本實用新型涉及光纖傳感及檢測技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及一種光纖擾動系統(tǒng)偏振控制裝置。

背景技術(shù)：

目前，隨著社會和科技的不斷發(fā)展，人們的安全防范意識逐漸增強(qiáng)，機(jī)場、發(fā)電廠、銀行、油庫、政府、監(jiān)獄、軍事基地等重要區(qū)域的安全保衛(wèi)越來越重要。光纖擾動系統(tǒng)基于光波干涉技術(shù)實現(xiàn)入侵?jǐn)_動檢測及定位，其優(yōu)點(diǎn)是長距離監(jiān)控、高精度定位功能、低能源依賴性、抗電磁干擾、抗腐蝕、高環(huán)境耐受性，具有傳統(tǒng)的安全防范系統(tǒng)所沒有的優(yōu)勢。

兩束光產(chǎn)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，光纖擾動系統(tǒng)的定位算法就是基于同偏振方向線偏光干涉的假設(shè)上展開的。

光纖擾動系統(tǒng)主要用于周界防護(hù)、地震監(jiān)測等，所用光纖長達(dá)數(shù)十公里甚至上百公里，若應(yīng)用保偏光纖及其相應(yīng)配套元件將非常昂貴，基于成本方面的考慮該系統(tǒng)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(jī)因素，以及其他非隨機(jī)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(tài)發(fā)生變化，導(dǎo)致線偏光的偏振態(tài)退化。偏振態(tài)退化不僅會影響干涉輸出信號質(zhì)量，而且嚴(yán)重影響整個系統(tǒng)的定位精度。因此在光纖擾動系統(tǒng)中必須對干涉光采取偏振控制，補(bǔ)償干涉光偏振態(tài)的變化，從而提高整個系統(tǒng)的抗偏振衰落能力，提高系統(tǒng)的定位精度。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本實用新型的目的是提供一種光纖擾動系統(tǒng)偏振控制裝置，旨在克服現(xiàn)有的光纖擾動系統(tǒng)因使用普通單模光纖存在偏振態(tài)退化，而影響干涉輸出信號質(zhì)量和定位精度的問題。

本實用新型解決其技術(shù)問題所采用的技術(shù)方案是：

一種光纖擾動系統(tǒng)偏振控制裝置，包括基于雙Mach-Zehnder光纖干涉儀的基本分布式光纖傳感器、擠壓型偏振控制器、雙折射相位調(diào)制器、數(shù)據(jù)采集卡、計算機(jī)、單片機(jī)系統(tǒng)，其中：

基于雙Mach-Zehnder光纖干涉儀的基本分布式光纖傳感器包括光源、第一光纖耦合器、第一環(huán)形器、第二環(huán)形器、第二光纖耦合器、第三光纖耦合器、傳感光纜、第一光電探測器、第二光電探測器，該光纖傳感器用于產(chǎn)生干涉信號，進(jìn)行擾動定位；其中，光源連接在第一光纖耦合器的第一端，第一光纖耦合器的第二端分別與第一環(huán)形器、第二環(huán)形器連接；第一環(huán)形器還分別與第一光電探測器、第二光纖耦合器連接，第二環(huán)形器還分別與第二光電探測器、第三光纖耦合器連接；第一光電探測器、第二光電探測器還分別與數(shù)據(jù)采集卡的輸入端連接；傳感光纜包括第一光纖、第二光纖，第一光纖、第二光纖并聯(lián)在第二光纖耦合器和第三光纖耦合器之間；

按照第一預(yù)定距離設(shè)置N個擠壓型偏振控制器串聯(lián)在第一光纖上，該偏振控制器還與單片機(jī)系統(tǒng)連接，該偏振控制器包括四個擠壓方向成45°交錯排列的光纖擠壓器，控制過程中使用其中的前兩個光纖擠壓器，對兩個光纖擠壓器施加不同組合的電壓能夠?qū)斎牍獠ǖ钠駪B(tài)進(jìn)行不同的調(diào)制，從而輸出不同偏振態(tài)的光波；通過控制該偏振控制器，對第一光纖上光信號的偏振態(tài)實現(xiàn)偏振控制；

按照第二預(yù)定距離設(shè)置N個雙折射相位調(diào)制器串聯(lián)在第二光纖上，該相位調(diào)制器還與單片機(jī)系統(tǒng)連接，用于產(chǎn)生參考信號，在第二光纖上產(chǎn)生正弦相位調(diào)制，相位調(diào)制信號經(jīng)過雙Mach-Zehnder光纖干涉儀干涉產(chǎn)生強(qiáng)度正弦調(diào)制，由第一光電探測器、第二光電探測器分別接收，若不存在偏振退化，第一光電探測器、第二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(shù)據(jù)采集卡的輸出端與計算機(jī)連接，用于對第一光電探測器、第二光電探測器接收到的電壓信號進(jìn)行采集，并送入計算機(jī)處理；

計算機(jī)與數(shù)據(jù)采集卡和單片機(jī)系統(tǒng)連接，用于通過軟件編程實現(xiàn)對數(shù)據(jù)采集卡送入的采集信號的處理，以實現(xiàn)最佳調(diào)制電壓的迭代搜索，并將搜索到的最佳調(diào)制電壓通過單片機(jī)系統(tǒng)反饋到擠壓型偏振控制器和雙折射相位調(diào)制器；

單片機(jī)系統(tǒng)還分別與擠壓型偏振控制器和雙折射相位調(diào)制器連接，通過與計算機(jī)進(jìn)行通信，輸出數(shù)字信號直接控制偏振控制器；輸出正弦波信號，對相位調(diào)制器進(jìn)行調(diào)制。

在上述實施例的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步地，該裝置的實現(xiàn)方式為：

在光纖擾動系統(tǒng)中，將傳感光纖一臂的光信號輸入到擠壓型偏振控制器中，經(jīng)過偏振控制后兩路干涉信號分別進(jìn)入第一光電探測器、第二光電探測器，數(shù)據(jù)采集卡采集兩路信號并將信號送入計算機(jī)；

計算機(jī)根據(jù)所反饋的兩路干涉信號的相關(guān)度調(diào)整混沌粒子群優(yōu)化算法中各粒子的位置向量，即改變各位置向量對應(yīng)的外加到擠壓型偏振控制器擠壓器上的電壓值，對擠壓型偏振控制器入射光波的偏振態(tài)進(jìn)行連續(xù)控制并利用反饋信號進(jìn)行最優(yōu)值搜索，直到反饋信號對應(yīng)的兩路信號的相關(guān)度滿足搜索終止條件時停止。

在上述任意實施例的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步地，所述光源為連續(xù)單色激光器。

在上述任意實施例的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步地，所述雙折射相位調(diào)制器的材質(zhì)采用鈮酸鋰。

本實用新型的有益效果是：

本實用新型提供了一種光纖擾動系統(tǒng)偏振控制裝置，通過該調(diào)值電壓值控制擠壓型偏振控制器來對光信號偏振態(tài)進(jìn)行調(diào)制。本裝置調(diào)整光纖擾動系統(tǒng)的一路光纖中信號光的偏振態(tài)，使干涉兩臂的偏振態(tài)盡量保持一致，從而有效地提高了光纖擾動系統(tǒng)的抗偏振退化能力，并很大程度上消除了單模光纖雙折射對系統(tǒng)的擾動定位精度的影響，提高了系統(tǒng)的定位精度。

附圖說明

下面結(jié)合附圖和實施例對本實用新型進(jìn)一步說明。

圖1示出了本實用新型實施例提供的一種光纖擾動系統(tǒng)偏振控制裝置的結(jié)構(gòu)示意圖。

圖中，1、光源，2、第一光纖耦合器，301、第一環(huán)形器，302、第二環(huán)形器，401、第二光纖耦合器，402、第三光纖耦合器，5、擠壓型偏振控制器，6、雙折射相位調(diào)制器，7、傳感光纜，801、第一光電探測器，802、第二光電探測器，9、數(shù)據(jù)采集卡，10、計算機(jī)，11、單片機(jī)系統(tǒng)。

具體實施方式

為了使本實用新型的目的、技術(shù)方案及優(yōu)點(diǎn)更加清楚明白，以下結(jié)合附圖及實施例，對本實用新型進(jìn)行進(jìn)一步詳細(xì)說明。應(yīng)當(dāng)理解，此處所描述的具體實施例僅用以解釋本實用新型，并不限定本實用新型。

如圖1所示，本實用新型實施例提供了一種光纖擾動系統(tǒng)偏振控制裝置，基于雙Mach-Zehnder光纖干涉儀的基本分布式光纖傳感器包括光源1、第一光纖耦合器2、第一環(huán)形器301、第二環(huán)形器302、第二光纖耦合器401、第三光纖耦合器402、傳感光纜7、第一光電探測器801、第二光電探測器802，該光纖傳感器用于產(chǎn)生干涉信號，進(jìn)行擾動定位，其中：光源1連接在第一光纖耦合器2的第一端，第一光纖耦合器2的第二端分別與第一環(huán)形器301、第二環(huán)形器302連接；第一環(huán)形器301還分別與第一光電探測器801、第二光纖耦合器401連接，第二環(huán)形器302還分別與第二光電探測器802、第三光纖耦合器402連接；第一光電探測器801、第二光電探測器802還分別與數(shù)據(jù)采集卡9連接；傳感光纜7包括第一光纖701、第二光纖702，第一光纖701、第二光纖702并聯(lián)在第二光纖耦合器401和第三光纖耦合器402之間；擠壓型偏振控制器5串聯(lián)在第一光纖701上，擠壓型偏振控制器5還與單片機(jī)系統(tǒng)11連接；雙折射相位調(diào)制器6串聯(lián)在第二光纖702上，雙折射相位調(diào)制器6還與單片機(jī)系統(tǒng)11連接；

按照第一預(yù)定距離設(shè)置N個擠壓型偏振控制器5串聯(lián)在第一光纖701上，該偏振控制器5還與單片機(jī)系統(tǒng)11連接，該偏振控制器5包括四個擠壓方向成45°交錯排列的光纖擠壓器，控制過程中使用其中的前兩個光纖擠壓器，對兩個光纖擠壓器施加不同組合的電壓能夠?qū)斎牍獠ǖ钠駪B(tài)進(jìn)行不同的調(diào)制，從而輸出不同偏振態(tài)的光波；系統(tǒng)通過控制該偏振控制器5，對第一光纖701上光信號的偏振態(tài)實現(xiàn)偏振控制；

按照第二預(yù)定距離設(shè)置N個雙折射相位調(diào)制器6串聯(lián)在第二光纖702上，該相位調(diào)制器6還與單片機(jī)系統(tǒng)11連接，用于產(chǎn)生參考信號，在第二光纖702上產(chǎn)生正弦相位調(diào)制，相位調(diào)制信號經(jīng)過雙Mach-Zehnder光纖干涉儀干涉產(chǎn)生強(qiáng)度正弦調(diào)制，由第一光電探測器801、第二光電探測器802分別接收，若不存在偏振退化，第一光電探測器801、第二光電探測器802接收的兩路干涉信號具有固定時延且幅值相等；

數(shù)據(jù)采集卡9的輸出端與計算機(jī)10連接，用于對第一光電探測器801、第二光電探測器802接收到的電壓信號進(jìn)行采集，并送入計算機(jī)10處理；

計算機(jī)10與數(shù)據(jù)采集卡9和單片機(jī)系統(tǒng)11連接，用于通過軟件編程實現(xiàn)對數(shù)據(jù)采集卡9送入的采集信號的處理，以實現(xiàn)最佳調(diào)制電壓的迭代搜索，并將搜索到的最佳調(diào)制電壓通過單片機(jī)系統(tǒng)11反饋到擠壓型偏振控制器5和雙折射相位調(diào)制器6；

單片機(jī)系統(tǒng)11還分別與擠壓型偏振控制器5和雙折射相位調(diào)制器6連接，通過與計算機(jī)10進(jìn)行通信，輸出數(shù)字信號直接控制偏振控制器5；輸出正弦波信號，對相位調(diào)制器6進(jìn)行調(diào)制。

本實用新型實施例在雙馬赫-曾德(Mach-Zehnder)光纖干涉儀結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，引入了數(shù)據(jù)采集卡9、計算機(jī)10、單片機(jī)系統(tǒng)11、擠壓型偏振控制器5和雙折射相位調(diào)制器6，應(yīng)用本裝置進(jìn)行偏振控制時的使用場景可以是這樣的：給第一光纖701上的擠壓型相位調(diào)制器5施加一定頻率和幅值的正弦波，作為參考信號；判斷光纖擾動系統(tǒng)中兩個光電探測器801、802接收的兩路信號的相關(guān)度是否大于所設(shè)定的閾值，若相關(guān)度小于閾值，則利用混沌粒子群優(yōu)化算法對施加到偏振控制器5兩個擠壓器上的最佳電壓值進(jìn)行迭代搜索，利用該最佳電壓值實現(xiàn)偏振控制，從而補(bǔ)償光的偏振態(tài)改變，完成分布式光纖振動傳感系統(tǒng)的偏振控制過程。本實用新型實施例采用混沌粒子群優(yōu)化算法作為偏振控制的算法，以光纖擾動系統(tǒng)中兩個光電探測器801、802接收的兩路信號的相關(guān)度作為反饋信號，利用混沌粒子群優(yōu)化算法搜索兩路信號相關(guān)度最高時對應(yīng)的擠壓型偏振控制器5的調(diào)制電壓值，通過該調(diào)值電壓值控制擠壓型偏振控制器5來對光信號偏振態(tài)進(jìn)行調(diào)制。本裝置利用混沌粒子群優(yōu)化算法調(diào)整光纖擾動系統(tǒng)的一路光纖中信號光的偏振態(tài)，使干涉兩臂的偏振態(tài)盡量保持一致，從而有效地提高了光纖擾動系統(tǒng)的抗偏振退化能力，并很大程度上消除了單模光纖雙折射對系統(tǒng)的擾動定位精度的影響，提高了系統(tǒng)的定位精度。

本實用新型實施例對該裝置的實現(xiàn)方式不做限定，在上述實施例的基礎(chǔ)上，優(yōu)選的，該裝置的實現(xiàn)方式可以為：在光纖擾動系統(tǒng)中，將傳感光纖一臂的光信號輸入到擠壓型偏振控制器5中，經(jīng)過偏振控制后兩路干涉信號分別進(jìn)入第一光電探測器801、第二光電探測器802，數(shù)據(jù)采集卡9采集兩路信號并將信號送入計算機(jī)10；計算機(jī)10根據(jù)所反饋的兩路干涉信號的相關(guān)度調(diào)整混沌粒子群優(yōu)化算法中各粒子的位置向量，即改變各位置向量對應(yīng)的外加到擠壓型偏振控制器5擠壓器上的電壓值，對擠壓型偏振控制器5入射光波的偏振態(tài)進(jìn)行連續(xù)控制并利用反饋信號進(jìn)行最優(yōu)值搜索，直到反饋信號對應(yīng)的兩路信號的相關(guān)度滿足搜索終止條件時停止。

本實用新型實施例對光源1不做限定，在上述任意實施例的基礎(chǔ)上，優(yōu)選的，所述光源1可以為連續(xù)單色激光器。

本實用新型對相位調(diào)制器的材質(zhì)不做限定，可以選用鈮酸鋰(LiNbO3)、砷化鎵(GaAs)或聚合物(Polymer)等作為相位調(diào)制器的材料，在上述任意實施例的基礎(chǔ)上，優(yōu)選的，所述雙折射相位調(diào)制器的材質(zhì)可以采用鈮酸鋰。砷化鎵和聚合物調(diào)制器中的光波導(dǎo)為帶脊波導(dǎo)，其與單模光纖光連接的損耗比鈮酸鋰波導(dǎo)與單模光纖要大得多，聚合物調(diào)制器的長期穩(wěn)定性也不理想，因此本發(fā)明實施例可以選用鈮酸鋰調(diào)制器，鈮酸鋰雙折射相位調(diào)制器由鈦擴(kuò)散工藝制作光波導(dǎo)，輸入輸出光纖與波導(dǎo)精密斜耦合，利用鈮酸鋰材料的電光效應(yīng)對通過光波導(dǎo)的TE、TM模光信號實現(xiàn)相位調(diào)制。

需要說明的是，在不沖突的情況下，本實用新型中的實施例及實施例中的特征可以相互組合；另外，本實用新型涉及的功能、算法、方法等僅僅是現(xiàn)有技術(shù)的常規(guī)適應(yīng)性應(yīng)用，因此，本實用新型對于現(xiàn)有技術(shù)的改進(jìn)，實質(zhì)在于硬件之間的連接關(guān)系，而非針對功能、算法、方法本身，也即本實用新型雖然涉及一點(diǎn)功能、算法、方法，但并不包含對功能、算法、方法本身提出的改進(jìn)，本實用新型對于功能、算法、方法的描述，是為了更好的說明本實用新型，以便于更好的理解本實用新型。

盡管本實用新型已進(jìn)行了一定程度的描述，明顯地，在不脫離本實用新型的精神和范圍的條件下，可進(jìn)行各個條件的適當(dāng)變化?？梢岳斫?，本實用新型不限于所述實施方案，而歸于權(quán)利要求的范圍，其包括所述每個因素的等同替換。