CN103398771A - 一种分布式光纤震动传感偏振控制系统 - Google Patents

Abstract

本发明公布了一种分布式光纤震动传感偏振控制系统。在传感系统偏振态控制中，采用偏振处理器敏感通道选择及控制方法，利用偏振处理器对传感系统光波偏振态进行控制。选取传感系统输出的两路信号中一路作为参考信号，以参考信号可见度作为第一偏振处理器反馈信号，以两路信号相关度作为第二偏振处理器反馈信号，通过选取偏振处理器敏感通道，并对该通道施加控制信号，完成系统偏振态控制。该偏振控制系统包括：光源，偏振处理器，偏振控制单元，基于双Mach-Zehnder体制的光纤干涉仪。本发明提出的偏振态控制系统，通过调整两路输入光波的偏振态，可有效提高系统的抗偏振衰落能力，保证系统定位精度指标实现。

Description

一种分布式光纤震动传感偏振控制系统

技术领域

本发明属于传感领域，涉及一种分布式光纤震动传感偏振控制系统，具体为一种基于敏感通道选择及控制的偏振控制系统。

背景技术

现代安全防卫系统中及时发现和定位入侵行为具有重要的现实意义。传统的安全防卫系统主要有摄像机视频识别、红外线传感、地磁传感等。这些检测方法受设备供电限制、监测距离较短、抗电磁干扰能力弱、维护成本高。分布式光纤震动传感系统能测量整个光纤长度上随时间变化的震动信息，具有检测距离远、抗电磁干扰能力强、安装后易维护等优点,已成为防卫系统领域最具有应用前景的技术之一。

由于光纤温度变化，几何弯曲等因素影响，会造成光纤传输过程中偏振态发生变化。基于双M-Z干涉技术的分布式光纤传感系统由于偏振态的随机变化会发生偏振衰落现象，偏振衰落不仅会导致输出信噪比下降，更重要的是会导致系统定位精度下降。因此在分布式光纤传感系统中，需要加入偏振处理器来控制输入信号偏振状态，避免信号偏振衰落，提高系统定位精度。

发明内容

本发明的目的是解决现有基于双M-Z干涉技术的分布式光纤传感系统的偏振衰落问题，提供一种基于敏感通道选择及控制的偏振控制系统。利用基于敏感通道选择及控制的偏振控制方法控制输入传感系统光波的偏振状态，保持通道之间信号相关系数在阈值之上，从而保持传感系统定位精度满足设计指标。

本发明的技术解决方案如下：

一种分布式光纤震动传感偏振控制系统，包括窄线宽激光器1、光放大器2、光分路器3、第一偏振处理器4、第二偏振处理器5、第一耦合器6，第二耦合器7、第一光电探测器8、第二光电探测器9和偏振控制单元10；所述的窄线宽激光器1发出的窄线宽激光经过光放大器2放大后进入光分路器3；光分路器3将输入的窄线宽激光分为两路，分别作为M-Z干涉仪光源，其中一路窄线宽激光输出至第一偏振处理器4，另一路窄线宽激光输出至第二偏振处理器5；

第一偏振处理器4在偏振控制单元10输出的电压信号的控制下对输入的窄线宽激光进行偏振态处理，之后输出至第一耦合器6；第一耦合器6将第一偏振处理器4输出的光信号进行耦合处理形成两路传感光信号，之后输出至第二耦合器7；第二耦合器7将输入的两路传感光信号进行耦合处理形成一路干涉光信号并输出至第二光电探测器9；第二光电探测器9对输入的一路干涉光信号进行光电转换处理，形成两路电信号，一路电信号输出至偏振控制单元10，另一路电信号对外输出；

第二偏振处理器5在偏振控制单元10输出的电压信号的控制下对输入的窄线宽激光进行偏振态处理，之后输出至第二耦合器7；第二耦合器7将第二偏振处理器5输出的光信号进行耦合处理形成两路传感光信号，之后输出至第一耦合器6；第一耦合器6将输入的两路传感光信号进行耦合处理形成一路干涉光信号，一路干涉光信号输出至第一光电探测器8；第一光电探测器8对输入的一路干涉光信号进行光电转换处理，形成两路电信号，一路电信号输出至偏振控制单元10，另一路电信号对外输出。

其中，所述的偏振控制单元10包括信号选取模块11、通道选取模块12、阈值设定模块13、控制信号初始化模块14和偏振控制模块15；所述的第一光电探测器8和第二光电探测器9各将一路电信号输出至信号选取模块11，信号选取模块11将其中的一路电信号选取为参考信号，将其中的另一路电信号选取为相关信号，之后并将参考信号和相关信号输入至通道选取模块12；通道选取模块12进行参考信号和相关信号的偏振敏感通道选取，并将选取结果输入至阈值设定模块13；阈值设定模块13根据偏振敏感通道选取结果选取阈值，并将选取的阈值输出至控制信号初始化模块14，控制信号初始化模块14根据输入的阈值设定参考信号和相关信号的偏振态初始电压，并输出至偏振控制模块15；偏振控制模块15将在输入的参考信号和相关信号的偏振态初始电压满足可见度和相关度要求后，输出电压信号至第一偏振处理器4和第二偏振处理器5。

与现有技术相比，本发明具有的有益效果是：

本发明提出了一种用于分布式光纤扰动定位系统的偏振控制系统。本发明提出的分布式光纤扰动定位系统的偏振态控制系统无需相位调节元件，使得光纤传感的无源特性得以体现，推动系统长距离实用化应用。同时，目前分布式传感系统中采用的基于各种优化算法的偏振控制方法，存在收敛时间不确定，收敛速度慢，局部收敛等缺点。本发明提出的基于敏感通道选择及控制偏振态控制系统，简化了偏振控制流程，可快速实现偏振稳定，解决系统偏振衰落问题。

附图说明

图1是根据本发明的偏振态控制系统组成框图；

图2是根据本发明的偏振控制单元组成框图；

图3是根据本发明的偏振控制流程图；

图4是根据本发明的敏感通道测试图。

图1中，1为窄线宽激光器，2为光放大器，3为光分路器，4为偏振处理器，5为偏振处理器，6为耦合器，7为耦合器，8为探测器，9为探测器，10为偏振控制单元。

图2中，11为信号选取模块，12为通道选取模块，13为阈值设定模块，14为控制信号初始化模块，15为偏振控制模块。

具体实施方式

为使本发明实施方式的目的，技术方案表达的更加清楚，下面结合附图和具体实施例对本发明的实施方式再做进一步的说明。

如图1所示，一种分布式光纤震动传感偏振控制系统，包括窄线宽激光器1、光放大器2、光分路器3、第一偏振处理器4、第二偏振处理器5、第一耦合器6，第二耦合器7、第一光电探测器8、第二光电探测器9和偏振控制单元10。实施例按图1连接线路。

窄线宽激光器1，作为系统光源，用于发射窄线宽信号光；光放大器2，用于窄线宽信号光放大，使放大后的光信号强度满足系统要求；光分路器3，完成光放大器输出光信号按比例分光，分光后信号分别作为双M-Z干涉仪中每个干涉仪的光源；第一偏振处理器4，完成对第一路干涉仪的输入光信号偏振态控制；第二偏振处理器5，完成对第二路干涉仪的输入光信号偏振态控制；第一耦合器6，作为第一路干涉仪输入耦合器和第二路干涉仪输出耦合器，构成M-Z干涉仪；第二耦合器7，作为第二路干涉仪输入耦合器和第一路干涉仪输出耦合器，构成M-Z干涉仪；第一光电探测器8，作为第二路干涉仪输出三路光信号的光电转换元件，完成第二干涉仪震动电信号获取；第二光电探测器9，作为第一路干涉仪输出三路光信号的光电转换元件，完成第一干涉仪震动电信号获取；偏振控制单元10，利用第一光电探测器8，第二光电探测器9输出信号作为反馈信号，对第一干涉仪，第二干涉仪输入光信号进行偏振态控制。

如图2所示，所述的偏振控制单元10包括信号选取模块11、通道选取模块12、阈值设定模块13、控制信号初始化模块14和偏振控制模块15。实施例按图2连接线路。

信号选取模块11，用于将一路电信号选取为参考信号，将其中的另一路电信号选取为相关信号；通道选取模块12，用于完成参考信号和相关信号的敏感通道选取；阈值设定模块13，用于完成参考信号和相关信号的阈值设定；控制信号初始化模块14，用于完成参考信号和相关信号的偏振控制电压初始化；偏振控制模块15，用于将在输入的参考信号和相关信号的偏振态初始电压满足可见度和相关度要求后，输出电压信号至第一偏振处理器4和第二偏振处理器5，完成参考信号和相关信号的偏振态控制。

窄线宽激光器发出的窄线宽激光经过光放大器放大后，进入光分路器，然后按照1：1比例分为两路作为每个M-Z干涉仪光源。其中一路光信号通过偏振处理器，输入到由第一耦合器和第二耦合器构成的M-Z干涉仪1，其中干涉仪臂长30km，干涉仪输出信号进入第二探测器完成光电转换；另一路光信号通过偏振处理器后，输入到由第二耦合器和第一耦合器构成的M-Z干涉仪2，干涉仪输出信号进入第一探测器完成光电转换，第一探测器和第二探测器输出信号作为偏振控制单元反馈信号对通过偏振处理器的光波进行偏振控制。

基于敏感通道选择的偏振态控制方法

以下结合图3所示的控制流程，用某次偏振控制实例来说明方法实现过程：

（1）选取干涉仪1对应通道为参考信号，干涉仪2对应通道为敏感通道；

（2）选取参考信号偏振敏感通道。在另外三个通道输入电压值为0V情况下，选择其中某一通道（1≤i≤4）施加0～1V之间以0.2V步长变化电压值，记录该通道在不同电压之下的输出信号可见度。比较每一通道单独施加电压情况下，输出信号可见度的变化情况如图4所示，选取变化最大通道2为敏感通道，可见度取最大值0.844时的输入电压为0.8V。

（3）选取相关信号偏振敏感通道。在另外三个通道输入电压值为0V情况下，选择其中某一通道（1≤j≤4）施加0～1V之间以0.2V步长变化电压值，记录该通道在不同电压之下的输出信号可见度。比较每一通道单独施加电压情况下，输出信号可见度的变化情况如图4所示，选取变化最大通道3为敏感通道，可见度取最大值0.947时的输入电压为0.4V。

（4）设置控制阈值。选取参考信号的敏感通道可见度均值作为参考信号可见度阈值ATh=0.844V/2=0.422V，设定相关信号相关系数阈值为CTh=0.9。

（5）初始化参考信号偏振处理器初始电压Vi，1≤i≤4。对于参考信号，设定敏感通道2可见度最大值对应电压值0.8V，其它通道设为0V。

（6）初始化相关信号偏振处理器初始电压Vj。设定敏感通道3可见度最大值对应电压值0.4V，其它通道设为0V。测定当前信号相关系数C1=0.718，输出两路信号如图3所示，由于C<CTh，且CTh-C1=0.182则增加当前相关通道电压值为0.418V(0.4V+0.182Vx0.1=0.418V)，测定当前信号相关系数C2=0.851，由于C<CTh且C2>C1，则继续以（CTh-C2=0.049）为权值增加相关通道电压，其值为(0.418V+0.049Vx0.1=0.425V)，测定当前信号相关系数C3=0.925，由于C≥CTh，则停止调整，输出两路信号如图4所示，相关通道电压值为0.425V。

（7）参考信号偏振控制。测量参考信号当前可见度A，若A≥ATh，则保持参考信号各通道当前电压，若A<ATh，则调节当前敏感通道电压值，若调节后A≥ATh，则停止调整，选取当前电压为参考通道控制电压，若调节后电压超出0～VMAX范围，仍不能满足A≥ATh，则重复步骤（2），（4），（5），（6）。

（8）相关信号偏振控制。测量当前信号相关系数C，若C≥CTh，则保持相关信号各通道当前电压，若A<ATh，则调节当前敏感通道电压值，若调节后A≥ATh，则停止调整，选取当前电压为参考通道控制电压，若调节后电压超出0～VMAX范围，仍不能满足A≥ATh，则重复步骤（3），（4），（6）。

（9）重复步骤（7），（8）。

以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，以上所述仅为本发明的具体实施例，并不用于本发明的保护范围，凡在本发明基础上的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明保护范围之内。

Claims (2)

1.一种分布式光纤震动传感偏振控制系统，包括窄线宽激光器（1）、光放大器（2）、光分路器（3）、第一偏振处理器（4）、第二偏振处理器（5）、第一耦合器（6），第二耦合器（7）、第一光电探测器（8）、第二光电探测器（9）和偏振控制单元（10）；所述的窄线宽激光器（1）发出的窄线宽激光经过光放大器（2）放大后进入光分路器（3）；光分路器（3）将输入的窄线宽激光分为两路，分别作为M-Z干涉仪光源，其中一路窄线宽激光输出至第一偏振处理器（4），另一路窄线宽激光输出至第二偏振处理器（5）；

第一偏振处理器（4）在偏振控制单元（10）输出的电压信号的控制下对输入的窄线宽激光进行偏振态处理，之后输出至第一耦合器（6）；第一耦合器（6）将第一偏振处理器（4）输出的光信号进行耦合处理形成两路传感光信号，之后输出至第二耦合器（7）；第二耦合器（7）将输入的两路传感光信号进行耦合处理形成一路干涉光信号并输出至第二光电探测器（9）；第二光电探测器（9）对输入的一路干涉光信号进行光电转换处理，形成两路电信号，一路电信号输出至偏振控制单元（10），另一路电信号对外输出；

第二偏振处理器（5）在偏振控制单元（10）输出的电压信号的控制下对输入的窄线宽激光进行偏振态处理，之后输出至第二耦合器（7）；第二耦合器（7）将第二偏振处理器（5）输出的光信号进行耦合处理形成两路传感光信号，之后输出至第一耦合器（6）；第一耦合器（6）将输入的两路传感光信号进行耦合处理形成一路干涉光信号，一路干涉光信号输出至第一光电探测器（8）；第一光电探测器（8）对输入的一路干涉光信号进行光电转换处理，形成两路电信号，一路电信号输出至偏振控制单元（10），另一路电信号对外输出。

2.根据权利要求1所述的一种分布式光纤震动传感偏振控制系统，其特征在于：所述的偏振控制单元（10）包括信号选取模块（11）、通道选取模块（12）、阈值设定模块（13）、控制信号初始化模块（14）和偏振控制模块（15）；所述的第一光电探测器（8）和第二光电探测器（9）各将一路电信号输出至信号选取模块（11），信号选取模块（11）将其中的一路电信号选取为参考信号，将其中的另一路电信号选取为相关信号，之后并将参考信号和相关信号输入至通道选取模块（12）；通道选取模块（12）进行参考信号和相关信号的偏振敏感通道选取，并将选取结果输入至阈值设定模块（13）；阈值设定模块（13）根据偏振敏感通道选取结果选取阈值，并将选取的阈值输出至控制信号初始化模块（14），控制信号初始化模块（14）根据输入的阈值设定参考信号和相关信号的偏振态初始电压，并输出至偏振控制模块（15）；偏振控制模块（15）将在输入的参考信号和相关信号的偏振态初始电压满足可见度和相关度要求后，输出电压信号至第一偏振处理器（4）和第二偏振处理器（5）。

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