專利名稱：一種分布式光纖擾動定位系統偏振控制方法及控制系統的制作方法
技術領域：
本發明屬于傳感及檢測技術領域，特別涉及一種基于混沌粒子群優化算法的分布式光纖擾動定位系統偏振控制方法及控制系統。
背景技術：
隨著社會的不斷發展，機場、軍事基地、政府、監獄、銀行、油庫等重要區域的安全保衛顯得尤為重要。分布式光纖擾動定位系統采用光波干涉技術實現入侵擾動檢測及定位，具有長距離監控、高精度定位功能、低能源依賴性、高環境耐受性、抗電磁干擾、抗腐蝕等特性。兩束光產生干涉的重要條件之一就是參與干涉的光為線偏光且偏振方向一致，分布式光纖擾動定位系統的定位算法就是基于同偏振方向線偏光干涉的假設上展開的。分布式光纖擾動定位系統主要用于周界防護、地震監測等，所用光纖長達數十公里甚至上百公里，若應用保偏光纖及其相應配套元件將非常昂貴，基于成本方面的考慮該系統所使用的傳感光纖均為普遍使用的單模光纖。普通單模光纖由于幾何形狀彎曲、周圍溫度變化等隨機因素，以及其他非隨機誤差的影響，都會引起光纖雙折射，從而造成線偏光在普通單模光纖中傳輸時偏振態發生變化，導致線偏光的偏振態退化。偏振態退化不僅會影響干涉輸出信號質量，而且嚴重影響整個系統的定位精度。因此在分布式光纖擾動定位系統中必須對干涉光采取偏振控制，補償干涉光偏振態的變化，從而提高整個系統的抗偏振衰落能力，提高系統的定位精度。發明目的本發明目的是解決現有分布式光纖擾動定位系統因使用普通單模光纖存在偏振態退化，而影響干涉輸出信號質量和定位精度的問題，提供一種基于混沌粒子群優化算法的分布式光纖擾動定位系統偏振控制方法及控制系統。利用混沌粒子群優化算法調整光纖擾動定位系統的一路光纖中信號光的偏振態，使干涉兩臂的偏振態盡量保持一致，從而有效提高擾動系統的定位精度。技術方案1、分布式光纖擾動定位系統的基本原理分布式光纖擾動定位系統如
圖1所示，該系統基于雙Mach-Zehnder光纖干涉儀原理，利用光纜中的兩條單模光纖構成Mach-Zehnder光纖干涉儀的兩個測試光纖來感應光纜周圍的擾動信號。傳感光纖Fl和F2同時傳播方向相反的兩組光波，光纜周圍的擾動能夠對光纖中傳播的光波相位進行調制，從而對干涉信號進行調制，相位經過調制的兩束光在耦合器中發生干涉，干涉光經過環形器輸出到光電探測器。由于擾動發生位置到分布式傳感器兩端探測器的距離不同，而光波在光纖中的傳播速度是一定的，因此根據兩個探測器檢測到同一事件的時間差，即可精確定位出事件發生的地點。定位原理如圖2所示。設分布式光纖擾動定位系統的兩個光電探測器Dl和D2檢測到同一擾動事件的時間分別為、和t2，Δ t
4=trt2, L為傳感光纜的長度，χ為擾動點距離耦合器5的位置，其定位公式為
權利要求
1.一種基于混沌粒子群優化算法的分布式光纖擾動定位傳感器偏振控制系統，其特征在于該系統包括基于雙Mach-Zehnder光纖干涉儀的基本分布式光纖傳感器用于產生干涉信號，進行擾動定位，偏振控制系統是在該傳感器的基礎上加上偏振控制器件實現的；擠壓型偏振控制器擁有四個擠壓方向成45°交錯排列的擠壓器，控制過程中使用其中的前兩個光纖擠壓器，對兩個擠壓器施加不同組合的電壓能夠對輸入光波的偏振態進行不同的調制，從而輸出不同偏振態的光波；將偏振控制器加在基本分布式光纖傳感系統傳感光纖的其中一路，通過調制該路光信號的偏振態實現偏振控制；LiNbO3雙折射相位調制器用于產生參考信號，加在基本分布式光纖傳感系統的與偏振控制器所在端對應的傳感光纖另一路，用于產生正弦相位調制，相位調制信號經過雙 Mach-Zehnder光纖干涉儀干涉產生強度正弦調制，由兩個光電探測器分別接收，若不存在偏振退化，基本分布式光纖傳感系統中兩個光電探測器接收的兩路干涉信號具有固定時延且幅值相等；數據采集卡對兩個光電探測器的電壓信號進行采集，并送入計算機處理；計算機通過在計算機中的軟件編程實現對數據采集卡送入的采集信號的處理，以實現最佳調制電壓的迭代搜索，并將搜索到的最佳調制電壓通過單片機系統反饋到偏振控制器和相位調制器；單片機系統通過與計算機進行通信，輸出數字信號直接控制偏振控制器；輸出正弦波信號，對相位調制器進行調制。
2.一種使用權利要求1所述系統的分布式光纖擾動定位系統的偏振控制方法，其特征在于該方法的實現方式為在分布式光纖擾動定位系統中，將傳感光纖一臂的光信號輸入到偏振控制器中，經過偏振控制后兩路干涉信號分別進入兩個光電探測器，數據采集卡采集兩路信號并將信號送入計算機；計算機根據所反饋的兩路干涉信號的相關度調整混沌粒子群優化算法中各粒子的位置向量，即改變各位置向量對應的外加到偏振控制器擠壓器上的電壓值，對偏振控制器入射光波的偏振態進行連續控制并利用反饋信號進行最優值搜索，直到反饋信號對應的兩路信號的相關度滿足搜索終止條件時停止。
3.根據權利要求2所述的方法，其特征在于所述的混沌粒子群優化算法包括偏振控制中使用的偏振控制器的兩個擠壓器，可以將該問題用以下函數描述P = f(vi; V2)其中Vi，i = 1，2分別為兩個擠壓器上所施加的電壓值，P為此時對應的定位系統中兩個光電探測器接收的兩路信號的相關度；當P達到最大時的Vi值為最佳電壓值，此時系統處于最佳工作狀態，從而實現了偏振控制，提高了系統的定位精度；作為偏振控制算法的混沌粒子群優化算法的搜索過程如下(1)混沌初始化，隨機產生一個2維、每個分量數值在0:1之間的向量Z1 = (zn, z12)， 由 zi+u = μ Zij(I-Zij), i = 1,2,. . . ,99, j = 1,2, μ = 4，得到 100 個向量 Z1, z2,. . . Z100 ； ^fzi的各個分量載波到優化變量的取值范圍=Xij = aj+(hraj) ZijA = 1,2,... ,99, j = 1， 2，aj;…分別為輸入到擠壓器上電壓值的最小值和最大值；計算目標函數P，從100個初始群體中選擇P值最大的20個解作為初始解Xi = (Vil, Vi2), i = 1，2，...，20，并隨機產生20 個初始速度 Vi, i = 1，2，...，20 ；(2)將各個初始粒子的P值當做個體極值Pfbestici，初始解&當做個體極值位置 Pxbestici;根據各個粒子的個體極值Pfbestici,找出全局極值gfbest。和全局極值位置 gxbest0 ；(3)對極值位置gxbes、=(gx01,gx02)進行混沌優化，隨機產生一個2維、每個分量數值在 0:1 之間的向量 u。= (u01,u02)；產生 Ui= (un，ui2)，ui+lj = ^ij(I-Uij), (j = 1，2)，將 Ui的各個分量載波到混沌擾動范圍[_β，β]內，其中β為相對擠壓器上輸入電壓值較小的一個常數，擾動量 Δ Xi= (Δ χη, Δχ 2)為 Δ Xij =-β+2 β UijjU0 = U1 ；g^j ⑴=g、, Δ Xi ； 在解空間對混沌變量經歷的每一個可行解gx^i)計算其P值，得到最優值I^gfw和與之對應的最優位置1 ，用1 取代當前群體中任意一個粒子的位置；(4)根據公式
全文摘要
一種應用于分布式光纖擾動定位系統中的偏振控制系統及其控制方法。在偏振控制中，采用混沌粒子群優化算法作為控制算法，并利用偏振控制器對干涉光波偏振態進行調制。以分布式光纖擾動定位系統中探測器接收的兩路干涉信號之間的相關度作為反饋信號，利用混沌粒子群算法搜索相關度最高時對應的偏振控制器外加電壓值。該偏振控制系統包括基于雙Mach-Zehnder光纖干涉儀的連續分布式光纖傳感系統，擠壓型偏振控制器，雙折射相位調制器，單片機系統，計算機及算法軟件。本方法提出的光纖干涉偏振態控制方法，通過控制調整干涉光的偏振態，能夠有效地提高系統的抗偏振衰落能力，并很大程度上消除單模光纖雙折射對系統定位精度的影響。
文檔編號H04B10/12GK102291181SQ201110227370
公開日2011年12月21日 申請日期2011年8月9日 優先權日2011年8月9日
發明者丁振揚, 劉琨, 劉鐵根, 孫巍, 張笑平, 李定杰, 江俊峰, 陳沁楠 申請人:天津大學