一种双M-Z型光纤传感偏振控制系统的制作方法

一种双m-z型光纤传感偏振控制系统
技术领域
1.本发明涉及偏振控制技术领域，尤其涉及一种双m-z型光纤传感偏振控制系统。


背景技术：

2.在基于双m-z的长距离分布式光纤定位系统中，受热应力、机械应力以及纤芯截面不规则等因素的影响，光纤中传输的光的偏振态呈现随机变化。
3.偏振态的随机变化导致干涉仪末端出现不同程度的偏振衰落，输出光信号的形态畸变或有效幅值减小，从而使得分布式光纤振动传感器的振动事件检测性能降低甚至失效，导致分布式光纤振动传感器的两干涉输出光信号的末端均出现非均衡干涉畸变。由于两干涉输出光信号(功率信号)的幅值、相位、形态呈现非均匀变化，使得分布式光纤振动传感器的振动事件定位精度大幅降低甚至无法实现定位。
4.现有的偏振控制方法，一般是通过调节单路光强度信号的偏振态来实现两路光强度信号偏振态之间的重合，但受双mz光路本身的影响，两路光强度信号偏振态之间相互耦合，在调节其中一路偏振态的同时，另一路偏振态也在产生变化，使得整个偏振控制系统产生内部干扰。同时，在调节偏振态的过程当中，整个系统基本属于失效状态，因此，如何快速高效地调节偏振态成为当前亟需解决的关键技术问题。


技术实现要素：

5.鉴于上述的分析，本发明实施例旨在提供一种双m-z型光纤传感偏振控制系统，用以解决现有技术两路偏振态互相耦合、互相干扰的问题。
6.一方面，本发明实施例提供了一种双m-z型光纤传感偏振控制系统，包括依次连接的:
7.双mz型光强度调制器，用于产生两路大小、方向相同的光强度信号；
8.fpga采集模块，用于采集上述两路光强度信号，获取二者的相似度和能量比，以此判断是否要产生偏振驱动信号，以及，将产生的所述偏振驱动信号发送至电动偏振控制模块；
9.电动偏振控制模块，用于接收到所述偏振驱动信号后，修正双mz型光强度调制器输出的两路光强度信号的偏振态。
10.上述技术方案的有益效果如下：由于mz型光强度调制器的传递函数为非线性函数，工作时受环境温度、外电场、机械应力等外界因素以及器件固有缺陷的影响，导致工作失效。双mz型光强度调制器长时间工作时，其输出信号会随时间、温度发生漂移，导致信号失真，因此，需要对mz型光强度调制器输出的光强度信号进行采样并对输出光路进行调节。上述设置可以有效提高双mz光路偏振态控制的效率，减少控制次数，同时简化了控制电路，相比现有技术，解决了调节过程中计算量大、延时高及调节不准确等问题。
11.基于上述方法的进一步改进，所述fpga采集模块进一步包括依次连接的：
12.光电探测器，用于采集双mz型光强度调制器输出的两路大小、方向相同的光强度
信号，转换成对应的模拟电信号；
13.预处理子模块，用于对两路光强度信号对应的模拟电信号分别依次进行低频滤波和降噪处理；
14.ad转换器，用于将预处理后的两路光强度信号转换成数字形式；
15.fpga采集卡，用于获取两路所述数字形式的光强度信号的相似度和能量比，以此判断是否要产生偏振驱动信号，以及，将产生的所述偏振驱动信号发送至电动偏振控制模块。
16.上述进一步改进方案的有益效果是：由于fpga采集卡可以进行并行计算，流水线操作，运算速度比较快，因此，通过上述fpga采集模块的设置，可以使得整个控制过程加速。同时，可通过在双mz型光强度调制器输出信号端加正弦波信号调制，产生两路大小、方向相同的正弦波光强度信号模拟产生扰动输入，提高实际偏振态调节的效率，减少调节时间，排除输入带来的干扰。
17.进一步，所述fpga采集卡，还用于控制电动偏振控制模块的修正过程，确定双mz型光强度调制器输出的两路光强度信号的偏振态达到最佳相关度。
18.上述进一步改进方案的有益效果是：通过fpga采集卡控制了电动偏振控制模块的修正过程，利用fpga的并行运算加速，可以有效地减少系统延时，提升控制效率，最大效率地利用电动偏振控制器进行光强度输出信号的调整。
19.进一步，所述fpga采集模块同时产生四路相同模拟形式的偏振驱动信号,每路模拟形式的偏振驱动信号用于驱动电动偏振控制模块挤压双mz型光强度调制器输出光纤的一个方向，以修正对应方向上两路光强度信号的偏振态；
20.所述电动偏振控制模块进一步包括依次连接的：
21.da转换器，用于将接受到的fpga采集模块发送的四路模拟形式的偏振驱动信号转换成数字形式；
22.压电型偏振控制器，用于接收到每路所述数字形式的偏振驱动信号后，驱动对应的压电陶瓷对双mz型光强度调制器传输光纤的对应方向进行挤压。
23.上述进一步改进方案的有益效果是：设置的电动偏振控制模块结构简单，对双mz型光强度调制器的输出信号控制程度高。
24.进一步，所述fpga采集卡执行如下程序判断是否要产生偏振驱动信号：
25.系统初始化，将x＝0写入flash地址1，t2＝0写入flash地址2，其中，x为计数单元，t2为环境温度；
26.获取当前环境温度t1，并从flash地址2中读取所述t2，判断是否满足-t0《t
2-t1《t0；如果满足，将t1写入flash地址2，从flash地址1中读取x，令x自动加1，判断是否满足x≥1，如果x≥1，执行下一步，否则，将x＝0写入flash地址1，系统进入休眠；如果不满足，执行下一步；t0表示预设温度差；
27.获取两路光强度信号的余弦相似度和能量比进而获得系统偏振控制指标e，根据所述e与预设值比较判断是否产生偏振驱动信号，如果所述e小于预设值，产生偏振驱动信号，否则，不产生偏振驱动信号。
28.上述进一步改进方案的有益效果是：创新性地提出了使用余弦相似度及能量比进行控制指标的衡量，有效利用余弦相似度的精确度和能量比的快速性，达到控制性能和控
制速度的均衡。
29.进一步，所述与所述分别通过下面公式获得
[0030][0031][0032]
式中，ai表示一路光强度信号的幅值，bi表示另一路光强度信号的幅值，i表示第i个数据，m表示余弦相似度计算所需的采样点数，n-m表示能量比计算所需的采样点数，n表示总样本个数。
[0033]
上述进一步改进方案的有益效果是：通过上述具体的计算方法，在计算过程当中可以直接对数据进行离散化处理。
[0034]
进一步，所述系统偏振控制指标e通过下面公式获得
[0035][0036]
a1 a2＝1
[0037]
式中，a1、a2为实现标定的两个指标的权重值。
[0038]
上述进一步改进方案的有益效果是：通过余弦相似度和能量比的归一化，使得控制指标控制在1以内，可以非常方便地进行系统偏振控制指标的量化比对。
[0039]
进一步，所述fpga采集卡执行如下程序控制电动偏振控制模块的修正过程：
[0040]
启动系统时钟，将y＝n写入flash地址3，j＝0写入flash地址4，其中，y为休眠时间参数，j为动态休眠调节参数；
[0041]
通过四路偏振驱动信号，控制压电型偏振控制器的四个压电陶瓷两两呈45
°
角分别挤压双mz型光强度调制器传输光纤的四个方向；
[0042]
判断是否满足j＝n-1；如果不满足，令j自动加一、y＝n-j，将获得的所述y、j分别写入flash地址3、4，将系统时钟唤醒时间设置为y，系统进入休眠，待唤醒后再次执行所述系统初始化，并再次判断是否满足j＝n-1，直到满足为止，判定两路光强度信号的偏振态达到最佳相关度；如果满足，令y＝n-j，将系统时钟唤醒时间设置为y，系统进入休眠，待唤醒后再次执行所述系统初始化。
[0043]
上述进一步改进方案的有益效果是：在控制偏振态的调节过程当中，可以使得偏振调节针对环境进行控制时间和次数的动态调节，在应对不同环境时均具有非常好的调节效果。
[0044]
进一步，所述fpga采集卡执行如下程序控制压电型偏振控制器挤压双mz型光强度调制器传输光纤的四个方向：
[0045]
将挤压双mz型光强度调制器传输光纤的四个方向的压电陶瓷分别编号为a1、a2、a3、a4，所述a1、a2、a3、a4的初始挤压力为0；
[0046]
控制压电陶瓷a4上施加的力增加一个单位，获取两路光强度信号的余弦相似度
和能量比进而获得系统偏振控制指标e；
[0047]
将所述e与预设值进行比较，如果所述e大于等于预设值，压电陶瓷a1、a2、a3、a4上施加的力确定；如果所述e小于预设值，控制压电陶瓷a4上施加的力继续增加一个单位，将再次获得的e与预设值进行比较，直到压电陶瓷a4上施加的力达到最大值、e仍小于预设值时，将压电陶瓷a4上施加的力清零，并执行下一步；
[0048]
控制压电陶瓷a3施加的力增加一个单位，将获得的e与预设值进行比较，如果所述e大于等于预设值，压电陶瓷a1、a2、a3、a4上施加的力确定；如果所述e小于预设值，控制压电陶瓷a3上施加的力不变，压电陶瓷a4上施加的力递增，将再次获得的e与预设值进行比较，直到a4上施加的力达到最大值、e仍小于预设值时，将压电陶瓷a4上施加的力清零，a3施加的力增加一个单位，重复上述过程，直到a3施加的力达到最大值时，将a3、a4上施加的力清零,执行下一步；
[0049]
控制压电陶瓷a2施加的力增加一个单位，将获得的e与预设值进行比较，如果所述e大于等于预设值，压电陶瓷a1、a2、a3、a4上施加的力确定；如果所述e小于预设值，控制压电陶瓷a2上施加的力不变，a3、a4上施加的力按照上一步所述方式递增，直到a3、a4上施加的力都达到最大值、e仍小于预设值时，将压电陶瓷a2上施加的力增加一个单位，重复上述过程，直到a2施加的力达到最大值时，将a2、a3、a4上施加的力均清零，执行下一步；
[0050]
控制压电陶瓷a1施加的力增加一个单位，将获得的e与预设值进行比较，如果所述e大于等于预设值，压电陶瓷a1、a2、a3、a4上施加的力确定；如果所述e小于预设值，控制压电陶瓷a1上施加的力不变，a2、a3、a4上施加的力按照上一步所述方式递增，直到a2、a3、a4上施加的力都达到最大值、e仍小于预设值时，将压电陶瓷a1上施加的力增加一个单位，重复上述过程增加一个单位，直到a1施加的力达到最大值时，将a1、a2、a3、a4上施加的力均清零，返回步骤控制压电陶瓷a4上施加的力增加一个单位。
[0051]
上述进一步改进方案的有益效果是：对偏振控制过程进行量化，直接对压电陶瓷施加的四个方向的力大小进行搜索，配合fpga采集模块调节可以实现更高效、实时的控制。
[0052]
进一步，如果所述e大于等于预设值，所述fpga采集卡执行如下程序：
[0053]
判断j是否等于0；若不等于，将j自动减一，再次判断是否满足y≤15，若满足，则y自动加1；若等于，令y＝15，将获得的y写入flash地址3中，j写入flash地址4中，将系统时钟唤醒时间设置为y分钟，系统进入休眠状态；
[0054]
系统唤醒后，从flash地址1中读取x，令x自动加1，判断是否满足x≥1，如果满足，继续获取e判断是否产生偏振驱动信号，如果不满足，将x＝0写入flash地址1，系统进入休眠。
[0055]
上述进一步改进方案的有益效果是：当e大于等于预设值时，双m-z型光纤传感偏振控制系统属于失效状态，通过动态控制系统唤醒时间，可以有效增加整个系统的稳定性与环境适应性。
[0056]
本发明中，上述各技术方案之间还可以相互组合，以实现更多的优选组合方案。本发明的其他特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分优点可从说明书中变得显而易见，或者通过实施本发明而了解。本发明的目的和其他优点可通过说明书以及附图中所特别指出的内容中来实现和获得。
附图说明
[0057]
附图仅用于示出具体实施例的目的，而并不认为是对本发明的限制，在整个附图中，相同的参考符号表示相同的部件。
[0058]
图1为本发明实施例1双m-z型光纤传感偏振控制系统组成示意图；
[0059]
图2为本发明实施例2双m-z型光纤传感偏振控制系统组成示意图。
具体实施方式
[0060]
下面结合附图来具体描述本发明的优选实施例，其中，附图构成本技术一部分，并与本发明的实施例一起用于阐释本发明的原理，并非用于限定本发明的范围。
[0061]
实施例1
[0062]
本发明的一个具体实施例，公开了一种双m-z型光纤传感偏振控制系统，如图1所示，包括依次连接的双mz型光强度调制器、fpfa采集模块、电动偏振控制模块。其中，电动偏振控制模块的执行机构通过物理效应(例如挤压)控制双mz型光强度调制器的输出光路变化。
[0063]
双mz型光强度调制器，用于产生两路大小、方向相同、传输速率高达40mb/s光强度信号。
[0064]
fpfa采集模块，用于采集上述两路光强度信号，获取二者的相似度和能量比，以此判断是否要产生偏振驱动信号，通过所述偏振驱动信号控制上述两路光强度信号的偏振态。
[0065]
电动偏振控制模块，用于接收到所述偏振驱动信号后，修正双mz型光强度调制器输出的两路光强度信号的偏振态。
[0066]
实施时，由于双mz型光强度调制器的传递函数为非线性函数，长时间工作时，其偏置工作点会随时间、温度发生漂移，引起调制输出信号失真，以铌酸锂双mz型光强度调制器为例，环境温度和外电场的变化会在调制电极和铌酸锂衬底材料之间激发起自由电荷，改变光波导区域的电场分布，从而引起偏置工作点的偏移；因此，实际应用时需要对双mz型光强度调制器输出的光强度信号进行采样并反馈调节双mz型光强度调制器的输出光路，以实现偏置工作点的闭环锁定。
[0067]
与现有技术相比，本实施例提供的双m-z型光纤传感偏振控制系统可以有效提高双mz光路偏振态控制的效率，减少控制次数，同时简化了控制电路。
[0068]
实施例2
[0069]
在实施例1的基础上优化，所述fpfa采集模块进一步包括依次连接的光电探测器、预处理子模块、ad转换器、fpga采集卡，如图2所示。其中，光电探测器布设在双m-z光路之后，进行数据采集，采集的数据用于偏振态调节。
[0070]
光电探测器，用于采集双mz型光强度调制器输出的两路大小、方向相同的光强度信号，转换成对应的模拟电信号。
[0071]
预处理子模块，用于对两路光强度信号对应的模拟电信号分别进行信号预处理。优选地，所述信号预处理为依次进行低频滤波和降噪处理。
[0072]
ad转换器，用于将预处理后的两路光强度信号转换成数字形式。
[0073]
fpga采集卡，用于获取两路所述数字形式的光强度信号的相似度和能量比，以此
判断是否要产生偏振驱动信号，以及，将产生的所述偏振驱动信号发送至电动偏振控制模块，并通过所述偏振驱动信号控制上述两路光强度信号的偏振态达到最佳相关度。
[0074]
优选地，所述fpga采集模块同时产生四路相同模拟形式的偏振驱动信号,每路模拟形式的偏振驱动信号用于驱动电动偏振控制模块挤压双mz型光强度调制器输出光纤的一个方向，以修正对应方向上两路光强度信号的偏振态。
[0075]
优选地，所述偏振控制模块进一步包括四路依次连接的da转换器、压电型偏振控制器，如图2所示。四路同时实现控制，fpga采集卡产生四路相同模拟形式的偏振驱动信号。
[0076]
da转换器，用于将接受到的fpga采集模块发送的模拟形式的偏振驱动信号转换成数字形式。
[0077]
压电型偏振控制器，用于接收到所述数字形式的偏振驱动信号后，驱动对应的压电陶瓷对双mz型光强度调制器传输光纤的对应方向进行挤压，以控制上述两路光强度信号的偏振态。
[0078]
可选地，所述修正过程可采用模拟退火算法、遗传算法、粒子群算法控制两路光强度信号的偏振态，本领域技术人员可以理解。
[0079]
优选地，所述fpga采集卡执行如下程序判断是否要产生偏振信号：
[0080]
s1.系统初始化，将x＝0写入flash地址1，t2＝0写入flash地址2，其中，x为计数单元，t2为环境温度；
[0081]
s2.获取当前环境温度t1，并从flash地址2中读取所述t2，判断是否满足-t0《t
2-t1《t0；如果满足，将t1写入flash地址2，从flash地址1中读取x，令x自动加1，判断是否满足x≥1，如果x≥1，执行下一步，否则，将x＝0写入flash地址1，系统进入休眠；如果不满足，执行下一步；t0表示预设温度差；
[0082]
s3.获取两路光强度信号的余弦相似度和能量比进而获得系统偏振控制指标e，根据所述e与预设值比较判断是否要产生偏振驱动信号，如果所述e小于预设值，产生偏振驱动信号，否则，不产生偏振驱动信号。
[0083]
优选地，步骤s3中，所述与所述分别通过下面公式获得
[0084][0085][0086]
式中，ai表示一路光强度信号的幅值，bi表示另一路光强度信号的幅值，i表示第i个数据，m表示余弦相似度计算所需的采样点数，n-m表示能量比计算所需的采样点数，n表示总样本个数。
[0087]
所述系统偏振控制指标e通过下面公式获得
[0088]
[0089]
a1 a2＝1
[0090]
式中，a1、a2为实现标定的两个指标的权重值。
[0091]
优选地，所述fpga采集卡执行如下程序完成通过所述偏振信号控制电动偏振控制模块的修正过程：
[0092]
s4.启动系统时钟，将y＝n写入flash地址3，j＝0写入flash地址4，其中，y为休眠时间参数，j为动态休眠调节参数；
[0093]
s5.通过四路偏振驱动信号，控制压电型偏振控制器的四个压电陶瓷两两呈45
°
角分别挤压双mz型光强度调制器传输光纤的四个方向；
[0094]
s6.判断是否满足j＝n-1；如果不满足，令j自动加一、y＝n-j，将获得的所述y、j分别写入flash地址3、4，将系统时钟唤醒时间设置为y，系统进入休眠，待唤醒后再次执行所述系统初始化，并再次判断是否满足j＝n-1，直到满足为止，判定两路光强度信号的偏振态达到最佳相关度；如果满足，令y＝n-j，将系统时钟唤醒时间设置为y，系统进入休眠，待唤醒后再次执行系统初始化。
[0095]
优选地，步骤s5进一步包括：
[0096]
s51.将挤压双mz型光强度调制器传输光纤的四个方向的压电陶瓷分别编号为a1、a2、a3、a4，所述a1、a2、a3、a4的初始挤压力为0；
[0097]
s52.控制压电陶瓷a4上施加的力增加一个单位，获取两路光强度信号的余弦相似度和能量比进而获得系统偏振控制指标e；
[0098]
s53.将所述e与预设值进行比较，如果所述e大于等于预设值，压电陶瓷a1、a2、a3、a4上施加的力确定；如果所述e小于预设值，控制压电陶瓷a4上施加的力继续增加一个单位，将再次获得的e与预设值进行比较，直到压电陶瓷a4上施加的力达到最大值、e仍小于预设值时，将压电陶瓷a4上施加的力清零，并执行步骤s54；
[0099]
s54.控制压电陶瓷a3施加的力增加一个单位，将获得的e与预设值进行比较，如果所述e大于等于预设值，压电陶瓷a1、a2、a3、a4上施加的力确定；如果所述e小于预设值，控制压电陶瓷a3上施加的力不变，压电陶瓷a4上施加的力递增，将再次获得的e与预设值进行比较，直到a4上施加的力达到最大值、e仍小于预设值时，将压电陶瓷a4上施加的力清零，a3施加的力增加一个单位，重复上述过程，直到a3施加的力达到最大值时，将a3、a4上施加的力清零,执行步骤s55；
[0100]
s55.控制压电陶瓷a2施加的力增加一个单位，将获得的e与预设值进行比较，如果所述e大于等于预设值，压电陶瓷a1、a2、a3、a4上施加的力确定；如果所述e小于预设值，控制压电陶瓷a2上施加的力不变，a3、a4上施加的力按照上一步所述方式递增，直到a3、a4上施加的力都达到最大值、e仍小于预设值时，将压电陶瓷a2上施加的力增加一个单位，重复上述过程，直到a2施加的力达到最大值时，将a2、a3、a4上施加的力均清零，执行步骤s56；
[0101]
s56.控制压电陶瓷a1施加的力增加一个单位，将获得的e与预设值进行比较，如果所述e大于等于预设值，压电陶瓷a1、a2、a3、a4上施加的力确定；如果所述e小于预设值，控制压电陶瓷a1上施加的力不变，a2、a3、a4上施加的力按照上一步所述方式递增，直到a2、a3、a4上施加的力都达到最大值、e仍小于预设值时，将压电陶瓷a1上施加的力增加一个单位，重复上述过程增加一个单位，直到a1施加的力达到最大值时，将a1、a2、a3、a4上施加的力均清零，返回步骤s52控制压电陶瓷a4上施加的力增加一个单位。
[0102]
优选地，步骤s3中，如果所述e大于等于预设值，除了不产生偏振驱动信号，所述fpga采集卡还执行如下程序：
[0103]
判断j是否等于0；若不等于，将j自动减一，再次判断是否满足y≤15，若满足，则y自动加1；若等于，令y＝15，将获得的y写入flash地址3中，j写入flash地址4中，将系统时钟唤醒时间设置为y分钟，系统进入休眠状态；
[0104]
系统唤醒后，从flash地址1中读取x，令x自动加1，判断是否满足x≥1，如果满足，继续获取e判断是否要产生偏振驱动信号，如果不满足，将x＝0写入flash地址1，系统进入休眠。
[0105]
优选地，所述压电型偏振控制器采用pic-m02型集成polariteii/iii偏振控制器。所述fpga采集卡采用xilinx公司的的spartan-6xc6slx45t型fpga采集卡。
[0106]
与实施例1相比，本实施例提供的双m-z型光纤传感偏振控制系统通过优化压电型偏振控制器的输入参数(是否产生偏振驱动信号)，以及计算一段抽样数据的相似度及能量比获得控制关键指标(系统偏振控制指标e)，大幅度减少控制次数，优化整个控制系统的效率，简化了控制电路，同时通过给出了两个指标的占比(a1、a2)，可以达到精度与时间、效率上的最优。该双m-z型光纤传感偏振控制系统能够同时根据时间及温度的变化进行休眠时间的自动调节，可以应对各种恶劣天气及环境，具备自适应条件，在大范围、宽领域尤其是环境恶劣的场所，具备可实施性及高可靠性。
[0107]
本领域技术人员可以理解，实现上述实施例方法的全部或部分流程，可以通过计算机程序来指令相关的硬件来完成，所述的程序可存储于计算机可读存储介质中。其中，所述计算机可读存储介质为磁盘、光盘、只读存储记忆体或随机存储记忆体等。
[0108]
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。