两端分别接入光波元件分析仪的光输入端口和光输出端口，启动光波元件分析仪测量群时延的值为τ_GD。

步骤4中被测光纤的长度L采用下式获得：

式中，τ_GD为被测光纤的群时延，c为光速，n为光纤折射率。

本发明的第二个方面提供一种实现上述方法的测量装置，包括光波元件分析仪，光波元件分析仪具有处理模块。

光波元件分析仪具有微波信号发射接口、微波信号接收接口、第一接口和第二接口。

处理模块接收光波元件分析仪获得被测光纤的群时延τ_GD，光速c及光纤折射率n，计算被测光纤的长度L。

与现有技术相比，以上一个或多个技术方案存在以下有益效果：

1、相比于传统的测量背向散射的方法，避免了易受噪声影响、存在事件盲区、测量精度低等缺点，克服了脉冲法中由于光线色散导致的测量距离短的缺陷。

2、测量装置简单，仅通过一台光波元件分析仪作为测试仪器即可完成测量，避免了需要分布式反馈激光器、矢量网络分析仪、光电转换器，前置放大器、光分路器等组成测试系统的复杂测量方案，从而减少测量成本。

附图说明

构成本发明的一部分的说明书附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。

图1是本发明一个或多个实施例提供的测量装置接线示意图；

图2是本发明一个或多个实施例提供的测量光纤长度的原理示意图；

图3是本发明一个或多个实施例提供的测量流程示意图。

具体实施方式

下面结合附图与实施例对本发明作进一步说明。

应该指出，以下详细说明都是示例性的，旨在对本发明提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本发明所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。

需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本发明的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。

正如背景技术中所描述的，测量光纤长度采取的光时域反射计法由于背向散射光信号极其微弱，要准确定位，通常采用统计平均的方法来提高信噪比，以减少接收器固有的随机噪声的影响。这样导致测试时间偏长，同时易受噪声的影响。OTDR探测技术还存在事件盲区以及衰减盲区等测量干扰因素，导致测量精度较低。该方法对激光光源的稳定性和相干性有很高的要求，所以测量稳定性差。

脉冲法是通过观测参考光纤与被测光纤中传输光的脉冲叠加过程，然后利用两个脉冲的时间差计算出被测光纤的长度。《基于飞秒激光的光纤长度测试方法》和《Time-of-flight measurement with femtosecond light pulse》两篇文献提出利用锁相技术控制飞秒脉冲的方法，在0.7km的范围内实现了117nm分辨力的长度测量，这两种基于脉冲法的技术使测量准确度和分辨力得到了极大的提高，但是由于光纤色散会对光脉冲进行展宽，导致其测量距离非常小，因此脉冲法不适合对较长光纤的测量。

相位法由于对相位测量要求高而导致其测量重复性比较差，测量精度只能到分米量级。《基于调制相移法的高准确度光纤长度测量技术》虽然克服了传统调制相移法测量频率范围窄、测量准确度低的缺点，但由于其测量装置由分布式反馈激光器、矢量网络分析仪、光电转换器，前置放大器、光分路器等组成，测量装置复杂，带来一定的测量不确定度，降低了测量的精度。

因此，以下实施例针对现有技术的缺点，给出了基于光波元件分析仪群时延的光纤长度测量方法及装置。

该方法隶属于相位法，原理是通过测定调制光经过待测光纤的时间t后所产生的相位偏移实现光纤长度的测量，克服了光时域反射计测量后向散射导致的测试时间偏长、易受噪声影响、存在事件盲区、衰减盲区等缺点。

采用的高精度窄线宽DFB激光器的线宽优于1nm，具有较高的稳定性和相干性，克服了光频域反射计法中测量稳定性差的缺点。

由于测量的是相位的偏移，而脉冲法中测量的是脉冲光的时间偏移，克服了光纤色散对测量结果的影响，提高了测量精度。

测量装置简单，通过测量光波元件分析仪的群时延，进而求得光纤长度，克服了文献《基于调制相移法的高准确度光纤长度测量技术》测量装置复杂，集成度低的缺点，间接提高了测量精度。

实施例一：

如图1-3所示，基于光波元件分析仪群时延的光纤长度测量方法，包括以下步骤：

步骤1：使用校准光纤连接光波元件分析仪的光输出接口和光输入接口，校准光波元件分析仪；

步骤2：设置光波元件分析仪的光波参数；

步骤3：拆除校准光纤，将被测光纤两端分别连接光波元件分析仪的光输入接口和光输出接口，获得被测光纤的群时延；

步骤4：利用获得的群时延，和已知的光速及光纤折射率计算被测光纤的长度。

具体过程如下：

如图2所示的基于光波元件分析仪群时延测量光纤长度的原理图；

图中，A为调制光波在被测光纤的入射点，B为调制光波的出射点，调制光波在光纤中经过的距离L为光程，也即光纤长度，调制光波在传播过程中产生相移Φ为调制光波经过时间τ后所产生的相位偏移。

相移Φ与光波传播时间τ和光纤长度L的关系为：

公式1中，Φ为相移，τ为光波传播时间，f为调制频率，L为光纤长度，c为光速，n为光纤折射率。

群时延的计算公式为公式2所示：

公式2中，τ_GD为群时延。

群时延：指信号经过媒质传输路径或设备中的线性元件时，其各个频谱分量的相速不同，元器件对各频谱分量的响应也不一样,这都会引起到达接收端的信号因各频率分量的相移或时延不同而产生相位关系的紊乱,即相位失真。相位失真将导致调频信号串噪声增大图像信号扭曲或产生码间干扰。相位失真是以一群频率分量之间的时延差值来衡量的,故称之为群时延。

因此，由公式1和公式2可得，光纤长度与群时延的关系为：

公式3中，L为光纤长度，c为光速，n为光纤折射率，τ_GD为群时延。

如图3所示的测量过程流程图；

步骤1、光波元件分析仪校准。

如图1所示，使用柔性射频电缆连接光波元件分析仪的接口a、A和接口b、B，使用校准光纤连接光输出、光输入端口，对光波元件分析仪进行校准，扣除误差对测量结果的影响。

a、b接口可实现微波信号的发射和接收(双向)，A接口实现微波信号的接收，B接口实现微波信号的发射。

本实施例中，第一接口为a接口，第二接口为b接口，两组接口均可实现微波信号的发射和接收(双向)，两组接口分布在光波元件分析仪的不同位置上。

步骤2、参数设置。

设置光波元件分析仪的中心频率、频率跨度、测试点数、光波长、光功率等参数。

为了保证能够准确计算群时延τ_GD，一个周期内至少要有两个测试点，在设置频率跨度Δf和测试点数p时，应满足如下关系：

令Φ＝2π，则

上式中Δf为频率跨度，p为测量点数，α为频点密度系数，Φ为相移，f为调制频率，L为光纤长度，c为光速，n为光纤折射率。

若测试点数过少，无法正确测量群时延；若测试点数过多，测量结果易受校准等因素影响，通常0.85≤α≤0.95。

步骤3、测量被测光纤的群时延。

将被测光纤两端分别接入光波元件分析仪的光输入端口和光输出端口，测量群时延的值为τ_GD。

步骤4、计算被测光纤的长度。

根据公式3光纤长度的计算公式，

已知光速和光纤的折射率，可以求得光纤长度。

上述方法属于相位测量，相比于传统的测量背向散射的方法，避免了易受噪声影响、存在事件盲区、测量精度低等缺点；克服了脉冲法中由于光线色散导致的测量距离短的缺陷。

与文献中的相移法相比，测量装置简单，仅通过一台光波元件分析仪作为测试仪器即可，避免了文献中需要分布式反馈激光器、矢量网络分析仪、光电转换器，前置放大器、光分路器等组成测试系统的缺陷。

实施例二：

本实施提供实现上述测量方法的装置，包括光波元件分析仪，光波元件分析仪具有处理模块。

光波元件分析仪具有微波信号发射接口、微波信号接收接口、第一接口和第二接口。

处理模块接收光波元件分析仪获得被测光纤的群时延τ_GD，光速c及光纤折射率n，计算被测光纤的长度L。

光波元件分析仪是已有的仪器，例如，可以选用型号6433D的光波元件分析仪，该型号的光波元件分析仪包括微波模块和光底座，其中光底座包括实现由电到光转换的电光转换模块和由光到电的光电探测模块(光电转换模块)构成，可实现现代高速光传输系统中核心电光器件(电光调制器、直接调制激光器、光发射组件)、光电器件(PIN光电探测器、APD光电探测器、光接收组件)、光光器件(光纤、滤波器等光无源器件)的调制带宽特性测试。

与文献中的相移法相比，测量装置简单，仅通过一台光波元件分析仪作为测试仪器即可，避免了文献中需要分布式反馈激光器、矢量网络分析仪、光电转换器，前置放大器、光分路器等组成测试系统的缺陷。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.基于光波元件分析仪群时延的光纤长度测量方法，其特征在于：包括以下步骤：

步骤1：校准光波元件分析仪；

步骤2：设置光波元件分析仪的参数；

步骤3：在光波元件分析仪中接入被测光纤，获得被测光纤的群时延τ_GD；

步骤4：利用获得的群时延τ_GD，和光速c及光纤折射率n计算被测光纤的长度L；

其中，步骤2设置的参数满足关系：

Δf为频率跨度，p为测量点数，α为频点密度系数，L为光纤长度，c为光速，n为光纤折射率。

2.如权利要求1所述的基于光波元件分析仪群时延的光纤长度测量方法，其特征在于：所述步骤1包括：利用柔性射频电缆分别连接在微波信号发射接口与第一接口之间，和微波信号接收接口与第二接口之间，利用校准光纤连接光输出、光输入端口，校准光波元件分析仪。

3.如权利要求1所述的基于光波元件分析仪群时延的光纤长度测量方法，其特征在于：所述步骤2设置的参数包括中心频率、频率跨度Δf、测试点数p、光波长及光功率。

4.如权利要求1所述的基于光波元件分析仪群时延的光纤长度测量方法，其特征在于：所述步骤2中，频点密度系数α的取值范围为0.85≤α≤0.95。

5.如权利要求1所述的基于光波元件分析仪群时延的光纤长度测量方法，其特征在于：所述步骤3中，拆除校准光纤后将被测光纤接入光波元件分析仪完成群时延的测量。

6.如权利要求5所述的基于光波元件分析仪群时延的光纤长度测量方法，其特征在于：所述步骤3中，将被测光纤两端分别接入光波元件分析仪的光输入端口和光输出端口，启动光波元件分析仪测量群时延的值为τ_GD。

7.如权利要求1所述的基于光波元件分析仪群时延的光纤长度测量方法，其特征在于：所述步骤4中，被测光纤的长度L采用下式获得：

式中，τ_GD为被测光纤的群时延，c为光速，n为光纤折射率。

8.实现权利要求1-7任一项所述方法的测量装置，包括光波元件分析仪，光波元件分析仪具有处理模块。

9.如权利要求8所述的装置，其特征在于：所述光波元件分析仪具有微波信号发射接口、微波信号接收接口、第一接口和第二接口。

10.如权利要求8所述的装置，其特征在于：所述处理模块接收光波元件分析仪获得被测光纤的群时延τ_GD，光速c及光纤折射率n，计算被测光纤的长度L。

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