双向混沌环形激光器分布光纤传感系统及其时间差定位法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及一种双向混沌环形激光器分布光纤传感系统及其时间差定位法。
【背景技术】
[0002] 在混沌环形激光器分布光纤传感系统方面，我们曾提出单向环形激光器分布光纤 传感系统结构及其帧间互相关定位方法与短时互相关定位方法。但单向环形激光器光纤传 感系统的灵敏度较低，响应也慢，于是我们把它改进为双向偏振混沌光纤环形激光器结构， 该结构的灵敏度较高，响应也快。在定位方面，帧间互相关方法需要事先绘制扰动位置与互 相关峰值的关系曲线图，而且不能对多点扰动进行定位。而短时互相关方法赖以定位的基 准是作为帧头的系统输出波形中的自脉冲对应于环形激光器的光纤环的起始位置，这样混 沌波形的一帧时间与光纤环的光纤位置是一一对应的。然而自脉冲在环中是不断传输变化 的，并不是一直与环的起始位置相对应，导致定位结果存在不可避免的随机误差。因此，我 们又提出了一种双向偏振混沌环形激光器分布光纤传感系统的时间差定位方法。当有扰动 作用在传感光纤上时，该传感系统的输出时域波形中有一段波形与其前后波形明显不同， 其持续时间正好等于扰动信号从扰动位置处分别沿着顺时针方向与逆时针方向到达传感 光纤两端的时间差At，已知整个传感光纤的长度或环形激光器的帧长T，只要求出该时 间差At，经换算就可以得到扰动发生的位置。该定位方法简单快捷，而且不存在定位基准 的随机性问题。
【发明内容】
[0003] 本发明的目的在于针对已有技术存在的缺陷，提供一种双向混沌环形激光器分布 光纤传感系统及其时间差定位法。
[0004] 为达到上述目的，本发明采用如下技术方案：
[0005] -种双向混纯环形激光器分布光纤传感系统，包括半导体光放大器、親合器、偏振 控制器、传感光纤、第一检偏器、第二检偏器、第一光电探测器、第二光电探测器和数据采集 与处理系统；所述包括半导体光放大器、耦合器、偏振控制器和传感光纤用标准单模光纤跳 线依次连接，构成光纤环形激光器，所述耦合器的a端口连接半导体光放大器，所述耦合器 的I端口连接偏振控制器，所述耦合器的II端口连接第一检偏器；所述耦合器的b端口连 接第二检偏器，所述第一检偏器连接第一光电探测器，所述第二检偏器连接第二光电探测 器，所述第一光电探测器和第二光电探测器将光信号转成电信号后进入数据采集与处理系 统。
[0006] 所述第一检偏器和第一光电探测器以及所述第二检偏器和第二光电探测器组成 的两路光路只取其中一路作为接收光路，另一路在系统工作状态不好时作为定位的参考信 号。
[0007] -种双向混沌环形激光器分布光纤传感系统的时间差定位法，包括如下步骤：
[0008] 1)事先采集任意一路光路无扰动时的混沌波形的多帧数据，计算其自相关函数， 由相邻自相关峰的时间间隔确定帧长T ;
[0009] 2)计算任意一路或两路光路的混沌波形的相邻帧的互相关函数，由其互相关峰值 开始下降的帧的序号确定扰动发生在哪一帧，即确定扰动帧的序号；
[0010] 3)把扰动帧及其前后一帧减去这三帧的前一个无扰动帧的波形，由相减后的三帧 波形确定不同于其前后波形的一段波形的持续时间△ t，由vX ( T +△ t)/2算得扰动位置。 其中，V为纤芯中的光速。
[0011] 本系统的工作原理与特点：
[0012] 由半导体光放大器（SOA)、偏振控制器（PC)和耦合器（OC)通过标准单模光纤连接 形成的光纤环形激光器，调整偏振控制器和半导体光放大器的驱动电流可使激光器输出混 沌波形。混沌波形具有帧型结构，它的自相关函数具有多个自相关峰，这些自相关峰的间隔 时间都等于光在环形腔中环行一次所需要的时间，称为帧长T。而且相邻帧混沌波形具有 相似性。这种相似性可用两帧波形的互相关函数的峰值高低来衡量。无扰动相邻帧混沌波 形的时相似性很好，各个互相关峰都很高，归一化互相关系数接近于1，而受到扰动后波形 会变化，导致其相似性降低，相邻帧互相关峰也会降低，据此，可找到从哪一帧波形发生了 扰动，称为扰动帧。
[0013] 当外界扰动作用在传感光纤上时，扰动信号引起光纤中的混沌光的相位发生变 化，从而导致混沌光的偏振态发生变化，由于混沌系统对包括偏振态的初值的敏感性，混沌 波形即刻发生变化，变化的波形经过tl和t2时间分别沿顺时针方向与逆时针方向到达传 感光纤两端，即半导体光放大器和耦合器处，并从耦合器输出。在该混沌传感系统中，S0A、 OC与PC之间的连接光纤长度可忽略不计，SOA处于非线性放大状态。当两个方向的光都到 达SOA之后，两束光在SOA处发生相互作用。由扰动引起变化的部分由于相互作用而发生 较大变化，而在两个方向的混沌光到达SOA的时间间隔At = t2-tl内的时域波形并没有 受影响，也不同于扰动发生前的混沌波形，因此在整个时域波形中可以明显看到有一段持 续时间为At的时域波形与其前后波形都不同。已知整个传感光纤的长度或帧长T，只要 求出该时间差At，经换算就可以得到扰动发生的位置。
[0014] 然而混沌波形是类随机的，用肉眼难以分辨其波形变化的起止时刻。为了提高定 位的准确度，将扰动帧及其前后各一帧时域波形分别减去这三帧之前的一个无扰动帧的时 域波形。从相减后的三帧时域波形可清晰地看到所需的时间差△ t，从而可求出扰动所处位 置L = vX (T+At)/2。其中，V为纤芯中的光速。
[0015] 本发明与现有技术相比较，具有如下显而易见的突出实质性特点和显著优点：
[0016] 一种双向混沌环形激光器分布光纤传感系统及其时间差定位方法其系统结构和 数据处理都很简单，因此，检测与定位的实时性都很好，而且定位准确，不存在定位基准的 随机性问题。
【附图说明】
[0017] 图1为实施例1系统结构示意图。
[0018] 图2为两路输出的无扰动时的偏振混沌波形。
[0019] 图3为第一光电探测器输出的波形的自相关函数。
[0020] 图4为两路输出的偏振混沌波形受扰动后的波形。
[0021] 图5为两路输出的偏振混沌波形相邻帧的互相关峰值。
[0022] 图6为第一光电探测器输出的受扰动波形的扰动帧及其后各1帧与这三帧的前1 个无扰动帧的波形相减的结果。
【具体实施方式】
[0023] 本发明优选实施例，结合【附图说明】如下：
[0024] 实施例1
[0025] 如图1所示，一种双向混沌环形激