一种偏振控制方法及其控制系统.pdf

一种偏振控制方法及其控制系统。该方法中将局部粒子群算法作为控制算法，同时利用挤压光纤型偏振控制器对光信号偏振态进行控制。把偏振控制中以期望输出偏振态方向(或其正交方向)光功率作为反馈信号，利用局部粒子群算法搜索目标方向光功率最大(或光功率最小)时对应的偏振控制器外加电压值。该偏振控制系统包括：挤压光纤型偏振控制器，分光镜，偏振光分束器，光电探测器，采集电路，计算机及算法软件设计部分。本方法改变传统的较为复杂的电脑控制驱动算法，具有快速搜索能力、抗噪声能力、避免无端复位和搜索陷入局部最佳值的能力，可以较好的适应偏振控制中的空间多重自由度问题，从而实现对偏振态实时有效的控制。

1、  一种偏振控制方法，其特征是该方法包括：
第一、将任意偏振态的光信号输入到偏振控制器中；
第二、偏振控制器的输出光通过分光镜耦合部分光进入偏振分束器，其余部分的输出光作为接收端最终接收到的光信号；
第三、利用偏振分束器检偏功能得到目标方向的线偏光；
第四、用光电探测器对第三步线偏光的光功率进行探测，并转化为相应的电信号；
第五、由计算机通过采集电路采集第四步的电信号；
第六、由计算机运行程序，利用局部粒子群算法对施加到偏振控制器上的最佳电压值进行搜索，从而实现偏振态的控制。

2、  根据权利要求1所述的方法，其特征是所述的局部粒子群算法的过程如下：
采用偏振控制器的三个挤压器进行偏振控制，并用下述方程表征：
P＝F(V₁，V₂，V₃)
其中P为期望输出偏振态方向或其正交方向的光功率，V_i，i＝1，2，3，为三个挤压器上所施加的电压值；当P达到最大值或最小值时的V_i值为最佳电压值，此时输出光为期望偏振态，实现控制的目的；因此算法搜索过程如下：
第一、目标搜索空间设定为三维空间，空间范围由挤压器上所能施加的最大电压值确定；搜索粒子设定为20个，每个粒子在搜索空间中的位置用一个三维向量表示，因此向量中的具体数值分别表征三个挤压器上所施加的电压值；每个粒子的速度也为一个三维向量，表征粒子在空间中朝各个方向飞行的速度分量，从而更新粒子在空间的位置；
第二、将每个粒子所对应的三个电压值施加到偏振控制器上，期望输出偏振态方向或其正交方向的光功率即为该粒子的适应度，即对应的目标函数值；
第三、将每个粒子在搜索过程中得到的最佳的目标函数值作为个体的最佳值，对应的向量作为个体最佳解；
第四、根据拓扑结构进行分组，并相应得到搜索过程中每组的最佳目标函数值和对应的解；
第五、比较所有粒子的个体最佳值从而得到整体的最佳值，对应的向量作为最佳解；
第六、根据个体最佳解和所在组的最佳解对每个粒子的飞行速度及空间位置进行更新，从而使粒子飞向整体最佳解；
第七、当前整体最佳值与理论该方向的光功率之间的误差满足误差要求时则停止搜索，否则继续第二到第七步。

3、  一种实现权利要求1所述偏振控制方法的控制系统，其特征是该系统包括：
偏振控制器：挤压方向成45°交错排列的挤压光纤式偏振控制器，控制过程中使用其中三个光纤挤压器，对挤压器施加不同的电压能够导致输出信号偏振态的不同；
分光镜：用于耦合部分偏振控制器输出的光信号，并送入偏振光分束器，另一路输出光作为接收端最终接收的光信号；
偏振光分束器：具有偏振方向选择功能，用于接收分光镜送入的光信号，并得到沿某一方向偏振的线偏光；
光电探测器：用于接收偏振光分束器输出的线偏光信号，将探测到的光功率作为反馈信号；
采集电路：设置于计算机采集卡上，用于对光电探测器输出的反馈信号进行采集；
计算机：用于优化算法的迭代搜索部分，通过计算机中软件编程实现，并将搜索结果反馈偏振控制器。

一种偏振控制方法及其控制系统
【技术领域】：
本发明方法应用于光纤通信、光纤传感等相关领域中，涉及光纤中传输的光信号偏振态的控制方法。
【背景技术】：
理想光纤的横截面是完美的圆形，并具有圆对称的折射率分布。但在实际情况中光纤的生产、成缆、光缆铺设、环境改变都不可避免地造成光纤沿不同的方向有不同的有效折射率，即导致光纤的双折射现象，使单模光纤实质上变成了“双模”光纤。单模光纤的双折射现象将对光信号的偏振态产生影响，例如在光纤通信系统中导致光信号的串扰，误码率的增加。因此必须通过偏振控制器和附加的控制算法对光信号的偏振态进行实时的控制补偿。
在偏振控制中，通常采用挤压光纤型偏振控制器对传输的光信号偏振态进行控制，传统的控制算法多为利用目标函数的梯度信息进行搜索。但是在实际应用中，由于偏振控制为多自由度的问题，梯度法在多维搜索空间中容易陷入局部极值，并且易受到系统噪声的影响，从而失去正确的梯度搜索方向。同样的，在传统算法的基础上为使控制器实现无端复位需要进行复杂的计算过程，因此传统算法并不适宜实际的偏振控制问题。
【发明内容】：
本发明的目的是解决上述方法中不足，提供一种新型的偏振控制器及其控制方法。
本发明方法中使用局部粒子群算法作为控制算法进行偏振控制，该算法是一种仿生鸟类捕食行为的模拟进化算法。计算过程中采用实数编码，无需目标函数的梯度信息、附加的复位算法，具有全局解空间搜索能力，且对函数的形式和性质无特殊要求。选用理论成功率为100％的拓扑结构从而避免搜索过程中陷入局部极小点问题，保证控制的有效性。
在偏振控制中以期望输出偏振态方向(或正交方向)光功率作为反馈信号，即算法的目标函数值，因此目标函数的最佳解为光功率最大(或光功率最小)时对应的偏振控制器外加电压值。粒子在反馈信号和当前搜索最佳解的共同作用下逐渐趋于整体最佳解，当反馈信号满足迭代终止条件时停止搜索，并把最佳解对应的电压值写入偏振控制器，使光信号恢复为初始状态。
本发明提供的偏振控制方法依次包括：
第一、将任意偏振态的光信号输入到偏振控制器中；
第二、偏振控制器的输出光通过分光镜耦合部分光进入偏振分束器，其余部分的输出光作为接收端最终接收到的光信号；
第三、利用偏振分束器检偏功能得到目标方向的线偏光；
第四、用光电探测器对第三步线偏光的光功率进行探测，并转化为相应的电信号；
第五、由计算机通过采集电路采集第四步的电信号；
第六、由计算机运行程序，利用局部粒子群算法对施加到偏振控制器上的最佳电压值进行搜索，从而实现偏振态的控制。
作为控制算法的局部粒子群算法的搜索过程如下：
采用偏振控制器的三个挤压器进行偏振控制，则问题可以用下述方程表征：
P＝F(V₁，V₂，V₃)
其中P为期望输出偏振态方向(或其正交方向)的光功率，V_i(i＝1，2，3)为三个挤压器上所施加的电压值。当P达到最大值(或最小值)时的V_i值为最佳电压值，此时输出光为期望偏振态，实现控制的目的。因此算法搜索过程如下：
第一、目标搜索空间设定为三维空间，空间范围由挤压器上所能施加的最大电压值确定。搜索粒子设定为20个，每个粒子在搜索空间中的位置用一个三维向量表示，因此向量中的具体数值分别表征三个挤压器上所施加的电压值。每个粒子的速度也为一个三维向量，表征粒子在空间中朝各个方向飞行的速度分量，从而更新粒子在空间的位置。
第二、将每个粒子所对应的三个电压值施加到偏振控制器上，期望输出偏振态方向(或其正交方向)的光功率即为该粒子的适应度，即对应的目标函数值。
第三、将每个粒子在搜索过程中得到的最佳的目标函数值作为个体的最佳值，对应的向量作为个体最佳解。
第四、根据拓扑结构进行分组，并相应得到搜索过程中每组的最佳目标函数值和对应的解。
第五、比较所有粒子的个体最佳值从而得到整体的最佳值，对应的向量作为最佳解。
第六、根据个体最佳解和所在组的最佳解对每个粒子的飞行速度及空间位置进行更新，从而使粒子飞向整体最佳解。
第七、当前整体最佳值与理论该方向的光功率之间的误差满足误差要求时则停止搜索，否则继续第二到第七步。
一种实现上述偏振控制方法的控制系统，包括：
偏振控制器：挤压方向成45°交错排列的挤压光纤式偏振控制器，控制过程中使用其中三个光纤挤压器，对挤压器施加不同的电压能够导致输出信号偏振态的不同；
分光镜：用于耦合部分偏振控制器输出的光信号，并送入偏振光分束器，另一路输出光作为接收端最终接收的光信号；
偏振光分束器：具有偏振方向选择功能，用于接收分光镜送入的光信号，并得到沿某一方向偏振的线偏光；
光电探测器：用于接收偏振光分束器输出的线偏光信号，将探测到的光功率作为反馈信号；
采集电路：设置于计算机采集卡上，用于对光电探测器输出的反馈信号进行采集；
计算机：用于优化算法的迭代搜索部分，通过计算机中软件编程实现，并将搜索结果反馈偏振控制器。
本发明的优点和积极效果：本方法提出了一种全新的偏振态控制方法及实现该方法的光路装置。该方法利用挤压型光纤偏振控制器对光信号偏振态进行控制，传统方法中，偏振控制器的控制速度常被复杂的电脑控制驱动算法限制，本发明采用的控制算法为局部粒子群算法，具有快速搜索能力、抗噪声能力和避免搜索陷入局部最佳值的能力，可以较好的适应偏振控制中的空间多重自由度问题，且由于搜索是在给定解空间进行，因此不存在越过解空间而需要复位问题，从而实现对偏振态实时有效的控制。
【附图说明】：
图1是偏振控制系统示意图；
图2是偏振控制算法搜索示意图；
图3是挤压光纤偏振控制器示意图；
图4是局部粒子法拓扑结构。
图中，1是光信号源，2是单模光纤，3是偏振控制器，4是分光镜，5是偏振分束器，6是光电探测器，7是电信号采集电路，8是计算机，9是接收器，10一29代表20个粒子，每个粒子与周围4个相连的粒子组成一组。
【具体实施方式】：
实施例1、偏振控制系统
如图1所示，该系统包括：光信号源1和单模光纤2，以及，
偏振控制器3：挤压方向成45°交错排列的挤压光纤式偏振控制器(见图3)，控制过程中使用其中三个光纤挤压器，对挤压器施加不同的电压能够导致输出信号偏振态的不同；
分光镜4：用于耦合部分偏振控制器输出的光信号，并送入偏振光分束器，另一路输出光作为接收端最终接收的光信号输入接收器9；
偏振光分束器5：具有偏振方向选择功能，用于接收分光镜送入的光信号，并得到沿某一方向偏振的线偏光；
光电探测器6：用于接收偏振光分束器输出的线偏光信号，将探测到的光功率作为反馈信号；
电信号采集电路7：设置于计算机采集卡上，用于对光电探测器输出的反馈信号进行采集；
计算机8：用于优化算法的迭代搜索部分，通过计算机中软件编程实现，并将搜索结果反馈偏振控制器。
实施例2、偏振控制方法
如图2所示，任意偏振态的光信号输入到偏振控制器中，另一端的输出光中部分光被分光镜的搜索过程进行耦合，从而进入反馈系统。通过偏振光分束器得到目标方向的线偏光并由光电探测器进行光电转换，输出的电信号经采集电路传输至计算机。计算机内部的软件算法部分根据得到的反馈电压值调整算法中各粒子的空间位置，即改变各粒了对应偏振控制器外加电压值。对入射光进行连续控制并利用反馈信号进行算法的最佳值的搜索，直至反馈信号对应的光功率满足搜索终止条件时停止。
以下结合图2、图4及“局部粒子群算法”用实例进一步说明计算过程：
预定反馈电信号最大值为800mv，最大误差为2％。
第一、对粒子的位置及速度进行初始化；
第二、用光电探测器探测每个粒子的反馈光强，读取输出的电信号作为该粒子的适应度。此时整体的最佳值为19号粒子对应的744.444mv，误差为6.948％大于规定误差，进行第一次搜索；
第三、粒子根据个体最佳解和所在组的最佳解更新速度及空间位置，并重新对反馈光强进行探测，此时整体的最佳值为12号粒子对应的765.507mv，误差为4.312％，重复步骤三；
第四、当搜索得到整体的最佳值的误差小于2％时搜索结束，此时最佳值为18号粒子对应的784.601mv，误差为1.923％。
表一搜索过程中反馈电信号值
粒子      初始位置对应的        第一次搜索后对应的       搜索终止时对应的
序号      电压值(mv)            电压值(mv)                电压值(mv)
10         711.1                 72764.591                782.295
11         337.851               755.739                  780.769
12         429.731               765.507                  735.897
13         612.271               354.64                   187.057
14         683.7                 670.574                  765.812
15         234.676               697.131                  686.142
16         542.979               662.637                  643.712
17         298.168               282.906                  781.685
18         435.531               756.349                  784.601
19         744.444               701.709                  771.306
20         150.733               288.095                  35.348
21         187.057               750.549                  703.236
22         377.534               591.514                  227.961
23         354.029               178.51                   531.38
24         551.832               25.58                    345.177
25         234.066               10.317                   48.779
26         633.333               755.128                  761.844
27         150.427               543.59                   748.413
28         336.935               753.602                  436.447
29         509.096               92.43                    460.256