CN100526925C - 用于使用反向传播信号方法定位事件的装置和方法 - Google Patents

Abstract

公开了一种用于使用反向传播信号方法来定位事件的装置和方法。所述装置和方法使用可通过其发射反向传播信号的马赫-泽德干涉仪。如果所述马赫-泽德干涉仪的感测区域被扰动，则产生改变的反向传播信号，并利用接收这些信号之间的时间差来确定所述事件的位置。偏振控制器(43、44)接收反馈信号，以使得可以控制所述反向传播信号的偏振状态以匹配所述信号的振幅和/或相位。提供了用于探测所述改变的信号的探测器。

Description

用于使用反向传播信号方法定位事件的装置和方法

技术领域

本发明涉及一种用于定位诸如侵入受保护的房屋、或与建筑物相关的闯入或其它事件的事件的方法和装置，使得可以确定所述事件的位置。

背景技术

在我们的美国专利6621947和6778717中公开了用于定位事件的装置和方法。通过此参照将这两个专利的内容合并到本说明书中。

上述美国专利中使用的所述系统利用其中提供反向传播信号(counter-propagating)的马赫-泽德(Mach-Zehnder，MZ)干涉仪。通过测量由事件导致的扰动信号的时间差，可以确定沿所述马赫-泽德干涉仪形成的感测设备的所述事件的位置。

于是，当有事件扰动所述系统的MZ传感器部分时，可以使用所述反向传播信号到达所述探测器处的时间差来计算所述MZ传感器上的扰动的确切位置。可以将这种类型的传感器应用于周边或基础结构保安应用，其典型地具有超过50公里的感测距离。

发明内容

本发明的目的是改进上述专利中所公开的系统和方法，以便可以提供所述事件的更确切的位置。

本发明提供一种用于定位事件的位置的装置，包括：

光源；

波导，用于接收来自所述光源的光，以促使所述光沿所述波导的两个方向传播，从而提供所述波导中的反向传播光学信号，所述波导能够使所述反向传播光学信号被由所述事件引致的扰动来改变，以提供继续沿所述波导传播的改变的反向传播光学信号；

探测器装置，用于探测由所述参数影响的所述改变的反向传播光学信号，并用于确定所述改变的反向传播光学信号的接收之间的时间差以确定所述事件的位置；

控制器，用于控制所述反向传播光学信号的偏振状态，以使得所述信号为振幅和相位匹配的；以及

其中所述波导包括用于接收所述反向传播信号的第一臂、以及用于接收所述反向传播信号的第二臂，所述第一和第二臂组成马赫-泽德干涉仪，并且所述第一臂的长度与第二臂的长度不同，使得所述第一和第二臂具有长度失配，

所述控制器进一步包括抖动信号产生部件，用于对来自所述光源的光进行波长抖动。

通过匹配所述反向传播信号的振幅和相位，容易地探测在探测器处所产生的输出条纹，因而可以精确地记录两个改变的反向传播探测器的接收之间的时间差，从而精确地确定所述事件的位置。这同样提高了所述系统和方法的灵敏度。

在本发明的优选实施例中，控制所述反向传播信号的输入偏振状态以实现最大输出条纹。然而，在其它实施例中，也可以利用导致振幅和相位匹配的输出但是具有次最大的条纹可见度的偏振状态。

控制器可以包括耦接到偏振控制驱动器的处理器，并且所述偏振控制驱动器可以耦接到所述偏振控制器以控制所述控制器，从而设置从所述光源提供到马赫-泽德干涉仪的第一和第二臂的信号的偏振，进而设置所述反向传播信号的偏振。

探测器装置可以包括用于所述反向传播信号之一的第一探测器以及用于所述反向传播信号的另一个的第二探测器。

光源可以包括激光光源，其具有布喇格光栅以及用于控制所述布喇格光栅和所述激光光源的激光腔体中的至少一个的调整器，从而改变从用于产生所述反向传播信号的激光光源中输出的光信号的波长。

本发明还提供一种用于定位事件的方法，包括步骤：

将光发射到波导中，以促使所述光沿所述波导的两个方向传播，从而提供所述波导中的反向传播光学信号，所述波导能够使所述反向传播光学信号被由所述事件引致的扰动来改变，以提供继续沿所述波导传播的改变的反向传播光学信号；

连续地和同时地监视所述改变的反向传播光学信号，使得当事件发生时，探测到两个改变的反向传播光学信号；

确定所述改变的信号的探测之间的时间差以确定所述事件的位置；

将所述波导组成为马赫-泽德干涉仪，其包括所述反向传播光学信号穿过其的第一臂、以及所述反向传播光学信号穿过其的第二臂，其中所述马赫-泽德干涉仪的第一臂和第二臂具有路径长度失配；

控制输入到所述波导的所述反向传播光学信号的偏振状态，以提供来自所述波导的振幅和相位匹配的反向传播信号；以及

抖动所发射的光的波长。

优选地，所述反向传播信号的偏振状态提供实现最大输出条纹的来自所述波导的振幅和相位匹配的反向传播信号。然而，在其它实施例中，也可以控制所述偏振状态使得提供相位匹配的次最大的条纹。

优选地，控制所述偏振状态的步骤包括随机地改变所述反向传播信号的输入偏振状态，同时监视从马赫-泽德干涉仪输出的反向传播光学信号以探测所述反向传播信号的强度基本为零的状态、或强度基本最大的状态，并选择提供所述基本为零或基本最大强度的输入偏振状态。

在一个实施例中，控制所述偏振状态的步骤包括控制所述偏振控制器从而设置从所述光源提供到所述双向马赫-泽德干涉仪的每个输入的信号的输入偏振状态，以提供相位匹配的反向传播输出信号。

优选地，以导致MZ臂之间的相位差的360°抖动的量来抖动所述激光光源的波长以产生人工条纹，使得对于漂移的工作点，马赫-泽德干涉仪的反向传播输出总是显示它们真实的条纹可见度。

附图说明

将参照附图以示例方式描述优选实施例，其中：

图1是传统单向MZ系统的基本布局的视图；

图2是说明达到传统单向MZ的最大条纹可见度的偏振状态的庞加莱球面；

图3是示出由MZ臂之间的相位差导致的图1中的输出的视图；

图4是根据本发明的优选实施例的系统的视图；

图5是与图4的实施例相关的庞加莱球面视图；

图6a和图6b是示出根据图4的实施例的最大条纹可见度输出的曲线图；

图7a和图7b是示出非相位匹配的最大条纹输出的说明图；

图8是说明根据本发明的实施例的用于提供各种条纹可见度的一个反向传播信号的各种偏振状态的庞加莱球面视图；

图9是与图8类似的与另一个反向传播信号相关的视图；

图10是示出光源的波长抖动对本发明的一个实施例中使用的MZ的输出的影响的曲线图；

图11是示出在正交附近漂移不定的MZ输出中的漂移工作点对马赫-泽德干涉仪产生的受激条纹的影响的曲线图；

图12是与图11类似但示出漂移MZ输出的MZ臂之间的相位差的360°抖动的视图；

图13是本发明的第一实施例的框图；

图14是优选实施例中使用的典型马赫-泽德干涉仪的视图；

图15是示出图13的实施例的控制器的视图；

图16是本发明的第二实施例的示意图；

图17是图16的实施例的控制器的框图；

图18是本发明的第三实施例的框图。

具体实施方式

参照图1，传统单向MZ(图3中示出)的两个互补的输出将由于环境和其它影响而随着时间漂移并以近似于正弦曲线的方式变化。两个MZ输出的强度的最大可能振幅(或最大条纹可见度)可以与MZ干涉仪臂中的干涉信号的偏振状态的取向相关。可以通过控制输入引导光纤中的光信号的偏振来控制干涉信号的偏振状态的取向，从而控制MZ的条纹可见度。事实上，在光纤MZ的输入引导处有两个可能的偏振状态使得其中单向MZ的输出的条纹可见度处于最大接近1(unity)。这在图2中示出，其中对单向MZ使用庞加莱球面来说明最大条纹可见度输入偏振状态。

如图2中所示，在MZ 10的输入处存在两个唯一的偏振状态使得其中传统的单向MZ的每个输出将具有最大条纹可见度。当描绘在庞加莱球面上时，这两个偏振状态沿直径相对。

参照图4，发明人已经在实验上示出可以将双向MZ 10视为两个单独的单向MZ，每个传播方向一个。然而，所述两个反向传播MZ并不完全独立，而是共享重要的偏振相关的行为特性。

所述双向MZ的反向传播输出也将以同样的方式漂移和变化。对于每个方向来说，将有两个对其所述MZ输出将达到最大输出条纹的输入偏振状态。尽管选择这些输入偏振状态的哪一个都达到最大输出条纹，从而达到传统MZ的最大灵敏度，但是在用于定位事件的双向MZ的情况下，对每个方向的输入偏振状态的选择有着重要意义。在这里的讨论中，将假定为每个方向仅选择一个MZ输出(CW_out和CCW_out)。

假设对每个方向有两个可能达到最大条纹可见度的输入偏振状态，则就有四种可能的对两个方向同时达到最大输出条纹可见度的反向传播输入偏振状态的配对。

图4中所示的双向MZ 10包括耦合器C4，用于将光纤引导段12结合到MZ传感器，L_lead2。这是设置系统的一种实际方式，因为其允许将所述光电子和相关光学组件封装在一个控制单元20中。另外还包括两个偏振控制器，PC_cw43和PC_ccw44，其可以分别用于控制MZ 10的CW(顺时针)和CCW(逆时针)方向的输入偏振状态。控制MZ的引导光纤中的输入偏振状态可以达到最大输出条纹。这可以独立地应用于双向MZ 10的两个方向，以使两个方向同时达到最大输出条纹。可以使用各种多极板(multiple-plate)、压控偏振控制器来控制所述输入偏振状态，而且可以包括基于液晶的偏振控制器或基于压电的偏振控制器。

对于CW传播方向，有两种可能的给出最大输出条纹的输入偏振状态——SOP_1a和SOP_1b。同样地，对于CCW传播方向，给出最大输出条纹的两种可能的输入偏振状态是SOP_2a和SOP_2b。可以在如图5中所示的庞加莱球面上表示这些偏振状态。

尽管有4种可能的配对将同时导致双向MZ的两个反向传播输出CW_out和CCW_out上的最大条纹(SOP_1a和SOP_2a、或SOP_1a和SOP_2b、或SOP_1b和SOP_2a、或SOP_1b和SOP_2b)，但是这些配对中仅有两种将导致具有全部两个最大条纹可见度而且在相位上精确匹配的输出。

对图4中所示的示例，相位匹配的最大条纹反向传播输入偏振状态为：SOP_1a和SOP_2a、以及SOP_1b和SOP_2b。这在图6a和6b中示出。

图6a和6b示出了完全重叠的两个波，即图6a中的SOP_1a和SOP_2a、以及图6b中的SOP_1b和SOP_2b。

该相位和振幅匹配条件对所述定位器系统很重要，因为其允许确定所述感测线缆上的事件的最精确的位置。这意味着必须做到当MZ传感器处于休止状态(无扰动)时在反向传播漂移MZ输出信号之间没有时间差。如果反向传播输出在相位上不匹配，则这将导致在时间差计算以至位置计算中引入误差。

图7a和7b示出非相位匹配的最大条纹反向传播输入偏振状态的反向传播MZ输出，即图7a中的SOP_1a和SOP_2b、以及图7b中的SOP_1b和SOP_2a。

达到反向传播、相位匹配的最大条纹输出导致了关于所述系统的两个重要结果。其允许事件的精确定位，以及所述双向MZ的最大灵敏度。

然而，导致振幅和相位匹配的反向传播输出的输入偏振状态并不限于达到最大输出条纹的输入偏振状态。还有多种其它输入状态对，其同样导致振幅和相位匹配的输出，但是具有次最大的条纹可见度。例如，可以调整偏振控制器43和44二者使得全部两个输出的条纹可见度相同而且小于理论最大值的100％，但是是相位匹配的。尽管条纹可见度的降低将导致双向MZ 10的灵敏度下降，只要条纹可见度保持相对较高(例如>75％)，则所述系统仍然能够计算精确的位置同时维持可接受的灵敏度水平。

可以在庞加莱球面上描绘所述双向MZ中每个方向的MZ输出的条纹可见度的变化，以展示输入偏振状态与MZ输出条纹可见度之间的关系。图8和9中示出典型的反应。

导致最大条纹可见度的两个唯一的输入偏振状态在所述球面上形成两个相对的‘极点’，SOP_CW1和SOP_CW2(图8)。对于非最大条纹可见度，相等条纹可见度的偏振状态形成纬线带，而赤道带E代表最小条纹可见度的偏振状态。从所述极点移开朝向两极之间的赤道带，例如B₁和B₂，条纹可见度降低并在赤道带E变为最小。两个“半球”实质上是彼此的镜像。

相对的最大条纹可见度极点的位置以至所述纬线带和赤道带，将根据所述双向MZ系统(对CW方向即输入引导12和MZ臂14和15)的双折射而变化。可以将这看作是条纹可见度极点和纬线带绕所述球面的旋转。最小条纹可见度不必与理想MZ 10中预期的一样总是零，而是可以为非零的。最小条纹可见度的实际值也将随着该方向的MZ系统10的双折射而变化。所以，总而言之，MZ系统10中的双折射的改变(对于CW方向其可以包括输入引导段12和/或MZ传感器臂14和15中的双折射的改变)不仅可以导致每个方向的条纹可见度极点和纬线带旋转，而且可以改变条纹可见度可能的范围。然而，重要的是，最大条纹可见度总是接近1，不论所述MZ系统的双折射如何。

参见双向MZ 10中的传播的CCW方向(图9中所示)，可以看出MZ输出1、2的条纹可见度与输入偏振状态之间的类似关系。相对的最大条纹可见度极点的位置以至所述纬线带和赤道带将根据包括输入引导(L_lead1)和MZ臂14和15的所述双向MZ系统的双折射而变化。事实上，对于任何给定时候，最小和最大条纹可见度值与CW方向的相同，仅仅最大条纹可见度状态SOP_CCW1和SOP_CCW2的绝对位置在与CW方向相比时不同。

组成所述优选实施例的装置的光纤线缆实际安装在多种环境中，其中它们将经受诸如风、雨、机械振动、压力和张力、以及温度变化的起伏和随机状况。如先前所提到的，这些影响可以改变线缆中光纤的双折射，其接着可以通过偏振引起的条纹衰落(PIFF)效应而改变全部两个定位器MZ输出的条纹可见度。所以，在实际安装中，其中环境因素将导致沿所述定位器系统的光纤的随机双折射改变，各个MZ输出强度的条纹可见度可以随着时间而随机地变化。

在优选实施例的装置中，必须搜索和查找与具有相同条纹可见度且相位匹配的全部两个MZ输出对应的双向MZ10的CW和CCW方向的输入偏振状态。实现这样的一种方式可以是监视两个定位器系统MZ输出同时扰乱所述偏振控制器。可以使用多种扰乱算法，只要它们在相对较短的时间内完成覆盖大多数可能的输入偏振状态。

一旦找到这些输入偏振状态，就需要设置它们以实现振幅和相位匹配的MZ输出强度。为了将所述MZ输出保持在振幅和相位匹配的条件下，还需要继续调整输入偏振状态以补偿任何可能导致非匹配反向传播条纹可见度、以至非相位匹配的MZ输出的PIFF。这需要了解所述双向MZ的反向传播输出的实际条纹可见度。

对使用CW激光作为其光源的装置，无法连续地监视两个MZ输出的条纹可见度，特别是在没有扰动时。这是因为所述MZ输出强度通过全条纹振幅幅度所需的时间将随着时间变化，而且将是MZ 10的两个臂14和15的随机相位起伏、以及由于在沿所述双向MZ系统的长度的光纤中的随机双折射改变而导致的PIFF的函数。

然而，可以确定，对每个MZ输出强度，如果其达到或非常接近零或最大强度等级，则存在最大条纹状态。这是因为零或最大等级强度对最大条纹可见度是唯一的。所以，对于在双向MZ的输入处具有偏振控制器的双向MZ系统，如图4中所示，一种用于确定所需的与相位匹配的最大MZ输出条纹可见度相关的输入偏振状态的方法是，使用偏振扰乱技术来随机地改变所述输入偏振状态，且同时监视MZ输出。当MZ输出强度达到零(或接近零)、或最大等级时，就使用相应的输入偏振将所述MZ输出强度设置到最大条纹可见度。

假设存在2个可能的对所述双向MZ中的每个方向同时给出最大条纹可见度的输入偏振状态，而且所述反向传播输入偏振状态的4个可能的配对中仅有两个将给出相位匹配的MZ输出，则有必要检查所选择的两个偏振状态产生相位匹配的MZ输出。这可以通过简单地以预定时间监视所述MZ输出来完成。如果它们不同相位，则可以使用偏振扰乱来找到两个输入偏振状态、以及它们相应的最大条纹输出，以继续搜索相位匹配。

一旦找到并设置了相位匹配的最大条纹状态，就可以使用跟踪算法来通过相应地调整驱动到全部两个偏振控制器的单独的极板上的电压而继续将所述MZ输出保持在相位匹配的条件下。

将参照图14和15详细说明该技术。使用该技术的一个缺点是：即使我们连续地监视MZ输出，我们也不能连续监视MZ输出的输出条纹可见度。为了探测最大条纹，有必要等待直到MZ输出强度达到、或非常接近于零或最大强度等级。由于MZ输出将在速度和振幅上随机变化，所以对每个MZ输出可以探测的最大输出条纹所需的时间也将变化。另一个缺点是，如果MZ输出处于最大条纹状态但并不处于零或最大强度等级，则仅仅使用该技术不能够探测此情形。

更直接的技术将涉及连续地监视MZ输出的条纹可见度。这需要在系统中人工地创建条纹。

可以在MZ 10中通过使用感测臂之一中的换能器(transducer)调节通过光纤传播的光的相位来人工地创建条纹。然而，对于其中感测线缆优选地为全被动式的事件定位系统来说，这并非可实用的方案。

另一种用于在光纤MZ中激发条纹的技术是调节或抖动激光光源16的波长。只要在MZ臂14与15之间有路径长度失配，则光学波长(也可以被表示为光学频率)中的调节将导致条纹的创建。这是由于依赖于因所述路径长度失配造成的MZ臂之间的波长的相位差而发生的。对于具有路径长度失配ΔL的马赫-泽德干涉仪10，臂之间的相位差

可以表示为：

其中，n_co是光纤核心的折射率，c是真空中的光速，而Δν是所述激光的光学频率变化。在双向MZ的情况下，如图4中所述，所述MZ的臂之间的相位差

对每个传播方向将是相同的。应当注意，这里所指的相位差是除由MZ传感器上的扰动事件引起的臂之间的相位差之外的相位差。

对于其工作点处于正交的MZ，对给定的路径长度失配可以通过以结果导致

的量来调节激光光源的频率/波长而达到全条纹幅度。对典型的光纤核心n_co＝1.46，路径长度失配ΔL＝1米，而全条纹

将得到如下的光学频率抖动：

$\mathrm{\Δv}=\frac{c\·\mathrm{\Δ\φ}}{2\mathrm{\π}\·n_{\mathrm{co}}\·\mathrm{\ΔL}}=\frac{3\×{10}^8\·\mathrm{\π}}{2\mathrm{\π}\·1.46\·1}=102.75\mathrm{MHz}$

对1550纳米的中心波长，这对应于～0.8皮米的波长抖动。

调节标准激光二极管的波长的最简单方式之一是调节所述激光的驱动电流。然而这些类型的激光通常不具有适合这里所讨论的应用的足够高的相干性。

泵光纤激光光源16需要光纤激光的腔体或光纤布喇格光栅的机械调节以实现波长调节。这可以通过使用温度调整方法、或利用压电换能器(PZT)的机械压电调整方法来实现。由于温度调整非常缓慢，所以压电调整方法更适合这样的激光以实现波长抖动或调节。

为了利用激光波长的抖动来连续监视MZ的条纹可见度，有必要在每个PZT调节周期创建至少2个全人工条纹。该要求由这样的事实决定，如先前所提到的，即MZ的工作点随着时间在正交附近漂移不定，而且仅仅创建一个全条纹(即，)不足以连续显示真实条纹可见度。这在图11中示出。

图10示出，对精确地处于正交的静态MZ输出工作点，施加具有180°幅度的正弦相位

调节将导致每个相位调节周期有一个全条纹。换句话说，可以连续地监视条纹可见度。应当注意，由于MZ的转移函数是升余弦(raised cosine)，而且关于所述正交点以正弦信号进行调节，所以结果激发的条纹将额外地包含基波调节频率的谐波。

但是，在实际MZ 10中，MZ的输出工作点在正交点附近漂移。这在图11中示出。

然而，如果一直使用抖动以实现至少360°的相位调节，则可以连续地监视所激发的条纹的真实条纹可见度，而不论MZ输出的工作点的漂移如何。这在图12中示出。

如果使用360°相位调节(或更多)，即每个调节周期激发2个条纹，这将确保真实条纹可见度总是可测量的，而不论MZ输出中的漂移如何。这将在实质上在激发的条纹中产生更高的谐波。随着MZ输出工作点漂移到正交的左侧或右侧，其将导致在所激发的条纹中存在与基波抖动频率一起的抖动频率的更高的谐波(第2、第3、第4谐波等等)。

为了确保所激发的条纹不与由将利用所述装置感测的事件所创建的条纹相干扰，重要的是让所激发的条纹的频率处于由所述装置探测的事件信号的频率范围之外的频率范围内。例如，在典型的安装中，其中感兴趣的频率范围可以为0-20千赫兹，所激发的条纹的基波频率应当更高，例如50千赫兹。

图11示出，对于图11中所示的漂移的MZ输出工作点21和相位抖动22，由于漂移将不能实现激发的全范围条纹23。图12示出，通过使用全360°抖动25，激发的条纹中总是存在真实条纹可见度26，而不论漂移工作点21如何。此情况下对360°相位调节也将有倍频。图10中，处于正交的静态工作点15以及相位抖动25总是产生图10中所示的激发的全条纹26。图10至12中，相位抖动位于大于40千赫兹的频率。图10中的条纹26的频率是40千赫兹。图11中可以在23中看出倍频的开始，同时图12中的输出条纹将包括基波频率的偶谐波，不排除基波抖动频率。一般而言，输出条纹将包括基波抖动频率的奇和偶谐波的均摊。任何时候奇和偶谐波频率的振幅将精确地依赖于任何时候漂移的MZ输出的工作点在哪里。

图13是本发明的第一实施例的示意框图，其中控制器20从组成各种实施例的感测系统的马赫-泽德干涉仪中分离出来。图14示出双向MZ 10而且包括如之前所述的引导光纤12。所述引导光纤以耦合器C4连接，使得将第一信号发射到马赫-泽德干涉仪10的臂14中并将第二信号发射到马赫-泽德干涉仪10的臂15中。马赫-泽德干涉仪10具有感测长度L_s，其典型地为几千米或更多。将臂14和15连接到下一个耦合器C5，使得发射到臂14和15中的信号在C5重组，并在光纤31中被接收作为输出信号CW输出。同时地，在光纤31中接收反向传播信号，其接着行进到耦合器C5并接着发射到臂14和15中，使得两个信号在C4重组并在引导线12处退出耦合器C4。于是，在两个臂14和15均接收到反向传播信号。在光纤12中接收的输出传播信号通过耦合器C2到达第一探测器40，而另一个反向传播信号通过光纤31经过耦合器C3到达第二探测器50。于是，如果如图14中所示，在马赫-泽德干涉仪10的感测长度L_s一部分上有扰动，则改变的反向传播信号继续通过感测臂14和15传播返回各个探测器40和50。从探测器40和50将改变的反向传播信号的接收之间的时间差提供到输出监视器60并接着到达形成优选实施例的探测单元的处理器62，使得可以识别所述事件并利用由探测器40和50探测到的改变的反向传播信号的接收之间的时间差来确定所述事件位置。

如图15中所示，控制器20包括完全相干激光器16，其产生的光输出信号被耦合器C1分离为两路。分离的信号通过光纤37和38到达偏振控制器PC_cw和PC_ccw。所述偏振控制器分别连接到耦合器C2和C3，使得如之前所述将反向传播信号发射到马赫-泽德干涉仪10中。所述偏振控制器控制被输入到臂14和15的信号的输入偏振状态。

为了找到在探测器40和50处产生匹配输出的输入偏振状态，可以扰乱偏振控制器43和44以随机地改变输入偏振状态，使得在尽可能短的时间内覆盖尽可能多的不同状态。通过连续地监视探测器40和50处的输出，将与达到零或接近零水平、或最大的输出对应的偏振状态存储在微处理器62中。当输出到达零或最大水平时，相应的输入偏振状态被考虑为使得其对该输出达到最大条纹可见度。当存储了适当数量的输入偏振状态时，停止所述扰乱。接着对于输入偏振状态的组合比较来自臂14和15并被探测器40和50接收的输出，并确定反向传播输出之间的相位匹配度。当相位匹配度在预定可接收水平以上时，设置其中相位匹配度为可接受的相应的输入偏振状态，以维持由探测器40和50探测到的相位匹配的输出。如果没有达到可接受的相位匹配度，则再次重复上述扰乱和比较过程，直到达到可接受的相位匹配度为止。

利用PC驱动器60驱动偏振控制器43和44，使得连续的改变光纤37和38中的信号的偏振，从而提供给耦合器C2和C3作为到臂14和15的反向传播输入。

当找到所需要的在由探测器40和50探测的输出处达到相位匹配的最大条纹可见度的输入偏振状态时，设置这些需要的输入偏振状态并连续地监视由探测器40和50探测的输出，而且微处理器62通过PC驱动器63调整所述偏振控制器以维持相位匹配的条件。

输出监视器60通过使由探测器40和50探测的信号通过具有例如从1千赫兹到20千赫兹(其为需要探测的实际事件或对所述装置的扰动的期望频率)的带宽的带通滤波器来确定事件。该带宽中的改变的传播信号的到达以及所述反向传播信号的接收之间的时间差使得能够识别所述事件并确定所述事件的位置。

于是，从监视器60将经带通滤波的信号提供到处理器62以确定所述事件的位置。

为了设置所述偏振状态，在监视器60接收与全部两个反向传播信号相关的来自探测器40和50的完整输出信号。这实质上是来自全部两个探测器40和50的原始信号，而且将该信号低通滤波并用于通过检测零或最大强度等级而在偏振扰乱期间搜索最大条纹。当已经定位最大条纹时，处理器62还检查相位对准。当控制所期望的偏振状态时，将其连续地馈送到PC驱动器，而PC驱动器接着驱动偏振控制器43和44以在系统使用期间维持这些偏振状态。可以连续地或间歇地进行监视以确保维持所需要的偏振状态。

图16示出本发明的第二实施例。除了马赫-泽德干涉仪10在臂14与15之间具有路径长度失配ΔL，其中臂14具有长度L_s-ΔL而臂15具有长度Ls以外，该实施例与图14中所示的类似。需要所述路径长度失配以通过抖动激光光源16的波长来实现人工条纹的激发。使用耦合器C4的一个输入作为到马赫-泽德干涉仪10的顺时针输入，而如先前的实施例一样不使用耦合器C4的另一个输入。类似地，耦合器C5的一个输入被连接到光纤13并为所述反向传播信号提供输入，而且同样不使用耦合器C5的另一个臂。

图17是根据本发明的该实施例的控制器20的视图，其中以相同的引用数字指示与参照图15所描述的相同的组件。

在该实施例中，激光器16是二极管泵布喇格光栅基底掺杂的光纤激光器。为了抖动激光器16的波长，例如在所述光纤激光器中的内部布喇格光栅上使用压电换能器(未示出)来调节激光器16的输出波长。

为了创建人工条纹，从抖动信号源70将具有高于预期提供到马赫-泽德干涉仪10并由马赫-泽德干涉仪10感测的扰动的事件频率的频率的抖动信号施加到激光器16。这抖动了所述激光器的波长并有效地创建其频率包括所述抖动频率以及所述抖动频率的谐波的条纹(如已经参照图10至12详细描述的)。

通过使用之前描述的适当的路径长度失配ΔL并调整抖动的振幅，在马赫-泽德干涉仪10的外面创建连续的条纹并将其提供到探测器40和50。由探测器40和50接收的输出将包括所述抖动频率以及所述抖动频率的谐波。将条纹可见度监视器80连接到探测器40和50以探测人工条纹并确定每个方向的条纹可见度。人工条纹的频率范围高于由扰动导致的事件信号频率范围。微处理器62使用诸如仿真退化控制算法的适当的控制算法来通过驱动器60搜索和调整输入偏振控制器PC_cw和PC_ccw，使得激发的人工条纹处于最大可见度。激发的条纹之间的相位匹配也由微处理器62检测到，而且再一次地，一旦从每个控制器实现了适当的输入偏振状态，则设置该偏振状态。使用控制算法以调整输入偏振控制器PC_cw和PC_ccw抵销任何PIFF，使得维持相位匹配的最大条纹可见度条件。

图18示出本发明的另一个实施例。同样，以相同的引用数字指示与之前描述的相同的部分。图18的实施例是对之前描述的图17的实施例的变型。同样，以上述的方式抖动激光器16的输出波长。同样地，分别由偏振控制器43和44控制提供到光纤12和31的反向传播信号的输入偏振状态。将控制器43和44连接到偏振计46和47，其分别测量来自偏振控制器43和44的输出的偏振状态。接着以与之前描述的相同的方式通过耦合器C2和C3将具有偏振状态的输入光信号提供到光纤12和31。偏振计46和47允许来自控制器43和44的输出的条纹可见度与它们各自的输入偏振状态有关。如果期望的话，偏振计46和47还允许提供以确定的方式对全部两个传播方向从一个输入偏振状态迁移到另一个的能力。这实质上允许实现这样的偏振控制策略，其可以快速地识别相对于每个传播方向的两个最大条纹可见度SOP状态的当前输入偏振状态在所述球面上的何处，以及如何改变所述偏振控制器使得能够找到并维持用于产生附图中标记为CW_out和CCW_out的来自马赫-泽德干涉仪10的相位匹配的双向输出的输入偏振状态SOP_CW和SOP_CCW。

由于本领域技术人员可以毫无困难地实现在本发明的精神和范围内的修改，所以应当理解，本发明并不限于以上作为示例描述的特定实施例。

在所附权利要求书以及前面本发明的描述中，除了其中上下文其它的由于表达语言或必要的含意的需要之外，词语“包括”或诸如“包含”的变体是用于包含的意义，即，用于说明所指特征的存在，但并不排除在本发明的各种实施例中存在和附加另外的特征。

Claims (14)

1.一种用于定位事件的位置的装置，包括：

光源；

波导，用于接收来自所述光源的光，以促使所述光沿所述波导的两个方向传播，从而提供所述波导中的反向传播光学信号，所述波导能够使所述反向传播光学信号被由所述事件引致的扰动来改变，以提供继续沿所述波导传播的改变的反向传播光学信号；

探测器装置，用于探测所述改变的反向传播光学信号，并用于确定所述改变的反向传播光学信号的接收之间的时间差以确定所述事件的位置；

控制器，用于控制所述反向传播光学信号的偏振状态，以使得所述信号为振幅和相位匹配的；

其中所述波导包括用于接收所述反向传播信号的第一臂、以及用于接收所述反向传播信号的第二臂，所述第一和第二臂组成马赫-泽德干涉仪，并且所述第一臂的长度与第二臂的长度不同，使得所述第一和第二臂具有长度失配，

所述控制器进一步包括抖动信号产生部件，用于对来自所述光源的光进行波长抖动。

2.如权利要求1所述的装置，其中控制所述反向传播信号的输入偏振状态以在马赫-泽德干涉仪的输出实现最大输出条纹。

3.如权利要求1所述的装置，其中所述控制器包括所述探测器装置、用于每一个所述反向传播信号和所述光源的偏振控制器。

4.如权利要求3所述的装置，其中所述控制器包括耦接到偏振控制驱动器的处理器，并且所述偏振控制驱动器耦接到所述偏振控制器以控制所述控制器，从而设置从所述光源提供到马赫-泽德干涉仪的第一和第二臂的信号的偏振，进而设置所述反向传播信号的偏振。

5.如权利要求1所述的装置，其中所述探测器装置包括用于所述反向传播信号之一的第一探测器以及用于所述反向传播信号的另一个的第二探测器。

6.如权利要求5所述的装置，其中所述控制器包括处理器，其用于接收来自所述探测器的输出并用于处理所述输出以指示事件并确定所述事件的位置。

7.如权利要求1所述的装置，其中所述光源包括激光光源，其具有布喇格光栅以及用于控制所述布喇格光栅和所述激光光源的激光腔体中的至少一个的调整器，从而改变从用于产生所述反向传播信号的激光光源中输出的光信号的波长。

8.如权利要求1所述的装置，其中将所述探测器装置连接到用于监视由所述探测器装置探测到的反向传播信号的马赫-泽德输出监视器，使得当所述探测器装置探测到所述改变的反向传播信号时，所述马赫-泽德输出监视器向处理器提供信号以确定所述事件的位置。

9.如权利要求1所述的装置，其中所述抖动信号产生部件将所述马赫-泽德臂之间的相位差抖动至少360°。

10.一种用于定位事件的方法，包括步骤：

将光发射到波导中，以促使所述光沿所述波导的两个方向传播，从而提供所述波导中的反向传播光学信号，所述波导能够使所述反向传播光学信号被由所述事件引致的扰动来改变，以提供继续沿所述波导传播的改变的反向传播光学信号；

连续地和同时地监视所述改变的反向传播光学信号，使得当事件发生时，探测到两个改变的反向传播光学信号；

确定所述改变的信号的探测之间的时间差以确定所述事件的位置；

将所述波导组成为马赫-泽德干涉仪，其包括所述反向传播光学信号穿过其的第一臂、以及所述反向传播光学信号穿过其的第二臂，其中所述马赫-泽德干涉仪的第一臂和第二臂具有路径长度失配；

控制输入到所述波导的所述反向传播光学信号的偏振状态，以提供来自所述波导的振幅和相位匹配的反向传播信号；以及

抖动所发射的光的波长。

11.如权利要求10所述的方法，其中所述反向传播信号的偏振状态提供实现最大输出条纹的来自所述波导的振幅和相位匹配的反向传播信号。

12.如权利要求10所述的方法，其中控制所述偏振状态的步骤包括随机地改变所述反向传播信号的输入偏振状态，同时监视从马赫-泽德干涉仪输出的反向传播光学信号，以探测所述反向传播信号的强度基本为零的状态、或强度基本最大的状态，并选择提供所述基本为零或基本最大强度的输入偏振。

13.如权利要求10所述的方法，其中控制所述偏振状态的步骤包括控制至少一个偏振控制器，从而设置从所述光源提供到所述马赫-泽德干涉仪的每个输入的信号的输入偏振状态，以提供相位匹配的反向传播输出信号。

14.如权利要求10-13中的任一个所述的方法，其中以导致马赫-泽德臂之间的相位差的360°抖动的量来抖动所发射的光的波长。

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