CN103792847A - 一种基于粒子群算法的光纤扰动偏振控制装置 - Google Patents

Abstract

一种应用于分布式光纤扰动定位系统中的偏振控制装置。它包括基于双Mach-Zehnder光纤干涉仪的连续分布式光纤传感系统，挤压型偏振控制器，双折射相位调制器，单片机系统，计算机及算法软件。在偏振控制中，采用混沌粒子群优化算法作为控制算法，以分布式光纤扰动定位系统中探测器接收的两路干涉信号之间的相关度作为反馈信号，实现相关度最高时对应的偏振控制器外加电压值搜索，从而控制偏振控制器调整干涉光的偏振态，有效地提高系统的抗偏振衰落能力，并在很大程度上消除单模光纤双折射对系统定位精度的影响。

Description

一种基于粒子群算法的光纤扰动偏振控制装置

技术领域

本发明涉及一种传感及检测技术装置，尤其是一种基于混沌粒子群优化算法的分布式光纤扰动定位系统偏振控制装置。

背景技术

目前，随着社会和科技的不断发展，人们的安全防范意识逐渐增强，机场、发电厂、银行、油库、政府、监狱、军事基地等重要区域的安全保卫越来越重要。分布式光纤扰动定位系统基于光波干涉技术实现入侵扰动检测及定位，其优点是长距离监控、高精度定位功能、低能源依赖性、抗电磁干扰、抗腐蚀、高环境耐受性，具有传统的安全防范系统所没有的优势。

两束光产生干涉的重要条件之一就是参与干涉的光为线偏光且偏振方向一致，分布式光纤扰动定位系统的定位算法就是基于同偏振方向线偏光干涉的假设上展开的。

分布式光纤扰动定位系统主要用于周界防护、地震监测等，所用光纤长达数十公里甚至上百公里，若应用保偏光纤及其相应配套元件将非常昂贵，基于成本方面的考虑该系统所使用的传感光纤均为普遍使用的单模光纤。

普通单模光纤由于几何形状弯曲、周围温度变化等随机因素，以及其他非随机误差的影响，都会引起光纤双折射，从而造成线偏光在普通单模光纤中传输时偏振态发生变化，导致线偏光的偏振态退化。偏振态退化不仅会影响干涉输出信号质量，而且严重影响整个系统的定位精度。因此在分布式光纤扰动定位系统中必须对干涉光采取偏振控制，补偿干涉光偏振态的变化，从而提高整个系统的抗偏振衰落能力，提高系统的定位精度。

发明内容

为了克服现有的分布式光纤扰动定位系统因使用普通单模光纤存在偏振态退化，而影响干涉输出信号质量和定位精度的不足，本发明提供一种基于混沌粒子群优化算法的分布式光纤扰动定位系统偏振控制装置。利用混沌粒子群优化算法调整光纤扰动定位系统的一路光纤中信号光的偏振态，使干涉两臂的偏振态尽量保持一致，从而有效提高扰动系统的定位精度。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：

1、分布式光纤扰动定位系统的基本原理

分布式光纤扰动定位系统如图1所示，该系统基于双Mach-Zehnder光纤干涉仪原理，利用光缆中的两条单模光纤构成Mach-Zehnder光纤干涉仪的两个测试光纤来感应光缆周围的扰动信号。

传感光纤F1和F2同时传播方向相反的两组光波,光缆周围的扰动能够对光纤中传播的光波相位进行调制，从而对干涉信号进行调制，相位经过调制的两束光在耦合器中发生干涉，干涉光经过环形器输出到光电探测器。由于扰动发生位置到分布式传感器两端探测器的距离不同,而光波在光纤中的传播速度是一定的,因此根据两个探测器检测到同一事件的时间差,即可精确定位出事件发生的地点。定位原理如图2所示。设分布式光纤扰动定位系统的两个光电探测器D1和D2检测到同一扰动事件的时间分别为                                               和

,

,L为传感光缆的长度, 

为扰动点距离耦合器5的位置,其定位公式为

式中,

为光波在单模光纤中的传播速度,单位m/s,其中

,c是光在真空中的速度(

),n是光纤的折射率。

2、基于混沌粒子群优化算法的分布式光纤扰动定位传感器偏振控制装置，包括：

基于双Mach-Zehnder光纤干涉仪的基本分布式光纤传感器：用于产生干涉信号，进行扰动定位，偏振控制装置是在该传感器的基础上加上偏振控制器件实现的；

挤压型偏振控制器：拥有四个挤压方向成

交错排列的挤压器，控制过程中使用其中的前两个光纤挤压器，对两个挤压器施加不同组合的电压能够对输入光波的偏振态进行不同的调制，从而输出不同偏振态的光波。将偏振控制器加在基本分布式光纤传感系统传感光纤的其中一路，通过调制该路光信号的偏振态实现偏振控制；

双折射相位调制器：用于产生参考信号，加在基本分布式光纤传感系统的与偏振控制器所在端对应的传感光纤另一路，用于产生正弦相位调制，相位调制信号经过双Mach-Zehnder光纤干涉仪干涉产生强度正弦调制，由两个光电探测器分别接收，若不存在偏振退化，基本分布式光纤传感系统中两个光电探测器接收的两路干涉信号具有固定时延且幅值相等；

数据采集卡：对两个光电探测器的电压信号进行采集，并送入计算机处理；

计算机：通过在计算机中的软件编程实现对数据采集卡送入的采集信号的处理，以实现最佳调制电压的迭代搜索，并将搜索到的最佳调制电压通过单片机系统反馈到偏振控制器和相位调制器；

单片机系统：通过与计算机进行通信，输出数字信号直接控制偏振控制器；输出正弦波信号，对相位调制器进行调制。

该偏振控制装置见图5。

 

3、一种使用以上所述装置的分布式光纤扰动定位系统的偏振控制装置

两束光产生干涉的重要条件之一就是参与干涉的光为线偏光且偏振方向一致，分布式光纤扰动定位系统的定位算法就是基于同偏振方向线偏光干涉的假设上展开的。

分布式光纤扰动定位系统主要用于周界防护、地震监测等，所用光纤长达数十公里甚至上百公里，若应用保偏光纤及其相应配套元件将非常昂贵，基于成本方面的考虑该系统所使用的传感光纤均为普遍使用的单模光纤。

普通单模光纤由于几何形状弯曲、周围温度变化等随机因素，以及其他非随机误差的影响，都会引起光纤双折射，从而造成线偏光在普通单模光纤中传输时偏振态发生变化，导致线偏光的偏振态退化。偏振态退化不仅会影响干涉输出信号质量，而且严重影响整个系统的定位精度。

图3所示为分布式光纤扰动定位系统未进行偏振控制时所采集的两路信号，图中所示的两路信号相似度极小，完全看不出两路信号的联系。对250m处的扰动点进行定位，经过标定后得出的定位值从-360m到2015m，完全偏离实际值，且定位值随机分布在一个很大的范围内。

调整分布式光纤扰动定位系统的偏振态，使该系统采集的两路信号基本一致，如图4所示。此时偏振态退化得到很好的补偿，在偏振控制中也是以两路信号的相似程度作为反馈信号的。此时应用该系统对250m处扰动点进行定位，经过标定后的定位值范围为225m到255m，最大误差为25m，属于可接受误差。

在实际应用的分布式光纤扰动定位系统中必须对干涉光采取偏振控制，补偿干涉光偏振态的变化，从而提高整个系统的抗偏振衰落能力，提高系统的定位精度。

 

本发明采用混沌粒子群优化算法作为偏振控制的算法，利用挤压光纤型偏振控制器对光信号偏振态进行调制。混沌粒子群优化算法是以分布式光纤扰动定位系统中两个光电探测器接收的两路信号的相关度作为反馈信号，利用混沌粒子群算法搜索两路信号相关度最高时对应的偏振控制器外加电压值。该偏振控制系统包括：基于双Mach-Zehnder光纤干涉仪的基本分布式光纤传感系统，挤压型偏振控制器，

双折射相位调制器，单片机系统，计算机及算法软件。本方法提出一种对光纤中干涉光的偏振态控制装置，通过控制干涉光的偏振态，能够有效地提高系统的抗偏振衰落能力，并很大程度上消除单模光纤双折射对系统性能的影响。

本发明中使用混沌粒子群优化算法作为控制算法进行偏振控制，该优化算法继承了基本粒子群算法易于实现、收敛速度快、不需要目标函数的梯度信息等诸多优点，并外将混沌引入粒子群算法改进了基本粒子群算法存在的局部收敛、初始解群远离最优解等不足，是解决全局优化问题的极好的方法。

本偏振控制装置流程如下：

第一、给传感光纤一臂上的相位调制器施加一定频率和幅值的正弦波，作为参考信号。

第二、判断分布式光纤扰动定位系统中两个光电探测器接收的两路信号的相关度是否大于所设定的阈值，若相关度小于阈值，则利用混沌粒子群优化算法对施加到偏振控制器两个挤压器上的最佳电压值进行迭代搜索，从而实现偏振控制。

偏振控制中使用到偏振控制器的两个挤压器，可以将该问题用以下函数描述：

其中

为两个挤压器上所施加的电压值，

为此时对应的定位系统中两个光电探测器接收的两路信号的相关度。当

达到最大时的值为最佳电压值，此时系统处于最佳工作状态，从而实现了偏振控制，提高了系统的定位精度。

 

本发明的有益效果是，通过调整光纤扰动定位系统中一路光纤中信号光的偏振态，使干涉两臂的偏振态尽量保持一致，提高整个系统的抗偏振衰落能力，提高系统的定位精度。目前，大部分的分布式光纤扰动定位系统由于没有进行偏振控制，导致定位精度较差。本发明提出了一种用于分布式光纤扰动定位系统中的偏振控制装置，该装置所使用的混沌粒子群优化控制算法继承了基本粒子群算法易于实现、收敛速度快、不需要目标函数的梯度信息等诸多优点，并外将混沌引入粒子群算法改进了基本粒子群算法存在的局部收敛、初始解群远离最优解等不足，能够实现对偏振态的有效控制。

附图说明

下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。

图1是分布式光纤扰动定位系统；

图2是定位原理图；

图3是分布式光纤扰动定位系统采集的未进行偏振控制的两路信号；

图4是偏振控制之后系统采集的两路信号；

图5是偏振控制装置；

图6是偏振控制算法搜索示意图；

图中，1和9是激光器，2、5、6、10、13和14是耦合器，3、4、11和12是光环形器，7a是光缆中传感光纤F1，7b是光缆中传感光纤F2，8a和18a光电探测器D1，8b和18b光电探测器D2，15是偏振控制器，16是双折射相位调制器，17是传感光缆，19是单片机系统，20是计算机，21是采集卡。

具体实施方式

实施例1：用于分布式光纤扰动定位系统中的偏振控制装置

如图5所示，该装置包括：

激光器9，耦合器10、13和14，光环形器11和12，传感光缆17，光电探测器18a和18b。

挤压型偏振控制器15：拥有四个挤压方向成

交错排列的挤压器，控制过程中使用其中的前两个光纤挤压器，对两个挤压器施加不同组合的电压能够对输入光波的偏振态进行不同的调制，从而输出不同偏振态的光波。将偏振控制器加在基本分布式光纤传感系统传感光纤的其中一路，通过调制该路光信号的偏振态实现偏振控制；

双折射相位调制器16：用于产生参考信号，加在基本分布式光纤传感系统的与偏振控制器所在端对应的传感光纤另一路，用于产生正弦相位调制，相位调制信号经过双Mach-Zehnder光纤干涉仪干涉产生强度正弦调制，由两个光电探测器分别接收，若不存在偏振退化，基本分布式光纤传感系统中两个光电探测器接收的两路干涉信号具有固定时延且幅值相等；

数据采集卡（DAQ Card）21：对两个光电探测器18a和18b的电压信号进行采集，并送入计算机处理。

计算机（PC）20：通过在计算机中的软件编程实现对数据采集卡送入的采集信号的处理，以实现最佳调制电压的迭代搜索，并将搜索到的最佳调制电压通过单片机系统反馈到偏振控制器和相位调制器。

单片机系统（SCM）19：通过与计算机进行通信，输出数字信号直接控制偏振控制器；输出正弦波信号，对相位调制器进行调制。

实施例2、基于混沌粒子群优化算法的偏振控制装置

如图5所示，传感光纤一臂的光信号输入到偏振控制器中，经过偏振控制后两路干涉信号分别进入两探测器，数据采集卡采集两路信号并将信号送入计算机。计算机内部的软件算法根据所反馈的两路干涉信号的相关度调整混沌粒子群优化算法中各粒子的位置向量，即改变各位置向量对应的外加到偏振控制器挤压器上的电压值。对偏振控制器入射光波的偏振态进行连续控制并利用反馈信号进行最优值搜索，直到反馈信号对应的两路信号的相关度满足搜索终止条件时停止。

以下对图5所示的系统，结合图6所示的搜索流程，用某次偏振控制实例来说明计算过程：

设定反馈相关度最大值为1，最大误差为2%。

1、混沌初始化，从混沌解中选择较好的初始解，随机初始化速度。

2、将初始解对应的电压输入偏振控制器，读取每个初始解对应的两路信号的相关度。与最高相关度对应的初始解即为整体最佳解，此时整体最佳解为(1272,2700)，对应的相关度0.94718，误差为5.282%大于规定误差，进行第一次混沌优化。

3、对初始全局最佳解进行混沌优化，此时优化最佳解为(1217,2604)，对应的相关度为0.95739，误差为4.261%大于规定误差，将混沌优化的最优解取代当前群体中的任意一个粒子的位置。

4、粒子根据个体最佳和全局最佳进行位置更新和速度更新，并重新对反馈相关度进行探测，得到全局最佳解，对全局最佳解进行混沌优化，此时优化最佳为(2468,890)，对应的相关度为0.96369，误差为3.631%大于规定误差。

重复步骤4，进行迭代搜索。

5、当某次迭代搜索到相关度与最大值的误差小于2%的设定值时结束迭代搜索，此时最佳解为(2465,892)，对应的相关度为0.98179，误差为1.821%。

表一 搜索过程中各粒子的位置（即解向量，下划线为整体最佳）

粒子编号       混沌初始化的粒子位置               搜索终止时的粒子位置

1                 1282,2907                            2468,891

2                 899,4044                             2425,901

3                 1454,2287                            2468,890

4                 1375,2393                            2474,893

5                 1154,3320                            2453,889

6                 827,3595                             2474,889

7                 1429,2079                            2498,913

8                 1086,3900                            2459,891

9                 1165,3580                            2446,880

10                561,2076                             2456,894

11                604,3032                             3099,257

12                2145,2947                            2470,885

13                2010,1649                            2729,732

14                2524,2524                            2435,883

15                4095,3638                            2465,892

16                2899,0                               2446,897

17                4071,3885                            2462,895

18                1144,3214                            2510,850

19                861,2911                             2476,883

20                1272,2700                            2482,893

Claims (2)

1.一种基于粒子群算法的光纤扰动偏振控制装置，其特征是该装置包括：

基于双Mach-Zehnder光纤干涉仪的基本分布式光纤传感器：用于产生干涉信号，进行扰动定位，偏振控制系统是在该传感器的基础上加上偏振控制器件实现的；

挤压型偏振控制器：拥有四个挤压方向成                                               

交错排列的挤压器，控制过程中使用其中的前两个光纤挤压器，对两个挤压器施加不同组合的电压能够对输入光波的偏振态进行不同的调制，从而输出不同偏振态的光波；将偏振控制器加在基本分布式光纤传感系统传感光纤的其中一路，通过调制该路光信号的偏振态实现偏振控制；

双折射相位调制器：用于产生参考信号，加在基本分布式光纤传感系统的与偏振控制器所在端对应的传感光纤另一路，用于产生正弦相位调制，相位调制信号经过双Mach-Zehnder光纤干涉仪干涉产生强度正弦调制，由两个光电探测器分别接收，若不存在偏振退化，基本分布式光纤传感系统中两个光电探测器接收的两路干涉信号具有固定时延且幅值相等；

数据采集卡：对两个光电探测器的电压信号进行采集，并送入计算机处理；

计算机：通过在计算机中的软件编程实现对数据采集卡送入的采集信号的处理，以实现最佳调制电压的迭代搜索，并将搜索到的最佳调制电压通过单片机系统反馈到偏振控制器和相位调制器；

单片机系统：通过与计算机进行通信，输出数字信号直接控制偏振控制器；输出正弦波信号，对相位调制器进行调制。

2.根据权利要求1所述的光纤扰动偏振控制装置，其特征是该装置的实现方式为：

在分布式光纤扰动定位系统中，将传感光纤一臂的光信号输入到偏振控制器中，经过偏振控制后两路干涉信号分别进入两个光电探测器，数据采集卡采集两路信号并将信号送入计算机；

计算机根据所反馈的两路干涉信号的相关度调整混沌粒子群优化算法中各粒子的位置向量，即改变各位置向量对应的外加到偏振控制器挤压器上的电压值，对偏振控制器入射光波的偏振态进行连续控制并利用反馈信号进行最优值搜索，直到反馈信号对应的两路信号的相关度满足搜索终止条件时停止。

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