CN117109878A - 基于延时自外差的激光频率漂移测量系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种基于延时自外差的激光频率漂移测量系统及方法，其中的系统包括：激光器，用于输出稳定的单频激光；延迟稳定结构，用于根据射频信号与辅助激光器输出的单频激光，检测和补偿光纤链路的延时变化；光学延迟自外差干涉仪，用于基于调整长度后的光纤链路，对待测激光器输出的单频激光进行调制，得到中频信号光；激光频率漂移计算装置，用于根据中频信号光，计算得到待测激光器的激光频率漂移量。该系统通过延迟稳定结构对光纤链路的延时变化进行检测和补偿，并将待测激光频率漂移的测量转化为延时支路和参考支路传输信号之间相位差的测量，使得待测激光器激光频率漂移的长期实时测量成为可能，并有效提升了激光频率漂移的测量精度。

Description

基于延时自外差的激光频率漂移测量系统及方法

技术领域

本发明涉及激光器技术领域，尤其涉及一种基于延时自外差的激光频率漂移测量系统及方法。

背景技术

激光因其具有高光束质量、长相干长度和窄谱线宽度等优异特性，使得它被广泛应用于很多领域，例如激光多普勒测风雷达、光纤传感、光纤通信等。在这些应用中，需要激光器具有很高的频率稳定性。例如，激光多普勒测风雷达要达到0.5m/s的测量精度，激光频率漂移不应超过1MHz。

但在实际应用中由于温度、机械振动等环境因素的影响，激光器的输出频率随着时间变化。对激光器输出频率漂移特性的测量，一方面可以方便评价激光器本身的性能；另一方面，如果已经知道激光的频率漂移，可以对采集到的数据进行处理，以抵消频率漂移带来的影响。

现有的激光频率漂移特性测量方案，常见的有直接测量法、拍频法和延时自外差法。

直接测量法通常是使用光谱仪直接测量待测激光器的输出光频率，但由于光谱仪测量精度的限制，直接测量法的测量精度一般在MHz～GHz量级，且光谱仪无法同时满足高的频率分辨率和快的扫描速率，限制了测量的实时性。

拍频法通常利用一台频率相同或相近的激光器与待测激光器干涉，通过分析拍频信号得到这两台激光器之间的相对频率稳定度，但需要提前找好参考的激光器，且作为参考的激光器频率稳定度得比待测激光器更加稳定。

延时自外差法是将待测激光分为两路，分别经历不同延时后再进行干涉拍频，通过分析拍频信号得到频率漂移相关信息。相较于前两种方法而言，延时自外差法具有测量精度高、结构简单、不需要引入额外参考等优点。

但是，在进行长时间连续测量时，该方法中使用的延时光纤受到环境温度、压力变化的影响，其延时也会随之发生变化，进而对激光频率漂移测量结果产生影响。

因此，解决现有激光频率漂移测量方法因易受环境温度、压力变化之影响，导致无法长时间连续地、高精度地测量激光器的输出频率漂移特性的问题，显得十分必要。

发明内容

本发明提供一种基于延时自外差的激光频率漂移测量系统及方法，用以克服现有激光频率漂移测量方法因易受环境温度、压力变化之影响，导致无法长时间连续地、高精度地测量激光器的输出频率漂移特性的缺陷，实现了长时间连续高精度测量激光器的输出频率漂移特性。

一方面，本发明提供一种基于延时自外差的激光频率漂移测量系统，包括：激光器，包括待测激光器和辅助激光器，用于输出稳定的单频激光；延迟稳定结构，用于根据射频信号与辅助激光器输出的单频激光，检测和补偿光纤链路的延时变化，调整所述光纤链路的长度；光学延迟自外差干涉仪，与所述延迟稳定结构连接，用于基于调整长度后的光纤链路，对所述待测激光器输出的单频激光进行调制，得到中频信号光；激光频率漂移计算装置，与所述光学延迟自外差干涉仪连接，用于根据所述中频信号光，计算得到所述待测激光器的激光频率漂移量；其中，所述延迟稳定结构与所述光学延迟自外差干涉仪均包括复用结构，所述复用结构用于合成、传输以及分离所述待测激光器输出的单频激光。

进一步地，所述延迟稳定结构包括：所述调制单元，用于将所述射频信号调制到所述辅助激光器输出的单频激光上，得到光载射频信号；所述延时补偿单元，与所述复用结构连接，用于根据所述复用结构输出的待检测信号光，对所述光纤链路的延时变化进行检测和补偿，并调整所述光纤链路的长度。

进一步地，所述调制单元包括：射频信号发生器，用于产生射频信号；马赫-曾德尔调制器，与所述射频信号发生器连接，用于将所述射频信号调制到所述辅助激光器输出的单频激光上，得到光载射频信号。

进一步地，所述延时补偿单元包括：第一光电探测器，用于将所述复用结构输出的待检测信号光进行光电转换，解调得到待检测电信号，所述待检测电信号包括经过延时的所述射频信号；混频器，用于将所述待检测电信号与所述射频信号发生器输出未经传输的射频信号混频，得到误差信号；锁相环，用于将所述误差信号积分放大，负反馈控制所述复用结构中的可调光延时线补偿所述光纤链路的延时变化，以调整所述光纤链路的长度。

进一步地，所述光学延迟自外差干涉仪包括：第一光纤耦合器，用于对所述待测激光器输出的单频激光进行预设比例的分离，得到信号光和参考光；延时支路，用于对所述信号光进行延时传输，得到干涉信号光；参考支路，用于传输所述参考光；第二光纤耦合器，用于对所述参考光和所述干涉信号光进行合成，得到中频信号光。

进一步地，所述延时支路包括：声光移频器，用于对所述信号光施加固定移频；偏振跟踪器，用于对所述复用结构输出的延时信号光进行偏振态跟踪控制，保持延时信号光的偏振态。

进一步地，所述复用结构包括：第一波分复用器，用于合成所述延迟稳定结构中调制单元输出的光载射频信号与移频后的信号光，得到合成信号光；延时光纤，与所述第一波分复用器连接，用于传输所述合成信号光，并对其进行延时；可调光延时线，与所述延时光纤连接，用于对延时后的所述合成信号光在传输过程中因所述光纤链路受环境影响而产生的抖动进行补偿，得到补偿后信号光；第二波分复用器，与所述可调光延时线连接，用于对不同波长的补偿后信号光进行分离，得到待检测信号光和延时信号光。

进一步地，所述激光频率漂移计算装置包括：第二光电探测器，与所述光学延迟自外差干涉仪连接，用于对所述中频信号光进行光电转换，得到中频电信号；数据采集处理单元，与所述第二光电探测器连接，用于根据所述中频电信号，计算得到所述待测激光器的激光频率漂移量。

第二方面，本发明提供一种基于延时自外差的激光频率漂移测量方法，应用于上述任一项所述的基于延时自外差的激光频率漂移系统，包括：获取待测激光器输出的待检测激光，以及辅助激光器输出的辅助激光；利用射频信号和所述辅助激光，检测和补偿光纤链路的延时变化，并调整所述光纤链路的长度；基于调整长度后的所述光纤链路，对所述待检测激光进行调制，得到中频信号光；根据所述中频信号光，计算得到所述待测激光器的激光频率漂移量。

进一步地，所述射频信号包括经所述光纤链路传输的第一射频信号，以及未经所述光纤链路传输的第二射频信号；所述利用射频信号和所述辅助激光，检测和补偿光纤链路的延时变化，包括：将所述第一射频信号调制到辅助激光上，得到光载射频信号；将所述光载射频信号依次经延时光纤、可调光延时线传输后分离，并由光电探测器进行光电转换得到待检测信号光，所述待检测信号光包括延时后的所述第一射频信号；将所述第二射频信号与所述待检测信号光混频，得到误差信号；根据所述误差信号，对光纤链路的延时变化进行补偿。

本发明提供的基于延时自外差的激光频率漂移测量系统，包括待测激光器和辅助激光器，用于输出稳定的单频激光；延迟稳定结构，用于根据射频信号与辅助激光器输出的单频激光，检测和补偿光纤链路的延时变化，调整光纤链路的长度；光学延迟自外差干涉仪，与延迟稳定结构连接，用于基于调整长度后的光纤链路，对待测激光器输出的单频激光进行调制，得到中频信号光；激光频率漂移计算装置，与光学延迟自外差干涉仪连接，用于根据中频信号光，计算得到待测激光器的激光频率漂移量。该系统通过延迟稳定结构对光纤链路的延时变化进行检测和补偿，并在此基础上通过延时自相干结构，将待测激光频率漂移的测量转化为延时支路和参考支路传输信号之间相位差的测量，使得待测激光器激光频率漂移的长期实时测量成为可能，并有效提升了激光频率漂移的测量精度。

附图说明

为了更清楚地说明本发明或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作以简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明提供的基于延时自外差的激光频率漂移测量系统的系统示意图；

图2为本发明提供的基于延时自外差的激光频率漂移测量系统的整体结构示意图；

图3为本发明提供的延时光纤随时间抖动的重叠艾伦偏差示意图；

图4为本发明提供的激光频率漂移量的测量精度表征示意图；

图5为本发明提供的不同类型激光器的激光频率漂移特性示意图；

图6为本发明提供的基于延时自外差的激光频率漂移测量方法。

附图标记：

110：激光器；111：待测激光器；112：辅助激光器；120：延迟稳定结构；130：光学延迟自外差干涉仪；140：激光频率漂移计算装置；150：复用结构。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明中的附图，对本发明中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

需要说明的是，现有的激光频率漂移特性测量方案，常见的有直接测量法、拍频法和延时自外差法。

相较于前两种方法而言，延时自外差法具有测量精度高、结构简单、不需要引入额外参考等优点。

但是，在进行长时间连续测量时，该方法中使用的延时光纤受到环境温度、压力变化的影响，其延时也会随之发生变化，进而对激光频率漂移测量结果产生影响。

考虑及此，本发明提供了一种基于延时自外差的激光频率漂移测量系统，具体地，图1示出了本发明所提供的基于延时自外差的激光频率漂移测量系统的系统示意图。

如图1所示，该系统包括：

激光器110，包括待测激光器111和辅助激光器112，用于输出稳定的单频激光；

延迟稳定结构120，用于根据射频信号与辅助激光器112输出的单频激光，检测和补偿光纤链路的延时变化，调整光纤链路的长度；

光学延迟自外差干涉仪130，与延迟稳定结构120连接，用于基于调整长度后的光纤链路，对待测激光器111输出的单频激光进行调制，得到中频信号光；

激光频率漂移计算装置140，与光学延迟自外差干涉仪130连接，用于根据中频信号光，计算得到待测激光器111的激光频率漂移量；

其中，延迟稳定结构120与光学延迟自外差干涉仪130均包括复用结构150，复用结构150用于合成、传输以及分离待测激光器111输出的单频激光。

可以理解的是，激光器110包括待测激光器111和辅助激光器112，其中，待测激光器111为激光频率漂移测量的对象，辅助激光器112则用于辅助对光纤链路的延时变化进行检测。

延迟稳定结构120，是本发明在现有干涉仪的基础上所增加的一个新的结构，是本发明的核心重点。

具体地，延迟稳定结构120的处理对象包括两部分，一部分是射频信号，另一部分是辅助激光器112输出的单频激光(辅助激光)。

同样地，延迟稳定结构120的作用亦包括两个，一是对根据射频信号和单频激光，检测光纤链路的延时变化，另一个则是，在检测出光纤链路的延时变化的基础上，对光纤链路的延时变化进行补偿，从而调整光纤链路的长度，使得待测激光器111激光频率漂移的长期实时测量成为可能。

展开地，由于无法直接通过射频信号检测出光纤链路的延时变化，故，在本实施例中，通过将射频信号调制到辅助激光器112输出的单频激光上，然后利用调制后的光信号，对光纤链路的延时变化进行检测和补偿。

光延迟自外差干涉仪，其与延迟稳定结构120相连接，在延迟稳定结构120调整好光纤链路的长度之后，基于调整好的光纤链路，对待测激光器111激光频率漂移量进行测量。

具体地，可以将光延迟自外差干涉仪划分为两部分，即延时支路和参考支路，通过延时自相干结构，将待测激光器111激光频率漂移的测量，转化为延时支路和参考支路传输信号之间相位差的测量，从而得到中频信号光。

激光频率漂移计算装置140，其与光学延迟自外差干涉仪130连接，在光学延迟自外差干涉仪130得到中频信号光的基础上，根据中频信号光计算得到待测激光器111的激光频率漂移量。

待测激光器输出可表示为：

其中，ω_c是输出激光的固定角频率，是其因频率变化导致的相位噪声。拍频中频信号光可表示为：

其中，ω_fs为声光移频器引入的固定频移，当延时光纤引入的延时τ不变时，通过测量中频信号光的相位变化，则待测激光器的频率漂移量可用下式计算：

其中，是中频信号的相位变化。

需要说明的是，延迟稳定结构120与光学延迟自外差干涉仪130之间存在重合适用的一部分结构，将这部分结构记为复用结构150。

复用结构150用于合成待测激光器111输出的单频激光，与辅助激光器112所输出单频激光(单频激光上调制有射频信号)，并对合成后的信号光进行传输，以及，将传输后的光信号进行分离，以对光纤链路的延时变化进行检测和补偿，并对待测激光器111的激光频率漂移量进行测量。

在本实施例中，基于延时自外差的激光频率漂移测量系统包括待测激光器111和辅助激光器112，用于输出稳定的单频激光；延迟稳定结构120，用于根据射频信号与辅助激光器112输出的单频激光，检测和补偿光纤链路的延时变化，调整光纤链路的长度；光学延迟自外差干涉仪130，与延迟稳定结构120连接，用于基于调整长度后的光纤链路，对待测激光器111输出的单频激光进行调制，得到中频信号光；激光频率漂移计算装置140，与光学延迟自外差干涉仪130连接，用于根据中频信号光，计算得到待测激光器111的激光频率漂移量。该系统通过延迟稳定结构120对光纤链路的延时变化进行检测和补偿，并在此基础上通过延时自相干结构，将待测激光频率漂移的测量转化为延时支路和参考支路传输信号之间相位差的测量，使得待测激光器111激光频率漂移的长期实时测量成为可能，并有效提升了激光频率漂移的测量精度。

在上述实施例的基础上，进一步地，本实施例对延迟稳定结构120作进一步的详细描述，具体地，该延迟稳定结构120包括：

调制单元，用于将射频信号调制到辅助激光器112输出的单频激光上，得到光载射频信号；

延时补偿单元，与复用结构150连接，用于根据复用结构150输出的待检测信号光，对光纤链路的延时变化进行补偿，并调整光纤链路的长度。

需要说明的是，在激光频率漂移的长期测量过程中，光纤链路的光纤传输延迟随着温度和应力波动而变化，从而导致在实际激光频率变化的基础上增加了额外的相位变化，因此，需要在检测出光纤链路的延时变化的基础上，消除其影响。

可以理解的是，延迟稳定结构120由三大板块构成，即调制单元、复用结构150以及延时补偿单元。

在一个具体的实施例中，调制单元又包括射频信号发生器和马赫-曾德尔调制器。

调制单元的作用在于将射频信号调制到辅助激光器112输出的单频激光(光载波)上，从而得到光载射频信号。

射频信号发生器用于产生射频信号，马赫-曾德尔调制器与射频信号发生器连接，用于将射频信号调制到辅助激光器112输出的单频激光上，得到光载射频信号。

根据图2可以看出，射频信号发生器所产生的射频信号分成了两路，一路经马赫-曾德尔调制器调制于辅助激光器112输出的单频激光上，另一路则未经光纤链路传输。

在一些实施例中，射频信号发生器为与铯时钟同步的微波源，用于产生26GHz射频探针信号。

在另一个具体的实施例中，复用结构150包括第一波分复用器、延时光纤、可调光延时线以及第二波分复用器。

第一波分复用器，用于合成延迟稳定结构120中调制单元输出的光载射频信号与移频后的信号光(光学延迟自外差干涉仪130的中间输出信号)，得到合成信号光。

延时光纤，与第一波分复用器连接，用于传输合成信号光，并对其传输时长进行延时。

可调光延时线，与延时光纤连接，用于对延时后的合成信号光在传输过程中因光纤链路受环境影响而产生的抖动进行补偿，得到补偿后信号光(具体补偿过程通过延时补偿单元实现)。

在一些实施例中，可调光延时线由压电光纤拉伸器和电动延迟线组成。

第二波分复用器，与可调光延时线连接，用于对不同波长的补偿后信号光进行分离，得到待检测信号光和延时信号光。

在又一个具体的实施例中，延时补偿单元包括第一光电探测器、混频器以及锁相环。

第一光电探测器，用于将复用结构150输出的待检测信号光进行光电转换，解调得到待检测电信号，待检测电信号包括经过延时的射频信号。

具体地，第一光电探测器与第二波分复用器连接，从第二波分复用器中分离出经过延时的射频信号之后，利用第一光电探测器对经过延时的射频信号进行光电转换，解调得到待检测电信号。

混频器，用于将待检测电信号(对应上文射频信号发生器所产生射频信号中的一路射频信号)与所述射频信号发生器输出未经传输的射频信号(即上文射频信号发生器所产生射频信号中的另一路射频信号)混频，得到误差信号。

具体地，混频器混频的对象为经过光纤链路传输的射频信号，以及未经光纤链路传输的射频信号。

通过两路射频信号之间的差异，可以了解到当前光纤链路的延时变化，该延时变化可以通过误差信号体现出来。

锁相环，用于将误差信号积分放大，负反馈控制复用结构150中的可调光延时线补偿光纤链路的延时变化，以调整光纤链路的长度。

可以理解的是，混频器所得到的误差信号进入锁相环，锁相环驱动可调光延时线来补偿光纤链路延时的变化，一旦环路被锁定，光学延迟自外差干涉仪130的延时支路将保持固定的传输延迟。

根据上述可知，调制单元、复用结构150以及延时补偿单元形成了一个环路。

在本实施例中，延迟稳定结构120包括调制单元、复用结构150和延时补偿单元，调制单元用于将射频信号调制到所述辅助激光器112输出的单频激光上，得到光载射频信号，延时补偿单元，用于根据复用结构150输出的待检测信号光，对光纤链路的延时变化进行检测和补偿，并调整光纤链路的长度。该系统在高频探针信号和误差信号放大的辅助下，相幅转换显著提高了鉴相精度，从而保证了激光频率漂移的测量精度，并且，借助于自主设计的高性能锁相环，获得了一条延时非常稳定的可调光延时线，实现了激光频率漂移得到高精度长度测量。

在上述实施例的基础上，进一步地，本实施例对光学延迟自外差干涉仪130做进一步的详细描述。具体地，该光学延迟自外差干涉仪130包括：

第一光纤耦合器，用于对待测激光器111输出的单频激光进行预设比例的分离，得到信号光和参考光；

延时支路，用于对信号光进行延时传输，得到干涉光信号；

参考支路，用于对传输参考光；

第二光纤耦合器，用于对参考光和干涉信号光进行合成，得到中频信号光。

可以理解的是，光学延迟自外差干涉仪130包括四部分，即第一光纤耦合器、延时支路、参考支路以及第二光纤耦合器。待测激光器111所产生的稳定的单频激光(待检测激光)经过第一光纤耦合器，被分为了两部分，一部分注入到延时支路中进行延时传输，得到干涉光信号，另一部分则注入参考支路，仅传输，并不对其做其他处理。

在一些实施例中，延时支路采用长光纤，能够辅助提升系统测量精度。

而后，两条支路的光信号通过第二光纤耦合器进行合成，得到中频信号光。

其中，第一光纤耦合器对待检测激光按照第一预设比例进行分离，得到信号光和参考光，第二光纤耦合器对两条支路的光信号按照第二预设比例进行合成，得到中频信号光。

第一预设比例和第二预设比例可以根据实际情况进行设置，在此不作具体限定。

例如，在一些实施例中，第一光纤耦合器为一个95:5的保偏耦合器，将待检测激光按照95:5的比例划分为信号光和参考光；第二光纤耦合器为50:50的耦合器，将两条支路的光信号按照50:50的比例合成得到中频信号光。

更具体展开地，延时支路包括声光移频器、复用结构150以及偏振跟踪器。

声光移频器，用于对信号光施加固定移频；

偏振跟踪器，用于对复用结构150输出的延时信号光进行偏振态跟踪控制，保持延时信号光的偏振态。

可以理解的是，为了缩短参考支路，并消除其不稳定性，本实施例将声光移频器放在延时支路上，并将第一光纤耦合器和第二光纤耦合器集成到一个钢管中进行封装。

在延时支路上，待检测激光经第一光纤耦合器分离后，信号光依次经过声光移频器、复用结构150(第一波分复用器、延时光纤、可调光延时线、第二波分复用器)和偏振跟踪器，偏振跟踪器保持延时信号光的偏振状态。

在本实施例中，光学延迟自外差干涉仪130包括第一光纤耦合器、延时支路、参考支路以及第二光纤耦合器，第一光纤耦合器用于对待测激光器111输出的单频激光进行预设比例的分离，得到信号光和参考光；延时支路用于对信号光进行延时传输，得到干涉光信号；参考支路，用于对传输参考光；第二光纤耦合器，用于对参考光和干涉信号光进行合成，得到中频信号光。该系统通过引入延时自相干结构，可以避免引入具有频率稳定度更高的激光器110或者标准作为参考，降低了系统复杂度。

在上述实施例的基础上，进一步地，本实施例对激光频率漂移计算装置140作进一步的详细描述。具体地，该激光频率漂移计算装置140包括：

第二光电探测器，与光学延迟自外差干涉仪130连接，用于对中频信号光进行光电转换，得到中频电信号；

数据采集处理单元，与第二光电探测器连接，用于根据中频电信号，计算得到待测激光器111的激光频率漂移量。

可以理解的是，激光频率漂移计算装置140中的第二光电探测器与光学延迟自外差干涉仪130中的第二光纤耦合器相连接，以第二光纤耦合器的输出(中频信号光)作为输入，对其进行光电转换，以检测拍频信号，得到中频电信号。

而后，第二光电探测器与数据采集处理单元相连接，数据采集处理单元根据光电探测器输出的中频电信号，计算得到待测激光器111的激光频率漂移量。

需要说明的是，数据采集处理单元可以实时计算待测激光器111的激光频率漂移量，也可以根据设定时间间隔计算待测激光器111的激光频率漂移量，在此不作具体限定。

在本实施例中，激光频率漂移计算装置140包括第二光电探测器和数据采集处理单元，第二光电探测器用于对中频信号光进行光电转换，得到中频电信号；数据采集处理单元用于根据中频电信号，计算得到待测激光器111的激光频率漂移量。该系统通过延迟稳定结构120对光纤链路的延时变化进行检测和补偿，并在此基础上通过延时自相干结构，将待测激光频率漂移的测量转化为延时支路和参考支路传输信号之间相位差的测量，使得待测激光器111激光频率漂移的长期实时测量成为可能，并有效提升了激光频率漂移的测量精度。

在一些实施例中，图2示出了本发明所提供的基于延时自外差的激光频率漂移测量系统的整体结构示意图。

如图2所示，首先，左边为两个激光器110，即待测激光器111和辅助激光器112。

在延迟稳定结构120构成的回路中，射频信号发生器产生的射频信号，经左侧的马赫-曾德尔调制器，将射频信号调制到辅助激光器112输出的光载波上，得到光载射频信号。

而在光学延迟自外差干涉仪130的回路中，待测激光器111输出的稳定的单频激光，经第一光纤耦合器分离，得到延时支路上传输的信号光，以及参考支路上传输的参考光。信号光经过声光移频器，得到固定移频后的信号光。

延迟稳定结构120与光学延迟自外差干涉仪130都有复用结构150，具体地，经马赫-曾德尔调制器调制得到的光载射频信号，与经声光移频器固定移频得到的信号光，通过复用结构150中的第一波分复用器结合在一起，得到合成信号光。

合成信号光依次经过复用结构150中的延时光纤和可调光延时线，得到补偿后信号光(此处补偿后信号光经延迟稳定结构120延时补偿后得到)，并由第二波分复用器对不同波长的补偿后信号光进行分离，以分离得到相应的待检测信号光和延时信号光。

经第二波分复用器分离之后，分离得到的待检测信号光作为第一光电探测器的输入进行光电转换，解调得到待检测电信号，该待检测电信号中包含了经过延时的射频信号。

而后，待检测电信号与射频信号发生器产生的另一路未经光纤链路传输的射频信号通过混频器混频，检测光纤链路的延时变化，得到误差信号，从而锁相环根据混频器输出的误差信号，负反馈控制可调光延时线补偿光纤链路的延时变化，并调整光纤链路的长度。

延迟稳定结构120的整个回路一直如上述循环往复，实现了一条延时极其稳定的可调光延时线。

经第二波分复用器分离得到的延时信号光，经偏振跟踪器保持其偏振状态，得到干涉信号光，也即延时支路的输出。

紧接着，第二光纤耦合器将延时支路的输出与参考支路的输出合成在一起，得到中频信号光。

最后，以中频信号光作为第二光电探测器的输入，进行光电转换，得到中频电信号，从而，数据采集处理单元根据第二光电探测器输出的中频电信号，计算的奥待测激光器111的激光频率漂移量。

在另外一些实施例中，图3示出了本发明所提供的延时光纤随时间抖动的重叠艾伦偏差示意图。

可以理解的是，延迟臂(延时支路)的稳定性是激光频率漂移测量的关键，因此，本实施例对延时支路的稳定性进行了评价。具体地，可以使用网络分析仪产生频率24GHz的射频信号，通过延迟支路传输后测量其相位变化，利用实测相位数据计算重叠艾伦偏差。

如图3所示，当光纤链路传输时延随环境变化时，其稳定度在10^-14左右。在通过延迟稳定结构对延时抖动进行补偿后，重叠艾伦偏差随平均时间的增加而线性减小。在1000s平均时间内，重叠艾伦偏差达到了6.39*10^-18，表现出了极好的长期频率稳定性。

在又一些实施例中，图4示出了本发明所提供的激光频率漂移量的测量精度表征示意图。

可以理解的是，为了表征本发明所提供的基于延时自外差的激光频率漂移测量系统的测量精度，本实施例对待测激光器的输出激光施加一个已知的周期性锯齿波调制，其中，扫频大小为5kHz，扫频周期为0.5s，测量结果的频域图如图4所示。

由于延时光纤的稳定性和TIA的高采样率，在频域可以清楚地观察到这种小而快的频率变化，即使是三阶谐波也是可以分辨的表明使用本发明所所提供的测量系统可以精确测量kHz频率变化。

在最后一些实施例中，图5示出了本发明所提供的不同类型激光器的激光频率漂移特性示意图。

可以理解的是，本实施例示出了3种不同激光器通电后的频率漂移特性，如图5所示，尽管所有的激光器在通电后几百秒内频率漂移速度变慢，并且趋于稳定，但它们的行为方式却各不相同。

其中，光纤激光器E15在启动后具有较大的频率尖峰；RIO半导体激光器输出频率始终沿同一方向漂移；FITEL分布式反馈激光模块频率漂移最大，相位噪声较大。

上述结果可以帮助研究启动后的长期实时激光行为，并为选择激光器提供更多信息，这也再次证明了本发明所提出的激光频率漂移测量系统的长时间测量能力。

基于上文所描述的基于延时自外差的激光频率漂移测量系统，本发明还提供了与系统相对应的测量方法，即基于延时自外差的激光频率漂移测量方法。

具体地，图6示出了本发明所提供的基于延时自外差的激光频率漂移测量方法，如图6所示，该方法包括：

S610，获取待测激光器输出的待检测激光，以及辅助激光器输出的辅助激光；

S620，利用射频信号和辅助激光，检测和补偿光纤链路的延时变化，并调整光纤链路的长度；

S630，基于调整长度后的光纤链路，对待检测激光进行调制，得到中频信号光；

S640，根据中频信号光，计算得到待测激光器的激光频率漂移量。

需要说明的是，该方法以基于延时自外差的激光频率漂移测量系统作为执行主体。

在一些实施例中，射频信号包括经光纤链路传输的第一射频信号，以及未经光纤链路传输的第二射频信号；

相应地，利用射频信号和辅助激光，检测和补偿光纤链路的延时变化，包括：将第一射频信号调制到辅助激光上，得到光载射频信号；将光载射频信号依次经延时光纤、可调光延时线传输后分离，并由光电探测器进行光电转换得到待检测信号光，待检测信号光包括延时后的第一射频信号；将第二射频信号与待检测信号光混频，得到误差信号；根据误差信号，对光纤链路的延时变化进行补偿。

还需要说明的是，本实施例所提供的基于延时自外差的激光频率漂移测量方法，与上文描述的基于延时自外差的激光频率漂移测量系统可相互对应参照，在此不再具体展开。

在本实施例中，通过获取待测激光器输出的待检测激光，以及辅助激光器输出的辅助激光，并利用射频信号和辅助激光，检测和补偿光纤链路的延时变化，并调整光纤链路的长度，进而基于调整长度后的光纤链路，对待检测激光进行调制，得到中频信号光，从而根据中频信号光，计算得到待测激光器的激光频率漂移量。该方法通过延迟稳定结构对光纤链路的延时变化进行检测和补偿，并在此基础上通过延时自相干结构，将待测激光频率漂移的测量转化为延时支路和参考支路传输信号之间相位差的测量，使得待测激光器激光频率漂移的长期实时测量成为可能，并有效提升了激光频率漂移的测量精度。

以上所描述的装置实施例仅仅是示意性的，其中所述作为分离部件说明的单元可以是或者也可以不是物理上分开的，作为单元显示的部件可以是或者也可以不是物理单元，即可以位于一个地方，或者也可以分布到多个网络单元上。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部模块来实现本实施例方案的目的。本领域普通技术人员在不付出创造性的劳动的情况下，即可以理解并实施。

通过以上的实施方式的描述，本领域的技术人员可以清楚地了解到各实施方式可借助软件加必需的通用硬件平台的方式来实现，当然也可以通过硬件。基于这样的理解，上述技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品可以存储在计算机可读存储介质中，如ROM/RAM、磁碟、光盘等，包括若干指令用以使得一台计算机设备(可以是个人计算机，服务器，或者网络设备等)执行各个实施例或者实施例的某些部分所述的方法。

最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (10)

1.一种基于延时自外差的激光频率漂移测量系统，其特征在于，包括：

激光器，包括待测激光器和辅助激光器，用于输出稳定的单频激光；

延迟稳定结构，用于根据射频信号与辅助激光器输出的单频激光，检测和补偿光纤链路的延时变化，调整所述光纤链路的长度；

光学延迟自外差干涉仪，与所述延迟稳定结构连接，用于基于调整长度后的光纤链路，对所述待测激光器输出的单频激光进行调制，得到中频信号光；

激光频率漂移计算装置，与所述光学延迟自外差干涉仪连接，用于根据所述中频信号光，计算得到所述待测激光器的激光频率漂移量；

其中，所述延迟稳定结构与所述光学延迟自外差干涉仪均包括复用结构，所述复用结构用于合成、传输以及分离所述待测激光器输出的单频激光。

2.根据权利要求1所述的基于延时自外差的激光频率漂移测量系统，其特征在于，所述延迟稳定结构包括：

调制单元，用于将所述射频信号调制到所述辅助激光器输出的单频激光上，得到光载射频信号；

延时补偿单元，与所述复用结构连接，用于根据所述复用结构输出的待检测信号光，对所述光纤链路的延时变化进行检测和补偿，并调整所述光纤链路的长度。

3.根据权利要求2所述的基于延时自外差的激光频率漂移测量系统，其特征在于，所述调制单元包括：

射频信号发生器，用于产生射频信号；

马赫-曾德尔调制器，与所述射频信号发生器连接，用于将所述射频信号调制到所述辅助激光器输出的单频激光上，得到光载射频信号。

4.根据权利要求3所述的基于延时自外差的激光频率漂移测量系统，其特征在于，所述延时补偿单元包括：

第一光电探测器，用于将所述复用结构输出的待检测信号光进行光电转换，解调得到待检测电信号，所述待检测电信号包括经过延时的所述射频信号；

混频器，用于将所述待检测电信号与所述射频信号发生器输出未经传输的射频信号混频，得到误差信号；

锁相环，用于将所述误差信号积分放大，负反馈控制所述复用结构中的可调光延时线补偿所述光纤链路的延时变化，以调整所述光纤链路的长度。

5.根据权利要求1所述的基于延时自外差的激光频率漂移测量系统，其特征在于，所述光学延迟自外差干涉仪包括：

第一光纤耦合器，用于对所述待测激光器输出的单频激光进行预设比例的分离，得到信号光和参考光；

延时支路，用于对所述信号光进行延时传输，得到干涉信号光；

参考支路，用于传输所述参考光；

第二光纤耦合器，用于对所述参考光和所述干涉信号光进行合成，得到中频信号光。

6.根据权利要求5所述的基于延时自外差的激光频率漂移测量系统，其特征在于，所述延时支路包括：

声光移频器，用于对所述信号光施加固定移频；

偏振跟踪器，用于对所述复用结构输出的延时信号光进行偏振态跟踪控制，保持延时信号光的偏振态。

7.根据权利要求1-6中任一项所述的基于延时自外差的激光频率漂移测量系统，其特征在于，所述复用结构包括：

第一波分复用器，用于合成所述延迟稳定结构中调制单元输出的光载射频信号与移频后的信号光，得到合成信号光；

延时光纤，与所述第一波分复用器连接，用于传输所述合成信号光，并对其进行延时；

可调光延时线，与所述延时光纤连接，用于对延时后的所述合成信号光在传输过程中因所述光纤链路受环境影响而产生的延时抖动进行补偿，得到补偿后信号光；

第二波分复用器，与所述可调光延时线连接，用于对不同波长的补偿后信号光进行分离，得到待检测信号光和延时信号光。

8.根据权利要求1-6中任一项所述的基于延时自外差的激光频率漂移测量系统，其特征在于，所述激光频率漂移计算装置包括：

第二光电探测器，与所述光学延迟自外差干涉仪连接，用于对所述中频信号光进行光电转换，得到中频电信号；

数据采集处理单元，与所述第二光电探测器连接，用于根据所述中频电信号，计算得到所述待测激光器的激光频率漂移量。

9.一种基于延时自外差的激光频率漂移测量方法，应用于权利要求1-8中任一项所述的基于延时自外差的激光频率漂移系统，其特征在于，包括：

获取待测激光器输出的待检测激光，以及辅助激光器输出的辅助激光；

利用射频信号和所述辅助激光，检测和补偿光纤链路的延时变化，并调整所述光纤链路的长度；

基于调整长度后的所述光纤链路，对所述待检测激光进行调制，得到中频信号光；

根据所述中频信号光，计算得到所述待测激光器的激光频率漂移量。

10.根据权利要求9所述的基于延时自外差的激光频率漂移测量方法，其特征在于，所述射频信号包括经所述光纤链路传输的第一射频信号，以及未经所述光纤链路传输的第二射频信号；

所述利用射频信号和所述辅助激光，检测和补偿光纤链路的延时变化，包括：

将所述第一射频信号调制到辅助激光上，得到光载射频信号；

将所述光载射频信号依次经延时光纤、可调光延时线传输后分离，并由光电探测器进行光电转换得到待检测信号光，所述待检测信号光包括延时后的所述第一射频信号；

将所述第二射频信号与所述待检测信号光混频，得到误差信号；

根据所述误差信号，对光纤链路的延时变化进行补偿。