[发明专利]一种基于粒子群算法的光纤扰动偏振控制装置

说明书

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。