CN114189281A

CN114189281A - 基于频域相位联合的光延时测量方法及装置

Info

Publication number: CN114189281A
Application number: CN202111457712.2A
Authority: CN
Inventors: 徐忠扬; 邱柏文; 潘时龙; 张雅薇; 王祥传
Original assignee: Nanjing University of Aeronautics and Astronautics
Current assignee: Nanjing University of Aeronautics and Astronautics
Priority date: 2021-12-02
Filing date: 2021-12-02
Publication date: 2022-03-15
Anticipated expiration: 2041-12-02
Also published as: CN114189281B

Abstract

本发明公开了一种基于频域相位联合的光延时测量方法。本发明利用特殊设计的光学调制信号，在不同的频段对绝对延时同时进行频域测量和时域测量，并以频域法测量结果作为粗测结果，在此基础上以相位法进行精确测量，并实现二者之间的精度传递，从而实现更大的测距范围和更高的测距精度。本发明还公开了一种基于频域相位联合的光延时测量装置。相比现有技术，本发明结合了频域测量方法的大测距范围和相位测量方法的高精度特性，且系统结构简单。

Description

基于频域相位联合的光延时测量方法及装置

技术领域

本发明涉及一种光延时测量方法，具体涉及一种基于频域相位联合的光延时测量方法及装置。

背景技术

“延时”是信号产生、传输、控制与处理中的基础参量，对其进行高精度测量是构建高性能微波光子链路的关键前提，在诸多应用场景，如分布式探测系统和航天测控系统中，延时的测量精度直接决定着目标定位与测向、后续补偿与控制以及系统相参同步的准确度。随着光学设备的不断成熟及其在电子战、通信和测控系统中的广泛应用，对绝对延时的大范围、高精度测量在微波光子链路研究与构建中有着重要的意义。

常用的绝对延时测量方法包括：时域测量法、频域测量法和相位测量法。时域测量法通常利用发射光脉冲信号，并记录光脉冲的飞行时间(TOF)以获得链路的绝对延时。频域测量法通过计算信号光往返所引起的瞬时频差以获得线路的绝对延时，常用的技术手段为利用频率随时间变化的线性调频信号，获取目标反射信号和参考信号的瞬时频差，从差频信号中提取链路的绝对延时。传统的频域测量方法测量精度为皮秒量级，测量范围为千米量级。相位测量法通过计算信号光往返所引起的相位差以获得链路的绝对延时，常用的技术手段为采用一个或一组单频信号，并通过计算反射信号和参考信号的相位差以获得链路的绝对延时。传统的相位测量方法测量精度为亚皮秒量级，但是由于整周期数确定问题引起的相位模糊，测量范围一般小于1米。

传统的频域测量方法测量范围大，但精度较低；相位测量方法测量精度高，但由于相位模糊问题，故测量范围小。绝对延时测量往往面临“高精度”与“大范围”的矛盾，需要在保证较高测量精度的前提下，获得从数厘米到数公里的测量范围。基于对传统测量方法的改进通常能在一定程度上提升测量精度或测量范围。例如在频域测量法中采用啁啾宽带光信号作为测量信号可以将测量精度提升至飞秒量级，但是需要改变链路的结构，增加了系统的复杂度；相位测量中采用合成波长技术可以大幅提高测量范围，但是多点测量和求解过程会降低系统测量速度。对于测量方法中精度和范围矛盾有所改进的同时，也一定程度上影响了系统的性能。

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，提供一种基于频域相位联合的光延时测量方法，结合了频域测量方法的大测距范围和相位测量方法的高精度特性，且系统结构简单。

本发明具体采用以下技术方案解决上述技术问题：

一种基于频域相位联合的光延时测量方法，将线性调频微波信号和单频连续波微波信号同时调制于同一光载波上，生成探测光信号，所述线性调频微波信号和单频连续波微波信号之间无频率交集且满足

α、B分别为所述线性调频微波信号的占空比和带宽，f为所述单频连续波微波信号的频率；将经过待测光链路后的探测光信号转换为电信号并提取出相应的线性调频信号分量和单频连续波信号分量；使用频域延时测量方法对所述线性调频信号分量进行处理，获得待测光链路的绝对延时粗测值，然后使用时域延时测量方法对所述单频连续波信号分量进行处理，并利用所述绝对延时粗测值进行解模糊，最终得到待测光链路的绝对延时测量值。

优选地，使用双平行马赫曾德尔调制器将线性调频微波信号和单频连续波微波信号同时调制于同一光载波上。

优选地，所述对线性调频信号分量进行处理，包括：对线性调频信号分量和本振线性调频微波信号进行鉴频以获得两者的实时频率差；所述对单频连续波信号分量进行处理，包括：对单频连续波信号分量和参考单频连续波微波信号进行鉴相以获得两者的实时相位差。

基于同一发明构思还可以得到以下技术方案：

一种基于频域相位联合的光延时测量装置，包括：

微波信号产生单元，用于生成相互之间无频率交集且满足

的线性调频微波信号和单频连续波微波信号，α、B分别为所述线性调频微波信号的占空比和带宽，f为所述单频连续波微波信号的频率；

光学调制单元，用于将所述线性调频微波信号和单频连续波微波信号同时调制于同一光载波上，生成探测光信号；

测量信号获取单元，用于将经过待测光链路后的探测光信号转换为电信号并提取出相应的线性调频信号分量和单频连续波信号分量；

绝对延时提取单元，用于使用频域延时测量方法对所述线性调频信号分量进行处理，获得待测光链路的绝对延时粗测值，然后使用时域延时测量方法对所述单频连续波信号分量进行处理，并利用所述绝对延时粗测值进行解模糊，最终得到待测光链路的绝对延时测量值。

优选地，所述光学调制单元为双平行马赫曾德尔调制器。

优选地，所述测量信号获取单元包括用于对线性调频信号分量和本振线性调频微波信号进行鉴频以获得两者的实时频率差的鉴频器，以及用于对单频连续波信号分量和参考单频连续波微波信号进行鉴相以获得两者的实时相位差的鉴相器。

相比现有技术，本发明技术方案具有以下有益效果：

本发明将现有频域延时测量方法与相位延时测量方法有机结合，以同时实现频域测量方法的大测距范围和相位测量方法的高精度特性，即利用频域测量进行粗测，利用相位测量进行精测，并通过巧妙设计实现二者之间的精度传递，达到解相位模糊的要求，从而解决了绝对延时测量中测距范围和测距精度间的矛盾，同时本发明技术方案还具有系统结构简单的优点。

附图说明

图1为本发明光延时测量装置一个优选实施例的基本结构示意图；

图2为线性调频微波信号和单频连续波微波信号的频谱关系示意图。

具体实施方式

针对现有绝对延时测量技术所存在的测距范围和测距精度间的矛盾，本发明的解决思路是利用特殊设计的光学调制信号，在不同的频段对绝对延时同时进行频域测量和时域测量，并以频域法测量结果作为粗测结果，在此基础上以相位法进行精确测量，并实现二者之间的精度传递，从而实现更大的测距范围和更高的测距精度。

本发明所提出的基于频域相位联合的光延时测量方法，具体如下：将线性调频微波信号和单频连续波微波信号同时调制于同一光载波上，生成探测光信号，所述线性调频微波信号和单频连续波微波信号之间无频率交集且满足

本发明所提出的基于频域相位联合的光延时测量装置，包括：

微波信号产生单元，用于生成相互之间无频率交集且满足

为便于公众理解，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，本实施例的光延时测量装置包括微波信号产生单元、光学调制单元、测量信号获取单元、绝对延时提取单元；微波信号产生单元分别产生两个相互之间无频率交集的线性调频微波信号和单频连续波微波信号，其中线性调频微波信号用于频域法测量，单频连续波微波信号用于相位法测量；两个微波信号由光学调制单元加载到光载波上，产生光学调制信号，即用于联合测量的探测光信号；经过待测光链路后(假设延时τ)的探测光信号由测量信号获取单元获取，将其转换为电信号并从中提取出相应的线性调频信号分量和单频连续波信号分量；两个分量分别进入绝对延时提取单元，绝对延时提取单元使用频域延时测量方法对线性调频信号分量进行处理，获得待测光链路的绝对延时粗测值，然后使用时域延时测量方法对单频连续波信号分量进行处理，并利用绝对延时粗测值进行解模糊，最终得到待测光链路的绝对延时测量值。

微波信号产生单元所产生的线性调频微波信号和单频连续波微波信号分别用于频域法测量和相位法测量，为了保证两者可在后续通过电滤波器正确分离并满足频域法测量和相位法测量的精度传递关系，要求线性调频微波信号和单频连续波微波信号相互之间无频率交集且满足

的条件，其中α、B分别为所述线性调频微波信号的占空比和带宽，f为所述单频连续波微波信号的频率。本实施例中的线性调频微波信号和单频连续波微波信号的频谱关系如图2所示，线性调频微波信号位于较低频段，而单频连续波微波信号位于较高频段；当然，反之亦可。

本发明技术方案对光学调制单元的具体调制方式没有严格的要求，只要测量信号获取单元能够得到包含绝对延时信息的线性调频信号频率信息，以及单频连续波信号的相位信息即可，可以采用一个双平行马赫曾德尔调制器，将线性调频微波信号和单频连续波微波信号同时调制于同一光载波上，以获得用于测量的调制光信号，如图1所示，本实施例中采用了该调制方式；也可以基于波分复用技术，采用两个单驱动马赫曾德尔调制器，分别将线性调频微波信号和单频连续波微波信号调制于两个不同波长的光载波上，再耦合复用，以产生用于测量的光信号，后续测量信号获取单元需要利用解波分复用器分离线性调频信号分量和单频连续波信号分量。

本发明技术方案既可以采用直通式测量结构，也可以采用反射式测量结构；但需注意的是，在反射式测量结构中，链路延时是绝对光延时的1/2，而在直通法中，链路延时是等于绝对光延时的。如图1所示，本实施例中采用了直通式测量结构，链路延时等于信号光延时。

如图1所示，测量信号获取单元通过光电探测器将经过延时τ的探测光信号转换为电信号后，利用相应频段的低通电滤波器和高通电滤波器即可将其中的线性调频信号分量和单频连续波信号分量分离出来。

如图1所示，两个分量分别进入绝对延时提取单元后，对于线性调频信号分量，绝对延时提取单元对其与本振线性调频信号进行鉴频以获得两者的实时频率差，根据实时频率差即可获得链路绝对延时粗测值，这一过程与现有频域测量方法并无不同。对于单频连续波信号分量，绝对延时提取单元对其与参考单频连续波信号进行鉴相得到实时相位差，根据所得到的实时相位差采用现有时域测量方法进行解算，并利用链路绝对延时粗测值进行解模糊，就可以获得大范围高精度的链路绝对延时精测值。常用的鉴相方法可以分为模拟法鉴相和数字法鉴相，本实施例中采用矢量网络分析仪获得测量信号与参考信号相位差。

下面对本发明技术方案的技术原理进行进一步详细说明：

现有频域测量的原理具体如下：

以线性调频信号为例，设f_e(t)是发射信号和本振信号的频率随时间变化的函数，f_r(t)是回波信号的频率随时间变化的函数，线性调频信号调制周期为T，带宽为B，信号光调频变化率K为：

发射信号和本振信号的瞬时频率为：

经过延时τ接收到的回波信号的瞬时频率为：

两者的差频信号f_beat：

则频域法测量中绝对延时τ^f可以表示为：

现有相位测量的原理具体如下：

设单频信号频率为f，则相位法测量中绝对延时τ^p可以表示为：

其中，

为发射信号与接收信号之间的相位差，可以表示为：

其中，N为完整周期个数，

为不足周期的余相位，可由鉴相器探测得到，根据对回波信号进行鉴相测得的相移量即为

而凭借单次相位测量无法确定整数尺N的大小，因此导致了相位模糊，必须进行解相位模糊(简称解模糊)，才能得到准确的测量值。

要利用频域测量所得的延时测量值(绝对延时粗测值)解相位模糊，需要满足精度传递关系，即频域测量方法中的分辨率需小于相位测量方法中的最大不模糊延时。

频域法中鉴频需要通过对拍频信号进行FFT处理以获得拍频信号的频谱，由于FFT的分辨率限制，频谱分辨率δf'可以表示为：

对应的延时测量分辨率δτ'可以表示为：

使用超分辨频域测量方法，采用一个低占空比的线性调频信号，设信号占空比为α，则频谱分辨率δf可以表示为：

对应的延时测量分辨率δτ可以表示为：

相较于全占空比信号，分辨率提高了α倍。

相位测量法的最大不模糊延时τ_unambiguous可以表示为：

线性调频微波信号和单频连续波微波信号的设计需满足精度传递条件，即满足δτ＜τ_unambiguous，亦即

链路绝对延时的相位法测量值τ^p可以表示为：

其中

为鉴相单元的鉴相精度，N值的确定需要借助于频域法测量所得到的延时粗测值，可以表示为：

其中，Floor为向下取整函数。

最终，解相位模糊后测得的链路延时值为：

综上可知，本发明技术方案可将现有频域延时测量方法与相位延时测量方法有机结合，可同时实现频域测量方法的大测距范围和相位测量方法的高精度特性，并且系统简单，测量时间短。