兩種光纖長度測量方法的比較

鐵咪咪，劉銘，趙靜祎，閆興

（北京信息科技大學光電測試技術北京市重點實驗室，北京 100101）

0 引言

光纖由于傳導損耗低、可長距離信息傳遞等原因，成為現代通信以及信息傳遞的最佳媒介。在光纖實驗以及工程應用中，需要已知光纖長度，所以，準確的光纖長度測量在大部分的光纖通信以及光纖傳感系統中都十分重要。光纖長度測量中較重要的方法有：光時域反射法[1]、高斯光脈沖延時方法[2]、全光纖干涉法[3]、調制相移法[4]、激光相位法[5]以及鎖模法[6]等。

光時域反射法[7-8]通過被測光纖中產生的背向瑞利散射信號來工作；高斯光脈沖延時方法利用高斯型脈沖替代矩形脈沖，將脈沖時延測量轉換為幅度極值的測量，避免在辨別脈沖重合的過程中人為因素給測量結果帶來的影響；激光相位法是利用強度調制的光波在被測光纖傳輸過程中產生的相移與被測光纖長度間的比例關系進行測量光纖長度，鎖模法[6]是利用被動鎖模光纖激光器測量光纖長度。全光纖的被動鎖模摻餌光纖激光器具有基于非線性光纖環境（NOLM）的穩定脈沖輸出。依據脈沖輸出周期與光纖長度的相關性測量光纖長度。本文主要對激光相位法和鎖模法兩種測量光纖長度的方法進行比較。

1 測量原理與結構對比

1.1 激光相位法測量光纖長度

激光相位法[5]測量光纖長度是通過測定強度調制光波經過待測光纖后所產生的相位移大小，根據相移與光纖長度的線性關系得到光纖長度。系統結構圖如圖1所示。發射單元包括調制信號發生器和激光驅動電路；回光接收單元主要是信號接收電路；鑒相單元采用模擬鑒相；數據處理單元主要有AD采集電路及控制顯示電路組成。激光經過強度調制，強度調制后的光波在待測光纖中傳輸并產生相位延遲，通過光電探測器接收后放大，接收光信號將按照一定比例轉換為電信號，即測量信號，測量信號與調制信號發生器[6]產生的參考信號進行鑒相，獲得相位延遲信息，經過計算可得到光纖長度。

激光調制及光纖長度測量理論分析如下：

若設激光器光波強度[11]為：

式中Ac為光波振幅，ωc為光波的角頻率，φc為光波的初始相位。

信號發生器產生的調制電信號為：

式中Am為調制信號的振幅，ωm為調制信號角頻率，φm為調制信號的初相位。

激光器光載波經過強度調制后光波強度為：

式中mp=kpAm?1，kp為比例系數，mp為強度市制系數。

由探測器接收的調制光波，轉化的電信號為：

式中B為接收電信號的振幅，Φ為調制光經過時間t后所產生的相位移。

如圖2所示[5],A表示調制光波的入射點，B表示調制光波的出射點，則AB的長度就光波傳輸過程中經過待測光纖的長度[12]，圖中的Φ就是延遲時間t產生的相移。

圖1 激光相位法測量光纖長度系統結構圖

圖2 激光相位法測量光纖長度原理圖

光波的相移量Φ與調制光波在待測光纖中傳播時間τ呈線性關系，所以由圖1及式（4）可得它們的關系式為：

式中為光的傳播速度，為調制頻率，是相移中不足的部分，N是相位變化量中整數周期。由式（6）可知，通過測量激光經過光纖產生的相移獲得光纖長度。

1.2 鎖模法測量光纖長度

鎖模法[6]是利用被動鎖模光纖激光器測量光纖長度。全光纖的被動鎖模摻餌光纖激光器具有基于非線性光纖環境（NOLM）的穩定脈沖輸出。依據脈沖輸出周期與光纖長度的相關性測量光纖長度。

圖3 鎖模法測量光纖長度結構圖

式中，q是一個整數，n為光纖的折射率，c為真空中的光速，L為激光器的腔長。

由式（7）可得，脈沖周期為：

鎖模法測量光纖長度系統結構圖[6]如下圖3所示。980nm泵浦光耦合到摻餌光纖內，隔離器確保光波單向振蕩，防止損壞激光器，非線性光纖環境NOLM中具有隨機雙折射的單模光纖，若達到一定長度，可以利用非線性偏振旋轉效應，使NOLM內反向傳輸的光波間產生較大的相移。當相移等于π時，具有強度相關的透射特性，可當作鎖模激光器的飽和吸收體使用。若NOLM中的光纖長度足夠產生非線性偏振旋轉效應，且泵浦光功率大于閾值功率時，通過調節PC改變光纖中光波的偏振態使其產生穩定的脈沖，且工作在諧波頻率上，泵浦功率降低在閾值附近時，激光脈沖穩定在基頻上，且穩定性較好。通過測量脈沖的頻率，以此來測量光纖長度。

對于鎖模激光器，其脈沖的重復頻率ν可表達為:

因此，激光器的腔長即是激光器中光纖的長度為：

若能獲得穩定的脈沖周期，即可準確推算出光纖長度。

2 測量范圍與精度對比

2.1 激光相位法測量范圍

調制光波可作為相位式激光測量長度的一把度量標準，稱之為“光尺”。如果被測光纖長度的概略值精確在光尺長度內，即已經知道式（6）中N的具體數值，則被測光纖長度的精確值就可根據?φ來確定。然而若是不知道被測距離的概略值，則無法確定整數周期N，所以系統測量光纖長度有一定范圍。不過可以使用多個“光尺”確定數整周期N，使測量光纖長度范圍增大。也可通過改變調制頻率的大小，改變光纖長度的測量范圍，但測量精度會下降。

若采用單“光尺”測量光纖長度，則測量距離為：

從式（10）中可知，測量光纖長度范圍與調制頻率及鑒相范圍有關，實驗中，選擇調制頻率 fm=1MHz，在鑒相電路中，鑒相芯片采用AD8302，鑒相范圍為（-π～0或0～π），所以光纖長度測量范圍為 0～100m 。

若提高光纖長度的測量范圍，可通過兩種頻率共同調制激光光波，既可以增加測量長度范圍，也可以提高測量精度。

2.2 激光相位法測量精度

測量精度為：

若提高測量范圍及精度，可通過兩種頻率共同調制激光光波，或選擇較高精度的鑒相電路以提高測量精度。

2.3 鎖模法測量長度范圍

腔長L是與激光脈沖周期T呈線性關系的，若取，當q=1時，對應基頻下的脈沖周期T。當ΔL=1m時，ΔT=5ns。也就是說，只要脈沖周期可以穩定達到ns量級，則該長度測量儀就可以達到米的量級。再精確一些，當ΔT=0.1ns時，ΔL=0.02m=2cm，若示波器可識別0.1ns的脈沖周期變化，測量長度的精度可達到厘米級。。

在用鎖模法測量短光纖，可以提前接入一段大于500m的已知光纖長度，將此光纖作為基準，測量接入被測光纖后的變化量，就可精確測量短光纖的長度。

2.4 鎖模法測量精度

分析可知，當光纖長度小于500m時，NOLM中不能夠產生非線性偏振旋轉效應，不能產生穩定的脈沖，系統無法測量光纖長度，被動鎖模光纖激光器對光纖長度的變化非常靈敏，可達到厘米級，且光纖越長，測量光纖長度的準確度和靈敏度就越高，由式（9）可知，

在式（9）中，光纖長度與脈沖輸出周期呈線性關系，且光纖越長時，輸出激光脈沖越穩定，實驗證明，系統可用來測量上百千米的光纖長度，但由于系統是利用單模光纖的隨機雙折射獲得非線性偏振旋轉，若單模光纖較短，NOLM內光波間不能產生較大的相移，使其不能充當飽和吸收體使鎖模脈沖產生，若要獲得足夠的相移，所以需要足夠的單模光纖長度。本實驗在已知光纖長度為100km，30km，10km，5km，1km，500m和450m的情況下用鎖模法測量光纖長度。實驗顯示，當光纖長度小于500m時，由于輸出不能得到穩定的脈沖，系統無法測量光纖長度。

3 結語

比較這兩種不同的測量光纖長度的方法，前者使用的是傳統的相移特性，通過相位差測量光纖長度，后者采用了新型鎖模激光器進行光纖長度測量。在精度方面，兩者都可以達到厘米級。在測量長度方面，基于激光相位法適應于短光纖長度的測量，鎖模法能夠測量的光纖長度可以達到上千米，在進行大型光纖長度測量時，采用后者比較方便。在系統裝置方面，兩種方法都具有實用簡潔的結構，前者成本比后者會小一些。在穩定性方面，前者受外界干擾性可能會更大，信號接收不是很穩定。在應用方面，激光相位法由于操作簡便，結構簡單成本較低，適用于實驗室場合，后者在工業中有潛在的應用前景；鎖模法測量長度較短的光纖時，精度不高，而實驗室很少用到上千米的光纖，因此鎖模法不適用于實驗室，大型工業生產方面會用到上千米的光纖所以鎖模法更加適用于工業生產方面。

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