一种分布式声波传感偏振控制系统及偏振衰落抑制方法技术方案

本发明专利技术涉及一种分布式声波传感偏振控制系统及偏振衰落抑制方法，其中分布式声波传感偏振控制系统包括窄线宽激光器、第一光纤耦合器、脉冲发生器、电偏振控制器、第二光纤耦合器、光放大器、带通滤波器、环形器、光电平衡探测器、上位机。与现有技术相比，本发明专利技术通过在分布式声光纤感系统中引入主动反馈偏振控制系统，以获得系统中传感信号的偏振状态和偏振衰落位置，并以之为参考，通过偏振抑制算法进行主动偏振态调制，以抑制系统中偏振衰落导致的信噪比降低。信噪比降低。信噪比降低。

【技术实现步骤摘要】
一种分布式声波传感偏振控制系统及偏振衰落抑制方法


[0001]本专利技术涉及分布式声波传感领域，尤其是涉及一种分布式声波传感偏振控制系统及偏振衰落抑制方法。

技术介绍

[0002]分布式声波传感技术采用光纤作为信号传输和传感元件，具有体积小，可弯曲塑形，抗电磁干扰，监测范围广，监测精度高，环境适应性好，易于布设等优势，近年来已经成功应用于周界安防，石油探测，管道泄漏监测，交通状态监测，工程结构监测等，显示出分布式声波传感具有巨大的应用价值和前景。分布式声波传感的传感单元可以根据需要任意切分，传感间距可以无限接近，因此分布式声波传感相比于点式传感和准分布式传感优势明显。然而，在众多种类分布式声波传感中考虑现有技术和成本因素，一般传感光纤主要为普通单模光纤，而单模光纤是偏振敏感器件，通常分布式声波传感系统的解调结果会受到偏振衰落的影响，因此抑制偏振衰落对分布式声波传感具有重要的实用意义。
[0003]分布式声波传感系统中的偏振衰落来源于光纤内部结构不均与、光纤的双折射效应和信号光与参考光偏振失配。而光纤内的偏振态随时间和位置不同而不同，为了实现不同传感场景下对光纤内信号光偏振态的控制，研究人员提出了众多偏振衰落抑制方案：偏振分集接收，偏振正交脉冲对，法拉第环形镜，偏振脉冲编码等。分布式声波传感的传感元件
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光纤一般几公里或者上百公里长，环境变化和光纤本身的双折射效应比较明显，实际解调结果会发现一根传感光纤上会有众多偏振衰落点，由于偏振分集接收，偏振正交脉冲对、法拉第环形镜和偏振脉冲编码所能产生和运用的偏振态有限，仍然会有偏振衰落的位置出现。

技术实现思路

[0004]本专利技术的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而通过在分布式声光纤感系统中引入主动反馈偏振控制系统，以获得系统中传感信号的偏振状态和偏振衰落位置，并以之为参考，通过偏振抑制算法进行主动偏振态调制，以抑制系统中偏振衰落导致的信噪比降低。
[0005]申请人在构思历程中认为：在实际应用当中，为了能够最大限度的消除偏振衰落，将主动进行偏振控制与偏振正交脉冲对、偏振脉冲编码和偏振分集接收等结合不失为一个可行方案，主动监测、反馈和自动调整纤内偏振态能够最大限度的降低偏振衰落对系统的影响。
[0006]本专利技术的目的可以通过以下技术方案来实现：本专利技术第一方面提供一种分布式声波传感偏振控制系统，包括窄线宽激光器、第一光纤耦合器、脉冲发生器、电偏振控制器、第二光纤耦合器、光放大器、带通滤波器、环形器、光电平衡探测器、上位机，其中具体地：窄线宽激光器，用于输出直流激光；
第一光纤耦合器，用于将所述直流激光分为两路；脉冲发生器，用于接收第一光纤耦合器输出的一路直流激光，并调制产生重复频率为f，脉宽为τ的光脉冲；电偏振控制器，用于接收第一光纤耦合器输出的另一路直流激光，作为参考光输入，并对所述参考光制偏振态；第二光纤耦合器，用于接收所述电偏振控制器输出的调制偏振态后的参考光；光放大器，用于对脉冲发生器输出光脉冲放大；带通滤波器，用于对光放大器输出光脉冲进行滤波；环形器，用于接收带通滤波器输出的光脉冲，并注入传感光纤，传感光纤内的背向散射光或内部结构的反射光通过环形器返回形成信号光，作为第二光纤耦合器的另一端输入；光电平衡探测器，用于接收信号光和所述参考光经第二光纤耦合器后输出的干涉光，并转化为电信号；上位机，用于接收光电平衡探测器输出的电信号，并筛选出偏振衰落位置以及对应的偏振态，最后通过分析偏振衰落位置数量和强弱，自动选出系统最佳工作状态，在最佳工作状态时实时监测系统偏振态的变化，并根据计算结果主动调制电偏振控制器，将偏离最佳工作状态的系统拉回最佳工作状态。
[0007]进一步地，所述脉冲发生器包括电光调制器和/或高速光开关、声光调制器。
[0008]进一步地，所述环形器包括三个端口：光脉冲经光放大器后输入带通滤波器，然后信号脉冲经环形器第一端口输入，通过第二端口注入传感光纤；传感光纤内的背向散射光或内部结构的反射光通过环形器的第二端口返回形成信号光，然后信号光从环形器的第三端口输出，作为第二光纤耦合器的另一端输入；信号光和参考光经第二光纤耦合器后，在耦合器输出端干涉后输入光电平衡探测器。
[0009]进一步地，所述光放大器选自掺饵光纤放大器、半导体光放大器、拉曼光放大器中的一种；所述传感光纤为普通单模光纤或散射增强光纤；所述分布式声波传感偏振控制系统还包括与上位机通信连接的数据处理模块。
[0010]进一步地，所述上位机运行过程中包括：通过控制电偏振控制器遍历所有偏振态，记录探测信号的偏振状态及当前偏振状态下探测信号低于第一阈值的衰落位置数占总采样点的比例R和探测信号的功率强度P，通过判别机制获得最佳偏振态，并触发电偏振控制器调至该状态后保持；之后发出指令驱动数据处理模块将采集最佳偏振态下的探测信号进行数据解调，并将解调结果传输至上位机，上位机将解调结果显示和保存；定时对探测信号进行判断，一旦识别到探测信号的衰落占比大于等于第二阈值或者信号整体的功率小于等于第三阈值则判别当前处于严重的偏振衰落状态，即触发偏振态优化程序，起到偏振衰落抑制的功能。
[0011]本专利技术第二方面提供一种分布式声波传感的偏振衰落抑制方法，采用如上述分布
式声波传感偏振控制系统实现，所述偏振衰落抑制过程包括以下步骤：首先用电偏振控制器遍历整个庞加莱球，观察分布式声波传感系统与连接光缆内所有偏振态对系统返回瑞利信号的影响；存储和对比各偏振态下瑞利信号的包络，筛选出偏振衰落位置以及对应的偏振态；最后通过分析偏振衰落位置数量和强弱，自动选出系统最佳工作状态，在最佳工作状态时实时监测系统偏振态的变化，并根据计算结果主动调制电偏振控制器，将偏离最佳工作状态的系统拉回最佳工作状态。
[0012]进一步地，所述偏振衰落抑制方法具体包括以下步骤：S1：选择感兴趣光纤段，通过频率为f1的时钟控制电偏振控制器执行偏振控制器的参数预设，通过频率为f2的时钟信号触发调制器工作；S2：t1时间内探测脉冲注入传感光纤反射回N帧瑞利信号，与参考光干涉产生N帧探测信号，N=f2/f1，记为第i组数据，采集第i组数据传送至数据处理模块，数据处理模块抽取第N/2帧信号并对其执行衰落点个数查询和信号总功率计算，记录当前电偏振控制器的参数Ci、衰落点占比Ri和总功率Pi；S3：在下一个时间t1内重复步骤S2过程，记录电偏振控制器的参数C
tmp
、衰落点占比R
tmp
和总功率P
tmp
，若R
tmp
>Ri以及P
tmp
<Pi则电偏振控制器的参数Ci被C
tmp
替换，循环执行直至遍历一遍电偏振控制器的可调范围；S4：获得一组最优电偏振控制器的参数，并且当前电偏振控制器处于该最优参数下，即探测信号的最小衰落比Rmin，最大总功率Pmax，将这两个值设置为系统正式工作后衰落点和信号功率的参考阈值，用于定时监测信号偏振态的变化情况；S5本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种分布式声波传感偏振控制系统，其特征在于，包括：窄线宽激光器，用于输出直流激光；第一光纤耦合器，用于将所述直流激光分为两路；脉冲发生器，用于接收第一光纤耦合器输出的一路直流激光，并调制产生重复频率为f，脉宽为τ的光脉冲；电偏振控制器，用于接收第一光纤耦合器输出的另一路直流激光，作为参考光输入，并对所述参考光制偏振态；第二光纤耦合器，用于接收所述电偏振控制器输出的调制偏振态后的参考光；光放大器，用于对脉冲发生器输出光脉冲放大；带通滤波器，用于对光放大器输出光脉冲进行滤波；环形器，用于接收带通滤波器输出的光脉冲，并注入传感光纤，传感光纤内的背向散射光或内部结构的反射光通过环形器返回形成信号光，作为第二光纤耦合器的另一端输入；光电平衡探测器，用于接收信号光和所述参考光经第二光纤耦合器后输出的干涉光，并转化为电信号；上位机，用于接收光电平衡探测器输出的电信号，并筛选出偏振衰落位置以及对应的偏振态，最后通过分析偏振衰落位置数量和强弱，自动选出系统最佳工作状态，在最佳工作状态时实时监测系统偏振态的变化，并根据计算结果主动调制电偏振控制器，将偏离最佳工作状态的系统拉回最佳工作状态。2.根据权利要求1所述的一种分布式声波传感偏振控制系统，其特征在于，所述脉冲发生器包括电光调制器和/或高速光开关、声光调制器。3.根据权利要求1所述的一种分布式声波传感偏振控制系统，其特征在于，所述环形器包括三个端口：光脉冲经光放大器后输入带通滤波器，然后信号脉冲经环形器第一端口输入，通过第二端口注入传感光纤；传感光纤内的背向散射光或内部结构的反射光通过环形器的第二端口返回形成信号光，然后信号光从环形器的第三端口输出，作为第二光纤耦合器的另一端输入；信号光和参考光经第二光纤耦合器后，在耦合器输出端干涉后输入光电平衡探测器。4.根据权利要求1所述的一种分布式声波传感偏振控制系统，其特征在于，所述光放大器选自掺饵光纤放大器、半导体光放大器、拉曼光放大器中的一种；所述传感光纤为普通单模光纤或散射增强光纤；所述分布式声波传感偏振控制系统还包括与上位机通信连接的数据处理模块。5.根据权利要求1所述的一种分布式声波传感偏振控制系统，其特征在于，所述上位机运行过程中包括：通过控制电偏振控制器遍历所有偏振态，记录探测信号的偏振状态及当前偏振状态下探测信号低于第一阈值的衰落位置数占总采样点的比例R和探测信号的功率强度P，通过判别机制获得最佳偏振态，并触发电偏振控制器调至该状态后保持；之后发出指令驱动数据处理模块将采集最佳偏振态下的探测信号进行数据解调，并将解调结果传输至上位机，上位机将解调结果显示和保存；定时对探测信号进行判断，一旦识别到探测信号的衰落占比大于等于第二阈值或者信
号整体的功率小于等于第三阈值则判别当前处于严重的偏振衰落状态，即触发偏振态优化程序，起到偏振衰落抑制的功能。6.一种分布式声波传感的偏振衰落抑制方法，其特征在于，采用如权利要求1至5中任意一项所述分布式声波传感偏振控制系统实现，所述偏振衰落抑制方法包括以下步骤：首先用电偏振控制器遍历整个庞加莱球，观察分布式声波传感系统与连接光缆内所有偏振态对系统返回瑞利信号的影响；存储和对比各偏振态下瑞利信号的包络，筛选出偏振衰落位置以及对应的偏振态；最后通过分析偏振衰落位置数量和强弱，自动选出系统最佳工作状态，在最佳工作状态时实时监测系统偏振态的变化，并根据计算结果主动调制电偏振控制器，将偏离最佳工作状态的系统拉回最佳工作状态。7.根据权利要求6所述的一种分布式声波传感的偏振衰落抑制方法，其特征在于，所述偏振衰落抑制方法具体包括以下步骤：S1：选择感兴趣光纤段，通过频率为f1的时钟控制电偏振控制器执行偏振控制器的参数预设，通过频率为f2的时钟信号触发调制器工作；S2：t1时间内探测脉冲注入传感光纤反射回N帧瑞利信号，与参考光干涉产生N帧探测信号，N=f2/f1，记为第i组数据，采集第i组数据传送至数据处理模块，数据处理模块抽取第N/2帧信号并对其执行衰落点个数查询和信号总功率计算，记录当前电偏振控制器的参数Ci、衰落点占比Ri和总功率Pi；S3：在下一个时间t1内重复步骤S2过程，记录电偏振控制器的参数C
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、衰落点占比R
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和总功率P
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，若R
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>Ri以及P
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<Pi则电偏振控制器的参数Ci被C
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替换，循环执行直至遍历一遍电偏振控制器的可调范围；S4：获得一组最优电偏振控制器的参数，并且当前电偏振控制器处于该最优电偏振控制器的参数下，即探测信号的最小衰落比Rmin，最大总功率Pmax，将这两个值设置为系统正式工作后衰落...

【专利技术属性】
技术研发人员：胡威旺，李彩云，马玲梅，庄逸洋，王建国，郑洪坤，刘泽超，
申请(专利权)人：之江实验室，
类型：发明
国别省市：