本发明涉及一种光纤长度测量方法及测量装置，属于光学测量技术领域。
背景技术
常用的光纤长度测量方法主要有后向散射法、脉冲法和相移法三种，后向散射法是利用光在光纤中传输时的瑞利散射和菲涅尔反射所产生的背向散射光测量光纤长度，利用这种原理研制的光时域反射计已广泛应用于光纤通信链路的施工和维护中。这种方法存在着许多不可避免的误差，如仪器分辨力误差、光纤群时延以及后向散射损耗系数等。因此光时域反射计的测量精度只是米量级，且随着光纤长度的增加，测量误差也随着增大；脉冲法需要观测参考光纤与被测光纤中传输光的脉冲叠加过程，然后利用两个脉冲的时间差计算出被测光纤的长度，由于光纤色散会对光脉冲进行展宽，脉冲法不适合对长光纤进行精确测量；传统的相移法由于是直通式测量，必须将光纤两端都接入测量系统，然而在光纤加工过程中需要实时反馈光纤长度，因此传统的直通式测量方法极为不便，而且这种方法在测量短光纤时测量重复性比较差，测量精度只能到分米量级。因此，这三种方法都无法满足各界对光纤长度准确测量的需求。
随着光纤通信和光纤传感技术的不断发展，大动态范围、高精度的光纤长度测量系统具有极为重要的应用价值，在对光纤长度准确定标，解决光时域反射计量值溯源问题中显得尤为重要。目前常用的光纤长度测量技术主要是光时域反射计(otdr)，它的基本原理是光纤入射端面探测后向散射光和菲涅尔反射光，得到的电信号再进行信号处理，从而得到断点位置。该方法尽管测量距离可以达到上百公里，但是测量精度受到很大限制，只能达到米级。光相干域反射测量仪(ocdr)的精度可以达到10微米，并且测量动态范围可以达到几千米，但是它对光源的稳定性和相干性有很高的要求。2005年bingqi等人提出了基于频移不对称sagnac干涉仪，该方法测量精度可达微米级，测量单模光纤动态范围可达几十千米。但是其干涉信号极小值点的频率不易读取，所以软件算法不易实现。2012年梁健等人提出的高精度光纤长度测量系统，通过对dfb光源进行外调制，调制后的光经过光分束器后分别进入环形器及被测光纤和参考光路，然后通过在示波器上读取两路信号的延迟时间得到被测光纤的长度。由于测量长距离光纤时，光纤色散引起的脉冲展宽不能忽略不计，因此调制光经过上百公里的光纤传输后再通过脉冲延迟的方法读取延迟时间，因为脉冲展宽引起的测量不确定度就会很大。2013年有研究者提出过一种光纤长度测量系统，是通过频率计与图形分析结合的方法读取调制脉冲的时间差来得到被测光纤的长度。该方法测量精度可以达到厘米级，由于光纤色散引起脉冲展宽的原因，因此测量距离达不到上百公里，一般是用来定标多模光纤的长度和短距离单模光纤的长度。
综上可知，现有技术存在以下缺点：(1)光时域反射计(otdr)的测量精度不高，只能达到米级；而光相干域反射测量仪(ocdr)的测量范围太小，无法进行长距离光纤测量，且对光源的要求很高。(2)梁健等人提出的高精度光纤长度测量系统是通过加入了法拉第旋转镜来测量在被测光纤中的往返时间差，这样就降低了系统的测量动态范围，此外该系统需要在外调制器前加入偏振控制器对光信号的偏振态进行控制，大大影响了系统的测量重复性和稳定性。因此，亟需一种能够对大范围的光纤长度进行高精度测量的技术。
技术实现要素：
本发明所要解决的技术问题在于克服现有技术不足，提供一种光纤长度测量方法，能够实现对大范围的光纤长度进行高精度测量。
本发明具体采用以下技术方案：
一种光纤长度测量方法，将微波信号强度调制于连续光载波，生成调制光信号；以所述调制光信号作为探测光，将其从待测光纤的第一端注入，并从待测光纤的第一端接收待测光纤的第二端的反射光信号；将所述反射光信号转换为电信号，并从中提取基频信号，然后测量出该基频信号相对于所述微波信号的相位变化；依据所述相位变化获得待测光纤的长度。
优选地，利用光环形器实现将探测光从待测光纤的第一端注入，并从待测光纤的第一端接收待测光纤的第二端的反射光信号。
优选地，使用滤波器提取所述基频信号，并使用鉴相器测量出该基频信号相对于所述微波信号的相位变化。
优选地，待测光纤的长度通过下式计算得到：
式中，ωe为所述微波信号的频率，c为真空中的光速，n为待测光纤的折射率，τ0为探测光在测量系统中的传输时间，θ(ωe)为基频信号相对于所述微波信号的相位变化。
进一步地，所述方法还包括：在不同频率的微波信号条件下进行多次测量，并利用多次测量结果消除测量中的随机误差。
根据相同的发明思路还可以得到以下技术方案：
一种光纤长度测量装置，包括：
探测光产生模块，用于将微波信号强度调制于连续光载波，生成调制光信号；
探测光注入及接收模块，用于以所述调制光信号作为探测光，将其从待测光纤的第一端注入，并从待测光纤的第一端接收待测光纤的第二端的反射光信号；
光电探测模块，用于将所述反射光信号转换为电信号；
相位检测模块，用于从所述电信号中提取基频信号，然后测量出该基频信号相对于所述微波信号的相位变化；
数据处理与显示模块，用于依据所述相位变化获得待测光纤的长度。
优选地，所述探测光注入及接收模块为光环形器。
优选地，所述相位检测模块包括滤波器和鉴相器，滤波器用于提取所述基频信号，鉴相器用于测量出该基频信号相对于所述微波信号的相位变化。
优选地，相位检测模块通过下式计算待测光纤的长度：
式中，ωe为所述微波信号的频率，c为真空中的光速，n为待测光纤的折射率，τ0为探测光在测量系统中的传输时间，θ(ωe)为基频信号相对于所述微波信号的相位变化。
优选地，所述微波信号为余弦形式的微波信号。
相比现有技术，本发明技术方案具有以下有益效果：
本发明采用微波光子学技术，将光信号的特征提取转移到微波信号上，利用成熟、高精度的微波信号分析技术进行相位信息提取，再进行光纤长度解算，极大地提高了光纤长度的测量精度。
附图说明
图1为本发明光纤长度测量装置一个优选实施例的结构示意图。
图2为直接调制法产生探测光的一种结构示意图。
图3为外调制法产生探测光的一种结构示意图。
具体实施方式
针对目前常用光纤长度测量方法存在的不足，本发明利用微波光子学技术，通过引入微波领域的相位检测技术，克服了现有后向散射法测量精度差，脉冲法干扰因素多、测量距离短等缺点；实现了对大范围的光纤长度的高精度测量，当光纤测量长度小于10km时，本发明测量精度优于0.0001m，当测量长度大于10km时，本发明测量精度优于0.001m。
具体而言，本发明的光纤长度测量装置包括：
探测光产生模块，用于将微波信号强度调制于连续光载波，生成调制光信号；
探测光注入及接收模块，用于以所述调制光信号作为探测光，将其从待测光纤的第一端注入，并从待测光纤的第一端接收待测光纤的第二端的反射光信号；
光电探测模块，用于将所述反射光信号转换为电信号；
相位检测模块，用于从所述电信号中提取基频信号，然后测量出该基频信号相对于所述微波信号的相位变化；
数据处理与显示模块，用于依据所述相位变化获得待测光纤的长度。
为了便于公众理解，下面以一个优选实施例并结合附图来对本发明的技术方案进行详细说明：
本实施例中的光纤长度测量装置如图1所示，包括：探测光产生模块、光环形器、采用雪崩二极管做成的高灵敏度光电探测模块、相位检测模块、数据处理与显示模块、系统控制模块。其中，探测光产生模块用于将微波信号强度调制于连续光载波，生成调制光信号；光环形器用于以所述调制光信号作为探测光，将其从待测光纤的第一端注入，并从待测光纤的第一端接收待测光纤的第二端的反射光信号；光电探测模块用于将所述反射光信号转换为电信号；相位检测模块用于从所述电信号中提取基频信号，然后测量出该基频信号相对于所述微波信号的相位变化；数据处理与显示模块用于依据所述相位变化获得待测光纤的长度；系统控制模块用于控制探测光产生模块生成在不同频率的微波信号条件下的探测光信号，并控制相位检测模块进行相应的相位变化，从而可以通过对多次测量结果去均值或去除极值后取均值等方式来消除测量中的随机误差，以进一步提高测量结果的精确度。
再进行光纤测量时，按照图1所示将待测光纤的一端接入光环形器的一个端口2，将探测光产生模块的输出端、高灵敏度光电探测模块的输入端分别与光环形器的前一个端口1、后一个端口3连接。
所述探测光可由两种方式产生，一种是外调制方式，其一种实现结构如图2所示，激光源发出一束光载波到mzm调制器，出来之后经99：1光功分器分两路，1％的光进偏置点控制器作反馈，偏置点控制器根据反馈光的功率调节输出电压，加载到mzm调制器的偏置电极，使得mzm调制器的偏置点位于线性点，再将微波源输出的微波信号加载到mzm调制器的rf输入口；另一种是直接调制方式，其结构如图3所示，打开直接调制激光源之后，将微波源输出的微波信号加载到直接调制激光源的rf输入口。
利用这两种方式产生的探测光信号均可表示为：
eo(t)＝a(1+mcos(ωet))exp(jωct)(1)
其中，a是光场幅度，ωe和ωc分别是微波信号和光载波的角频率，m是调幅系数。
探测光经过光环形器到待测光纤传输后，碰到光纤末端反射回来到达高灵敏度光电探测模块，此时的光场可表示为：
er(t)＝a(1+mcos(ωe(t-τ0-τd)))exp(jωc(t-τ0-τd))(2)
其中，τ0是探测光在测量系统中的传输时间，τd是探测光在待测光纤中的传输时间。
反射回来的探测光经过光电转换后，其电场可表示为：
其中，η为光电转换系数。
从公式(3)可以看出，电信号具有直流分量，基频信号和二倍频信号。相位检测模块通过滤波器提取基频信号，再对基频信号鉴相，得到频率为ωe的微波信号的相位变化，可表示为：
θ(ωe)＝-ωe(τ0+τd)(4)
由公式(4)可得待测光纤的长度为：
其中，c为真空中的光速，n为待测光纤折射率(可由光纤生产厂商的说明手册获得)，τ0可由校准得到(例如可使用已知长度的标准光纤对测量装置进行校准)。
本发明优选采用余弦形式的微波信号进行光双边带调制，从而可避免光纤色散对测量结果的影响，有利于减小测量误差。
测量过程中，可多次改变ωe，得到一组l值，再取平均值，从而去除随机误差。