一种测量光纤长度的装置及其方法与流程

本发明涉及光纤长度测量技术领域，尤其是指一种测量光纤长度的装置及其方法。

背景技术：

随着光纤技术的迅猛发展，提高光纤长度的测量的精度已成为光纤应用领域的重要问题。例如，在光干涉仪器中，往往需要用到多条长度相等的光纤，若精度不够将导致信号的失真或减弱。又如雷达系统中用到的光控相控阵天线对延时光纤的长度误差要求到了毫米量级。

目前工程上常用的光纤长度测量方法包括：光时域反射法(otdr)、光频域反射法(ofdr)、低相干光反射法(olcr)等。其中，光时域反射法可以测量几十千米数量级的长度，但分辨率较低，仅为0.1km；低相干光反射法可以获得mm量级的测量精度，但测量长度有限，且光源相干条件苛刻；光频域反射法的测量精度和测量长度介于前二者之间，但对光源的相干性和稳定性要求较高。

技术实现要素：

本发明针对现有技术的问题提供一种测量光纤长度的装置及其方法，通过相位载波的技术，实现去除噪声影响的目的，使用相位调制器在光路前端加载恒定脉冲作为扰动源，由此获得与之相关的两个扰动信号，通过两个扰动信号之间的时延(飞行时间)来获得被测光纤的长度信息。

为了解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案：

本发明提供了一种测量光纤长度的装置，包括前端干涉主光路组合单元、光源、第一光电转换装置、第二光电转换装置、同步采集单元、信号处理单元以及末端调制单元，所述前端干涉主光路组合单元包括第一光分路器、第二光分路器、光衰减器、压电陶瓷信号发生器以及光路延迟线圈；所述末端调制单元包括依次连接的末端盲区消除光纤、载波信号相位调制器和反射装置；所述第一光电转换装置和第二光电转换装置分别与同步采集单元连接，所述同步采集单元与所述信号处理单元连接，所述光源、第一光电转换装置和第二光电转换装置分别与第一光分路器连接，所述第一光分路器与第二光分路器连接，且其之间连接有所述光路延迟线圈；所述第二光分路器与光衰减器连接，光衰减器与压电陶瓷信号发生器连接，压电陶瓷信号发生器通过待测光纤与末端调制单元的末端盲区消除光纤连接。

其中，所述压电陶瓷信号发生器施加测试信号fm1，相位调制器施加调制频率fm2。

其中，所述第一光分路器是3×3光分路器。

其中，第二光分路器是2×2光分路器。

其中，所述载波信号相位调制器是铌酸锂调制器。

其中，所述反射装置是法拉第旋转镜。

其中，所述第一光分路器设置有端口1a、端口1b、端口1c、端口1d和端口1e，所述第二光分路器设置有端口2a、端口2b和端口2c，所述光源与端口1a连接，所述第一光电转换装置与端口1b连接，所述第二光电转换装置与端口1c连接，所述端口1e与端口2c连接，所述端口1d通过光路延迟线圈与端口2a连接，所述端口2b与光衰减器连接，所述光衰减器与所述压电陶瓷信号发生器连接。

本发明还提供了一种测量光纤长度的方法，其从光源输出信号，通过相位载波技术，利用前端干涉主光路组合单元产生干涉信号，经过待测光纤和末端调制单元后，经第一光电转换装置和第二光电转换装置转换为电信号，由信号处理单元解调出长度信息；

前端干涉主光路组合单元产生干涉信号，从第一光分路器的端口1b、端口1c输出的信号是一个干涉信号，由如下光路形成：

路径i：7-1a-1d-5-2b-2a-3-4-6-12-13-14-13-12-6-4-3-2a-2c-1e-1b/1c；路径ii：7-1a-1e-2c-2a-3-4-6-12-13-14-13-12-6-4-3-2a-2b-5-1d-1b/1c。

本发明的有益效果：

本发明工作时，从光源输出信号，通过相位载波技术，利用前端干涉主光路组合单元产生干涉信号，经过待测光纤和末端调制单元后，经第一光电转换装置和第二光电转换装置转换为电信号，由信号处理单元解调出长度信息；本发明通过相位载波的技术，实现去除噪声影响的目的，使用相位调制器在光路前端加载恒定脉冲作为扰动源，由此获得与之相关的两个扰动信号，通过两个扰动信号之间的时延(飞行时间)来获得被测光纤的长度信息，可以提高长度测量的信噪比；本发明使用的同步采集单元为高速同步采集系统，能够提高测量精度，在发明中引入光衰减器可以实现不同测量长度的自动匹配，能适配不同长度的光纤的长度测量。

附图说明

图1为本发明的一种测量光纤长度的装置的结构示意图。

图2为本发明解调出的两个扰动信号之间的延迟关系示意图。

在图1至图2的附图标记包括：

1、第一光分路器；2、第一光分路器；3、光衰减器；4、压电陶瓷信号发生器；5、光纤延时线圈；6、待测光纤；7、光源；8、第一光电转换装置；9、第二光电转换装置；10、同步采集单元；11、信号处理单元；12、末端盲区消除光纤；13、相位调制器；14、法拉第反射镜；15、前端干涉主光路组合单元；16、末端调制单元。

具体实施方式

为了便于本领域技术人员的理解，下面结合实施例与附图对本发明作进一步的说明，实施方式提及的内容并非对本发明的限定。以下结合附图对本发明进行详细的描述。

一种测量光纤长度的装置，如图1所示，包括前端干涉主光路组合单元、光源、第一光电转换装置、第二光电转换装置、同步采集单元、信号处理单元以及末端调制单元，所述前端干涉主光路组合单元包括第一光分路器、第二光分路器、光衰减器、压电陶瓷信号发生器以及光路延迟线圈；所述末端调制单元包括依次连接的末端盲区消除光纤、载波信号相位调制器和反射装置；所述第一光电转换装置和第二光电转换装置分别与同步采集单元连接，所述同步采集单元与所述信号处理单元连接，所述光源、第一光电转换装置和第二光电转换装置分别与第一光分路器连接，所述第一光分路器与第二光分路器连接，且其之间连接有所述光路延迟线圈；所述第二光分路器与光衰减器连接，光衰减器与压电陶瓷信号发生器连接，压电陶瓷信号发生器通过待测光纤与末端调制单元的末端盲区消除光纤连接。具体地，本发明工作时，从光源输出信号，通过相位载波技术，利用前端干涉主光路组合单元产生干涉信号，经过待测光纤和末端调制单元后，经第一光电转换装置和第二光电转换装置转换为电信号，由信号处理单元解调出长度信息；本发明通过相位载波的技术，实现去除噪声影响的目的，使用相位调制器在光路前端加载恒定脉冲作为扰动源，由此获得与之相关的两个扰动信号，通过两个扰动信号之间的时延(飞行时间)来获得被测光纤的长度信息，可以提高长度测量的信噪比。本发明使用的同步采集单元为高速同步采集系统，能够提高测量精度，在发明中引入光衰减器可以实现不同测量长度的自动匹配，能适配不同长度的光纤的长度测量。

其中，第一光电转换装置、第二光电转换装置为pinfet光电转换装置。

其中，所述压电陶瓷信号发生器施加测试信号fm1，相位调制器施加调制频率fm2。其中，所述第一光分路器是3×3光分路器。其中，第二光分路器是2×2光分路器。其中，所述载波信号相位调制器是铌酸锂调制器。其中，所述反射装置是法拉第旋转镜。其中，所述第一光分路器设置有端口1a、端口1b、端口1c、端口1d和端口1e，所述第二光分路器设置有端口2a、端口2b和端口2c，所述光源与端口1a连接，所述第一光电转换装置与端口1b连接，所述第二光电转换装置与端口1c连接，所述端口1e与端口2c连接，所述端口1d通过光路延迟线圈与端口2a连接，所述端口2b与光衰减器连接，所述光衰减器与所述压电陶瓷信号发生器连接

本发明还提供了一种测量光纤长度的方法，其从光源输出信号，通过相位载波技术，利用前端干涉主光路组合单元产生干涉信号，经过待测光纤和末端调制单元后，经第一光电转换装置和第二光电转换装置转换为电信号，由信号处理单元解调出长度信息；

前端干涉主光路组合单元产生干涉信号，从第一光分路器的端口1b、端口1c输出的信号是一个干涉信号，由如下光路形成：

路径i：7-1a-1d-5-2b-2a-3-4-6-12-13-14-13-12-6-4-3-2a-2c-1e-1b/1c；路径ii：7-1a-1e-2c-2a-3-4-6-12-13-14-13-12-6-4-3-2a-2b-5-1d-1b/1c。

路径i和路径ii的光路路径是相同的，只有光经过的先后顺序不同，因此自动满足干涉条件，形成干涉。

本发明提供的光纤长度测量装置测量的原始信号可以看作干涉信号和一系列由于瑞利散射产生的噪声的叠加：

式中和是系统的干涉系数，而φ0和是初始相位，δφ(t)和是随外部干扰而产生的相位变化。由于干扰产生的噪声叠加在信号中，难以从信号中筛选出有用的相位信息，因此接入相位调制器，利用相位载波技术以提取有用信号。在末端调制单元加载高频正弦信号fm2之后，接受到的信号将改变为：

式中fm2是外加高频正弦信号的频率，用pb代替并且将公式进行bessel展开，可得以下公式：p＝pb+acos(φ0+δφ(t))[j0(φc)+2j2(φc)cos(4πfm2t)+...]+asin(φ0+δφ(t))[2j1(φc)cos(2πfm2t)+2j3(φc)cos(6πfm2t)...]

式中除前两项外，均含有cos(nπfct)(n＝1，2，3...)这一项，而第二项acos(φ0+δφ(t))j0(φc)，通过调节合适的外加高频信号的幅度，可以使j0(φc)为0。这样实现了除pb外的所有信号均搬移至高频区段，而pb仍然位于低频。此时在信号接收端外加高通滤波器，即可滤去由瑞利散射引起的噪声信号。进一步，通过传统的相位解调方法可以获得相应的相位变化信息δφ(t)。信号解调技术除本方案外还有多种，已较为成熟。信号解调过程可以通过硬件或软件实现。

本装置在前端干涉主光路组合单元使用压电陶瓷信号发生器加载频率为fm1的脉冲信号δ(t)，装置整体的sagnac结构将导致该脉冲信号同时对正向信号和反射信号同时施加影响，反射信号先被接受，其相位信息可以表示为δφ(δ(t))，而正向信号要经过整个测试光纤和末端调制单元，被末端的反射镜反射之后，再经过整个测试光纤，被信号接受端接受，其相位信息可以表示为δφ(δ(t+τ))，τ为反射信号与正向信号之间的时延，根据该时延产生的原理，可以计算出时延与光纤长度的关系：

式中d表示光纤长度，n表示光纤的平均折射率，c是真空中的光速。考虑到系统本身自带的光纤长度，测量时的时延要减去系统本身自带的时延。具体而言，首先测量整个系统和被测光纤相连时的时间间隔τtotal，然后移除被测光纤，单独测量系统自身的时间间隔τinsert，通过二者相减，获得了信号通过被测光纤的时间间隔τf：τf＝τtotal-τinsert；

本发明提供的光纤长度测量系统，通过相位解调技术去除噪声，可以在中长距离(一百二十千米)上实现较高的测量精度(零点一米)。

具体实施例为：

本实施例中，所用光源为超辐射发光二极管(sld)，延迟线圈5所用的光纤为g652型单模光纤，使用的测试光纤为60km长的单模光纤，跳线为fc/pc型单模光纤跳线，末端盲区消除光纤为20km长的单模光纤，光电探测器8、9为型号为**的pinfet光电探测器。压电陶瓷(pzt)信号发生器4上施加频率为100hz，脉宽为5μs，幅度为10vpp的脉冲信号。相位调制器13上施加的是频率1mhz的正弦信号。当脉冲施加到整个光纤系统中时，使用采样率为500mhz的高速同步采集系统采集信号，再经信号处理系统11对光电探测器8、9输入的信号进行解调，相位还原，可以得到如图2所示的两个扰动信号之间的延迟关系。测得两扰动信号之间的时延为783.32μs，换算为系统光纤总长度为79973.242m，减去盲区消除光纤长度19960.012m，可得测试光纤长度为60013.230m。

以上所述，仅是本发明较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制，虽然本发明以较佳实施例公开如上，然而并非用以限定本发明，任何熟悉本专业的技术人员，在不脱离本发明技术方案范围内，当利用上述揭示的技术内容作出些许变更或修饰为等同变化的等效实施例，但凡是未脱离本发明技术方案内容，依据本发明技术是指对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与修饰，均属于本发明技术方案的范围内。