CN115664524A - 一种基于分布式拉曼测温的稳相射频光传输方法及系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于分布式拉曼测温的稳相射频光传输方法及系统，方法以下步骤：将传感光纤均匀布局至天线阵面上，且传感光纤上设置有多个测温点，且天线阵面中每个天线单元中的所述传感光纤旁都设置有多个所述测温点，形成传输链路；接收射频信号，并将所述射频信号转换为光信号在传输链路中传输；获取所述传输链路中每一段传输链路，其温度引起的射频信号相位的变化；根据所述传输链路中射频信号的变化相位，获取时间延时补偿；控制若干可调光延迟线的延时时间为所述时间延时补偿；再将经过所述可调光延迟线输出的光信号为射频信号，实现稳相输出。通过本发明公开的一种基于分布式拉曼测温的稳相射频光传输方法，能够实现带宽系统的稳相输出。

Description

一种基于分布式拉曼测温的稳相射频光传输方法及系统

技术领域

本发明涉及射频光传输技术领域，具体为一种基于分布式拉曼测温的稳相射频光传输方法及系统。

背景技术

数字阵列相控阵系统的应用越来越广泛。目前的数字阵列相控阵系统多采用在天线阵面后连接TR组件，实现射频的变频滤波以及数字化。由于TR组件以及数字化模块的功率大，需要在天线上安装液冷系统。这就使天线阵面无比庞大笨重，不利于天线的减重设计，把射频信号直接传输至方舱再进行变频滤波以及数字化处理的方案可以大大降低天线的重量。

但是在传输过程中由于传输的光纤所处的温度场是不断变化的，传输的射频信号的相位也会受温度影响。目前实现稳定相位传输的方法有注入导频信号到共路光纤,通过检测导频信号的相位变化，对整个光链路进行检测矫正。该手段所用设备量较大，每一路传输链路都需要单独打导频信号进行矫正，同时由于走同一根光纤，导频信号还会对原本传输的信号造成干扰。

在现有技术中，申请公布号为CN106230511A的发明专利，采用射频输入信号的二分频信号在光纤往返传输，得到射频光纤传输的相位偏移量，在发射端将射频输入信号与本地二分频信号进行上变频，得到1.5倍频率的信号，再与含有相位偏移量的往返传输二分频信号下变频，得到相位失真预补偿射频信号，在接收端，将经过长距离传输的相位失真预补偿射频信号解调，得到相位稳定的射频输出信号。摒弃了成本高的电控延迟线，运用目前大量使用的集成化的二分频、上变频、下变频芯片来达到用电控延迟线来实现的稳相效果，运用射频的二分频、上变频和下变频等射频信号处理技术，避免了复杂的数字信号处理过程，及时跟踪补偿传输相位漂移的变化。但是，现有技术由于射频器件的特性，只适用窄带信号的传输，对于宽带信号会受到二分频、变频等器件工作带宽的影响。

发明内容

本发明所要解决的技术问题在于：解决由于温度变化导致相位变化时，在稳定相位传输所用设备量较大，每一路传输链路都需要单独打导频信号进行矫正，同时由于走同一根光纤，导频信号还会对原本传输的信号造成干扰的问题。

为解决上述技术问题，本发明提供如下技术方案：

一种基于分布式拉曼测温的稳相射频光传输方法，包括以下步骤：

将传感光纤均匀布局至天线阵面上，且所述传感光纤上设置有多个测温点，且所述天线阵面中每个天线单元中的所述传感光纤旁都设置有多个所述测温点，形成传输链路；

接收射频信号，并将所述射频信号转换为光信号在传输链路中传输；

获取所述传输链路中每一段传输链路，其温度引起的射频信号相位的变化；

根据所述传输链路中射频信号的变化相位，获取时间延时补偿；

控制若干可调光延迟线的延时时间为所述时间延时补偿；

再将经过所述可调光延迟线输出的光信号转换为射频信号，实现稳相输出。

优点：通过将天线前端信号直接通过射频光传输至后端进行射频处理和数字处理，无导频干扰。通过分布式拉曼测温系统实时测量整个天线阵面的温场分布，仅通过一根传感光纤测出整个天线阵面的温度场分布，每个天线单元上的温度场都可以测量出来，从而可以得到每条温传输链路的相位变化，通过控制若干个可调光延迟线的时间延时，可以实现若干路的稳相传输。

在本发明的一实施例中，所述其温度引起的射频信号相位的变化，通过一下公式获取：

式中，△Φ表示为由温度引起变化的射频信号相位，f表示为射频频率，B表示为光纤中射频信号相位随温度的变化量，L_n表示为一条传输链路第n段的长度，△T_n表示为传输链路第n段的温度变化。

在本发明的一实施例中，所述获取时间延时补偿，通过一下公式获取：

式中，△t表示为时间延时，л表示为圆周率。

在本发明的一实施例中，通过以下公式获取光纤中射频信号相位随温度的变化量：

式中，l表示为光纤的长度，л表示为圆周率，c表示为光速，n1表示为光纤的折射率，

表示为热膨胀系数，

表示为随温度变化的差分折射率。

在本发明的一实施例中，热膨胀系数为5.6×10^-7/℃，随温度变化的差分折射率为1.2×10^-5/℃，光纤的折射率为1.468，光纤中射频信号相位随温度的变化量为0.27rad/km·GHz·℃。

在本发明的一实施例中，通过所述传感光纤上设置有多个测温点，还获取所述传感光纤上的温场分布，通过将所述传感光纤均匀布局至天线阵面上，获取绘制所述天线阵面的温场信息。

本发明还提供一种基于分布式拉曼测温的稳相射频光传输系统，包括：

测温模块，用于将传感光纤均匀布局至天线阵面上，且所述传感光纤上设置有多个测温点，多个所述测温点位于所述天线阵面中每个天线单元的输出端和输出端，形成传输链路；

电光转换模块，用于接收射频信号，并将所述射频信号转换为光信号在传输链路中传输；

分布式拉曼模块，用于获取所述传输链路中每一段传输链路，其温度引起的射频信号相位的变化；根据所述传输链路中射频信号的变化相位，获取时间延时补偿；

稳相模块，用于控制若干可调光延迟线的延时时间为所述时间延时补偿；

光电探测器模块，用于再将经过所述可调光延迟线输出的光信号转换为射频信号，实现稳相输出。

在本发明的一实施例中，所述传输链路还贯穿所述测温模块、所述电光转换模块、所述分布式拉曼模块、所述稳相模块和所述光电探测器模块，且每个模块中的所述传输链路旁都设置多个所述测温点。

在本发明的一实施例中，所述分布式拉曼模块中，所述其温度引起的射频信号相位的变化，通过一下公式获取：

式中，△Φ表示为由温度引起变化的射频信号相位，f表示为射频频率，B表示为光纤中射频信号相位随温度的变化量，L_n表示为一条传输链路第n段的长度，△T_n表示为传输链路第n段的温度变化。

在本发明的一实施例中，所述分布式拉曼模块中，所述获取时间延时补偿，通过一下公式获取：

式中，△t表示为时间延时，л表示为圆周率。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：本发明简易可靠的矫正方式，且不需要导频信号，通过分布式拉曼测温系统实时测量整个天线阵面的温场分布，通过温场分布以及传感光纤的布局数据确定传输过程中相位的变化，在电光转换模块中将射频信号转换为光信号，再通光电探测器模块将光信号转换为射频信号，并在光电探测器模块前加入稳相模块，通过测温模块测量出传输链路中的温度变化，在通过温度变化获取对应的时间延时，并将时间延时传递给温的稳相模块，进行可调光延时线进行反馈控制，从而实现宽带射频信号的稳相传输。并且天线阵面的多路射频信号稳相传输至后端，具有无导频干扰、精度高、前端设备量少、抗电磁干扰等优势。且本发明的时间延迟是与频率无关的量，可以实现宽带射频信号的稳相传输。

附图说明

图1为本发明实施例的一种基于分布式拉曼测温的稳相射频光传输方法的流程图。

图2为本发明实施例的分布式拉曼测温模块示意图。

图3为本发明实施例的一种基于分布式拉曼测温的稳相射频光传输系统框图。

具体实施方式

为便于本领域技术人员理解本发明技术方案，现结合说明书附图对本发明技术方案做进一步的说明。

术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本申请的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。

请参阅图1所示，本发明提供一种基于分布式拉曼测温的稳相射频光传输方法，包括以下步骤：

S100，将传感光纤均匀布局至天线阵面上，且所述传感光纤上设置有多个测温点，且所述天线阵面中每个天线单元中的所述传感光纤旁都设置有多个所述测温点，形成传输链路。

S200，接收射频信号，并将所述射频信号转换为光信号在传输链路中传输。

S300，获取所述传输链路中每一段传输链路，其温度引起的射频信号相位的变化。

S400，根据所述传输链路中射频信号的变化相位，获取时间延时补偿。

S500，控制若干可调光延迟线的延时时间为所述时间延时补偿。

S600，再将经过所述可调光延迟线输出的光信号转换为射频信号，实现稳相输出。

请参阅图2所示，在本发明的一实施例中，天线阵面100由多个天线单元110组成，将传感光纤200均匀布局至天线阵面100上，保证传感光纤200布置在天线单元110的一侧。在传感光纤200上设置有多个测温点210，多个测温点210位于天线单元110的输入端和输出端，测量两端的温度，以形成传输链路。其中，传输链路从接收射频信号端贯穿至最后的稳相输出端，并在整条传输链路上设置多个多个测温点210，且还不限制传输链路的条数，本实施例，以一条传输链路为例。

请参阅图1所示，在本发明的一实施例中，分布式拉曼测温的系统通过的测量拉曼传感光纤中斯托克斯光与反斯托克斯光的比值确定探测点的温度，结合光时域的反射技术通过计算发光射及返回探测器的时间差确定探测距离。因此分布式拉曼测温系统可以测出传感光纤上的温场分布。将传感光纤温均匀布局至天线阵面上，可以测出绘制的天线阵面温场信息。由于传输的光纤所处的外界的应力和温度变化都会对传输的射频信号的相位造成影响。在传输系统固定好以后，位置相对是固定不变，因此应力引起的相位变化可以忽略，而当温度改变时，由温度变化导致的相应的射频信号相位的变化，可以从以下公式获取：

式中，B和

表示为光纤中射频信号相位随温度的变化量，Φ表示为射频信号相位，T表示为光纤的温度，л表示为圆周率，l表示光纤长度，c表示为光速，n1表示为光纤的折射率，

表示为热膨胀系数，

表示为随温度变化的差分折射率。在本实施例中，热膨胀系数为5.6×10^-7/℃，在1550nm处其温度变化的差分折射率为1.2×10^-5/℃，光纤的折射率1.468，则光纤中射频信号相位随温度的变化量为0.27rad/(km·GHz·℃)，本是实施例中的光纤为典型的硅光纤。

对于不同的光纤和传输波长都可以测算出其相应的

值，不同的光纤其光纤中射频信号相位随温度的变化量是不同的，在本实施例中，

值为0.27。

当分布式拉曼测温系统根据斯托克斯光与反斯托克斯光的比值绘制出天线阵面上任意一点的温度场后，对于长度为L的光传输链路来说，其可以分为若干小段，L1、L2、L3…，每一小段对应的温度温变化△T1、△T2、△T3…，都可以由分布式拉曼测温系统给出。

请参阅图1所示，在本发明的一实施例中，在步骤S300中，所述其温度引起的射频信号相位的变化，通过一下公式获取：

式中，△Φ表示为由温度引起变化的射频信号相位，f表示为射频频率，B表示为光纤中射频信号相位随温度的变化量，L_n表示为一条传输链路第n段的长度，△T_n表示为传输链路第n段的温度变化。

请参阅图1所示，在本发明的一实施例中，在步骤S400中，所述获取时间延时补偿，通过一下公式获取：

式中，△t表示为时间延时，л表示为圆周率。由上述公式可以看出，需要补偿的时间延时是与频率无关的系数，故该方法适用于宽带系统。在进行时间延时补偿时，传输链路的由温度引起变化的射频信号相位趋向于0，进而实现稳相输出。

请参阅图1所示，在本发明的一实施例中，在步骤S500和步骤S600中，将时间延时量传递给可调光延迟线，使可调光延迟线的延时时间为时间延时量，实现宽带系统稳相输出。

在本发明的一实施例中，在需要补偿的真实时间延时，例如若测量出

为0.01km·℃，则通过计算可知，需要补偿的时间延时的为4.2×10^-13s，也就是约为0.4ps。目前商用的可调光延时线的步进精度可以到0.1ps，可调量程可到约1000ps，因此可以满足0.4ps的延时补偿。且经过计算，相对于18G的信号稳相精度可以到2.6°，满足目前射频电路稳相传输的要求。

请参阅图3所示，本发明还提供一种基于分布式拉曼测温的稳相射频光传输系统，包括测温模块400、电光转换模块500、分布式拉曼模块600、稳相模块700和光电探测器模块800。其中，测温模块400用于将传感光纤均匀布局至天线阵面上，且所述传感光纤上设置有多个测温点，多个所述测温点位于所述天线阵面中每个天线单元的输出端和输出端，形成传输链路。电光转换模块500用于接收射频信号，并将所述射频信号转换为光信号在传输链路中传输。分布式拉曼模块600用于获取所述传输链路中每一段传输链路，其温度引起的射频信号相位的变化，据所述传输链路中射频信号的变化相位，获取时间延时补偿。稳相模块700用于控制若干可调光延迟线的延时时间为所述时间延时补偿，光电探测器模块800用于再将经过所述可调光延迟线输出的光信号为射频信号，实现稳相输出。所述传输链路还贯穿测温模块400、电光转换模块500、分布式拉曼模块600、稳相模块700和光电探测器模块800，且每个模块中的所述传输链路旁都设置多个所述测温点，获取所述基于分布式拉曼测温的稳相射频光传输系统的温场信息。

对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内，不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。

以上所述实施例仅表示发明的实施方式，本发明的保护范围不仅局限于上述实施例，对于本领域的技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明保护范围。

Claims (10)

1.一种基于分布式拉曼测温的稳相射频光传输方法，其特征在于，包括以下步骤：

将传感光纤均匀布局至天线阵面上，且所述传感光纤上设置有多个测温点，且所述天线阵面中每个天线单元中的所述传感光纤旁都设置有多个所述测温点，形成传输链路；

接收射频信号，并将所述射频信号转换为光信号在传输链路中传输；

获取所述传输链路中每一段传输链路，其温度引起的射频信号相位的变化；

根据所述传输链路中射频信号的变化相位，获取时间延时补偿；

控制若干可调光延迟线的延时时间为所述时间延时补偿；

再将经过所述可调光延迟线输出的光信号为射频信号，实现稳相输出。

2.根据权利要求1所述的基于分布式拉曼测温的稳相射频光传输方法，其特征在于，所述其温度引起的射频信号相位的变化，通过一下公式获取：

式中，△Φ表示为由温度引起变化的射频信号相位，f表示为射频频率，B表示为光纤中射频信号相位随温度的变化量，L_n表示为一条传输链路第n段的长度，△T_n表示为传输链路第n段的温度变化。

3.根据权利要求2所述的基于分布式拉曼测温的稳相射频光传输方法，其特征在于，所述获取时间延时补偿，通过一下公式获取：

式中，△t表示为时间延时，л表示为圆周率。

4.根据权利要求3所述的基于分布式拉曼测温的稳相射频光传输方法，其特征在于，通过以下公式获取光纤中射频信号相位随温度的变化量：

式中，l表示为光纤的长度，л表示为圆周率，c表示为光速，n1表示为光纤的折射率，

表示为热膨胀系数，

表示为随温度变化的差分折射率。

5.根据权利要求4所述的基于分布式拉曼测温的稳相射频光传输方法，其特征在于，热膨胀系数为5.6×10^-7/℃，随温度变化的差分折射率为1.2×10^-5/℃，光纤的折射率为1.468，光纤中射频信号相位随温度的变化量为0.27rad/km·GHz·℃。

6.根据权利要求1所述的基于分布式拉曼测温的稳相射频光传输方法，其特征在于，通过所述传感光纤上设置有多个测温点，还获取所述传感光纤上的温场分布，通过将所述传感光纤均匀布局至天线阵面上，获取绘制所述天线阵面的温场信息。

7.一种基于分布式拉曼测温的稳相射频光传输系统，其特征在于，包括：

测温模块，用于将传感光纤均匀布局至天线阵面上，且所述传感光纤上设置有多个测温点，多个所述测温点位于所述天线阵面中每个天线单元的输出端和输出端，形成传输链路；

电光转换模块，用于接收射频信号，并将所述射频信号转换为光信号在传输链路中传输；

分布式拉曼模块，用于获取所述传输链路中每一段传输链路，其温度引起的射频信号相位的变化；根据所述传输链路中射频信号的变化相位，获取时间延时补偿；

稳相模块，用于控制若干可调光延迟线的延时时间为所述时间延时补偿；

光电探测器模块，用于再将经过所述可调光延迟线输出的光信号为射频信号，实现稳相输出。

8.根据权利要求7所述的基于分布式拉曼测温的稳相射频光传输系统，其特征在于，所述传输链路还贯穿所述测温模块、所述电光转换模块、所述分布式拉曼模块、所述稳相模块和所述光电探测器模块，且每个模块中的所述传输链路旁都设置多个所述测温点。

9.根据权利要求8所述的基于分布式拉曼测温的稳相射频光传输系统，其特征在于，所述分布式拉曼模块中，所述其温度引起的射频信号相位的变化，通过一下公式获取：

式中，△Φ表示为由温度引起变化的射频信号相位，f表示为射频频率，B表示为光纤中射频信号相位随温度的变化量，L_n表示为一条传输链路第n段的长度，△T_n表示为传输链路第n段的温度变化。

10.根据权利要求9所述的基于分布式拉曼测温的稳相射频光传输系统，其特征在于，所述分布式拉曼模块中，所述获取时间延时补偿，通过一下公式获取：

式中，△t表示为时间延时，л表示为圆周率。

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