CN205981244U - 光纤扰动系统偏振控制装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型提供了一种光纤扰动系统偏振控制装置，以光纤扰动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，搜索两路信号相关度最高时对应的偏振控制器的调制电压值，通过该调值电压值控制挤压型偏振控制器来对光信号偏振态进行调制。本装置可以调整光纤扰动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，从而有效地提高了光纤扰动系统的抗偏振退化能力，并很大程度上消除了单模光纤双折射对系统的扰动定位精度的影响，提高了系统的定位精度。

Description

光纤扰动系统偏振控制装置

技术领域

本实用新型涉及光纤传感及检测技术领域，尤其涉及一种光纤扰动系统偏振控制装置。

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。光纤扰动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，光纤扰动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。

光纤扰动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。因此在光纤扰动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

本实用新型的目的是提供一种光纤扰动系统偏振控制装置，旨在克服现有的光纤扰动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问题。

本实用新型解决其技术问题所采用的技术方案是：

一种光纤扰动系统偏振控制装置，包括基于双Mach-Zehnder光纤干涉仪的基本分布式光纤传感器、挤压型偏振控制器、双折射相位调制器、数据采集卡、计算机、单片机系统，其中：

基于双Mach-Zehnder光纤干涉仪的基本分布式光纤传感器包括光源、第一光纤耦合器、第一环形器、第二环形器、第二光纤耦合器、第三光纤耦合器、传感光缆、第一光电探测器、第二光电探测器，该光纤传感器用于产生干涉信号，进行扰动定位；其中，光源连接在第一光纤耦合器的第一端，第一光纤耦合器的第二端分别与第一环形器、第二环形器连接；第一环形器还分别与第一光电探测器、第二光纤耦合器连接，第二环形器还分别与第二光电探测器、第三光纤耦合器连接；第一光电探测器、第二光电探测器还分别与数据采集卡的输入端连接；传感光缆包括第一光纤、第二光纤，第一光纤、第二光纤并联在第二光纤耦合器和第三光纤耦合器之间；

按照第一预定距离设置N个挤压型偏振控制器串联在第一光纤上，该偏振控制器还与单片机系统连接，该偏振控制器包括四个挤压方向成45°交错排列的光纤挤压器，控制过程中使用其中的前两个光纤挤压器，对两个光纤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；通过控制该偏振控制器，对第一光纤上光信号的偏振态实现偏振控制；

按照第二预定距离设置N个双折射相位调制器串联在第二光纤上，该相位调制器还与单片机系统连接，用于产生参考信号，在第二光纤上产生正弦相位调制，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，由第一光电探测器、第二光电探测器分别接收，若不存在偏振退化，第一光电探测器、第二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；

数据采集卡的输出端与计算机连接，用于对第一光电探测器、第二光电探测器接收到的电压信号进行采集，并送入计算机处理；

计算机与数据采集卡和单片机系统连接，用于通过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挤压型偏振控制器和双折射相位调制器；

单片机系统还分别与挤压型偏振控制器和双折射相位调制器连接，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。

在上述实施例的基础上，进一步地，该装置的实现方式为：

在光纤扰动系统中，将传感光纤一臂的光信号输入到挤压型偏振控制器中，经过偏振控制后两路干涉信号分别进入第一光电探测器、第二光电探测器，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挤压型偏振控制器挤压器上的电压值，对挤压型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。

在上述任意实施例的基础上，进一步地，所述光源为连续单色激光器。

在上述任意实施例的基础上，进一步地，所述双折射相位调制器的材质采用铌酸锂。

本实用新型的有益效果是：

本实用新型提供了一种光纤扰动系统偏振控制装置，通过该调值电压值控制挤压型偏振控制器来对光信号偏振态进行调制。本装置调整光纤扰动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，从而有效地提高了光纤扰动系统的抗偏振退化能力，并很大程度上消除了单模光纤双折射对系统的扰动定位精度的影响，提高了系统的定位精度。

附图说明

下面结合附图和实施例对本实用新型进一步说明。

图1示出了本实用新型实施例提供的一种光纤扰动系统偏振控制装置的结构示意图。

图中，1、光源，2、第一光纤耦合器，301、第一环形器，302、第二环形器，401、第二光纤耦合器，402、第三光纤耦合器，5、挤压型偏振控制器，6、双折射相位调制器，7、传感光缆，801、第一光电探测器，802、第二光电探测器，9、数据采集卡，10、计算机，11、单片机系统。

具体实施方式

为了使本实用新型的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本实用新型进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本实用新型，并不限定本实用新型。

如图1所示，本实用新型实施例提供了一种光纤扰动系统偏振控制装置，基于双Mach-Zehnder光纤干涉仪的基本分布式光纤传感器包括光源1、第一光纤耦合器2、第一环形器301、第二环形器302、第二光纤耦合器401、第三光纤耦合器402、传感光缆7、第一光电探测器801、第二光电探测器802，该光纤传感器用于产生干涉信号，进行扰动定位，其中：光源1连接在第一光纤耦合器2的第一端，第一光纤耦合器2的第二端分别与第一环形器301、第二环形器302连接；第一环形器301还分别与第一光电探测器801、第二光纤耦合器401连接，第二环形器302还分别与第二光电探测器802、第三光纤耦合器402连接；第一光电探测器801、第二光电探测器802还分别与数据采集卡9连接；传感光缆7包括第一光纤701、第二光纤702，第一光纤701、第二光纤702并联在第二光纤耦合器401和第三光纤耦合器402之间；挤压型偏振控制器5串联在第一光纤701上，挤压型偏振控制器5还与单片机系统11连接；双折射相位调制器6串联在第二光纤702上，双折射相位调制器6还与单片机系统11连接；

按照第一预定距离设置N个挤压型偏振控制器5串联在第一光纤701上，该偏振控制器5还与单片机系统11连接，该偏振控制器5包括四个挤压方向成45°交错排列的光纤挤压器，控制过程中使用其中的前两个光纤挤压器，对两个光纤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；系统通过控制该偏振控制器5，对第一光纤701上光信号的偏振态实现偏振控制；

按照第二预定距离设置N个双折射相位调制器6串联在第二光纤702上，该相位调制器6还与单片机系统11连接，用于产生参考信号，在第二光纤702上产生正弦相位调制，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，由第一光电探测器801、第二光电探测器802分别接收，若不存在偏振退化，第一光电探测器801、第二光电探测器802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9的输出端与计算机10连接，用于对第一光电探测器801、第二光电探测器802接收到的电压信号进行采集，并送入计算机10处理；

计算机10与数据采集卡9和单片机系统11连接，用于通过软件编程实现对数据采集卡9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11反馈到挤压型偏振控制器5和双折射相位调制器6；

单片机系统11还分别与挤压型偏振控制器5和双折射相位调制器6连接，通过与计算机10进行通信，输出数字信号直接控制偏振控制器5；输出正弦波信号，对相位调制器6进行调制。

本实用新型实施例在双马赫-曾德(Mach-Zehnder)光纤干涉仪结构的基础上，引入了数据采集卡9、计算机10、单片机系统11、挤压型偏振控制器5和双折射相位调制器6，应用本装置进行偏振控制时的使用场景可以是这样的：给第一光纤701上的挤压型相位调制器5施加一定频率和幅值的正弦波，作为参考信号；判断光纤扰动系统中两个光电探测器801、802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5两个挤压器上的最佳电压值进行迭代搜索，利用该最佳电压值实现偏振控制，从而补偿光的偏振态改变，完成分布式光纤振动传感系统的偏振控制过程。本实用新型实施例采用混沌粒子群优化算法作为偏振控制的算法，以光纤扰动系统中两个光电探测器801、802接收的两路信号的相关度作为反馈信号，利用混沌粒子群优化算法搜索两路信号相关度最高时对应的挤压型偏振控制器5的调制电压值，通过该调值电压值控制挤压型偏振控制器5来对光信号偏振态进行调制。本装置利用混沌粒子群优化算法调整光纤扰动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，从而有效地提高了光纤扰动系统的抗偏振退化能力，并很大程度上消除了单模光纤双折射对系统的扰动定位精度的影响，提高了系统的定位精度。

本实用新型实施例对该装置的实现方式不做限定，在上述实施例的基础上，优选的，该装置的实现方式可以为：在光纤扰动系统中，将传感光纤一臂的光信号输入到挤压型偏振控制器5中，经过偏振控制后两路干涉信号分别进入第一光电探测器801、第二光电探测器802，数据采集卡9采集两路信号并将信号送入计算机10；计算机10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挤压型偏振控制器5挤压器上的电压值，对挤压型偏振控制器5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。

本实用新型实施例对光源1不做限定，在上述任意实施例的基础上，优选的，所述光源1可以为连续单色激光器。

本实用新型对相位调制器的材质不做限定，可以选用铌酸锂(LiNbO3)、砷化镓(GaAs)或聚合物(Polymer)等作为相位调制器的材料，在上述任意实施例的基础上，优选的，所述双折射相位调制器的材质可以采用铌酸锂。砷化镓和聚合物调制器中的光波导为带脊波导，其与单模光纤光连接的损耗比铌酸锂波导与单模光纤要大得多，聚合物调制器的长期稳定性也不理想，因此本发明实施例可以选用铌酸锂调制器，铌酸锂双折射相位调制器由钛扩散工艺制作光波导，输入输出光纤与波导精密斜耦合，利用铌酸锂材料的电光效应对通过光波导的TE、TM模光信号实现相位调制。

需要说明的是，在不冲突的情况下，本实用新型中的实施例及实施例中的特征可以相互组合；另外，本实用新型涉及的功能、算法、方法等仅仅是现有技术的常规适应性应用，因此，本实用新型对于现有技术的改进，实质在于硬件之间的连接关系，而非针对功能、算法、方法本身，也即本实用新型虽然涉及一点功能、算法、方法，但并不包含对功能、算法、方法本身提出的改进，本实用新型对于功能、算法、方法的描述，是为了更好的说明本实用新型，以便于更好的理解本实用新型。

尽管本实用新型已进行了一定程度的描述，明显地，在不脱离本实用新型的精神和范围的条件下，可进行各个条件的适当变化。可以理解，本实用新型不限于所述实施方案，而归于权利要求的范围，其包括所述每个因素的等同替换。

Claims (4)

1.一种光纤扰动系统偏振控制装置，其特征在于，包括基于双Mach-Zehnder光纤干涉仪的基本分布式光纤传感器、挤压型偏振控制器、双折射相位调制器、数据采集卡、计算机、单片机系统，其中：

基于双Mach-Zehnder光纤干涉仪的基本分布式光纤传感器包括光源、第一光纤耦合器、第一环形器、第二环形器、第二光纤耦合器、第三光纤耦合器、传感光缆、第一光电探测器、第二光电探测器，该光纤传感器用于产生干涉信号，进行扰动定位；其中，光源连接在第一光纤耦合器的第一端，第一光纤耦合器的第二端分别与第一环形器、第二环形器连接；第一环形器还分别与第一光电探测器、第二光纤耦合器连接，第二环形器还分别与第二光电探测器、第三光纤耦合器连接；第一光电探测器、第二光电探测器还分别与数据采集卡的输入端连接；传感光缆包括第一光纤、第二光纤，第一光纤、第二光纤并联在第二光纤耦合器和第三光纤耦合器之间；

按照第一预定距离设置N个挤压型偏振控制器串联在第一光纤上，该偏振控制器还与单片机系统连接，该偏振控制器包括四个挤压方向成45°交错排列的光纤挤压器，控制过程中使用其中的前两个光纤挤压器，对两个光纤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；通过控制该偏振控制器，对第一光纤上光信号的偏振态实现偏振控制；

按照第二预定距离设置N个双折射相位调制器串联在第二光纤上，该相位调制器还与单片机系统连接，用于产生参考信号，在第二光纤上产生正弦相位调制，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，由第一光电探测器、第二光电探测器分别接收，若不存在偏振退化，第一光电探测器、第二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；

数据采集卡的输出端与计算机连接，用于对第一光电探测器、第二光电探测器接收到的电压信号进行采集，并送入计算机处理；

计算机与数据采集卡和单片机系统连接，用于通过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挤压型偏振控制器和双折射相位调制器；

单片机系统还分别与挤压型偏振控制器和双折射相位调制器连接，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所述的光纤扰动系统偏振控制装置，其特征在于，该装置的实现方式为：

在光纤扰动系统中，将传感光纤一臂的光信号输入到挤压型偏振控制器中，经过偏振控制后两路干涉信号分别进入第一光电探测器、第二光电探测器，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挤压型偏振控制器挤压器上的电压值，对挤压型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。

3.根据权利要求1或2所述的光纤扰动系统偏振控制装置，其特征在于，所述光源为连续单色激光器。

4.根据权利要求1或2所述的光纤扰动系统偏振控制装置，其特征在于，所述双折射相位调制器的材质采用铌酸锂。