CN108267216A - 偏振态同步控制***和方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种偏振态同步控制***，其包括：调制激光器、偏振控制器、光电探测模块和偏振控制模块，其中所述偏振控制模块的输入端与光电探测模块的输出端连接，以接收来自光电探测模块的模拟探测信号，并且所述偏振控制模块的第一输出端与所述调制激光器的输入端连接，向其输入模拟调制信号，对所述调制激光器的输出光功率进行调制，所述偏振控制模块的第二输出端与偏振控制器的输入端连接，向其输入偏振控制信号，以调节经过偏振控制器的传输光的偏振态。本发明还涉及偏振态同步控制方法。

Description

偏振态同步控制***和方法

技术领域

本发明涉及一种偏振态同步控制***和方法，特别涉及一种基于最优相关度检测的双干涉仪的偏振态同步控制***和方法，其适用于基于双干涉仪的分布式光纤振动传感器的光回路末端偏振态的同步闭环控制，能够解决偏振态变化导致的长距离分布式光纤振动传感器中存在的偏振衰落与非均衡干涉畸变等问题。

背景技术

干涉型分布式光纤振动传感器由于具有探测距离长，灵敏度高，可精确定位的特点，非常适合于大型基础设施的振动破坏感知与事件定位。然而，受热应力、机械应力以及纤芯截面不规则等因素影响，光纤中传输光的偏振态呈现随机变化。偏振态变化不仅导致干涉仪末端出现不同程度的偏振衰落，输出光功率信号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，而且也将导致分布式光纤振动传感器的两干涉末端出现非均衡干涉畸变，两干涉输出光功率信号幅值、相位、形态呈现非均匀变化，从而使得分布式光纤振动传感器的振动事件定位精度降低甚至无法定位。这是目前干涉型分布式光纤振动传感器设计与开发面临的一个极具挑战技术难题。

目前，大多数光纤偏振控制***需要检测传输光偏振态，以此作为偏振控制***的反馈状态设计偏振控制算法，驱动偏振控制器改变传输光偏振态，使传输光偏振态自动趋近或维持在给定的目标偏振态。例如，中国专利文献CN102081240A(发明人为兰宝林等人，标题为“基于偏振检测模块的高速光纤通信中偏振态控制***”)就公开了一种典型的偏振态闭环控制方案，给出了详细的电路设计原理图。其方案以四波片电光晶体偏振控制器为改变偏振态的执行机构，采用偏振检测模块检测光纤中传输光的偏振态，利用实际偏振态与给定目标偏振态的差异，调整偏振控制器的控制指令，实现光纤中传输光偏振态在线自动调节。

然而，对于干涉型分布式光纤振动传感器而言，一般的以偏振态检测结果作为反馈控制量的偏振控制***并不能满足其偏振态控制要求。干涉型分布式光纤振动传感器的振动感知能力和定位精度取决于其干涉仪输出的干涉光功率信号的幅值、相位以及形态，这与干涉仪两条干涉臂中传输光的偏振方向的相对夹角直接相关，与两条干涉臂中传输光的绝对偏振方向无直接联系。如果采用基于偏振态检测的偏振控制***来解决干涉型传感器的偏振衰落和干涉畸变问题，需要在干涉仪两臂分别加上一套这样的偏振控制***，才能完成一个干涉仪的偏振态控制，使干涉输出光功率信号达到期望要求。但与此同时，由于干涉型分布式光纤振动传感器的两个内置干涉仪的两臂往往是耦合复用的，当利用偏振控制器改变一个干涉仪两臂在干涉点的偏振态时，另外一个干涉仪两臂在干涉点的偏振态也随之改变。因此，当其中一个干涉仪在干涉点的偏振态达到预定控制目标时，几乎不可能使另外一个干涉仪在干涉点的偏振态也同时达到预期目标。因此，一般基于偏振态检测的偏振控制***不能满足干涉型分布式光纤传感器的偏振态控制要求。

发明内容

本发明的一个目的是提供一种基于最优相关度检测的双干涉仪的偏振态同步控制***和方法，用以消除偏振态变化导致的长距离分布式光纤振动传感器中存在的偏振衰落与非均衡干涉畸变。

根据本发明的一个方面，提供了一种偏振态同步控制***，其包括：调制激光器、偏振控制器、光电探测模块和偏振控制模块，其中所述偏振控制模块的输入端与光电探测模块的输出端连接，以接收来自光电探测模块的模拟探测信号，并且所述偏振控制模块的第一输出端与所述调制激光器的输入端连接，向其输入模拟调制信号，对所述调制激光器的输出光功率进行调制，所述偏振控制模块的第二输出端与偏振控制器的输入端连接，向其输入偏振控制信号，以调节经过偏振控制器的传输光的偏振态。

优选地，本发明的偏振态同步控制***进一步包括：一分二光分路器，其将经过所述偏振控制器后的激光分为两路光功率相等的同源激光；两个干涉仪，其接收来自所述一分二光分路器的两路光功率相等的同源激光，并将其耦合干涉后的光功率信号输入光电探测器模块。

优选地，本发明的偏振控制模块包括：模数转换器，用于接收来自所述两个干涉仪的光功率信号，并将之转换为数字信号；FPGA信号采集与预处理模块，其对得到的两路数字信号进行同步采集与预处理；偏振控制信号发生模块，其产生给定频率的激光器调制用数字信号和满足偏振控制要求的偏振控制器控制用数字信号；第一数模转换器，其将所述偏振控制信号发生模块产生的给定频率的用于调制的数字信号转换为模拟信号，并输出给所述调制激光器，对所述调制激光器的输出光功率进行调制；第二数模转换器，其将用于偏振控制的数字信号转换为模拟信号，输出给所述偏振控制器，用于驱动所述偏振控制器。

根据本发明的另一个方面，提供了一种偏振态同步控制方法，其包括：通过光电探测模块接收来自两个干涉仪的光功率信号，并将之转换为模拟信号；将所得的模拟信号输入偏振控制模块的模数转换器，并将模拟信号转换为数字信号；将转换后的数字信号输入FPGA信号采集与预处理模块，由其对得到的两路数字信号进行同步采集与预处理，得到两路光功率信号的相似度和能量比值；将两路光功率信号的相似度和能量比值做为参照目标，利用偏振控制信号发生模块，根据内置算法产生偏振控制用数字信号；将偏振控制用数字信号转换为模拟信号输出给偏振控制器，用于驱动偏振控制器，从而改变经过偏振控制器的传输光偏振态。

根据本发明的再一个方面，提供了一种干涉型分布式光纤振动传感器的偏振态同步控制方法，其包括：通过光电探测模块实时获取来自分布式光纤振动传感器的两个干涉仪的光功率信号，并将之转换为模拟信号，将所述模拟信号输入偏振控制模块的模数转换器，进行模数转换后输入FPGA信号采集与预处理模块；利用FPGA信号采集与预处理模块对探测到的光功率信号进行整形滤波，并求出两路光功率信号的相似度和能量值；若两路光功率信号的相似度或相对能量比值小于给定目标值，则通过偏振控制信号发生模块启动偏振控制算法，产生一个周期恒定的调制信号，经偏振控制信号发生模块的第一数模转换器输出，驱动调制激光器产生调制光源，对偏振态变化导致的偏振衰落与干涉畸变对干涉仪输出光功率信号的影响进行调制放大；通过偏振控制信号发生模块产生偏振控制信号，经偏振控制信号发生模块的第二模转换器输出，控制偏振控制器，以改变进入两个干涉仪的输入偏振态；遍历搜索各偏振控制输入下的两路光功率信号的相似度极值，以及相似度极值点对应的两路光功率信号的能量值以及相对比值，建立以偏振控制输入为键值的相似度极值、光功率信号能量值、光功率信号能量比值表；查表找出光功率信号的能量值、光功率信号能量比值都大于最小给定阈值条件下的光功率信号相似度最大值，得到对应的偏振控制输入，即为最优偏振控制输入值；关闭调制激光器的调制信号，并以最优偏振控制输入值为偏振控制器的稳态输入，使传感器的干涉仪保持最优偏振态。

根据本发明的偏振态同步控制***和方法，能够消除偏振态变化导致的长距离分布式光纤振动传感器中存在的偏振衰落与非均衡干涉畸变。

附图说明

图1是基于最优相关度检测的双干涉仪的偏振态同步控制***的示意图；

图2是双干涉仪的偏振态同步控制***的偏振控制模块的结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本申请作进一步的详细说明。可以理解的是，此处所描述的具体实施例仅仅用于解释相关发明，而非对该发明的限定。另外还需要说明的是，为了便于描述，附图中仅示出了与发明相关的部分。需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。

根据本发明一个实施例，提供了一种基于最优相关度检测的双干涉仪的偏振态同步控制***1。如图1所示，偏振态同步控制***1包括调制激光器10、偏振控制器20、光电探测模块30和偏振控制模块40。偏振控制模块40的输入端41、42与光电探测模块30的输出端31、32连接，以接收来自光电探测模块30的模拟探测信号。偏振控制模块40的一个输出端43(可称为第一输出端)与调制激光器10的输入端连接，向其输入一个模拟调制信号，对调制激光器10的输出光功率进行调制。偏振控制模块40的另一个输出端44(可称为第二输出端)与偏振控制器20的输入端连接，向其输入一个偏振控制信号，以调节经过偏振控制器20的传输光的偏振态。

根据本发明的实施例，由于偏振态控制***能够改变干涉仪两臂的输入偏振态，从而改变干涉仪两臂末端传输光偏振态的相对夹角，从而消除因偏振态变化导致的无法实现有效干涉的问题，也即是偏振衰落问题，满足振动事件监测要求。此外，能够同步改变两干涉仪中传输光的输入偏振态，使得两干涉仪的双臂末端传输光偏振态相对夹角比较接近，实现两干涉仪的光干涉灵敏度相对一致，满足振动事件精确定位要求。

在一个实施例中，调制激光器10的输出光首先进入偏振控制器20，然后经过一个例如3dB的一分二光分路器50，其将经过偏振控制器20后的激光一分为二，得到两路光功率相等的同源激光。所述一分二光分路器50的输出端连接至两个干涉仪A、B，其分别接收来自所述一分二光分路器的传输光，并将其耦合干涉后的光功率信号输入光电探测器模块30。这样，传输光路和偏振控制电路能够形成一个闭环反馈控制***，实现对分布式光纤振动传感器的两干涉仪的末端偏振态的同步自动控制。

根据本发明的实施例，由于干涉型分布式光纤传感器不关心其干涉仪两臂的绝对偏振方向，也不关心某一个干涉仪的实际输出干涉光功率信号的幅值、相位与形态，对一个3dB的一分二光分路器连接的两个干涉仪而言，在光分路器输入端一定存在一个合适的输入偏振态，使得两个干涉仪的干涉输出光功率信号品质一致。因此只需一个偏振控制器放置于调制激光源和干涉仪之间主光路上，即可同时实现分布式光纤振动传感器的两干涉仪在干涉点的偏振态控制。

根据本发明的一个实施例，偏振控制模块40为双干涉仪偏振态同步控制***的核心模块，其内部结构如下：

偏振控制模块40可以包括模数转换器AD0和AD1，用于接收来自两个干涉仪A、B的光功率信号，并将之转换为数字信号。偏振控制模块40还可以包括FPGA(现场可编程门阵列)信号采集与预处理模块402，其对得到的两路数字信号进行同步采集与预处理。偏振控制模块40还可以包括偏振控制信号发生模块401，其可以产生给定频率的激光器调制用数字信号和满足偏振控制要求的偏振控制器控制用数字信号。偏振控制模块40还可以包括第一数模转换器(本例中为一个数模转换器DA0)，其可以将偏振控制信号发生模块401产生的给定频率的用于调制的数字信号转换为模拟信号，并输出给调制激光器10，对调制激光器10的输出光功率进行调制。偏振控制模块40还可以包括第二数模转换器(本例中为四个数模转换器DA1、DA2、DA3、DA4)，其将用于偏振控制的数字信号转换为模拟信号，输出给偏振控制器20，用于驱动偏振控制器20。此外，偏振控制模块40还可以包括通信接口CI，其可以连接到上位机，以便对偏振控制模块40进行初始化配置与控制。

根据本发明的一个实施例，偏振控制模块40的控制方法可以包括：

在一定条件下，偏振控制信号发生模块401可以产生一个给定频率的调制用数字信号，经过数模转换器DA0转换为模拟信号，对调制激光器10产生的激光进行调制。另一方面，调制后的双干涉仪输出的光功率信号进入光电探测模块30后，经过光电探测模块30探测转换为模拟信号，输入到偏振控制模块40的模数转换器AD0和AD1，转换后进入FPGA信号采集与预处理模块402。FPGA信号采集与预处理模块402对得到的两路数值信号进行同步采集与预处理。然后，以FPGA信号采集与预处理模块402输出的两路光功率信号的相似度和能量比值为参照目标，利用偏振控制信号发生模块401，根据内置算法产生偏振控制数字信号，经四个数模转换器DA1、DA2、DA3、DA4转换为模拟信号输出，用于驱动偏振控制器20，从而改变经过偏振控制器20的传输光偏振态。

本发明提出的偏振态同步控制***可用于例如基于马赫-曾德尔干涉仪、马克尔逊干涉仪、Sagnic干涉仪以及复合型干涉仪的干涉型分布式光纤振动传感器，其控制方法可以包括：

第一步，光电探测模块30实时获取来自分布式光纤振动传感器的两干涉仪A、B的光功率信号，并将之转换为模拟信号，然后输入偏振控制模块40的模数转换器AD0和AD1，进行模数转换后输入FPGA信号采集与预处理模块402；第二步，可以利用FPGA信号采集与预处理模块402的芯片内设计的滤波器对探测到的光功率信号进行整形滤波，并由计算内核求出两路光功率信号的相似度和能量值；第三步，如果两路光功率信号的相似度或相对能量比值小于给定目标值，则偏振控制信号发生模块401可以启动偏振控制算法，产生一个周期恒定的调制信号，经数模转换器DA0输出，驱动调制激光器10产生调制光源。此外，偏振控制信号发生模块401还可以产生偏振控制信号，经数模转换器DA1～DA4输出，控制偏振控制器20改变进入干涉仪的输入偏振态；第四步，遍历搜索各偏振控制输入下的两路光功率信号的相似度极值，以及相似度极值点对应两路光功率信号能量值以及相对比值，建立以偏振控制输入为键值的相似度极值、光功率信号能量值、光功率信号能量比值表；第五，查表找出光功率信号的能量值、光功率信号能量比值都大于最小给定阈值条件下的光功率信号相似度最大值，得到对应的偏振控制输入，即为最优偏振控制输入值；第六步，关闭调制激光器10的调制信号，并以最优偏振控制输入值为偏振控制器20的稳态输入，使传感器的干涉仪保持最优偏振态。

根据本发明，由于干涉型分布式光纤传感器的传感性能不依赖于干涉仪两臂传输光绝对偏振态，因此不需要进行直接的偏振态检测，而是可利用最常用的光功率检测探头，实现了两干涉仪干涉点偏振态关系检测，简化了偏振控制的反馈状态监测过程。

根据本发明，偏振控制模块在硬件上预留四路偏振控制输出。在实际***应用中，可针对不同偏振控制器的类型，更新偏振控制模块内的算法，就能兼容常用的三波片型的偏振控制器(比如三波片型LiNbO3晶体偏振控制器)和四波片型电光晶体偏振控制器。

以上描述仅为本申请的较佳实施例以及对所运用技术原理的说明。本领域技术人员应当理解，本申请中所涉及的发明范围，并不限于上述技术特征的特定组合而成的技术方案，同时也应涵盖在不脱离所述发明构思的情况下，由上述技术特征或其等同特征进行任意组合而形成的其它技术方案。例如上述特征与本申请中公开的(但不限于)具有类似功能的技术特征进行互相替换而形成的技术方案。

Claims (5)

1.一种偏振态同步控制***，其包括：调制激光器、偏振控制器、光电探测模块和偏振控制模块，其中所述偏振控制模块的输入端与光电探测模块的输出端连接，以接收来自光电探测模块的模拟探测信号，并且所述偏振控制模块的第一输出端与所述调制激光器的输入端连接，向其输入模拟调制信号，对所述调制激光器的输出光功率进行调制，所述偏振控制模块的第二输出端与偏振控制器的输入端连接，向其输入偏振控制信号，以调节经过偏振控制器的传输光的偏振态。

2.如权利要求1所述的偏振态同步控制***，其特征在于，进一步包括：

一分二光分路器，其将经过所述偏振控制器后的激光分为两路光功率相等的同源激光；

两个干涉仪，其接收经过所述一分二光分路器得到的两路光功率相等的同源激光的注入，并将其耦合干涉后的光功率信号输入所述光电探测器模块。

3.如权利要求1或2所述的偏振态同步控制***，其特征在于，所述偏振控制模块包括：

模数转换器，用于接收来自所述两个干涉仪的光功率信号，并将之转换为数字信号；

FPGA信号采集与预处理模块，其对得到的两路数字信号进行同步采集与预处理；

偏振控制信号发生模块，其产生给定频率的激光器调制用数字信号和满足偏振控制要求的偏振控制器控制用数字信号；

第一数模转换器，其将所述偏振控制信号发生模块产生的给定频率的用于调制的数字信号转换为模拟信号，并输出给所述调制激光器，对所述调制激光器的输出光功率进行调制；

第二数模转换器，其将用于偏振控制的数字信号转换为模拟信号，输出给所述偏振控制器，用于驱动所述偏振控制器。

4.一种偏振态同步控制方法，包括：

通过光电探测模块接收来自两个干涉仪的光功率信号，并将之转换为模拟信号；

将所得的模拟信号输入偏振控制模块的模数转换器，并将模拟信号转换为数字信号；

将转换后的数字信号输入FPGA信号采集与预处理模块，由其对得到的两路数字信号进行同步采集与预处理，得到两路光功率信号的相似度和能量比值；

将两路光功率信号的相似度和能量比值做为参照目标，利用偏振控制信号发生模块，根据内置算法产生偏振控制用数字信号；

将偏振控制用数字信号转换为模拟信号输出给偏振控制器，用于驱动偏振控制器，从而改变经过偏振控制器的传输光偏振态。

5.一种干涉型分布式光纤振动传感器的偏振态同步控制方法：

通过光电探测模块实时获取来自分布式光纤振动传感器的两个干涉仪的光功率信号，并将之转换为模拟信号，将所述模拟信号输入偏振控制模块的模数转换器，进行模数转换后输入FPGA信号采集与预处理模块；

利用FPGA信号采集与预处理模块对探测到的光功率信号进行整形滤波，并求出两路光功率信号的相似度和能量值；

若两路光功率信号的相似度或相对能量比值小于给定目标值，则通过偏振控制信号发生模块启动偏振控制算法，产生一个周期恒定的调制信号，经偏振控制信号发生模块的第一数模转换器输出，驱动调制激光器产生调制光源，对偏振态变化导致的偏振衰落与干涉畸变对干涉仪输出光功率信号的影响进行调制放大；

通过偏振控制信号发生模块产生偏振控制信号，经偏振控制信号发生模块的第二数模转换器输出，控制偏振控制器，以改变进入两个干涉仪的输入偏振态；

遍历搜索各偏振控制输入下的两路光功率信号的相似度极值，以及相似度极值点对应的两路光功率信号的能量值以及相对比值，建立以偏振控制输入为键值的相似度极值、光功率信号能量值、光功率信号能量比值表；

查表找出光功率信号的能量值、光功率信号能量比值都大于最小给定阈值条件下的光功率信号相似度最大值，得到对应的偏振控制输入，即为最优偏振控制输入值；

关闭调制激光器的调制信号，并以最优偏振控制输入值为偏振控制器的稳态输入，使传感器的干涉仪保持最优偏振态。