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，尤其是一种快速光时延测量方法，属于光测量技术与微波光子技术领域。

背景技术

光链路因传输损耗小，带宽大，抗电磁干扰等优势已经广泛应用在信息系统中，是新型阵列雷达、激光通信、分布式雷达、5G基站的重要组成部分。光时延作为光信号产生、传输、控制中的基础参量，对其进行测量和表征贯穿了光链路类产品的生产、应用、维护全过程。随着5G通信、光控相控阵、分布式雷达网络、激光链路系统的发展，对光时延的测量精度和速度均提出了更高的要求。比如5G通信基站需要高速高精度的光时延测量技术实现分布式基站之间的信号匹配与协同，提升5G基站的通信性能。

常用的光时延测量方法主要有脉冲法、扫频干涉法、相推法三种。脉冲法又称为时域法，在时域上直接记录光脉冲信号发射与接收的时间间隔得到待测光时延。该方法通常以光链路中脉冲的后向散射信号为接收信号，但散射信号较弱，系统信噪比不高，因此测量精度受限，常为米量级，难以满足高精度时延测量的需求。

扫频干涉法又称为频域法，利用连续扫频激光器和干涉结构，使参考光与测量光拍频，将光时延映射为拍频频率，可获得较高的测量精度(毫米量级)。此类方法对扫频激光器的相噪性能要求较高，往往测量距离越远，精度也越差；而且受限于激光器的线宽和扫频的线性度，往往需要一个辅助干涉仪校正光源的调频非线性，增加了系统复杂性。

相推法利用链路传输前后信号相位变化解算光时延，可达亚毫米级的精度。为保证测量精度，需要测量高频信号的相移，由于高频鉴相时常采用变频，易引入额外的噪声，带来误差。同时为了解算相位的整周模糊度，需要扫频获得多个频点的相位，不仅提高了系统成本和复杂度，也限制了该方法的测量速度。

综上，现有技术存在以下缺点：(1)时域法精度较差，仅为米级，且存在盲区；(2)频域法系统结构复杂，对光电器件要求高，测量范围较短且与精度相互制约；(3)相推法需要扫频，测量速度受限且在高频情况下易引入鉴相误差，最终降低时延测量精度。

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，提供一种光时延测量方法，其具有测量稳定度高，测量速度快，结构简单的优点。

本发明具体采用以下技术方案解决上述技术问题：

一种光时延测量方法，用两路不同频率的微波信号对同一路窄线宽光载波进行多边带调制，所述两路微波信号的频率差与待测光时延的乘积小于等于二分之一；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测量路，另一路不经过待测光链路作为参考路，对测量路和参考路光信号分别进行光电转换，得到两路具有多个稀疏波长簇且每一个波长簇中包含多个密集频率分量的多频微波信号；在数字域中提取出至少两个相邻稀疏波长簇的多个不同频率分量在两路多频微波信号中的相位差，并依据所述相位差使用相推法解算出待测光时延。

优选地，所述待测光时延的解算方法具体如下：

τ

其中，k

进一步地，所述待测光时延的解算方法还包括：基于已得到的时延差τ

优选地，使用双平行马赫曾德尔调制器进行所述多边带调制。

优选地，具体通过以下方法在数字域中提取出某一频率分量在两路多频微波信号中的相位差：先通过对两路多频微波信号中的时域信号分别进行快速傅立叶变换，得到该频率分量在两路多频微波信号中的相位，进而得到所述相位差。

基于同一发明构思还可以得到以下技术方案：

一种光时延测量装置，包括：

双频多边带调制模块，用于用两路不同频率的微波信号对同一路窄线宽光载波进行多边带调制，所述两路微波信号的频率差与待测光时延的乘积小于等于二分之一；

光电转换模块，用于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测量路，另一路不经过待测光链路作为参考路，对测量路和参考路光信号分别进行光电转换，得到两路具有多个稀疏波长簇且每一个波长簇中包含多个密集的频率分量的多频微波信号；

解算模块，用于在数字域中提取出至少两个相邻稀疏波长簇的多个不同频率分量在两路多频微波信号中的相位差，并依据所述相位差使用相推法解算出待测光时延。

优选地，所述待测光时延的解算方法具体如下：

τ

其中，k

进一步地，所述待测光时延的解算方法还包括：基于已得到的时延差τ

优选地，双频多边带调制模块使用双平行马赫曾德尔调制器进行所述多边带调制。

优选地，具体通过以下方法在数字域中提取出某一频率分量在两路多频微波信号中的相位差：先通过对两路多频微波信号中的时域信号分别进行快速傅立叶变换，得到该频率分量在两路多频微波信号中的相位，进而得到所述相位差。

相比现有技术，本发明技术方案具有以下有益效果：

本发明基于相推法的基本原理，采用双频多边带调制的方式产生具有多个稀疏波长簇的调制光信号，光电探测后产生具有多个稀疏波长簇且每一个波长簇中包含多个密集的频率分量的多频微波信号，并同时在数字域上一次性得到各频率分量的两路相位差，解决了传统相推延时系统中需不断扫频导致测量速度慢的难题，具有测量速度快、无需扫频，一次性完成测量的优点。

本发明通过数字域鉴相无需采用变频，不会引入额外噪声；同时本发明无需扫频，单次测量的特点也进一步避免了环境波动所带来的误差，测量结果稳定可靠。

附图说明

图1为本发明光时延测量装置一个具体实施例的结构示意图；

图2为调制光信号经光电转换前、后的信号频谱图。

具体实施方式

针对现有相推法测量光时延所存在的不足，本发明的解决思路是基于相推法的基本原理，采用双频多边带调制的方式产生具有多个稀疏波长簇的调制光信号，光电探测后产生具有多个稀疏波长簇且每一个波长簇中包含多个密集的频率分量的多频微波信号，并同时在数字域上一次性得到各频率分量的两路相位差，以解决传统相推延时测量系统中需不断扫频导致测量速度慢的难题。

本发明所提出的光时延测量方法，具体如下：

用两路不同频率的微波信号对同一路窄线宽光载波进行多边带调制，所述两路微波信号的频率差与待测光时延的乘积小于等于二分之一；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测量路，另一路不经过待测光链路作为参考路，对测量路和参考路光信号分别进行光电转换，得到两路具有多个稀疏波长簇且每一个波长簇中包含多个密集的频率分量的多频微波信号；在数字域中提取出至少两个相邻稀疏波长簇的多个不同频率分量在两路多频微波信号中的相位差，并依据所述相位差使用相推法解算出待测光时延。

本发明所提出的光时延测量装置，包括：

双频多边带调制模块，用于用两路不同频率的微波信号对同一路窄线宽光载波进行多边带调制，所述两路微波信号的频率差与待测光时延的乘积小于等于二分之一；

光电转换模块，用于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测量路，另一路不经过待测光链路作为参考路，对测量路和参考路光信号分别进行光电转换，得到两路具有多个稀疏波长簇且每一个波长簇中包含多个密集的频率分量的多频微波信号；

解算模块，用于在数字域中提取出至少两个相邻稀疏波长簇的多个不同频率分量在两路多频微波信号中的相位差，并依据所述相位差使用相推法解算出待测光时延。

本发明测量装置的测量范围和精度也可由改变两路微波信号的频率间隔与大小灵活控制：在测量大范围时延时，波长簇的频率间隔需要控制较小以保证相位差-角频率能展开；同时边带数是有限的，能得到的最大频率孔径受限于边带数与调制频率的大小，而最终测量精度取决于鉴相精度与频率孔径。因此在保证密集的频率分量间相位能展开的情况下，提高调制频率能提升系统最终时延测量精度。

为了便于公众理解，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：

本实例中光时延测量装置的结构如图1所示，包括窄线宽激光器、微波源、双频多边带调制模块、光电探测模块、双通道采集模块、解算模块以及若干光耦合器。窄线宽激光器输出的光载波送入多频多边带调制模块，并将两个有微小频差的微波信号分别调制到光载波上，最终生成具有多阶边带的调制光信号，其中每一个非零阶边带处均具有包含两个频率分量的波长簇；随后将调制光信号分为两路，其中一路作为参考路直接进入光电探测模块，另一路经过待测光链路后再进入光电探测模块，作为探测路；两路调制光信号经光电转换后可分别得到具有多个稀疏波长簇且每一个波长簇中包含多个密集的频率分量的多频微波信号；对两路多频微波信号进行数字采样量化后送入解算模块中，解算模块提取出至少两个相邻稀疏波长簇的多个不同频率分量在两路多频微波信号中的相位差，并依据所述相位差使用相推法解算出待测光链路的待测光时延。

所述双频多边带调制模块可以采用两个马赫曾德尔调制器级联的形式，两路微波信号分别输入两个马赫曾德尔调制器的微波信号输入端口；也可以先将两路微波信号耦合为一路后输入一个马赫曾德尔调制器的微波信号输入端口；本实施例中的双频多边带调制模块采用双平行马赫曾德尔调制器(DPMZM)，两个微波信号分别输入DPMZM的两个微波信号输入端口。该调制器由三个MZM组成，上下两个子MZM镶嵌在第三个MZM的两臂上，因此每个调制信号的调制状态可控，并且插损较小，可避免级联调制带来的过大光插损导致光电转换后信号过小的问题，以及两路微波信号耦合输入时无法对单个调制信号的调制状态控制导致光电转换后密集簇信号过小的问题。

设光载波的频率为f

其中

经过光电探测器后，电信号可表示为：

其中η为光电探测器的响应，α为链路传输损耗，τ

通过采集模块将测量路和参考路电信号的时域波形采集量化，数字域上得到各频率分量的两路相位差。设两路的时延差为τ，则各频率分量两路间的相位差

其中N(f)为所选频率对应的整周模糊度，θ(f)为鉴相得到的相位，处于[0,2π]区间内。

传统相推方法对调制频率进行扫频获得多频率对应的相移，而本发明利用双频多边带调制结构得到具有多个稀疏波长簇的调制光信号，光电转换后得到具有多个稀疏波长簇且每一个波长簇中包含多个密集的频率分量的多频微波信号，只需要采集一次数据便能得到不同频率分量间测量路和参考路的相位差，进而依据相推法原理解算出待测光链路的时延。由于采用数字域鉴相和只需单次采集，时延测量速度大幅提高，极大提升了测量的稳定性。

解算方法具体如下：

首先将低阶波长簇的两路相位差进行常规展开，将展开的相位差-频率拟合成直线，其斜率为k

τ

其中，k

而时延测量精度还可以通过采用上述公式不断对更高阶波长簇的相位进行展开，迭代得到更高精度的时延测量值τ

τ

为保证稀疏波长簇中密集频率分量的相位差-频率能准确地拟合成一条直线，需保证频率分量间的相位差小于π，而波长簇中密集频率分量的间隔为Δf，可得两个调制频率的频率差Δf应满足：频率差Δf与待测光时延τ的乘积小于等于二分之一，即：

综上可知，本发明测量装置结构简单且系统稳定强，解算过程也极为简便，因此可以实现快速高稳定的光时延测量。