[发明专利]基于退火算法的光纤扰动系统偏振控制方法及控制系统

说明书

技术领域

本发明属于传感及检测技术领域。

背景技术

随着科技的发展与人们安防意识的增强，研制一种探测范围大、能耗小、成本低的周界安全系统成为一个必须且迫切需要解决的问题。分布式光纤振动传感系统凭借其灵敏度高，抗电磁干扰，无需供电等优点，在军事防御、金融防护、能源安全、社区安保等安防领域已有了广泛的应用，并且在未来还将有着广大的应用前景。

由于光波产生干涉的必要条件之一就是参与干涉的光矢量振动方向相同，即有相同的偏振方向分量。实际扰动系统采用的光纤为普通单模光纤，由于单模光纤的双折射特性，光波进入光纤后偏振态会发生改变，导致线偏光的偏振态退化。在传感领域，这会导致干涉条纹可见度降低，甚至干涉条纹消失，于是使系统对扰动的定位精度大大下降。

使用保偏光纤虽然能保持光的偏振态不变，但由于分布式光纤振动传感系统的光纤敷设距离一般都长达几十公里，使用保偏光纤会使系统成本过高。因此，在实际应用中，我们必须采取另一种手段对抗系统中光的偏振退化，补偿光的偏振态改变，从而尽可能地消除单模光纤的双折射特性导致的系统定位不准。

发明内容

本发明目的是解决现有方法因单模光纤的双折射特性导致的系统定位不准的问题，提供一种基于模拟退火算法的光纤扰动系统偏振控制方法及偏振控制系统，用该方法调整分布式光纤振动传感系统一臂中的信号光偏振态，可以尽量保持系统两臂中的信号光偏振态一致，从而提高系统的定位精度。

具体技术方案：

1、分布式光纤振动传感系统的基本原理

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。

两路传感光纤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光电探测器的距离不同，而光波在光纤中的传播速度是一定的，因此根据两个光电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t₁和t₂，Δt＝t₁-t₂，L为传感光缆的长度，x为扰动点距离第二耦合器5的位置，其定位公式为

x=L-v(t1-t2)2]]>

式中，v为光波在单模光纤中的传播速度，单位m/s，其中v＝c/n，c是光在真空中的速度(3×10⁸m/s)，n是光纤的折射率。

2、基于模拟退火算法的光纤扰动系统偏振控制方法

本发明采用模拟退火算法作为控制算法，控制挤压光纤型偏振控制器对光信号偏振态进行控制，在偏振控制中，以分布式光纤振动传感系统中两探测器接收的两路信号作为输入，利用模拟退火算法搜索两路信号差值最小时对应的偏振控制器外加电压值。本方法提出了一种对光纤中干涉光的偏振态进行控制方法，能够有效地提高系统的抗偏振退化能力，并很大程度上消除单模光纤双折射对系统的扰动定位精度的影响。

该方法的实现步骤是：

第1、在光纤振动传感系统中，将传感光纤的一臂中传输的光信号输入偏振控制器，将这路经过偏振控制的干涉光与另一路干涉光分别进入两个光电探测器，用数据采集卡采集两路信号并输入计算机；

第2、计算机通过模拟退火算法判断两路信号对比度的差值调整偏振状态，即改变挤压型偏振控制器的外加电压值，对经过偏振控制器的信号光实现连续控制，并利用反馈信号进行算法的全局最佳值的搜索，直到两路信号的相关程度达到搜索终止要求时终止；通过本方法调整系统中干涉光的偏振态，能够有效抑制数据的偏振误差，从而提高系统对扰动的定位精度。

模拟退火算法