CN114039657A - 一种基于单次采样的光时延测量方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于单次采样的光时延测量方法，用多个频率不同、相位锁定的微波信号同时对光载波进行强度调制；将所生成的调制光信号分为两路，一路经过待测光链路作为探测路，另一路不经过待测光链路作为参考路，对探测路和参考路光信号分别进行光电转换，得到探测电信号和参考电信号；在数字域鉴相，提取出与所述个微波信号同频的各频率分量在探测电信号和参考电信号中的缠绕相位差；将所得到的缠绕相位差通过多频拟合实现相位解缠，进而依据相位解缠得到的整周模糊计算出精确的光时延。本发明还公开了一种基于单次采样的光时延测量装置。相比现有技术，本发明提高了测量效率，并实现了对任意单次采样时间都可以实现解出整周模糊。

Description

一种基于单次采样的光时延测量方法及装置

技术领域

本发明涉及一种光时延测量方法，尤其涉及一种仅需单次采样即可获得精确时延的光时延测量方法。

背景技术

光时延是光学器件、光学系统中的重要参数，其控制精度直接影响了光学组件的性能。而随着电子信息系统朝着大规模、大阵列方向发展，对光学时延的测量速度要求越来越高，以光学真时延控制的多通道波束扫描系统为例(Ren C,Pan B,Chen Y,etal.Orbital Angular Momentum Mode-Group Beamforming System Based on AnIntegrated Optical True Time Delay Line Chip[C]//2021IEEE MTT-S InternationalWireless Symposium(IWS).IEEE,2021:1-3.)，4个通道各有128个时延控制状态，波束扫描速度达1.2kHz，控制精度为皮秒级。如果要实时监测该系统光时延控制精度情况，需要保证光时延的单次测量时间为微秒级，同时光时延的测量精度达到皮秒级。

目前常用的光时延测量方法包括脉冲法、频率扫描干涉法、相推法这三种。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，测量速度极快，但是其测量精度受限于脉冲的宽度，精度难以突破纳秒量级。频率扫描干涉法通过激光连续线性扫频，在干涉频率处得到时延信息，受限于激光器频率调谐速度和后续算法处理，目前速度最快的商用产品的测量速度在毫秒量级。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。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，需要微波源不断切换发射微波信号的频率，这限制了其测量速度，目前基于相推法的时延测量技术也只能实现毫秒级的测量速度。

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，提供一种基于单次采样的光时延测量方法，通过同时提取多个微波频率的相位来解算整周模糊，避免了传统相推法所必需的扫频过程，从而提高测量效率，并实现对任意单次采样时间都可以实现解出整周模糊。

本发明具体采用以下技术方案解决上述技术问题：

一种基于单次采样的光时延测量方法，用k+2个频率不同、相位锁定的微波信号同时对光载波进行强度调制；将所生成的调制光信号分为两路，一路经过待测光链路作为探测路，另一路不经过待测光链路作为参考路，对探测路和参考路光信号分别进行光电转换，得到探测电信号和参考电信号；在数字域鉴相，提取出与所述k+2个微波信号同频的各频率分量在探测电信号和参考电信号中的缠绕相位差；将所得到的缠绕相位差通过多频拟合实现相位解缠，进而依据相位解缠得到的整周模糊计算出精确的光时延；所述k+2个频率不同、相位锁定的微波信号满足以下条件：

其中，x₁为在

范围内所设置的参数，τ'为所设置的单次采样时间，Γ为所设置的光时延测量范围；f_m为所述k+2个频率分量按频率从小到大排列的第m个频率分量的频率；Δθ为所述数字域鉴相的鉴相精度。

进一步地，按以下公式迭代计算整周模糊N(x_k+1)：

其中：

其中，(...)_2π为2π取模运算算符，

为频率分量f在探测电信号和参考电信号中的缠绕相位差。

基于同一发明构思还可以得到以下技术方案：

一种基于单次采样的光时延测量装置，包括：

多频微波调制模块，用于用k+2个频率不同、相位锁定的微波信号同时对光载波进行强度调制；所述k+2个频率不同、相位锁定的微波信号满足以下条件：

其中，x₁为在

范围内所设置的参数，τ'为所设置的单次采样时间，Γ为所设置的光时延测量范围；f_m为所述k+2个频率分量按频率从小到大排列的第m个频率分量的频率；Δθ为所述数字域鉴相的鉴相精度光电探测模块，用于将多频微波调制模块所生成的调制光信号分为两路，一路经过待测光链路作为探测路，另一路不经过待测光链路作为参考路，对探测路和参考路光信号分别进行光电转换，得到探测电信号和参考电信号；

数字鉴相模块，用于在数字域鉴相，提取出与所述k+2个微波信号同频的各频率分量在探测电信号和参考电信号中的缠绕相位差；

解算模块，用于将所得到的缠绕相位差通过多频拟合实现相位解缠，进而依据相位解缠得到的整周模糊计算出精确的光时延。

进一步地，解算模块按以下公式迭代计算整周模糊N(x_k+1)：

其中：

其中，(...)_2π为2π取模运算算符，

为频率分量f在探测电信号和参考电信号中的缠绕相位差。

相比现有技术，本发明技术方案具有以下有益效果：

本发明利用多频微波信号调制的方式进行探测，相比传统相推法测时延需要多个微波频率切换进行相位解缠，节省了传统相推法测量中微波频率切换所耗费的时间，并且对于任选的单次采样时间，可保证系统测量速度不受时频变换算法的限制，大幅提升光时延测量速度。

具体实施方式

针对现有技术所存在的不足，本发明解决思路是用多频微波信号调制的方式进行探测，相比传统相推法测时延需要多个微波频率切换进行相位解缠，节省了传统相推法测量中微波频率切换所耗费的时间，并且对于任选的单次采样时间，可保证系统测量速度不受时频变换算法的限制，大幅提升光时延测量速度。

具体而言，本发明所提出的基于单次采样的光时延测量方法，用k+2个频率不同、相位锁定的微波信号同时对光载波进行强度调制；将所生成的调制光信号分为两路，一路经过待测光链路作为探测路，另一路不经过待测光链路作为参考路，对探测路和参考路光信号分别进行光电转换，得到探测电信号和参考电信号；在数字域鉴相，提取出与所述k+2个微波信号同频的各频率分量在探测电信号和参考电信号中的缠绕相位差；将所得到的缠绕相位差通过多频拟合实现相位解缠，进而依据相位解缠得到的整周模糊计算出精确的光时延；所述k+2个频率不同、相位锁定的微波信号满足以下条件：

其中，x₁为在

范围内所设置的参数，τ'为所设置的单次采样时间，Γ为所设置的光时延测量范围；f_m为所述k+2个频率分量按频率从小到大排列的第m个频率分量的频率；Δθ为所述数字域鉴相的鉴相精度。

本发明所提出的基于单次采样的光时延测量装置，包括：

多频微波调制模块，用于用k+2个频率不同、相位锁定的微波信号同时对光载波进行强度调制；所述k+2个频率不同、相位锁定的微波信号满足以下条件：

其中，x₁为在

范围内所设置的参数，τ'为所设置的单次采样时间，Γ为所设置的光时延测量范围；f_m为所述k+2个频率分量按频率从小到大排列的第m个频率分量的频率；Δθ为所述数字域鉴相的鉴相精度光电探测模块，用于将多频微波调制模块所生成的调制光信号分为两路，一路经过待测光链路作为探测路，另一路不经过待测光链路作为参考路，对探测路和参考路光信号分别进行光电转换，得到探测电信号和参考电信号；

数字鉴相模块，用于在数字域鉴相，提取出与所述k+2个微波信号同频的各频率分量在探测电信号和参考电信号中的缠绕相位差；

解算模块，用于将所得到的缠绕相位差通过多频拟合实现相位解缠，进而依据相位解缠得到的整周模糊计算出精确的光时延。

为了便于公众理解，下面对本发明技术方案及其基本原理进行进一步详细说明：

假设连续光源输出中心频率为f_c的信号光E_i(t)，其表达式为：

E_i(t)＝E_o expj(2πf_ct) (1)

其中，E_o为信号光幅值。随后光信号通过强度调制器，被相位锁定、频率互异的多频微波信号进行小信号调制。只考虑±1阶边带时，其表达式为：

其中，M为电光调制系数，n为产生的微波信号总数，f_m为第m个微波信号的频率。经过强度调制的光信号被送入光耦合器，分为探测光信号和参考光信号。探测光信号经过待测光器件，其表达式可写为：

其中，α为待测光器件的插入损耗，τ为待测光时延。随后探测光信号进入光电探测器进行拍频处理，得到探测电信号，只考虑与调制频率同频的分量，其表达式为：

其中，η为光电探测器的响应系数。此时解算模块可对模数转换器采集到的时域信号进行短时傅里叶变换，分别提取探测电信号和参考电信号中，每一个与调制信号频率相同的微波信号的缠绕相位差

其中[...]为向下取整运算符号；N(f_m)为一非负整数，表示频率f_m的整周模糊度。

最终所测得的光时延由下式决定：

论文(S.P.Li,T.Qing,J.B.Fu,X.C.Wang,S.L.Pan,“High-Accuracy and FastMeasurement of Optical Transfer Delay,”IEEE Transactions on Instrumentationand Measurement,vol.70,8000204,2021.)给出了相位解缠的一般方法，多频微波频率按照该论文的设置即可解算整周模糊，得到精确的光时延。但是该论文的解整周模糊方案不适用于本发明装置，原因在于为了满足相位解缠条件，其相邻微波信号的最小频率间隔需满足f₂-f₁＝Δf₁＜1/2τ，而对于大多数时频变换算法，为提取频率差为Δf₁的两个微波信号的相位，需要将采样的时间窗宽度设置大于1/Δf₁，这也就意味着在使用所述论文的相位解缠方案时，系统的单次采样时间必须大于2τ，无法进一步提高测量速度。为了解决该问题，对于系统所需的单次测量时间τ'，当τ'＜2τ时，要保证多频微波源所设置的微波信号最小频率间隔要大于1/τ'，为了实现相位解缠，就需要解出频率间隔为1/τ'的整周模糊。下面阐述本发明所提出测量速度不受该条件限制的相位解缠方案：

假设解算模块的鉴相精度为Δθ＞0，多个频率不同、相位锁定的微波信号首先设置为k+2个，用于在数字域提取对于单次采样时长为τ'时最小可分辨频率的相位整周模糊，其满足：

其中，τ'为所设置的系统单次采样时间，Γ为所设置光时延的测量范围；f_m为第m个微波信号的设置频率；Δθ为数字域鉴相的鉴相精度。

由于该测量系统中待测光时延的相频曲线为一条直线，任意频差的缠绕相位差均为一定值。为表示方便，下面定义：

其中，(...)_2π为2π取模运算算符。

下面按以下公式迭代计算整周模糊N(x_k+1)：

即实现单次采样时间为τ'的情况下解出最小可分辨频率x_k+1的相位整周模糊。最终光时延由：

N(f_k+2)在已知N(x_k+1)的情况下由传统相推法计算得到，可解算无模糊的光时延。

Claims (4)

1.一种基于单次采样的光时延测量方法，其特征在于，用k+2个频率不同、相位锁定的微波信号同时对光载波进行强度调制；将所生成的调制光信号分为两路，一路经过待测光链路作为探测路，另一路不经过待测光链路作为参考路，对探测路和参考路光信号分别进行光电转换，得到探测电信号和参考电信号；在数字域鉴相，提取出与所述k+2个微波信号同频的各频率分量在探测电信号和参考电信号中的缠绕相位差；将所得到的缠绕相位差通过多频拟合实现相位解缠，进而依据相位解缠得到的整周模糊计算出精确的光时延；所述k+2个频率不同、相位锁定的微波信号满足以下条件：

其中，x₁为在

范围内所设置的参数，τ'为所设置的单次采样时间，Γ为所设置的光时延测量范围；f_m为所述k+2个频率分量按频率从小到大排列的第m个频率分量的频率；Δθ为所述数字域鉴相的鉴相精度。

2.如权利要求1所述基于单次采样的光时延测量方法，其特征在于，按以下公式迭代计算整周模糊N(x_k+1)：

其中：

其中，(...)_2π为2π取模运算算符，

为频率分量f在探测电信号和参考电信号中的缠绕相位差。

3.一种基于单次采样的光时延测量装置，其特征在于，包括：

多频微波调制模块，用于用k+2个频率不同、相位锁定的微波信号同时对光载波进行强度调制；所述k+2个频率不同、相位锁定的微波信号满足以下条件：

其中，x₁为在

范围内所设置的参数，τ'为所设置的单次采样时间，Γ为所设置的光时延测量范围；f_m为所述k+2个频率分量按频率从小到大排列的第m个频率分量的频率；Δθ为所述数字域鉴相的鉴相精度

光电探测模块，用于将多频微波调制模块所生成的调制光信号分为两路，一路经过待测光链路作为探测路，另一路不经过待测光链路作为参考路，对探测路和参考路光信号分别进行光电转换，得到探测电信号和参考电信号；

数字鉴相模块，用于在数字域鉴相，提取出与所述k+2个微波信号同频的各频率分量在探测电信号和参考电信号中的缠绕相位差；

解算模块，用于将所得到的缠绕相位差通过多频拟合实现相位解缠，进而依据相位解缠得到的整周模糊计算出精确的光时延。

4.如权利要求4所述基于单次采样的光时延测量装置，其特征在于，解算模块按以下公式迭代计算整周模糊N(x_k+1)：

其中：

其中，(...)_2π为2π取模运算算符，

为频率分量f在探测电信号和参考电信号中的缠绕相位差。