一種光纖長(zhǎng)度精確控制工藝技術(shù)獲獎(jiǎng)科研報(bào)告

一種光纖長(zhǎng)度精確控制工藝技術(shù)獲獎(jiǎng)科研報(bào)告

摘要：光控相控陣天線對(duì)光處理系統(tǒng)各模塊及通道之間提出了長(zhǎng)度一致性要求。本文基于微波光子學(xué)提出了一種利用相位調(diào)制光鏈路來精確測(cè)量光纖相對(duì)長(zhǎng)度的新方法，并自主開發(fā)工裝夾具實(shí)現(xiàn)了光纖定長(zhǎng)度的精確切割。經(jīng)過理論分析和項(xiàng)目驗(yàn)證，該工藝技術(shù)可將光纖長(zhǎng)度測(cè)量及切割誤差控制在0.3mm以內(nèi)。該工藝技術(shù)原理及硬件實(shí)現(xiàn)都很簡(jiǎn)單，是一種實(shí)用有效、精度高的光纖長(zhǎng)度控制方法。

關(guān)鍵詞：光控相控陣;相位調(diào)制;光纖長(zhǎng)度;高精度

一、引言

雷達(dá)是空戰(zhàn)、陸戰(zhàn)和海戰(zhàn)中極為重要的作戰(zhàn)“軟”武器。光控相控陣天線的基本結(jié)構(gòu)如圖1所示[1]，接收到的微波信號(hào)首先經(jīng)過電光調(diào)制器調(diào)制到光載波上，然后調(diào)制的光信號(hào)經(jīng)光分路器（耦合器或者開關(guān)）被分到不同通道進(jìn)行光學(xué)延時(shí)、探測(cè)和放大等一系列處理，光電變換生成的各個(gè)射頻信號(hào)被送到相應(yīng)的天線單元發(fā)射出去，合成特定指向的波束。

從圖1可以看出，控制各輻射單元之間的射頻信號(hào)相對(duì)相位，從而使空間波束向一個(gè)特定的方向輻射，對(duì)光控相控陣波束成形至關(guān)重要。光真延時(shí)技術(shù)OTTD是光控相控陣波束成形中的關(guān)鍵技術(shù)。OTTD利用光纖作為延時(shí)線，利用光學(xué)延時(shí)對(duì)射頻信號(hào)進(jìn)行延時(shí)，進(jìn)而達(dá)到移相的目的，具有低損耗、低色散、重量輕、體積小及抗電磁干擾能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)[2，3]，可有效抑制波束偏斜[4]?？刂聘魍ǖ乐g的射頻信號(hào)相對(duì)相位，即需要對(duì)延時(shí)光纖進(jìn)行長(zhǎng)度控制，而且長(zhǎng)度誤差需控制在毫米量級(jí)。因此，研究光纖長(zhǎng)度的精確測(cè)量、控制工藝十分有用。

本文提出了一種利用相位調(diào)制光鏈路來精確測(cè)量光纖相對(duì)長(zhǎng)度的新方法，并利用自制工裝對(duì)光纖進(jìn)行精確長(zhǎng)度控制。

二、工藝設(shè)計(jì)

1理論分析

基于微波光子學(xué)[5]，利用相位調(diào)制光鏈路來測(cè)量光纖相對(duì)長(zhǎng)度的原理框圖如圖2所示[6]。矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀發(fā)生的微波信號(hào)經(jīng)過電光調(diào)制器對(duì)激光器發(fā)生的光信號(hào)進(jìn)行相位調(diào)制。調(diào)制光信號(hào)經(jīng)過光信號(hào)處理系統(tǒng)各通道，其中一路為基準(zhǔn)鏈路，其余為光纖長(zhǎng)度需控制鏈路。信號(hào)最后由光電探測(cè)器轉(zhuǎn)換為射頻信號(hào)輸入矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀。對(duì)矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀進(jìn)行校準(zhǔn)和打基準(zhǔn)，采用測(cè)試軟件讀取測(cè)試鏈路與基準(zhǔn)鏈路之間的相位差，計(jì)算出測(cè)試鏈路與基準(zhǔn)鏈路之間的光纖長(zhǎng)度差;采用工裝夾具對(duì)光纖長(zhǎng)度進(jìn)行測(cè)量和精確剪切，實(shí)現(xiàn)光信號(hào)處理系統(tǒng)各通道之間光纖相對(duì)長(zhǎng)度精確控制。

設(shè)激光器發(fā)生的信號(hào)在光域表示為：ω=2πv。光信號(hào)處理系統(tǒng)某一通道的光纖長(zhǎng)度為L(zhǎng)，光纖材料的折射率為n，光速為c，則經(jīng)過光信號(hào)處理系統(tǒng)之后，延時(shí)t可表示為

設(shè)置矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀測(cè)量頻率范圍為fRF1～fRF2，則相位變化Φ1、Φ2可表示為

其中Δf=fRF2-fRF1。當(dāng)光信號(hào)處理系統(tǒng)各通道光纖長(zhǎng)度L不一致時(shí)，由光纖物理長(zhǎng)度差異ΔL引入的相位差為

由矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀測(cè)量出測(cè)試通道與基準(zhǔn)通道之間的，即可計(jì)算出光信號(hào)處理系統(tǒng)各通道與基準(zhǔn)通道的光纖長(zhǎng)度差ΔL，即

在式（6）中，光纖折射率n，光速c，頻率差Δf均為常數(shù)，所以光纖相對(duì)長(zhǎng)度只與矢網(wǎng)測(cè)得的相位差有關(guān)。對(duì)光纖長(zhǎng)度進(jìn)行精確切割，即可控制各通道相位差，滿足系統(tǒng)要求。

2工裝設(shè)計(jì)

基于式（6）原理，采用現(xiàn)有的矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀安捷倫N5230C或同類型產(chǎn)品，光纖相對(duì)長(zhǎng)度測(cè)試精度可精確到0.01mm，但光控波束形成的技術(shù)難題在于如何精確控制光纖切割精度。

基于上述原理，根據(jù)項(xiàng)目需求，設(shè)計(jì)了一套光纖定長(zhǎng)度精細(xì)切割工裝。該套工裝由夾緊裝置、定位裝置及長(zhǎng)度測(cè)量裝置組成。夾緊裝置負(fù)責(zé)夾持光纖松套管使得光纖在套管內(nèi)部不竄動(dòng)，保證光纖長(zhǎng)度測(cè)量準(zhǔn)確，同時(shí)不得影響光纖切割刀的正常切割及光纖熔接機(jī)的熔接操作;定位裝置對(duì)光纖進(jìn)行固定及進(jìn)給;長(zhǎng)度測(cè)量裝置按需求測(cè)量所需光纖切割長(zhǎng)度。該工裝夾具可按給定長(zhǎng)度測(cè)量光纖，理論上精度可控制到0.1mm。

三、性能測(cè)試及結(jié)果分析

1產(chǎn)品測(cè)試

根據(jù)以上分析，搭建如圖2所示測(cè)試系統(tǒng)。為了保證小信號(hào)增益測(cè)試，矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀輸出功率設(shè)置為-5dBm，可調(diào)光源輸出功率設(shè)置為10dBm。采用工裝夾具保證光纖測(cè)量及剪切精度，提高光纖長(zhǎng)度測(cè)量的可靠性。圖3是光信號(hào)處理系統(tǒng)各通道與基準(zhǔn)通道長(zhǎng)度差要求分別為0mm（a）、6.6mm（b）時(shí)，采用本文工藝技術(shù)對(duì)光纖進(jìn)行長(zhǎng)度控制后實(shí)際測(cè)得各通道長(zhǎng)度差，橫軸為通道編號(hào)。

2數(shù)據(jù)分析

從圖3的實(shí)際測(cè)試數(shù)據(jù)可知，采用本文的光纖定長(zhǎng)度精確控制工藝技術(shù)，光信號(hào)處理系統(tǒng)各通道與基準(zhǔn)通道長(zhǎng)度差控制誤差小于0.3mm，可滿足當(dāng)前科研、生產(chǎn)需求。但該測(cè)試誤差大于理論值0.1mm，這主要是由操作方法引起的。在對(duì)光纖長(zhǎng)度進(jìn)行精確剪切時(shí)，先由測(cè)試軟件計(jì)算光纖切割長(zhǎng)度（精確到0.01mm），再由操作者在工裝夾具上測(cè)量相應(yīng)長(zhǎng)度的光纖，并在光纖的外護(hù)套上對(duì)切割位置進(jìn)行標(biāo)記。光纖長(zhǎng)度讀取和標(biāo)記時(shí)引入誤差均大于0.1mm。

四、結(jié)論

基于相位調(diào)制光鏈路建立了光纖長(zhǎng)度精確測(cè)量模型。此工藝技術(shù)測(cè)量光纖的相對(duì)長(zhǎng)度僅和矢網(wǎng)讀取的相位差有關(guān)。項(xiàng)目測(cè)試表