双向混沌环形激光器分布光纤传感系统及其时间差定位法.pdf

本发明公开了一种双向混沌环形激光器分布光纤传感系统及其时间差定位方法。本系统包括由半导体光放大器、偏振控制器、耦合器和传感光纤用光纤跳线依次连接构成的环形激光器、检偏器、光电探测器和数据采集与处理系统。环形激光器的输出光分别经两个检偏器进入两个光电探测器转成电信号进入数据采集与处理系统。定位方法步骤如下：事先计算任意一路无扰动混沌波形的自相关函数，相邻自相关峰的时间间隔即为帧长τ；由相邻帧混沌波形的互相关峰值开始下降的帧号确定扰动帧；把扰动帧及其前后一帧减去这三帧的前一个无扰动帧的波形，确定不同于其前后波形的一段波形的持续时间Dt，由v(τ+Dt)/2算得扰动位置。其中，v为纤芯中的光速。

权利要求书
1.  一种双向混沌环形激光器分布光纤传感系统，其特征在于，包括半导体光放大器（1）、耦合器（2）、偏振控制器（3）、传感光纤（4）、第一检偏器（5）、第二检偏器（6）、第一光电探测器（7）、第二光电探测器（8）和数据采集与处理系统（9）；所述半导体光放大器（1）、耦合器（2）、偏振控制器（3）和传感光纤（4）用标准单模光纤跳线依次连接，构成光纤环形激光器，所述耦合器（2）的a端口连接半导体光放大器（1），所述耦合器（2）的I端口连接偏振控制器（3），所述耦合器（2）的II端口连接第一检偏器（5）；所述耦合器（2）的b端口连接第二检偏器（6），所述第一检偏器（5）连接第一光电探测器（7），所述第二检偏器（6）连接第二光电探测器（8），所述第一光电探测器（7）和第二光电探测器（8）将光信号转成电信号后进入数据采集与处理系统（9）。

2.  根据权利要求1所述的双向混沌环形激光器分布光纤传感系统，其特征在于，所述第一检偏器（5）和第一光电探测器（7）以及所述第二检偏器（6）和第二光电探测器（8）组成的两路光路只取其中一路作为接收光路，另一路在系统工作状态不好时作为定位的参考信号。

3.  一种双向混沌环形激光器分布光纤传感系统的时间差定位方法，其特征在于，包括如下步骤：
1）事先采集任意一路光路无扰动时的混沌波形的多帧数据，计算其自相关函数，由相邻自相关峰的时间间隔确定帧长τ； 
2）计算任意一路或两路光路的混沌波形的相邻帧的互相关函数，由其互相关峰值开始下降的帧的序号确定扰动发生在哪一帧，即确定扰动帧的序号；
3）把扰动帧及其前后一帧减去这三帧的前一个无扰动帧的波形，由相减后的三帧波形确定不同于其前后波形的一段波形的持续时间?t，由                                               算得扰动位置，其中，v为纤芯中的光速。

说明书双向混沌环形激光器分布光纤传感系统及其时间差定位法
技术领域
本发明涉及一种双向混沌环形激光器分布光纤传感系统及其时间差定位法。
背景技术
在混沌环形激光器分布光纤传感系统方面，我们曾提出单向环形激光器分布光纤传感系 统结构及其帧间互相关定位方法与短时互相关定位方法。但单向环形激光器光纤传感系统的 灵敏度较低，响应也慢，于是我们把它改进为双向偏振混沌光纤环形激光器结构，该结构的 灵敏度较高，响应也快。在定位方面，帧间互相关方法需要事先绘制扰动位置与互相关峰值 的关系曲线图，而且不能对多点扰动进行定位。而短时互相关方法赖以定位的基准是作为帧 头的系统输出波形中的自脉冲对应于环形激光器的光纤环的起始位置，这样混沌波形的一帧 时间与光纤环的光纤位置是一一对应的。然而自脉冲在环中是不断传输变化的，并不是一直 与环的起始位置相对应，导致定位结果存在不可避免的随机误差。因此，我们又提出了一种 双向偏振混沌环形激光器分布光纤传感系统的时间差定位方法。当有扰动作用在传感光纤上 时，该传感系统的输出时域波形中有一段波形与其前后波形明显不同，其持续时间正好等于 扰动信号从扰动位置处分别沿着顺时针方向与逆时针方向到达传感光纤两端的时间差Δt，已 知整个传感光纤的长度或环形激光器的帧长τ，只要求出该时间差Δt，经换算就可以得到扰动 发生的位置。该定位方法简单快捷，而且不存在定位基准的随机性问题。
发明内容
本发明的目的在于针对已有技术存在的缺陷，提供一种双向混沌环形激光器分布光纤传 感系统及其时间差定位法。
为达到上述目的，本发明采用如下技术方案：
一种双向混沌环形激光器分布光纤传感系统，包括半导体光放大器、耦合器、偏振控制 器、传感光纤、第一检偏器、第二检偏器、第一光电探测器、第二光电探测器和数据采集与 处理系统；所述包括半导体光放大器、耦合器、偏振控制器和传感光纤用标准单模光纤跳线 依次连接，构成光纤环形激光器，所述耦合器的a端口连接半导体光放大器，所述耦合器的 I端口连接偏振控制器，所述耦合器的II端口连接第一检偏器；所述耦合器的b端口连接第 二检偏器，所述第一检偏器连接第一光电探测器，所述第二检偏器连接第二光电探测器，所 述第一光电探测器和第二光电探测器将光信号转成电信号后进入数据采集与处理系统。
所述第一检偏器和第一光电探测器以及所述第二检偏器和第二光电探测器组成的两路光 路只取其中一路作为接收光路，另一路在系统工作状态不好时作为定位的参考信号。
一种双向混沌环形激光器分布光纤传感系统的时间差定位法，包括如下步骤：
1)事先采集任意一路光路无扰动时的混沌波形的多帧数据，计算其自相关函数，由相邻 自相关峰的时间间隔确定帧长τ；
2)计算任意一路或两路光路的混沌波形的相邻帧的互相关函数，由其互相关峰值开始下 降的帧的序号确定扰动发生在哪一帧，即确定扰动帧的序号；
3)把扰动帧及其前后一帧减去这三帧的前一个无扰动帧的波形，由相减后的三帧波形确 定不同于其前后波形的一段波形的持续时间Δt，由v×(τ+Δt)/2算得扰动位置。其中，v为 纤芯中的光速。
本系统的工作原理与特点：
由半导体光放大器(SOA)、偏振控制器(PC)和耦合器(OC)通过标准单模光纤连接 形成的光纤环形激光器，调整偏振控制器和半导体光放大器的驱动电流可使激光器输出混沌 波形。混沌波形具有帧型结构，它的自相关函数具有多个自相关峰，这些自相关峰的间隔时 间都等于光在环形腔中环行一次所需要的时间，称为帧长τ。而且相邻帧混沌波形具有相似性。 这种相似性可用两帧波形的互相关函数的峰值高低来衡量。无扰动相邻帧混沌波形的时相似 性很好，各个互相关峰都很高，归一化互相关系数接近于1，而受到扰动后波形会变化，导 致其相似性降低，相邻帧互相关峰也会降低，据此，可找到从哪一帧波形发生了扰动，称为 扰动帧。
当外界扰动作用在传感光纤上时，扰动信号引起光纤中的混沌光的相位发生变化，从而 导致混沌光的偏振态发生变化，由于混沌系统对包括偏振态的初值的敏感性，混沌波形即刻 发生变化，变化的波形经过t1和t2时间分别沿顺时针方向与逆时针方向到达传感光纤两端， 即半导体光放大器和耦合器处，并从耦合器输出。在该混沌传感系统中，SOA、OC与PC之 间的连接光纤长度可忽略不计，SOA处于非线性放大状态。当两个方向的光都到达SOA之 后，两束光在SOA处发生相互作用。由扰动引起变化的部分由于相互作用而发生较大变化， 而在两个方向的混沌光到达SOA的时间间隔Δt＝t2-t1内的时域波形并没有受影响，也不同于 扰动发生前的混沌波形，因此在整个时域波形中可以明显看到有一段持续时间为Δt的时域波 形与其前后波形都不同。已知整个传感光纤的长度或帧长τ，只要求出该时间差Δt，经换算就 可以得到扰动发生的位置。
然而混沌波形是类随机的，用肉眼难以分辨其波形变化的起止时刻。为了提高定位的准 确度，将扰动帧及其前后各一帧时域波形分别减去这三帧之前的一个无扰动帧的时域波形。 从相减后的三帧时域波形可清晰地看到所需的时间差Δt，从而可求出扰动所处位置L＝v×(τ+ Δt)/2。其中，v为纤芯中的光速。
本发明与现有技术相比较，具有如下显而易见的突出实质性特点和显著优点：
一种双向混沌环形激光器分布光纤传感系统及其时间差定位方法其系统结构和数据处理 都很简单，因此，检测与定位的实时性都很好，而且定位准确，不存在定位基准的随机性问 题。
附图说明
图1为实施例1系统结构示意图。
图2为两路输出的无扰动时的偏振混沌波形。
图3为第一光电探测器输出的波形的自相关函数。
图4为两路输出的偏振混沌波形受扰动后的波形。
图5为两路输出的偏振混沌波形相邻帧的互相关峰值。
图6为第一光电探测器输出的受扰动波形的扰动帧及其后各1帧与这三帧的前1个无扰 动帧的波形相减的结果。
具体实施方式
本发明优选实施例，结合附图说明如下：
实施例1
如图1所示，一种双向混沌环形激光器分布光纤传感系统，包括半导体光放大器1、耦 合器2、偏振控制器3、传感光纤4、第一检偏器5、第二检偏器6、第一光电探测器7、第二 光电探测器8和数据采集与处理系统9；所述包括半导体光放大器1、耦合器2、偏振控制器 3和传感光纤4用标准单模光纤跳线依次连接，构成光纤环形激光器，所述耦合器2的a端 口连接半导体光放大器1，所述耦合器2的I端口连接偏振控制器3，所述耦合器2的II端口 连接第一检偏器5；所述耦合器2的b端口连接第二检偏器6，所述第一检偏器5连接第一光 电探测器7，所述第二检偏器6连接第二光电探测器8，所述第一光电探测器7和第二光电探 测器8将光信号转成电信号后进入数据采集与处理系统9。
本实施例中，半导体光放大器1选用美国THORLABS公司的BOA(Booster Optical  Amplifier)模块(BOA1004S)。输出耦合器2采用上海翰宇光纤通信技术有限公司生产的2X2 耦合器，分光比为20：80。偏振控制器3采用美国General Photonics公司的光纤挤压器 (PLC-001)。所有光纤均采用G.652标准单模光纤。第一检偏器5和第二检偏器6均采用General  Photonics公司的尾纤型检偏器，第一光电探测器7和第二光电探测器8均为深圳飞通公司生 产的PIN-TIA探测器。数据采集与处理系统9由一台普通微型计算机和英国PICO公司的 PicoScope 5203数字示波器组成，示波器把采集的数据传送到计算机，用Matlab软件编程处 理得到扰动位置。
实施例2
本实施例与实施例1基本相同，特别之处如下：所述第一检偏器5和第一光电探测器7 以及所述第二检偏器6和第二光电探测器8组成的两路光路只取其中一路作为接收光路，另 一路在系统工作状态不好时作为定位的参考信号。
实施例3
一种双向混沌环形激光器分布光纤传感系统的时间差定位方法，包括如下步骤：
调整半导体光放大器1的驱动电流和偏振控制器3，使系统工作于混沌状态。采集一部 分混沌数据，如图2所示，上边的混沌波形对应第一光电探测器的输出，下边的混沌波形对 应于第二光电探测器的输出。选第一探测器输出的混沌波形数据计算其自相关函数，如图3 所示，得到帧长τ＝16.63μs。在距离半导体光放大器3.232km的传感光纤处加一个铌酸锂电 光相位调制器作为模拟扰动源，利用Agilent公司的信号发生器(33250A)产生的频率为25 kHz，峰峰值为3Vpp，脉宽为20us的脉冲信号在burst模式下的输出作为扰动信号，burst参 数为：周期10ms、1个cycle。受扰动后的波形如图4所示。可以看到，两路输出是同步的， 受扰动波形都是一簇簇地变化。计算两路输出的偏振混沌波形相邻帧的互相关函数，得到相 邻帧互相关峰值图如图5所示。图5显示两路输出波形的相邻帧互相关峰值都是从第26帧开 始下降的，也即它们的扰动帧都是第27帧。选第一光电探测器输出的扰动帧及其前后各一帧 减去这三帧的前一个无扰动帧的波形，即第26、27、28帧波形减去第25帧波形，得到的结 果如图6所示。从图6得到时间差Δt＝15.1μs。计算得到扰动位置为L＝v×(τ+Δt)/2＝ 3/1.472×108×(16.63+15.1)×10-6/2＝3.2334km(这里纤芯的折射率取作1.472)。与实际扰 动位置3.232km相比，绝对误差1.4m，相对误差0.04％。