CN105973280B - 光反馈半导体激光器的离散多开关状态检测***和方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种光反馈半导体激光器的离散多开关状态检测***和方法，检测***包括半导体激光器、数据采集与处理单元和多开关传感网络；半导体激光器自带光电探测器，其输出光经多开关传感网络反馈回半导体激光器，在半导体激光器中生成强度混沌光信号，经光电探测器转变成混沌电信号输入数据采集与处理单元；多开关传感网络包括N个支路，各支路通过一段光纤连接一个光开关。检测方法包括辨识混沌电信号的自相关函数中与各光强度反馈式开关位置相对应处的峰值是否大于预设阈值的步骤。本发明可以在复杂环境下对开关状态进行远程监控，准确地对多个开关的状态进行检测；结构简单灵活、成本低、使用更方便。
Description
技术领域
本发明涉及一种半导体激光器的离散多开关状态检测***和方法，尤其是一种光反馈半导体激光器的离散多开关状态检测***和方法，属于电路检测技术领域。
背景技术
开关状态检测可以应用于很多领域。如用于电力***中电路的通断状态检测。也可用于安防领域，如不对电信阱盖、银行保险柜、保密资料室的门窗以及存放危险品的仓库的门窗等的打开与否进行准确检测和及时预警，将会造成很大的经济损失，甚至灾难性的后果。还有一些特定点的温度、液位、气压、液压等达到某一阈值后的报警等，也可以用开关状态的检测来实现。因此，对开关状态的检测具有很强的实用价值。
当需要检测状态的开关很多时，可以利用光纤把它们连接起来，形成一个光纤传感***，实现对各个开关状态的远程、同时检测。如利用光时域反射（OTDR）光纤传感***。然而，它的成本较高，价格昂贵，且实时性较差。另一方面，这些待测开关往往是离散分布的，没有必要利用全分布式的OTDR光纤传感***。
方捻等公开了一种开关量光纤传感***及其短时互相关定位方法，专利号：ZL2011 1 0321749.2，利用脉冲光源和耦合器组成的传感***对多个开关量进行状态检测并定位。该方法结构简单，由于采用短时互相关法定位，有一定的抗噪能力，但***受制于脉冲光源的脉冲宽度和脉冲周期以及探测器的灵敏度，可分辨的最小开关距离与可检测的最大开关距离均很有限。
本发明利用光反馈半导体激光器的非线性特性和混沌信号良好的自相关特性，提出了一种新的光强度反射式离散多开关状态的检测方法。
发明内容
本发明的目的是针对现有技术中的不足，提供一种光反馈的半导体激光器的离散多开关状态检测***和方法。
本发明所采用的技术方案是：
技术方案一：
一种光反馈半导体激光器的离散多开关状态检测***，包括半导体激光器、数据采集与处理单元和多开关传感网络；所述的半导体激光器自带光电探测器；所述半导体激光器的输出光经所述多开关传感网络反馈回半导体激光器，在半导体激光器中生成强度混沌光信号，经光电探测器转变成混沌电信号，所述混沌电信号输入所述的数据采集与处理单元；所述多开关传感网络包括N个支路，所述各支路通过一段光纤连接一个光开关，所述光开关为光强度反馈式开关；所述数据采集与处理单元用于辨识所述混沌电信号的自相关函数中与所述各光开关位置相对应处的峰值是否大于预设阈值。
所述光反馈半导体激光器的离散多开关状态检测***还包括光电探测器和主耦合器；所述的半导体激光器不带光电探测器；所述的半导体激光器的输出端与所述的主耦合器的I端口相连，所述主耦合器的耦合端口a经所述光电探测器连接所述数据采集与处理单元；所述的主耦合器的直通端口b与所述的多开关传感网络相连；所述的半导体激光器输出的强度混沌光信号经所述的主耦合器的耦合端口a进入所述的光电探测器，转变成混沌电信号后输入所述的数据采集与处理单元。
所述的主耦合器的耦合比不大于20%。
所述多开关传感网络可以为串联结构、并联结构，或者串并联混合结构。
所述串联结构的多开关传感网络通过N-1个1X2光纤耦合器逐级分成N个支路。
所述并联结构的多开关传感网络通过一个1XN光纤耦合器一次分成N个支路。
技术方案二：
一种用于技术方案一所述光反馈半导体激光器的离散多开关状态检测***的检测方法，包括以下步骤：
步骤1：计算所述混沌电信号的自相关函数；
步骤2：辨识所述自相关函数在与所述各光强度反馈式开关位置相对应处的峰值是否大于预设阈值；如果是，判断对应光开关处于打开状态，否则判断对应光强度反馈式开关处于闭合状态。
所述检测方法还包括根据所述各光开关位置对所述自相关函数滤波的步骤：滤除与所述各光开关位置对应的时延位置和零时延位置之外的峰值。
所述光开关为光强度反馈式开关。
采用上述技术方案，本发明取得如下有益效果：
1、本发明可以在复杂环境下对开关状态进行远程监控，准确地对多个开关的状态进行检测；
2、本发明***结构简单灵活、成本低。
3、由于是有源传感，本发明可检测的距离较远，也不存在可分辨距离的限制。
4、本发明采用相对量的检测，检测结果与回路中光的衰减量基本无关，只要能够分辨打开和闭合状态时的自相关次峰的峰值大小即可，与需要考虑绝对量的其它检测方法相比，使用更方便。
附图说明
图1为本发明实施例1的结构图；
图2为本发明实施例1和实施例3中的多开关传感网络结构图；
图3为本发明实施例2的结构图；
图4为本发明实施例2中的多开关传感网络结构图；
图5为本发明实施例3中全部光开关都闭合时的直流电信号；
图6为本发明实施例3中全部光开关都闭合时的自相关函数；
图7为本发明实施例3中光开关1打开时的混沌电信号；
图8为本发明实施例3中光开关1打开时的自相关函数；
图9为本发明实施例3中3个光开关同时打开时的混沌电信号；
图10为本发明实施例3中3个光开关同时打开时的自相关函数；
图11为本发明实施例3中全部光开关都闭合时的自相关函数经过滤处理后的结果；
图12为本发明实施例3中光开关1打开时的自相关函数经过滤处理后的结果；
图13中本发明实施例3中3个光开关同时打开时的自相关函数经过滤处理后的结果。
具体实施方式
实施例1：
如图1所示，一种光反馈半导体激光器的离散多开关状态检测***，包括半导体激光器、数据采集与处理单元和多开关传感网络；所述的半导体激光器自带光电探测器；所述半导体激光器的输出光经所述多开关传感网络反馈回半导体激光器，在半导体激光器中生成强度混沌光信号，经光电探测器转变成混沌电信号，所述混沌电信号输入所述的数据采集与处理单元；所述多开关传感网络包括N个支路，所述各支路通过一段光纤连接一个光开关，所述光开关为光强度反馈式开关；所述数据采集与处理单元用于辨识所述混沌电信号的自相关函数中与所述各光开关位置相对应处的峰值是否大于预设阈值。
所述多开关传感网络为串联结构或串并联混合结构。
如图2所示，所述串联结构的多开关传感网络通过N-1个1X2光纤耦合器逐级分成N个支路。
实施例2：
如图3所示，所述光反馈半导体激光器的离散多开关状态检测***还包括光电探测器和主耦合器；所述的半导体激光器不带光电探测器；所述的半导体激光器的输出端与所述的主耦合器的I端口相连，所述主耦合器的耦合端口a经所述光电探测器连接所述数据采集与处理单元；所述的主耦合器的直通端口b与所述的多开关传感网络相连；所述的半导体激光器输出的强度混沌光信号经所述的主耦合器的耦合端口a进入所述的光电探测器，转变成混沌电信号后输入所述的数据采集与处理单元。
所述的主耦合器的耦合比不大于20%，以让更多的光进入多开关传感网络。
所述多开关传感网络为并联结构。
如图4所示，所述并联结构的多开关传感网络通过一个1XN光纤耦合器一次分成N个支路。
实施例3：
本实施例与实施例2的区别在于，所述多开关传感网络为串联结构，且N=3。所述的每个支路的光纤长度可以根据光强度反馈式开关的实际位置确定，也可以与光强度反馈式开关位置不完全一致。总之，只要能够在最终的检测结果中分辨出不同的光开关的位置，光纤长度可以根据实际检测的需要灵活地确定。
对所述的光开关的结构、材质或反射率等不作特定要求，只要能够通过反馈光的强度大小区分光强度反馈式开关的状态即可。
对所述的多开关传感网络中的1X2耦合器和1XN耦合器的耦合比不作特别要求，只要每个反馈支路有足够强的光反馈即可。
如图2和图3所示，本实施例选用不带光电探测器的半导体激光器和串联结构多开关传感网络构造了一个光反馈半导体激光器的离散三开关状态检测***，包括一个半导体激光器、一个20/80的2X2光纤耦合器作为主耦合器、一个光电探测器、一个数据采集与处理单元、两个50/50的2X2光纤耦合器用于耦合器1-耦合器2、三段单模光纤、光开关1-光开关3。半导体激光器的输出光经过主耦合器分成两路，20%的输出光经过光电探测器转变成电信号，送入数据采集与处理单元，对检测***输出的波形数据进行采集与处理。主耦合器的另一端输出的光经过耦合器1后，平分成两路，一路经过长度为2.1km的光纤后由光开关1反射回去，另一路再经过耦合器2平分成两路，分别经过长度为890m的光纤和3.1km的光纤后，被光开关2和光开关3反射回去。
本实施例中，半导体激光器选用四川绵阳超光通信有限公司的DFB激光器模块，它的工作波长为1528nm。主耦合器和耦合器1-耦合器2未用到的端口的尾纤末端均涂抹光纤匹配膏，以减少尾纤端面反射对***的影响。所有单模光纤均采用G.652标准单模光纤，光电探测器为深圳飞通公司生产的PIN-TIA探测器。数据采集与处理单元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。各光开关用反射镜代替，与反射镜连接的单模光纤为FC/APC型光纤，未接入反射镜时单模光纤末端没有反射，接入反射镜时，反射率约为90%。因此，反射镜是否接入就对应着光开关是否打开。
图5～图10分别是一个反射镜都不接、只在光开关1处接反射镜以及在光开关1-光开关3处同时接反射镜，也即3个光开关都闭合、只有光开关1打开以及光开关1-光开关3同时打开情况下的输出电信号及其自相关函数。在图5-图6中，激光器输出的光没有反射回去，未形成光反馈，此时探测到的是直流信号，其自相关函数只有零时延位置的主峰。在图7-图8中，只有光开关1所在支路形成了光反馈。输出类随机的混沌电信号，其自相关函数在t 1=±21us处出现了对称的自相关次峰，而光从激光器到光开关1的往返时间正好为t 1=21us。因此，可以判断出光开关1为打开状态，其它光开关为闭合状态。当有多个光开关同时打开时，***存在多个反馈支路，输出仍为混沌电信号，如图9所示，但其自相关函数中会出现多个自相关次峰，如图10所示。次峰所在的时延位置也都等于光从激光器到对应开关的往返时间。在图10中，t 1=t 1=21us，t 2=t 2=8.9us，t 3=t 3=31us，可以判断出光开关1-光开关3都为打开状态。
但当有多个反馈支路时，输出的混沌电信号的自相关函数中也会出现其它的次峰，如图10所示。只保留与待测光开关位置对应的时延位置的自相关次峰而忽略其余次峰来滤掉多余的次峰。图6、图8、图10的自相关函数经过滤后得到的结果分别如图11-图13所示，可以清楚地看出每个光开关所在位置都对应一个非零的自相关次峰。当某个光开关处于闭合状态时，其对应的次峰值在0.05以下，而一旦其打开时，对应的次峰值则高达0.5以上。设定阈值为0.1，分别比较三个光开关所在位置对应的自相关次峰值是否大于0.1，即可得知它们是否为打开状态。
实施例4：
一种用于技术方案一所述光反馈半导体激光器的离散多开关状态检测***的检测方法，包括以下步骤：
步骤1：计算所述混沌电信号的自相关函数；
步骤2：辨识所述自相关函数在与所述各光强度反馈式开关位置相对应处的峰值是否大于预设阈值；如果是，判断对应光开关处于打开状态，否则判断对应光开关处于闭合状态。
所述检测方法还包括根据所述各光开关位置对所述自相关函数滤波的步骤：滤除与所述各光开关位置对应的时延位置和零时延位置之外的峰值。
本发明采用串联、并联或串并联混合结构把多个光开关与半导体激光器之间形成多个反馈支路。每个光开关被打开时，其对应的反馈支路产生较强的反射光，光开关闭合时，对应支路不产生光反馈，或者反馈很弱，可以忽略不计。这里光开关的状态与反射光强大小的对应关系可以根据实际确定，一般地，光开关的闭合状态对应小的反射率，而打开状态设为大的反射率，这样便于预警。当所有光开关都处于闭合状态时，各个支路都没有光反馈，***输出为直流信号，其自相关函数只有一个在零时延位置的自相关峰，称为主峰。而当某个光开关打开时，其对应的支路形成足够强的光反馈，输出混沌波形。其自相关函数会出现新的、与光开关位置对应的自相关峰，称为次峰，次峰对应的时延位置τ i 等于光从半导体激光器到对应光强度反射式开关的往返时间t i ，即
其中c为光在真空中的传播速度，n为光纤纤芯的折射率，可近似取作1.5，L i 为第i个光开关离半导体激光器的距离，i=1, 2, …N，N为待测状态的开关数。
当有多个光开关打开时，输出的混沌信号的自相关函数会出现多个自相关次峰，且每个自相关次峰对应的时间等于光从半导体激光器到对应光开关的往返时间。因此，通过有无次峰出现可判断是否有光开关被打开，次峰的时延位置与半导体激光器的光到达某个/些光开关的往返时间一致，可以由此来判断这个/些光开关处于打开状态。对有多个光开关同时打开时出现的干扰自相关次峰，由于光开关位置是确定不变的，可以通过只保留与光开关位置对应的时延位置的自相关次峰而忽略其余次峰的方法来滤掉多余的次峰。过滤后的自相关函数中只有光开关位置对应的时延位置存在非零的自相关次峰。当某个光开关处于闭合状态时，其对应的次峰很弱，而一旦其打开时，对应的次峰则明显变强。因此可以设定一个合适的阈值，只要分别比较每个开关位置所对应的自相关次峰峰值是否大于该阈值，即可得知该开关是否为打开状态。
Claims (6)
1.一种光反馈半导体激光器的离散多开关状态检测***，其特征在于：包括半导体激光器、数据采集与处理单元和多开关传感网络；所述的半导体激光器自带光电探测器；所述半导体激光器的输出光经所述多开关传感网络反馈回半导体激光器，在半导体激光器中生成强度混沌光信号，经光电探测器转变成混沌电信号，所述混沌电信号输入所述的数据采集与处理单元；所述多开关传感网络包括N个支路，各所述支路通过一段光纤连接一个光开关，所述光开关为光强度反馈式开关；所述数据采集与处理单元用于辨识所述混沌电信号的自相关函数中与所述各光开关位置相对应处的峰值是否大于预设阈值。
2.根据权利要求1所述的光反馈半导体激光器的离散多开关状态检测***，其特征在于：还包括光电探测器和主耦合器；所述的半导体激光器不带光电探测器；所述的半导体激光器的输出端与所述的主耦合器的I端口相连，所述主耦合器的耦合端口a经所述光电探测器连接所述数据采集与处理单元；所述的主耦合器的直通端口b与所述的多开关传感网络相连；所述的半导体激光器输出的强度混沌光信号经所述的主耦合器的耦合端口a进入所述的光电探测器，转变成混沌电信号后输入所述的数据采集与处理单元。
3.根据权利要求2所述的光反馈半导体激光器的离散多开关状态检测***，其特征在于：所述的主耦合器的耦合比不大于20%。
4.根据权利要求1或2所述的光反馈半导体激光器的离散多开关状态检测***，其特征在于：所述多开关传感网络可以为串联结构、并联结构，或者串并联混合结构；所述串联结构的多开关传感网络通过N-1个1X2光纤耦合器逐级分成N个支路；所述并联结构的多开关传感网络通过一个1XN光纤耦合器一次分成N个支路。
5.一种采用权利要求1或2中所述光反馈半导体激光器的离散多开关状态检测***的检测方法，包括以下步骤：
步骤1：计算所述混沌电信号的自相关函数；
步骤2：辨识所述自相关函数在与所述各光强度反馈式开关位置相对应处的峰值是否大于预设阈值；如果是，判断对应光强度反馈式开关处于打开状态，否则判断对应光强度反馈式开关处于闭合状态。
6.根据权利要求5所述的检测方法，其特征在于：所述检测方法还包括根据所述各光强度反馈式开关位置对所述自相关函数滤波的步骤：滤除与所述各光强度反馈式开关位置对应的时延位置和零时延位置之外的峰值。
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| Publication number | Publication date |
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