一种基于温控波长功率稳定的色散测量方法及系统

1.本发明属于高精度时间传递技术领域，涉及光纤色散测量方法领域，特别涉及一种基于温控波长功率稳定的色散测量方法及系统。


背景技术：

2.目前，在航空航天、雷达同步、尖端武器操控、高速通信、深空探测等领域对时间同步准确度和稳定度提出了很高的要求。现有的长波授时只能达到微秒的同步精度；卫星共视和卫星双向比对法只能达到纳秒级的同步精度；光纤时间传递可以达到十皮秒量级的同步精度,且设备价格远低于卫星双向比对法,并具有安全、可靠、稳定的诸多优势，所以光纤时间传递方法具有广阔的应用前景。
3.在通过光纤进行时间传递时，色散测量的准确度直接影响到时间传递的准确度。为了提高光纤时间传递的准确度，需要对光纤链路的色散系数进行测量，在时间传递过程中对色散进行修正。在实际应用中，光纤色散的测量由于波长差异和时延测量误差等因素，导致测量准确度的降低，从而影响了光纤时间传递的准确度，而且这个影响还会随着传递距离的增加而进一步增大。
4.为了保证色散测量的准确性，可以采用时延法、相移法等测量方法，但这些方法或与光纤时间传递系统使用波长不同、或分辨率低，价格昂贵，与光纤时间传递广泛应用的场景不符，难以推广应用，亟需发展一种性能可靠、成本低廉的应用于光纤时间传递系统的高精度色散测量方法。


技术实现要素：

5.本发明的目的在于针对光纤时间传递过程中存在的由于色散引入的时延不对称性问题，提供一种基于温控波长功率稳定的色散测量方法及系统，减小因色散测量不准确引入的时间传递准确度偏差。
6.为达到上述目的，本发明采用以下技术方案：
7.本发明的一种基于温控波长功率稳定的色散测量方法，包括以下步骤：
8.将时间和频率的参考信号分别调制在激光器上经过光纤链路发送至远程端，接收远程端的环回信号，获取所述参考信号与所述环回信号的时间差和相位差；其中，控制激光器的温度使激光器的波长分别稳定为λ1和λ2，控制激光器的电流使激光器在波长为λ1和λ2时的光功率均稳定为p；
9.基于所述时间差，计算获得光纤链路长度；基于所述相位差，计算获得不同波长时的相位改变量；
10.计算获得光纤链路的平均色散系数，计算表达式为：d＝δψ/(δλ*l)；
11.式中，d为平均色散系数，δψ为相位改变量，δλ为λ1和λ2的差值，l为光纤链路长度。
12.本发明方法的进一步改进在于，所述控制激光器的温度使激光器的波长分别稳定
为λ1和λ2，控制激光器的电流使激光器在波长为λ1和λ2时的功率均稳定为p的步骤具体包括：
13.将激光器发出的光信号分为2路，一路进入波长计，另一路发送至远程端；接收远程端返回至本地端的光信号，在本地端使用光电探测器将光信号转换为电信号；
14.读取波长计测量到的波长值，通过精密控温电路改变激光器的温度，使波长稳定在λ1；测量光电探测器的光功率，控制激光器的发光电流的大小，使激光器波长稳定在λ1时的光功率稳定在p；
15.改变并控制激光器的温度，使激光器波长稳定在λ2；测量光电探测器的光功率，控制激光器的发光电流的大小，使激光器波长稳定在λ2时的光功率稳定在p。
16.本发明方法的进一步改进在于，所述基于所述时间差，计算获得光纤链路长度的步骤具体包括：
17.将1pps脉冲信号调制在激光器上，通过激光器将信号发送至远程端；
18.接收远程端返回至本地端的1pps返回信号；
19.获取所述1pps脉冲信号与所述1pps返回信号之间的时延t；
20.通过光纤链路长度计算表达式计算获得光纤链路长度；其中，光纤链路长度计算表达式为l＝t/(2*c)，c为光纤中光的传播速度。
21.本发明方法的进一步改进在于，所述基于所述相位差，计算获得不同波长时的相位改变量的步骤具体包括：
22.将10m频率信号调制在激光器上，通过激光器将信号发送至远程端；
23.接收远程端返回至本地端的10m返回信号；
24.获取10m频率信号与返回的10m返回信号之间的相位差；
25.波长为λ1时的相位差记为ψ1，波长为λ2时的相位差记为ψ2，得到波长λ1和λ2时的相位差改变量为δψ＝ψ1
‑
ψ2。
26.本发明方法的进一步改进在于，λ1为光纤时间传递时光的波长，范围为1260nm～1675nm；δλ＝λ1
‑
λ2＝1nm。
27.本发明方法的进一步改进在于，波长稳定在λ1或波长稳定在λ2时，波长变化量在
±
0.1pm内；光功率稳定为p时，变化量在
±
0.1dbm内。
28.本发明方法的进一步改进在于，色散测量误差优于0.01ps/(nm*km)。
29.本发明的一种基于温控波长功率稳定的色散测量系统，包括：
30.第一获取模块，用于将时间和频率的参考信号分别调制在激光器上经过光纤链路发送至远程端，接收远程端的环回信号，获取所述参考信号与所述环回信号的时间差和相位差；其中，控制激光器的温度使激光器的波长分别稳定为λ1和λ2，控制激光器的电流使激光器在波长为λ1和λ2时的光功率均稳定为p；
31.第二获取模块，用于基于所述时间差，计算获得光纤链路长度；用于基于所述相位差，计算获得不同波长时的相位改变量；
32.第三获取模块，用于计算获得光纤链路的平均色散系数，计算表达式为：d＝δψ/(δλ*l)；
33.式中，d为平均色散系数，δψ为相位改变量，δλ为λ1和λ2的差值，l为光纤链路长度。
34.本发明系统的进一步改进在于，所述第一获取模块具体包括：
35.激光器，用于调制时间和频率的参考信号并输出光信号；
36.分束器，用于接收所述激光器输出的光信号，输出第一光信号和第二光信号；
37.波长计，用于测量获取所述第一光信号的波长并输出；
38.环形器，用于接收所述第二光信号，通过光纤链路发送至远程端；用于接收远程端返回至本地端的环回光信号；
39.光电探测器，用于接收所述环回信号并转换为电信号输出；
40.运算控制单元，用于接收波长计输出的第一光信号的波长以及光电探测器输出的电信号，控制激光器的温度使激光器的波长分别稳定为λ1和λ2，控制激光器的电流使激光器在波长为λ1和λ2时的光功率均稳定为p；
41.时间差和相位差获取单元，用于计算获得所述参考信号与所述环回信号的时间差和相位差。
42.本发明系统的进一步改进在于，所述第一获取模块还包括：参考信号源，用于输出参考信号。
43.与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
44.针对光纤时间传递系统的特点，本发明方法中采用光纤时间传递系统中相同波长的激光，测量系统所使用的光纤链路的色散系数，避免由于波长差异引入的误差。采用温控波长和功率稳定方法，消除了波长和功率变化对测量光纤长度和相位改变量的准确度影响，提高了色散测量的准确度，从而提升了长距离光纤时间传递准确度。
45.本发明的系统，消除了波长和功率变化对测量光纤长度和相位改变量的准确度影响，减小了由于色散测量误差引入的时间传递的准确度偏差，从而提升了长距离光纤时间传递准确度，延长了时间传递的距离，降低了成本，大大推动了实际工程中的广泛应用。
附图说明
46.为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图做简单的介绍；显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来说，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
47.图1是本发明实施例的一种基于温控波长功率稳定的色散测量方法的流程示意图；
48.图2是本发明实施例的一种基于温控波长功率稳定的色散测量系统的示意图。
具体实施方式
49.为使本发明实施例的目的、技术效果及技术方案更加清楚，下面结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述；显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例。基于本发明公开的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的其它实施例，都应属于本发明保护的范围。
50.请参阅图1，本发明实施例的一种基于温控波长功率稳定的色散测量方法，包括以下步骤：
51.将时间和频率的参考信号分别调制在激光器上经过光纤链路发送至远程端，接收远程端的环回信号，获取所述参考信号与所述环回信号的时间差和相位差；其中，控制激光器的温度使激光器的波长分别稳定为λ1和λ2，控制激光器的电流使激光器在波长为λ1和λ2时的光功率均稳定为p；
52.基于所述时间差，计算获得光纤链路长度；基于所述相位差，计算获得不同波长时的相位改变量；
53.计算获得光纤链路的平均色散系数，计算表达式为：d＝δψ/(δλ*l)；
54.式中，d为平均色散系数，δψ为相位改变量，δλ为λ1和λ2的差值，l为光纤链路长度。
55.本发明实施例的方法中采用光纤时间传递系统中相同波长的激光，测量系统所使用的光纤链路的色散系数，避免由于波长差异引入的误差。采用温控波长和功率稳定方法，消除了波长和功率变化对测量光纤长度和相位改变量的准确度影响，提高了色散测量的准确度，从而提升了长距离光纤时间传递准确度。与此同时，本发明降低了成本，简化了操作，有利于在实际工程广泛应用。
56.请参阅图1和图2，本发明实施例的一种基于温控波长功率稳定的色散测量方法，包括以下步骤：
57.(1)波长λ1时的功率稳定控制：
58.功率稳定过程由以下几个步骤组成：将激光器ld发出的光信号分为2路，一路进入波长计；另一路发送至远程端，在远程端将光信号返回至本地端；在本地端使用光电探测器pd将光信号转换为电信号。
59.本发明实施例的步骤(1)具体包括：
60.(1.1)激光器波长标定：读取波长计测量到的波长值，通过精密控温电路改变激光器ld的温度，温度的变化引起波长的变化，使波长稳定在λ1。λ1为光纤时间传递时光的波长，范围为1260nm～1675nm。
61.(1.2)激光器功率稳定：通过运算控制单元测量探测器pd的光功率，并控制激光器的发光电流i1的大小，使得功率稳定在p。
62.(1.3)步骤(1.2)激光器功率稳定过程中会引起波长的变化，重复步骤(1.1)和步骤(1.2)，直至波长λ1的变化量控制在
±
0.1pm内，探测器功率p的变化量控制在
±
0.1dbm内。
63.(2)波长λ2时的功率稳定控制：
64.改变并控制ld的温度，使激光器波长稳定在λ2，重复步骤(1)，使激光器波长稳定在λ2时的光功率同样稳定在p，此时δλ＝λ1
‑
λ2＝1nm。
65.(3)测量光纤长度：将1pps脉冲信号调制在ld上，通过ld将信号发送至远程端，在远程端将信号返回至本地端的pd。通过时间间隔测量设备精密测量输入的1pps信号与返回的1pps信号之间的时延t，从而得到链路光纤长度l＝t/(2*c)，c为光纤中光的传播速度；
66.(4)测量相位：将10m频率信号调制在激光器ld上，通过ld将信号发送至远程端，在远程端将信号返回至本地端的pd。通过相位测量设备精密测量10m信号与返回的10m信号之间的相位差。
67.波长为λ1时的相位差记为ψ1，波长为λ2时的相位差记为ψ2。得到波长λ1和λ2时的
相位差改变量为δψ＝ψ1
‑
ψ2；
68.(5)计算链路的平均色散：通过步骤1得到λ1，通过步骤2得到λ2，通过步骤3得到光纤长度l，通过步骤4得到相位改变量δψ，通过公式计算出光纤链路的平均色散d，表达式为：d＝δψ/(δλ*l)。
69.至此，实现了光纤链路的色散测量。
70.本发明采用温控波长和功率稳定方法，可实现同系统中光纤链路的色散测量，使光纤时间传递系统中色散测量误差优于0.01ps/(nm*km)，因此，在1千公里光纤链路上引入的准确度误差理论上将小于10ps。
71.请参阅图2，本发明实施例的一种基于温控波长功率稳定的色散测量系统，包括：参考信号源rf、激光器ld、精密控温电路tec、分束器、环形器、运算控制单元mcu、波长计、光电探测器pd和相位测量单元。
72.其中，运算控制单元mcu通过电流控制激光器ld和精密控温电路tec，使激光器ld功率和波长稳定；将参考信号源rf的参考信号调制在激光器ld上发送至远程端，在远程端通过环形器将信号返回至本地端的光电探测器pd；通过比对光电探测器pd的输出信号与参考信号，计算光纤链路长度和信号的相位差；然后使用公式计算可得到整个光纤链路的平均色散值。
73.本发明实施例系统的原理包括：控制激光器的温度可使激光器的波长稳定，控制激光器的电流可使激光器的功率稳定，将时间和频率的参考信号分别调制在激光器上经过光纤链路发送至远程端，在远程端将信号环回，并测量参考信号与环回信号的时间差和相位差，计算光纤链路长度和不同波长时的相位改变量，从而通过公式准确的计算出光纤链路的平均色散系数。
74.综上，针对光纤时间传递系统的特点，本发明采用光纤时间传递系统中相同波长的激光，测量系统所使用的光纤链路的色散系数，避免由于波长差异引入的误差。采用温控波长和功率稳定方法，消除了波长和功率变化对测量光纤长度和相位改变量的准确度影响，进一步提高了色散测量的准确度，从而提升了长距离光纤时间传递准确度。与此同时，降低了成本，简化了操作，有利于在实际工程广泛应用。
75.以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其限制，尽管参照上述实施例对本发明进行了详细的说明，所属领域的普通技术人员依然可以对本发明的具体实施方式进行修改或者等同替换，这些未脱离本发明精神和范围的任何修改或者等同替换，均在申请待批的本发明的权利要求保护范围之内。