雙向混沌環(huán)形激光器分布光纖傳感系統(tǒng)及其時間差定位法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及一種雙向混沌環(huán)形激光器分布光纖傳感系統(tǒng)及其時間差定位法。
【背景技術(shù)】
[0002] 在混沌環(huán)形激光器分布光纖傳感系統(tǒng)方面，我們曾提出單向環(huán)形激光器分布光纖 傳感系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及其幀間互相關(guān)定位方法與短時互相關(guān)定位方法。但單向環(huán)形激光器光纖傳 感系統(tǒng)的靈敏度較低，響應(yīng)也慢，于是我們把它改進為雙向偏振混沌光纖環(huán)形激光器結(jié)構(gòu)， 該結(jié)構(gòu)的靈敏度較高，響應(yīng)也快。在定位方面，幀間互相關(guān)方法需要事先繪制擾動位置與互 相關(guān)峰值的關(guān)系曲線圖，而且不能對多點擾動進行定位。而短時互相關(guān)方法賴以定位的基 準(zhǔn)是作為幀頭的系統(tǒng)輸出波形中的自脈沖對應(yīng)于環(huán)形激光器的光纖環(huán)的起始位置，這樣混 沌波形的一幀時間與光纖環(huán)的光纖位置是一一對應(yīng)的。然而自脈沖在環(huán)中是不斷傳輸變化 的，并不是一直與環(huán)的起始位置相對應(yīng)，導(dǎo)致定位結(jié)果存在不可避免的隨機誤差。因此，我 們又提出了一種雙向偏振混沌環(huán)形激光器分布光纖傳感系統(tǒng)的時間差定位方法。當(dāng)有擾動 作用在傳感光纖上時，該傳感系統(tǒng)的輸出時域波形中有一段波形與其前后波形明顯不同， 其持續(xù)時間正好等于擾動信號從擾動位置處分別沿著順時針方向與逆時針方向到達傳感 光纖兩端的時間差A(yù)t，已知整個傳感光纖的長度或環(huán)形激光器的幀長T，只要求出該時 間差A(yù)t，經(jīng)換算就可以得到擾動發(fā)生的位置。該定位方法簡單快捷，而且不存在定位基準(zhǔn) 的隨機性問題。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0003] 本發(fā)明的目的在于針對已有技術(shù)存在的缺陷，提供一種雙向混沌環(huán)形激光器分布 光纖傳感系統(tǒng)及其時間差定位法。
[0004] 為達到上述目的，本發(fā)明采用如下技術(shù)方案：
[0005] -種雙向混純環(huán)形激光器分布光纖傳感系統(tǒng)，包括半導(dǎo)體光放大器、親合器、偏振 控制器、傳感光纖、第一檢偏器、第二檢偏器、第一光電探測器、第二光電探測器和數(shù)據(jù)采集 與處理系統(tǒng)；所述包括半導(dǎo)體光放大器、耦合器、偏振控制器和傳感光纖用標(biāo)準(zhǔn)單模光纖跳 線依次連接，構(gòu)成光纖環(huán)形激光器，所述耦合器的a端口連接半導(dǎo)體光放大器，所述耦合器 的I端口連接偏振控制器，所述耦合器的II端口連接第一檢偏器；所述耦合器的b端口連 接第二檢偏器，所述第一檢偏器連接第一光電探測器，所述第二檢偏器連接第二光電探測 器，所述第一光電探測器和第二光電探測器將光信號轉(zhuǎn)成電信號后進入數(shù)據(jù)采集與處理系 統(tǒng)。
[0006] 所述第一檢偏器和第一光電探測器以及所述第二檢偏器和第二光電探測器組成 的兩路光路只取其中一路作為接收光路，另一路在系統(tǒng)工作狀態(tài)不好時作為定位的參考信 號。
[0007] -種雙向混沌環(huán)形激光器分布光纖傳感系統(tǒng)的時間差定位法，包括如下步驟：
[0008] 1)事先采集任意一路光路無擾動時的混沌波形的多幀數(shù)據(jù)，計算其自相關(guān)函數(shù)， 由相鄰自相關(guān)峰的時間間隔確定幀長T ;
[0009] 2)計算任意一路或兩路光路的混沌波形的相鄰幀的互相關(guān)函數(shù)，由其互相關(guān)峰值 開始下降的幀的序號確定擾動發(fā)生在哪一幀，即確定擾動幀的序號；
[0010] 3)把擾動幀及其前后一幀減去這三幀的前一個無擾動幀的波形，由相減后的三幀 波形確定不同于其前后波形的一段波形的持續(xù)時間△ t，由vX ( T +△ t)/2算得擾動位置。 其中，V為纖芯中的光速。
[0011] 本系統(tǒng)的工作原理與特點：
[0012] 由半導(dǎo)體光放大器（SOA)、偏振控制器（PC)和耦合器（OC)通過標(biāo)準(zhǔn)單模光纖連接 形成的光纖環(huán)形激光器，調(diào)整偏振控制器和半導(dǎo)體光放大器的驅(qū)動電流可使激光器輸出混 沌波形。混沌波形具有幀型結(jié)構(gòu)，它的自相關(guān)函數(shù)具有多個自相關(guān)峰，這些自相關(guān)峰的間隔 時間都等于光在環(huán)形腔中環(huán)行一次所需要的時間，稱為幀長T。而且相鄰幀混沌波形具有 相似性。這種相似性可用兩幀波形的互相關(guān)函數(shù)的峰值高低來衡量。無擾動相鄰幀混沌波 形的時相似性很好，各個互相關(guān)峰都很高，歸一化互相關(guān)系數(shù)接近于1，而受到擾動后波形 會變化，導(dǎo)致其相似性降低，相鄰幀互相關(guān)峰也會降低，據(jù)此，可找到從哪一幀波形發(fā)生了 擾動，稱為擾動幀。
[0013] 當(dāng)外界擾動作用在傳感光纖上時，擾動信號引起光纖中的混沌光的相位發(fā)生變 化，從而導(dǎo)致混沌光的偏振態(tài)發(fā)生變化，由于混沌系統(tǒng)對包括偏振態(tài)的初值的敏感性，混沌 波形即刻發(fā)生變化，變化的波形經(jīng)過tl和t2時間分別沿順時針方向與逆時針方向到達傳 感光纖兩端，即半導(dǎo)體光放大器和耦合器處，并從耦合器輸出。在該混沌傳感系統(tǒng)中，S0A、 OC與PC之間的連接光纖長度可忽略不計，SOA處于非線性放大狀態(tài)。當(dāng)兩個方向的光都到 達SOA之后，兩束光在SOA處發(fā)生相互作用。由擾動引起變化的部分由于相互作用而發(fā)生 較大變化，而在兩個方向的混沌光到達SOA的時間間隔At = t2-tl內(nèi)的時域波形并沒有 受影響，也不同于擾動發(fā)生前的混沌波形，因此在整個時域波形中可以明顯看到有一段持 續(xù)時間為At的時域波形與其前后波形都不同。已知整個傳感光纖的長度或幀長T，只要 求出該時間差A(yù)t，經(jīng)換算就可以得到擾動發(fā)生的位置。
[0014] 然而混沌波形是類隨機的，用肉眼難以分辨其波形變化的起止時刻。為了提高定 位的準(zhǔn)確度，將擾動幀及其前后各一幀時域波形分別減去這三幀之前的一個無擾動幀的時 域波形。從相減后的三幀時域波形可清晰地看到所需的時間差△ t，從而可求出擾動所處位 置L = vX (T+At)/2。其中，V為纖芯中的光速。
[0015] 本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比較，具有如下顯而易見的突出實質(zhì)性特點和顯著優(yōu)點：
[0016] 一種雙向混沌環(huán)形激光器分布光纖傳感系統(tǒng)及其時間差定位方法其系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和 數(shù)據(jù)處理都很簡單，因此，檢測與定位的實時性都很好，而且定位準(zhǔn)確，不存在定位基準(zhǔn)的 隨機性問題。
【附圖說明】
[0017] 圖1為實施例1系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖。
[0018] 圖2為兩路輸出的無擾動時的偏振混沌波形。
[0019] 圖3為第一光電探測器輸出的波形的自相關(guān)函數(shù)。
[0020] 圖4為兩路輸出的偏振混沌波形受擾動后的波形。
[0021] 圖5為兩路輸出的偏振混沌波形相鄰幀的互相關(guān)峰值。
[0022] 圖6為第一光電探測器輸出的受擾動波形的擾動幀及其后各1幀與這三幀的前1 個無擾動幀的波形相減的結(jié)果。
【具體實施方式】
[0023] 本發(fā)明優(yōu)選實施例，結(jié)合【附圖說明】如下：
[0024] 實施例1
[0025] 如圖1所示，一種雙向混沌環(huán)形激