本发明公开一种精确测量光纤长度的方法，属于精密测量领域。
背景技术：
高精度光纤长度测量系统在光纤通信系统中具有重要的应用价值。传统的光纤测量方法主要包括光时域反射仪(otdr)，光频域反射仪(ofdr)，光低相干反射仪(olcr)等。
其中otdr是基于后向瑞利散射和菲涅尔反射原理制成的，是目前最广泛的测量光纤长度的仪器。otdr的优点是测量长度可达上百公里，缺点是精确度较差，只能达到厘米的量级。
olcr的优点是结构简单，测试精度较高，可达10μm。缺点在于动态范围较小，最大可测量范围只有几厘米；
ofdr测量光纤长度的基本原理是采用对光源进行频率调制，则探测器上的信号拍频会随散射点距离的增加而增加，而探测器上的能量正比于该散射点大小。ofdr的测量精度比otdr高，可以达到毫米量级；测量范围比olcr大，可在几千米，具有较高的实用性。但是ofdr对系统激光光源的要求非常高，要有良好的相干性和稳定性。
技术实现要素：
本发明的目的是提供一种精确测量光纤长度的方法，能够实现微米级的高精度测量与较大范围的测量。
本发明的目的是通过以下技术方案实现的。
一种精确测量光纤长度的方法，具体步骤如下：
步骤一、测量得出附加光程的长度s1；
通过如下装置实现附加光程的长度s1的测量，装置包括：飞秒激光器，第一光纤准直器，偏振分光镜，第二光纤准直器，第三光纤准直器，第四光纤准直器，位移台，法拉第旋转镜，光信号接收与处理模块，平衡探测器，信号处理模块，距离解算模块和被测光纤。
所述光信号接收与处理模块由两个双色镜，两个聚焦透镜以及ppktp倍频晶体组成；
连接关系：飞秒激光器发出的脉冲激光经过第一光纤准直器进入测量光路后，经过偏振分光镜被分为两路，一路进入参考光路，一路经过反射镜反射后进入测量光路，脉冲激光依次经过第二光纤准直器，第三光纤准直器，第四光纤准直器；位移台与第四光纤准直器固定连接，用于调整第四光纤准直器的位置，进而寻找脉冲激光干涉点；第四光纤准直器与法拉第旋转镜连接；测量光路的返回光被返回到偏振分光镜，参考光路的返回光也被返回到偏振分光镜，测量光路的返回光与参考光路的返回光在偏振分光镜处合并后进入光信号接收与处理模块；合并后的光束通过双色镜的反射两次经过光信号接收与处理模块中的ppktp倍频晶体，产生两个互相关信号，两个互相关信号被平衡探测器接收后，根据两个互相关信号的强度差输出一个电信号到信号处理模块中，电信号作为反馈调整的参考，调整激光器的重复频率；即不断重复之前的过程，直至信号处理模块接收到的电信号为零时，锁定此时激光器的重复频率。将此时的重复频率值输出给距离解算模块，即可计算得出光程长度。
步骤二、测量得出被测光纤光程与附加光程的长度之和s2；
在第四光纤准直器与法拉第旋转镜之间连接有被测光纤；通过步骤一所述装置测量出被测光纤光程与附加光程的长度之和s2；
步骤三、则被测光纤长度l＝(s2-s1)/n，其中n为被测光纤折射率。
测量原理：设待测光纤长度为l，其计算方法如下：
l＝ctf/2n(1)
其中tf为光脉冲在待测光纤中的往返飞行时间，n为待测光纤折射率。
步骤一所述装置的测量方法如下：
1.调整飞秒激光器到锁模状态，激光器的重复频率为fr，其输出的脉冲序列的时间间隔为
其中l为激光器腔内的光程，c为真空中光速；
激光器发出的脉冲激光经过第一光纤准直器，调整参考光路与测量光路的功率分束比，使两路光束到达光信号接收与处理模块的功率相等；调整后进入测量光路后经过偏振分束镜分为两路，一路进入参考光路，一路经过第二光纤准直器，第三光纤准直器和第四光纤准直器三个光纤准直器进入测量光路，其中第二光纤准直器、第三光纤准直器用于调整光路方向，便于光路对准；
2.微调激光器重复频率到fr1，并配合移动位移台，使得第四光纤准直器位于两路光的干涉位置；
3.参考光路中传输的光经过反射镜反射后进入光信号接收与处理模块；
测量光路中传输的光最终在法拉第旋转镜处反射，进入光信号接收与处理模块；
4.通过平衡探测器的输出电信号sdiff可以得出参考路与测量路的脉冲延时τ，将sdiff做为反馈值对激光器重复频率进行调整，实现平衡互相关信号锁定，重复上述步骤1至6。
5.当步骤6中的电信号为零时，锁定互相关信号，锁定后测距脉冲的往返时间t与脉冲序列的时间间隔tr满足
t＝m·tr(3)
其中，m为正整数。确定m值有两种方法：
1)当m值比较大的条件下，通过调整重复频率到fr2，找到下一个干涉点，则m值可以根据下式计算：
2)当m值比较小的条件下，可以使用其它测量手段粗测长度，根据脉冲间隔计算m值。
将频率计锁定至高精度氢钟，并在频率计上读取锁定后的激光器重复频率值；
6.经过距离解算模块12计算得出光程长度s
s＝mc/2fr(5)
式中，c＝299792458m/s。
7.则被测光纤长度l＝s/n，其中n为被测光纤折射率。
有益效果
利用飞秒量级脉冲宽度自身的高精度特点，本方法测量光纤长度的精度可以达到微米量级，而且测量范围大，可以达到几千米。
本发明提出一种基于锁模飞秒激光器的光纤长度测量方法和结构，利用锁模飞秒激光器的重复频率与脉冲间隔的乘积等于光速这一固定关系来测量光纤长度。本方法测量结果可以达到微米量级，而且测量范围大，可以达到几千米，对比目前常用的测量方法，具有明显优点，在实际应用中具有广阔前景。本测量方法需要高精度的已知光纤折射率做为测量参数。
附图说明
图1为实施例1的结构原理图。
图中：1—飞秒激光器，2—第一光纤准直器，3—偏振分光镜，4—第二光纤准直器，5—第三光纤准直器，6—第四光纤准直器，7—位移台，8—法拉第旋转镜，9—光信号接收与处理模块，10—平衡探测器，11—信号处理模块，12—距离解算模块，13—被测光纤。
具体实施方式
下面结合附图与实施例对本发明作进一步说明。
实施例1
一种精确测量光纤长度的方法，具体步骤如下：
步骤一、测量得出附加光程的长度s1；
通过如下装置实现附加光程的长度s1的测量，装置包括：飞秒激光器1，第一光纤准直器2，偏振分光镜3，第二光纤准直器4，第三光纤准直器5，第四光纤准直器6，位移台7，法拉第旋转镜8，光信号接收与处理模块9，平衡探测器10，信号处理模块11，距离解算模块12和被测光纤13。
所述光信号接收与处理模块9由两个双色镜，两个聚焦透镜以及ppktp倍频晶体组成；
连接关系：飞秒激光器1发出的脉冲激光经过第一光纤准直器2进入测量光路后，经过偏振分光镜3被分为两路，一路进入参考光路，一路经过反射镜反射后进入测量光路，脉冲激光依次经过第二光纤准直器4，第三光纤准直器5，第四光纤准直器6；位移台7与第四光纤准直器6固定连接，用于调整第四光纤准直器6的位置，进而寻找脉冲激光干涉点；第四光纤准直器6与法拉第旋转镜8连接；测量光路的返回光被返回到偏振分光镜3，参考光路的返回光也被返回到偏振分光镜3，测量光路的返回光与参考光路的返回光在偏振分光镜3处合并后进入光信号接收与处理模块9；合并后的光束通过双色镜的反射两次经过光信号接收与处理模块9中的ppktp倍频晶体，产生两个互相关信号，两个互相关信号被平衡探测器10接收后，根据两个互相关信号的强度差输出一个电信号到信号处理模块11中，电信号作为反馈调整的参考，调整激光器1的重复频率；即不断重复之前的过程，直至信号处理模块11接收到的电信号为零时，锁定此时激光器1的重复频率。将此时的重复频率值输出给距离解算模块12，即可计算得出光程长度。
步骤二、测量得出被测光纤光程与附加光程的长度之和s2；
在第四光纤准直器6与法拉第旋转镜8之间连接有被测光纤13；通过步骤一所述装置测量出被测光纤光程与附加光程的长度之和s2；
步骤三、则被测光纤长度l＝(s2-s1)/n，其中n为被测光纤折射率。
测量原理：设待测光纤长度为l，其计算方法如下：
l＝ctf/2n(6)
其中tf为光脉冲在待测光纤中的往返飞行时间，n为待测光纤折射率。
步骤一所述装置的测量方法如下：
1.使用卷尺粗测附加光程长度m值为9，调整附加光路光纤长度和参考臂长，在示波器上观察平衡探测器零点并锁定互相关信号。锁定激光器重复频率，通过频率计数器读取锁定频率值为192852490.500943hz，通过计算可得零点附加光程s1为6.995326m；
2.取一段待测光纤，将待测光纤接入光路中，调整激光器的重复频率并配合移动7)位移台，在示波器上观察平衡探测器零点并锁定互相关信号。锁定激光器重复频率，通过频率计读取锁定频率值为192852490.500942hz。调整重复频率到下一个干涉点，通过频率计读取频率值为192509336.603253hz，通过公式(4)计算可得m值为562，通过计算可得测量得到的光程长度s2为436.819252m；
3.被测光纤长度为l＝(s2-s1)/n＝[(436.819252–6.995326)/n]m。