CN113395110B - 基于单频微波相推的光时延测量方法及装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于单频微波相推的光时延测量方法,用频率固定的单频微波信号对连续的单波长光信号进行强度调制,并使用电脉冲信号对所得到的强度调制光信号进行调制,在时域上形成分立的一组光脉冲;以所述光脉冲对待测光链路进行探测,并对所得到的携带了待测光链路时延信息的光脉冲串进行拍频处理;以所述电脉冲信号为参考触发,同时对拍频信号和所述单频微波信号进行模数转换,在数字域得到拍频信号和所述单频微波信号之间的缠绕相位差;基于电脉冲信号的时域信息进行相位解缠,进而依据相推法解算得到待测光链路精确的光时延。本发明还公开了一种基于单频微波相推的光时延测量装置。本发明可实现大范围、高精度、多点的光时延测量。
Description
技术领域
本发明涉及一种光时延测量方法,属于光学测量技术领域。
背景技术
在5/6G通信网络、光控相控阵、光纤传感系统、分布式射电望远镜等光载系统中,光时延是一个重要参数,对光时延的测量和控制精度影响系统的性能,因而现有光载系统要求测量技术能兼顾大范围、高精度、多点测量等指标。常用的光时延测量方法包括脉冲法、相推法、频率扫描干涉法这三种。脉冲法通过直接测量光脉冲的往返时间得到光路的延时信息,但是其测量精度受限于脉冲的宽度,窄脉冲才能保证高测量精度(一般在纳秒量级)。相推法通过光链路的相位响应计算链路的群时延变化,从而得到光时延,精度较高(可到数十飞秒量级)。但是由于鉴相器的鉴相范围受限在360°范围内,所以相推法为了得到群时延响应需要调制一系列的微波信号进行相位解缠,这需要高性能的矢量网络分析仪不断切换发射和接收微波信号的频率并进行实时鉴相,导致相推法测时延成本高昂,除此之外,该方案无法测量光路中的多个反射点。频率扫描干涉法通过使用连续线性扫频的激光器,通过干涉频率得到时延信息。该方案受限于激光器的线宽和线性扫频的线性度,测量范围一般在千米级左右。
综上,现有光时延技术存在以下问题:1)脉冲法无法实现高精度的光时延测量;2)相推法需要切换多个频率的微波信号进行相位解缠,装置价格昂贵,且无法测量多反射点;3)频率扫描干涉法无法实现长距离光时延测量。
发明内容
本发明所要解决的技术问题在于克服现有技术不足,提供一种基于单频微波相推的光时延测量方法,可以通过单频微波信号实现相位解缠,从而实现大范围、高精度、多点的光时延测量。
本发明具体采用以下技术方案解决上述技术问题:
基于单频微波相推的光时延测量方法,用频率固定的单频微波信号对连续的单波长光信号进行强度调制,并使用电脉冲信号对所得到的强度调制光信号进行调制,在时域上形成分立的一组光脉冲;以所述光脉冲作为探测信号对待测光链路进行探测,并用光电探测器对所得到的携带了待测光链路时延信息的光脉冲串进行拍频处理;以所述电脉冲信号为参考触发,同时对拍频信号和所述单频微波信号进行模数转换,在数字域得到拍频信号和所述单频微波信号之间的缠绕相位差;基于所述电脉冲信号的时域信息对所述缠绕相位差进行相位解缠,进而依据相推法解算得到待测光链路精确的光时延。
优选地,待测光链路精确的光时延通过以下公式解算:
其中,τi为待测光链路在反射式探测条件下第i个反射点的光时延量,或为待测光链路在直通式探测条件下第i条并行支路的光时延量;τ′i为所述电脉冲信号和所述拍频信号中第i个光电流脉冲信号的时间间隔;fm为所述单频微波信号的频率;为拍频信号和所述单频微波信号之间的缠绕相位差;[…]为四舍五入取整符号。
优选地,所述以所述电脉冲信号为参考触发,同时对拍频信号和所述单频微波信号进行模数转换,具体实现方式如下:以拍频信号和所述单频微波信号作为同一个双通道模数转换器的两通道输入,并以所述电脉冲信号作为该双通道模数转换器的触发信号。
优选地,所述使用电脉冲信号对所得到的强度调制光信号进行调制,具体为:令所述强度调制光信号经过一个光开关,并用所述电脉冲信号对光开关进行控制。
基于同一发明构思还可以得到以下技术方案:
基于单频微波相推的光时延测量装置,包括:
探测信号生成模块,用频率固定的单频微波信号对连续的单波长光信号进行强度调制,并使用电脉冲信号对所得到的强度调制光信号进行调制,在时域上形成分立的一组光脉冲,并以所述光脉冲作为探测信号对待测光链路进行探测;
光电探测器,用于对所得到的携带了待测光链路时延信息的光脉冲串进行拍频处理;
模数转换模块,用于以所述电脉冲信号为参考触发,同时对拍频信号和所述单频微波信号进行模数转换;
解算模块,用于在数字域得到拍频信号和所述单频微波信号之间的缠绕相位差,并基于所述电脉冲信号的时域信息对所述缠绕相位差进行相位解缠,进而依据相推法解算得到待测光链路精确的光时延。
优选地,解算模块通过以下公式解算待测光链路精确的光时延:
其中,τi为待测光链路在反射式探测条件下第i个反射点的光时延量,或为待测光链路在直通式探测条件下第i条并行支路的光时延量;τ′i为所述电脉冲信号和所述拍频信号中第i个光电流脉冲信号的时间间隔;fm为所述单频微波信号的频率;为拍频信号和所述单频微波信号之间的缠绕相位差;[…]为四舍五入取整符号。
优选地,所述模数转换模块是以拍频信号和所述单频微波信号作为两通道输入,并以所述电脉冲信号作为触发信号的双通道模数转换器。
优选地,通过一个串接在所述强度调制光信号的通路中且以所述电脉冲信号作为控制信号的光开关来对所得到的强度调制光信号进行调制。
相比现有技术,本发明技术方案具有以下有益效果:
本发明对传统相推法进行了改进,采用电脉冲调制的方式生成光脉冲探测信号,并基于电脉冲的时域信息进行相位解缠,相比传统相推法测时延需要多个微波频率进行相位解缠,本发明技术方案避免了多个微波信号的调制和鉴相,大大降低了对信号源和鉴相器的要求,结构更简单,实现成本较低。
附图说明
图1为本发明基于单频微波相推的光时延测量装置一个具体实施例的结构及原理示意图。
具体实施方式
针对现有相推法的不足,本发明的解决思路是对传统相推法进行改进,利用电脉冲解缠相位的整周模糊。相比传统相推法测时延需要多个微波频率进行相位解缠,本发明技术方案避免了多个微波信号的调制和鉴相,大大降低了对信号源和鉴相器的要求,结构更简单,实现成本较低。
本发明所提出的基于单频微波相推的光时延测量方法,具体如下:
用频率固定的单频微波信号对连续的单波长光信号进行强度调制,并使用电脉冲信号对所得到的强度调制光信号进行调制,在时域上形成分立的一组光脉冲;以所述光脉冲作为探测信号对待测光链路进行探测,并用光电探测器对所得到的携带了待测光链路时延信息的光脉冲串进行拍频处理;以所述电脉冲信号为参考触发,同时对拍频信号和所述单频微波信号进行模数转换,在数字域得到拍频信号和所述单频微波信号之间的缠绕相位差;基于所述电脉冲信号的时域信息对所述缠绕相位差进行相位解缠,进而依据相推法解算得到待测光链路精确的光时延。
本发明所提出的基于单频微波相推的光时延测量装置,包括:
探测信号生成模块,用频率固定的单频微波信号对连续的单波长光信号进行强度调制,并使用电脉冲信号对所得到的强度调制光信号进行调制,在时域上形成分立的一组光脉冲,并以所述光脉冲作为探测信号对待测光链路进行探测;
光电探测器,用于对所得到的携带了待测光链路时延信息的光脉冲串进行拍频处理;
模数转换模块,用于以所述电脉冲信号为参考触发,同时对拍频信号和所述单频微波信号进行模数转换;
解算模块,用于在数字域得到拍频信号和所述单频微波信号之间的缠绕相位差,并基于所述电脉冲信号的时域信息对所述缠绕相位差进行相位解缠,进而依据相推法解算得到待测光链路精确的光时延。
为了便于公众理解,下面通过一个具体实施例并结合附图来对本发明的技术方案进行详细说明:
如图1所示,本实施例的光时延测量装置包括连续光源、单频微波源、强度调制器、脉冲信号发生器、光开关、光电探测器、双通道模数转换器、解算模块。连续光源输出连续的单波长光信号在强度调制器中,被单频微波源所输出的频率固定的单频微波信号调制,生成的强度调制光信号经过光开关后作为探测信号输入待测光路;脉冲信号发生器产生两路相同的电脉冲信号,一路用于加载到所述光开关进行开关控制,从而使光开关输出一组在时域上分立的光脉冲,另一路用于触发双通道模数转换器采集信号;经过待测光路之后的探测信号(既可以是直通式探测,也可以是反射式探测)就携带了待测光路的时延信息,用光电探测器对其进行拍频,拍频信号和单频微波源所输出的另一路单频微波信号分别输入双通道模数转换器的两个输入通道,双通道模数转换器在被触发后同时对拍频信号和所述单频微波信号进行数字采样;采样得到的数字信号被送入解算模块,很容易在数字域得到两者间的相位差,但此时得到的是缠绕相位,需要基于所述电脉冲信号的时域信息对其进行相位解缠,才能得到解缠后的相位差,进而可依据相推法解算得到待测光链路精确的光时延。
上述探测信号输入待测光链路既可以采用直通式探测方式,也可以采用反射式探测方式,可同时得到待测光链路中的多个反射点的时延信息(反射式探测),或者同时得到待测光链路中多个并行支路的时延信息(直通式探测)。下面以反射式探测为例来对本发明技术方案的原理进行进一步详细说明:
连续光源输出中心频率为fc的信号光Ei(t),其表达式为:
Ei(t)=Eo exp j(2πfct) (1)
其中,Eo为信号光幅值。随后光信号通过强度调制器,被频率为fm的微波信号进行小信号调制。只考虑±1阶边带时,其表达式为:
Em(t)=Eo(1+M cos 2πfmt)exp j(2πfct) (2)
其中,M为电光调制系数。经过强度调制的光信号被送入光开关,形成时域上的光脉冲,其表达式可写为:
其中,T为脉冲的宽度;rect为脉冲包络形状函数。随后光脉冲串进入待测光链路,按反射式测量表示,其表达式为:
其中,n为测量光链路的反射点数量;Ki为第i个反射点的光功率分配比,其满足条件αi为待测光链路中第i个反射点的插入损耗,τi为待测光链路中第i个反射点的光时延。光信号通过光电探测器进行光电转换,去除直流分量,所得光电流为:
通过双通道模数转换器,如果任意两个相邻反射光电流脉冲的间隔大于光电流脉冲本身的间隔,即满足:
τ'i=τi-Δτi (8)
其中[…]为四舍五入取整符号;Δτi为所提取脉冲的时间误差。当满足:
fm·τi=Ni (10)
其中,Ni为一整数。则将式(7)、(8)、(9)代入式(6),可以解算出第i个反射
点的光时延为:
多反射点的最小分辨率为脉冲宽度T。
Claims (8)
1.基于单频微波相推的光时延测量方法,其特征在于,用频率固定的单频微波信号对连续的单波长光信号进行强度调制,并使用电脉冲信号对所得到的强度调制光信号进行调制,在时域上形成分立的一组光脉冲;以所述光脉冲作为探测信号对待测光链路进行探测,并用光电探测器对所得到的携带了待测光链路时延信息的光脉冲串进行拍频处理;以所述电脉冲信号为参考触发,同时对拍频信号和所述单频微波信号进行模数转换,在数字域得到拍频信号和所述单频微波信号之间的缠绕相位差;基于所述电脉冲信号的时域信息对所述缠绕相位差进行相位解缠,进而依据相推法解算得到待测光链路精确的光时延。
3.如权利要求1所述基于单频微波相推的光时延测量方法,其特征在于,所述以所述电脉冲信号为参考触发,同时对拍频信号和所述单频微波信号进行模数转换,具体实现方式如下:以拍频信号和所述单频微波信号作为同一个双通道模数转换器的两通道输入,并以所述电脉冲信号作为该双通道模数转换器的触发信号。
4.如权利要求1所述基于单频微波相推的光时延测量方法,其特征在于,所述使用电脉冲信号对所得到的强度调制光信号进行调制,具体为:令所述强度调制光信号经过一个光开关,并用所述电脉冲信号对光开关进行控制。
5.基于单频微波相推的光时延测量装置,其特征在于,包括:
探测信号生成模块,用频率固定的单频微波信号对连续的单波长光信号进行强度调制,并使用电脉冲信号对所得到的强度调制光信号进行调制,在时域上形成分立的一组光脉冲,并以所述光脉冲作为探测信号对待测光链路进行探测;
光电探测器,用于对所得到的携带了待测光链路时延信息的光脉冲串进行拍频处理;
模数转换模块,用于以所述电脉冲信号为参考触发,同时对拍频信号和所述单频微波信号进行模数转换;
解算模块,用于在数字域得到拍频信号和所述单频微波信号之间的缠绕相位差,并基于所述电脉冲信号的时域信息对所述缠绕相位差进行相位解缠,进而依据相推法解算得到待测光链路精确的光时延。
7.如权利要求5所述基于单频微波相推的光时延测量装置,其特征在于,所述模数转换模块是以拍频信号和所述单频微波信号作为两通道输入,并以所述电脉冲信号作为触发信号的双通道模数转换器。
8.如权利要求5所述基于单频微波相推的光时延测量装置,其特征在于,通过一个串接在所述强度调制光信号的通路中且以所述电脉冲信号作为控制信号的光开关来对所得到的强度调制光信号进行调制。
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