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基于高精度光纤的温度效应最小化测距校准系统

吴康、焦海妮、金海斌、何子斌

北京东方计量试验研究所

摘要-高精度校准范围测量基于光纤交换机和光纤线圈网络的系统是本文对此进行了描述。为了达到较高的测量精度，相位稳定光纤（PSOF）用作延迟线圈减小传输延迟的温度依赖性时间。与单模光纤相比温度误差可降低11倍。

索引项-光纤延迟距离测量系统线路，相位稳定光纤。

Ⅰ、介绍

近年来测距系统的校准要求不断增长。光学测距校准方法比电学方法更其优点。对于光学方法，光纤是提供延时。本文提出的方法是采用相位稳定法光纤（PSOF）降低温度效应距离测量校准系统实现高精度。PSOF是一种特殊的纤维，可将传输延迟时间的温度依赖性，通过使用PSOF的精度可以提高一个数量级与标准单模光纤相比。

Ⅱ、系统理论与分析

距离测量校准系统设计如下图1基于光学实时的校准系统用于相控阵的延迟（OTTD）技术天线^[1，2]，电子延迟信号转换为光延迟信号和光信号通过光纤产生延时。此系统可用于校准光学激光测距系统、卫星测距系统和其他类似的测距系统。它由一个激光器、调制器、光纤网络线圈和光开关、光检测器和解调器。该激光器是一种波长为1550nm的DFB激光器。从激光器到电光调制器（EO调节器），并通过输入范围测量进行调节信号，该信号如ESA标准^[3]。调制的光进入光纤网络，包括两个1times;N光开关用于引导光线通过具有不同光学延迟的方式。在其中一个光学的路径，通过使用1ing 1e灯光通过不同长度的光通过不同的时间延迟。光网络中的光通过光检测器转换成电子信号。由航天器返回的内部产生的音调和相同的音调回声。这些测量值是在不同频率下执行，允许计算传播时间，因此是一个距离。例如，ESA标准范围测量信号使用一个主信号音调和几个不同频率的小调。这个主音频率为100kHz，副音频率为由主音经除法衍生而来。这些音调是通过相位调制模式调制到中间频率载波。调制音是如图1所示的输入信号。通过光延迟网络的中频载波信号由PLL放大器解调。

图1 测距校准系统原理图。

这种光学延时校准系统有许多与电气延时系统相比的优势包括抗电磁干扰，减少系统尺寸和重量。不同的时间延迟可以通过控制光开关从而控制光线通过光纤线圈在光交换网络中的通过，如图1所示。延迟时间可以通过：

tau;= (1)

其中tau;是延迟时间，n是光纤，L是光路的长度，C是光速在真空中。标准SM光纤的典型折射率约为1.46，标准光纤的延迟因子约为4.8Sn/m。对于长时间延迟，如几微秒，需要公里的光纤长度。自从光纤对环境变化很敏感，它会在光纤较长时引入误差。

对于校准测距系统，一系列标准时间是必要的。根据式（1），时间延迟是可以通过精确控制光程长度L得到。由于光路的长度是固定的，因此时间延迟准确度由环境变化决定折射率和光纤长度。根据式（1），给定时间的延迟时间变化温度变化可推导为：

△tau;=（L） (2)

其中c是真空中的光速，L是纤维，n是纤维的折射率。而dt是纤维温度的变化，dn是指光纤折射率dL是光纤长度的变化。对于标准光纤，温度依赖性变化氮的含量大约是温度的10³倍。L的依赖性变化，纤维L的变化可以忽略。因此，给定变化的延迟时间的变化温度为：

△tau; = (3)

例如，引入了一个热延时系数，并且标准电信为0.04~0.09ps/m℃。单模光纤。PSOF采用标准尺寸和光学设计，但用“液晶聚合物”缓冲具有负热膨胀系数的材料。这个允许PSOF对传输延迟时间的依赖最小化。我们可以用PSOF代替SM光纤在校准系统中提高了精度。

Ⅲ、结果

我们使用两个光纤线圈分别形成100ns的延时，一个光纤线圈由标准单模光纤缠绕，另一个是由PSOF缠绕。我们把这两个纤维线圈放入温控室并改变温度从-40℃到60℃。我们把温控室调节为6种温度：-40℃、-20℃、0℃、20℃、40℃、60℃。各温度保持了12小时，因为它是稳定的，而且每分钟延迟时间的变化由一种低相干干涉法，其时间分辨率为0.006ps。我们首先测试了20℃时的平均零点延迟时间持续一小时，并将其他时间延迟与此零点进行比较。我们用平均值和标准差来描述超温时间稳定性。六种温度延迟时间的测量结果变化如表1。

表1 延迟时间变化测量结果与20℃时的结果比较

由于整个时间延迟为100ns，因此引入的温度可以用SM光纤和PSOF延时的平均值来计算。结果显示在图2中，其中圆点表示SM光纤和三角形点表示PSOF。根据测试结果，延迟时间SM的温度误差可能为11.75ppm/℃，PSOF为1.05ppm/℃。

图2温度变化引起的误差比

Ⅳ、结论

一种新的测距系统校准系统通过降低温度达到高精度引入了PSOF误差。使用PSOF，温度误差比可以减少11倍。

致谢

感谢孟卓与作者对测距系统的交流讨论。

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