高精度光纤长度测量系统及测量方法与流程

本发明涉及光纤测量技术领域，尤其涉及一种高精度光纤长度测量系统、以及采用所述测量系统测量光纤长度的测量方法。

背景技术：

进入21世纪之后，光纤通信与5g协同发展已成为业界的热点，光纤在信号传输过程中具有高抗干扰能力、高传输速率以及极低的传输误码率等优点，因此光纤成为5g通信网络传输信息的最佳媒质，光纤通信也成为宽带通信系统的最佳技术选择。在各类光纤实验以及工程应用中，经常会涉及到光纤长度的测量，光纤的长度主要影响信号的延时和信号的相位，延时会影响许多通讯系统的采样时间、距离定位等，信号的相位主要影响通信系统及光纤传感系统数据的采集、扫描波束等。理论上光在光纤中的传播速度为2×108m/s，可以计算出光纤长度相差1mm，延时时间就相差0.005ns，信号相位差＝光纤变化的长度/光在光纤中的传播速度(光在真空中的速度/折射率)×信号频率×360°，所以在1ghz的频率下，光纤长度差1mm，相位差＝1×10-3/(2×108)×1×109×360°＝1.8°，而一般整个通信系统及光纤传感系统中各路信号间的相位差也就在5°左右。所以可以说准确的光纤长度测量在几乎所有的光纤通信以及光纤传感系统中都极为重要。

光纤长度普通的测量方法有以下两种：

(1)光时域反射仪otdr：otdr就被广泛应用到光纤网络通信领域来测量光纤长度、检测光缆断点位置等。它根据背向瑞利散射和菲涅尔反射理论而制成，测试精度可以达到米的量级，测试范围最高可达上百公里。但是由于otdr设备体积比较庞大，在一定程度上也限制了其应用。

(2)光频域反射测量仪ofdr：ofdr是采用对光源进行频率调制，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点散射大小。ofdr的测量精度比otdr高，可以达到毫米量级，测量范围可达几千米，具有较高的实用性，但是ofdr系统对激光光源的要求非常高，所以测量稳定性差。

显然，无论采用以上哪种测量方法，都不能同时满足现实中对光纤长度测量的高精度、远量程、高稳定性的要求。

技术实现要素：

为克服背景技术中的不足，本发明公开了一种高精度光纤长度测量系统及测量方法。

为实现上述发明目的，本发明采用如下技术方案：

一种高精密光纤长度测量系统，包括射频信号传输链路和矢量网络分析仪，所述射频信号传输链路主要由射频电光转换单元、测试光纤和射频光电转换单元组成；所述矢量网络分析仪信号输出端向射频电光转换单元发送射频信号；所述射频电光转换单元将射频信号转换成光信号，并通过测试光纤传输；所述射频光电转换单元将测试光纤传输过来的光信号转换成射频信号，并返回到矢量网络分析仪的接收端；所述矢量网络分析仪向射频电光转换单元发送的射频信号，在不同频率点的相位相同。

一种高精密光纤长度测量方法，包括如下步骤：

步骤一、矢量网络分析仪信号输出端向射频电光转换单元发送在不同频率点相位相同的射频信号，射频电光转换单元将射频信号调制成光信号，并通过测试光纤传输到射频光电转换单元，射频光电转换单元将光信号解调为射频信号后，再返回矢量网络分析仪信号接收端；

步骤二、将矢量网络分析仪调到相位测试档，在矢量网络分析仪设置的频率带宽内，调节电延时的数值，使接受信号的相位的斜率趋近为0，这时的电延时数值即为射频信号在传输链路的延时值t1；

步骤三、由于测试系统中用于各单元的通信，在传输链路加入了系统光纤，因此，去掉测试光纤后，要再测量一次系统本身的系统光纤延时值t0，该延时值在固定的系统内为固定值；

步骤四、用步骤二得到的传输链路的延时值t1减去系统光纤延时值t0，即为光在测试光纤传输的时间t；

步骤五、常温下，光在光纤中的传播速度为光在真空中的速度c与光在光纤中的折射率n的比值，所以测量光纤的长度l＝c*t/n。

由于采用如上所述的技术方案，本发明具有如下有益效果：

(1)高精度。本发明是利用射频信号传输技术及矢量网络分析仪的高精度相位(精度可达0.0001°)和高精度延时(精度可达0.0001ns)特性，使光纤长度的精度在1mm以内(包含仪器的跳动误差)。

(2)远量程。本发明的光纤测量距离可达几百公里。

(3)高稳定性。本发明测量过程完全考虑了环境因素、光纤材质等，测量结果稳定性和一致性极高，误差变化在0.1mm以内。

本发明的一种高精度光纤长度测量技术具有高精度、远量程、高稳定性的显著特点，达到国际领先水平，解决了现阶段光纤长度测量技术中仪器设备体积庞大、使用条件苛刻、测量精度不足、稳定性差等问题，大大提高了相位采样、距离定位的精度。

附图说明

图1为本发明的光纤长度测量基本原理图。

图2为射频信号传输链路原理图。

图3为射频信号变换原理图。

图4为矢量网络分析仪发出信号的幅频特性图。

图5为矢量网络分析仪接收信号的幅频特性图。

图6为测量光纤链路延时t1测量框图。

图7为系统光纤链路延时t0测量框图。

图中：1、射频信号转换成的光信号；2、激光器直流供电产生的光信号。

具体实施方式

通过下面的实施例，结合附图可以详细的解释本发明，公开本发明的目的旨在保护本发明范围内的一切技术改进。

本发明是通过测量矢量网络分析仪发送在不同频率点相位相同的射频信号，在传输链路的延时时间，来测量光纤的长度的。所述射频信号在传输链路中，先被电光转换单元调制成光信号，光信号经测试光纤传输到光电转换单元，再被光电转换单元解调为射频信号，返回矢量网络分析仪。

将矢量网络分析仪调到相位测试档，在矢量网络分析仪设置的频率带宽内，调节电延时的数值，使接受信号的相位的斜率趋近为0，增大或减小电延时的补偿量，相位的斜率都会变大。这时的电延时数值即为射频信号在传输链路的延时值t1。由于测试系统中用于各单元的通信，在传输链路加入了系统光纤，因此，要再测量一次系统本身的系统光纤延时值t0，传输链路的延时值t1减去系统光纤延时值t0，即为光在测试光纤传输的时间t，再通过长度计算公式l＝c*t/n，计算出测量光纤的长度的。

例如：常温下，在g652.d光纤中，1310nm的光的折射率n为1.4675，1310nm波长的光在g652.d的光纤中延时t为1us，那么该光纤的长度l＝c*t/n＝1×10^-6×2.99792458×10⁸/1.4675＝204.287876米。

本发明未详述部分为现有技术。

技术特征：

技术总结
本发明公开了一种高精度光纤长度测量系统、以及采用所述测量系统测量光纤长度的测量方法，所述测量系统包括射频信号传输链路和矢量网络分析仪，所述射频信号传输链路主要由射频电光转换单元、测试光纤和射频光电转换单元组成。所述射频信号传输链路中，矢量网络分析仪发出的射频信号先被电光转换单元调制成光信号，光信号经测试光纤传输到光电转换单元，再被光电转换单元解调为射频信号，返回矢量网络分析仪。所述测量方法，是通过测量矢量网络分析仪发送在不同频率点相位相同的射频信号，在传输链路的延时时间，来测量光纤的长度的。本发明的一种高精密光纤长度测量系统及测量方法具有高精度、远量程、高稳定性的显著特点。

技术研发人员：范志鹏;左朋莎;于成龙;刘淑霞;陈旭辉;刘朋
受保护的技术使用者：中航光电科技股份有限公司
技术研发日：2018.11.28
技术公布日：2019.02.22