专利名称：一种改进的混沌光纤围栏系统的短时互相关定位方法
技术领域：
本发明涉及一种时域波形短时互相关定位方法，特别是一种改进的混沌光纤围栏系统的短时互相关定位方法。
背景技术：
混沌是一种确定性非线性动力学系统中的现象，具有对初值敏感、波形不会重复自身等特性，特别适合用于分布传感系统。利用掺铒光纤放大器等光放大器构成光纤环形激光器可以产生混沌光，光在环形激光器中环行一周的时间是个固定的常数τ。混沌环形激光器在一个τ时间内的输出波形称为一帧。利用混沌环形激光器输出波形的帧结构特点及相邻帧的相似性已实现开环延迟接收的混沌通信系统。也可利用此特点测定混沌环形激光器光纤环上的局部扰动位置。一种混沌光时域波形帧间比较测距方法已经被提出，对扰动定位提出了三种方法一、将扰动帧与前一帧的时域信号相减，设定一个阈值ε，从ε哪一时刻差值大于ε 则认为哪一时刻发生了扰动，根据环内位置与帧内时间的对应关系既可确定扰动发生的位置；二、事先绘出距离-相关峰图，分别做帧间互相关运算，找到扰动帧对应的归一化帧间互相关峰值，从距离-相关峰图找到相应的扰动位置；三、对扰动帧进行局部互相关，局部互相关峰值分布曲线在相应位置处有一个或连续几个下陷点，多点扰动，则有多处下陷点， 据此，可定出扰动发生的位置。第一种方法的抗干扰性差，第二种方法需要事先测得距离-相关峰图，而且只能定位单点扰动，第三种方法的局部互相关也称短时互相关，该定位方法充分利用了混沌的时变性和帧间波形的分布相似性，可以定位多点扰动，是一种比较好的方法，但如果不对短时窗的起点进行优化设计，默认从帧的起点开始划分短时窗，则定位精度也不会很高，而且难以解决提高定位分辨率与提高相邻帧分布相似性即短时互相关峰值的矛盾。本发明所述的改进的混沌光纤围栏系统的短时互相关定位方法主要就是对短时窗的起点进行了优化设计。
发明内容
本发明的目的在于针对已有技术存在的缺陷，提供一种改进的混沌光纤围栏系统的短时互相关定位方法，对短时窗的起点进行了优化，使定位更加精确化、自动化。为达到上述的发明目的，本发明的构思是
把激光器输出的前后两帧混沌波形做比较。如果激光器的初始状态没有变化，则两帧波形非常相似；否则，由于混沌对初值的敏感性，环形激光器的环路上某一位置处出现扰动，则对应某一帧输出波形从相应时刻开始改变混沌输出波形，这样便可以准确测定哪里发生了扰动。根据上述的发明构思，本发明采用下述技术方案
改进的短时互相关定位方法采用以下步骤进行(I)连续采集若干帧混沌输出波形数据，取多于一帧点数的混沌数据进行自相关运算，确定激光器输出的一巾贞时间T ；
混沌信号的自相关函数类似于一个冲击函数，我们对多于一帧的混沌信号做自相关运算时会出现准周期的自相关峰，各自相关峰值之间的时间间隔都等于激光器输出的一帧时间T ,只是峰值大小随延迟时间增大而减小。(2)用多帧混沌波形叠加法确定激光器输出的第I帧完整波形的起点；
所谓多帧混沌波形叠加法，就是从第一点采集数据开始，将连续多帧混沌波形一帧一帧地进行叠加。由于混沌波形中往往夹杂着自脉冲信号，而自脉冲具有周期性，混沌信号是类随机的，因此，多帧波形叠加后自脉冲便会增强，而混沌信号的幅度不会明显增加。通过这种方法，可以找到混沌波形中隐藏的自脉冲。这个自脉冲即是激光器输出的第I帧完整波形的起点，舍弃起点以前不足一巾贞的数据。(3)计算相邻帧混沌波形的整体互相关，确定扰动发生帧；
在系统的环路上人为加入一个扰动；不断计算前后帧的互相关，根据实际确定一个合适的归一化帧间互相关峰值的阈值，哪一帧与前一帧的互相关峰值小于阈值，扰动就是从哪一帧开始出现的。(4)寻找合适的短时窗长；
以不同短时窗长计算扰动帧之前的两个相邻无扰动帧的各个短时互相关，取短时互相关峰值一致性最好，即方差或标准偏差最小的短时窗长。短时窗越长，相似性越好，但是定位分辨率越低；短时窗越短，定位分辨率越高，但是相似性越低，因此选择短时窗长时也要考虑定位分辨率的要求。(5)寻找合适的短时窗起点n。；
根据定位精度的要求分别从扰动帧和之前的无扰动帧的第一点开始把每个短时窗向后逐步移动n点，选取扰动短时窗的互相关峰值下降最大的第一个短时窗的起点Iitl为两个帧的短时窗的起点，此时应有扰动起始点与某一个短时窗的起点正好重合，此时定位最准确。(6)确定扰动短时窗；
计算扰动发生帧与前一个无扰动帧混沌波形的短时互相关，扰动发生前，前后帧的归一化短时互相关峰值较一致且都接近于I ;扰动发生时，短时互相关峰值在相应短时窗处开始明显下降。该短时窗便是扰动短时窗。(7)确定扰动发生的帧内时刻；
由扰动短时窗在帧内的序号j和短时窗后移Iitl点对应的时间，可以精确换算出环路中扰动发生的起始时刻。(8)确定扰动发生的环内位置。混沌光纤围栏系统输出的一帧混沌波形的时间点与光纤环上的位置是--对应
的，找到扰动发生的帧内时刻便可以确定扰动发生的环内位置。本发明与现有技术相比具有如下的突出特点和显著优点
本发明巧妙地利用了混沌环行激光器输出时域波形自相关函数具有准周期函数的特点找到了帧长，利用多帧混沌波形叠加找到帧的起始点，优化设计了短时窗的起点，此时， 对定位分辨率的要求大大降低,而且定位更加精确化、自动化。
图I为掺铒光纤放大器混沌光纤围栏实验系统结构图。图2为本发明的改进的混沌光纤围栏系统的短时互相关定位方法的流程框图。图3为连续多帧无扰动混沌波形以及它的自相关运算结果。图4为多帧无扰动混沌信号叠加的波形图。图5为扰动帧之前的两相邻无扰动帧混沌波形的短时互相关峰值曲线图。图6为第一个短时窗起点优化设计后的扰动帧与前一个无扰动帧的时短时互相关峰值曲线图。具体实施方案举例
本发明的优选实施例结合附图详述如下
实施例一
本改进的混沌光纤围栏短时互相关定位方法，采用混沌对初值的敏感性作检测机理， 用混沌环形激光器输出波形固有的帧结构特点及相邻帧波形的分布相似性来定位扰动，其特征在于把每帧波形平均分成N段，每段称为一个短时窗，计算相邻两帧波形的对应短时窗的互相关，即短时互相关，根据短时互相关峰值开始下降的帧内时刻来确定环内的入侵位置；采用以下步骤进行定位
(1)确定帧长τ:连续采集若干帧混沌输出波形数据，取多于一帧点数的混沌数据进行自相关运算，确定激光器输出的一巾贞时间即巾贞长τ ；
混沌信号的自相关函数类似于一个冲击函数，我们对多于一帧的混沌信号做自相关运算时会出现准周期的自相关峰，各自相关峰值之间的时间间隔都等于激光器输出的一帧时间τ ,只是峰值大小随延迟时间增大而减小；
(2)确定第一帧完整波形的起点用多帧混沌波形叠加法确定激光器输出的第I帧完整波形的起点；
所谓多帧混沌波形叠加法，就是从第一点采集数据开始，将连续多帧混沌波形一帧一帧地进行叠加。由于混沌波形中往往夹杂着自脉冲信号，而自脉冲具有周期性，混沌信号是类随机的，因此，多帧波形叠加后自脉冲便会增强，而混沌信号的幅度不会明显增加。通过这种方法，可以找到混沌波形中隐藏的自脉冲。这个自脉冲即是激光器输出的第I帧完整波形的起点，舍弃起点以前不足一巾贞的数据。(3)确定扰动发生帧计算相邻帧混沌波形的整体互相关，确定扰动发生帧； 在系统的环路上人为加入一个扰动；不断计算前后帧的互相关，根据实际确定一个合
适的归一化帧间互相关峰值的阈值，哪一帧与前一帧的互相关峰值小于阈值，扰动就是从哪一帧开始出现的。(4)寻找合适的短时窗长
以不同短时窗长计算扰动帧之前的两个相邻无扰动帧的各个短时互相关，取短时互相关峰值一致性最好，即方差或标准偏差最小的短时窗长。短时窗越长，相似性越好，但是定位分辨率越低；短时窗越短，定位分辨率越高，但是相似性越低，因此选择短时窗长时也要考虑定位分辨率的要求。(5)寻找合适的短时窗起点η。根据定位精度的要求分别从扰动帧和之前的无扰动帧的第一点开始把每个短时窗向后逐步移动n点，选取扰动短时窗的互相关峰值下降最大的第一个短时窗的起点Iitl为两个帧的短时窗的起点，此时应有扰动起始点与某一个短时窗的起点正好重合，此时定位最准确。(6)确定扰动短时窗
计算扰动发生帧与前一个无扰动帧混沌波形的短时互相关，扰动发生前，前后帧的归一化短时互相关峰值较一致且都接近于I ;扰动发生时，短时互相关峰值在相应短时窗处开始明显下降。该短时窗便是扰动短时窗。(7)确定扰动发生的帧内时刻
由扰动短时窗在帧内的序号j和短时窗后移Iitl点对应的时间，可以精确换算出环路中扰动发生的起始时刻。(8)确定扰动发生的环内位置
混沌光纤围栏系统输出的一帧混沌波形的时间点与光纤环上的位置是一一对应的，找到扰动发生的帧内时刻便可以确定扰动发生的环内位置。实施例二
本实施例与实施例一基本相同，特别之处如下
所述混沌环形激光器输出的混沌时域波形是强度混沌的，或者是偏振混沌的；所述混沌环形激光器有多种变异形式，只要其输出波形具有帧结构特点都可用作混沌光纤围栏系统，并用该方法定位；所述的混沌激光器由半导体光放大器SOA或掺铒光纤放大器EDFA构成，或者由带外腔的半导体激光器构成；采用光纤或光波导连接，或者用自由空间连接。实施例三
参见图I-图6。本实例选用掺铒光纤放大器光纤环形激光器作混沌光源构成混沌光纤围栏系统，其系统结构如图I所示。这里掺铒光纤放大器I为上海天博光电公司的0FA1550 光纤放大器模块。滤波器2为上海翰宇公司生产的滤波器，中心波长为1550. 12纳米。耦合器3为上海康阔公司的2 X 2耦合器，分光比为50 : 50。光纤4和5为G. 652标准单模光纤，长度分别为25. 268Km和3. 083Km。偏振控制器6为美国General Photonics 公司的型号为PLC-001的光纤挤压器。检偏器7为美国General Photonics公司型号为 P0L-NTSS-FC/PC的检偏器。光电测探器8为深圳飞通公司生产的PIN-TIA探测器。示波器9为Pico Technology公司的PicoScope 5203 PC不波器，计算机10为华硕K40AB笔记本电脑。在光纤4和5之间的连接处位置用小锤子敲击光纤模拟一个入侵，其实际位置在 3. 083km 处。本改进的混沌光纤围栏系统的短时互相关定位方法，具体实施步骤如下(见图2)
(1)连续采集若干帧混沌输出波形数据，对较长时间的无扰动混沌波形数据进行自相关运算，确定激光器输出的一帧时间t=139. ISs，相应地光纤环长度为28. 365Km。这里采样率为lGS/s，采样间隔dt为IxlO-9秒，每一帧的点数为139180点。(见图3)
(2)用多帧混沌信号叠加法确定激光器输出的第I帧完整波形的起点为第36051点。 (见图4)
(3)舍弃起始点以前的数据，相邻帧之间做帧间互相关运算，找到扰动开始出现的那一帧的帧号i=8。
(4)尝试不同长度的短时窗进行互相关运算，寻找合适的短时窗长。采用4500点作为短时窗长度stw时，各个短时互相关峰值的一致性达到最优。(见图5)
(5)从扰动帧与前一个无扰动帧的第一个起点开始每次以100点向后移动短时窗，当移动2900点时，扰动短时窗的互相关下降最大，短时窗起点Iitl便为2900。(6)确定扰动短时窗号j，将短时窗起点2900作为扰动起始帧8帧与前一帧无扰动帧7帧的起点，做短时互相关运算，从第4个短时窗开始，短时互相关峰值小于阈值O. 89， 并且与前一个短时互相关峰值的差异很大，可确定其为开始明显下降的短时窗，即扰动短时窗号j为4,见图6。(7)确定扰动发生的帧内时刻
由扰动短时窗在帧内的序号4和短时窗后移2900点对应的时间，可以精确换算出环路中扰动的发生的时刻 t =[ (j-l)x stw+nj X dt =[ (4-l)x 4500+2900] x 1CT9=16. 4 微秒。(8)确定扰动发生的环内位置
环内位置 R=t XV= txc/n= 16. 4 x ICT6 x 3 x IO8 /I. 472 =3. 342km,这里 c 为真空中的光速，n为纤芯的折射率，与实际的3. 083km存在一定的误差，绝对误差259米，相对误差为8. 4%，相对整个光纤环长28. 365km，其误差为O. 91%。经分析，误差较大是由于以下几种类型的检测误差造成1)相邻帧混沌波形的短时互相关峰值的差异所引起的检测误差，这是系统的固有误差，不能消除，只能靠提高各个峰值的一致性来减少这种误差；2)由于实验所用的掺铒光纤放大器的泵浦功率是不可调的，使得对混沌光纤围栏系统的工作状态的控制受到限制，只能靠调节偏振控制器来调整系统的工作状态，因此，无法调节到系统的最佳工作点。如果换用泵浦功率可调的掺铒光纤放大器，则误差有望下降；3)各类噪声干扰引起的附加检测误差，通过消噪等数据处理方法可以降低；4)数据采集采样率有限所引起的检测误差，可以通过提高采样率的方法加以降低。由于目前条件所限，只能用PicoScope PC示波器采集数据，采样率最高为lGS/s 不能够进行高速长期连续采集，如用高速数据采集卡连续采集混沌环形激光器输出的多帧数据，定位误差必能降低。
权利要求
1.一种改进的混沌光纤围栏系统的短时互相关定位方法，采用混沌对初值的敏感性作检测机理，用混沌环形激光器输出波形固有的帧结构特点及相邻帧波形的分布相似性来定位扰动，其特征在于把每帧波形平均分成N段，每段称为一个短时窗，计算相邻两帧波形的对应短时窗的互相关，即短时互相关，根据短时互相关峰值开始下降的帧内时刻来确定环内的入侵位置；采用以下步骤进行定位(1)确定帧长τ:连续采集若干帧混沌输出波形数据，取多于一帧点数的混沌数据进行自相关运算，确定激光器输出的一巾贞时间即巾贞长τ ；混沌信号的自相关函数类似于一个冲击函数，我们对多于一帧的混沌信号做自相关运算时会出现准周期的自相关峰，各自相关峰值之间的时间间隔都等于激光器输出的一帧时间τ ,只是峰值大小随延迟时间增大而减小；(2)确定第一帧完整波形的起点用多帧混沌波形叠加法确定激光器输出的第I帧完整波形的起点；所谓多帧混沌波形叠加法，就是从第一点采集数据开始，将连续多帧混沌波形一帧一中贞地进行置加；由于混沌波形中往往夹杂着自脉冲信号，而自脉冲具有周期性，混沌信号是类随机的， 因此，多帧波形叠加后自脉冲便会增强，而混沌信号的幅度不会明显增加；通过这种方法，可以找到混沌波形中隐藏的自脉冲；这个自脉冲即是激光器输出的第I帧完整波形的起点，舍弃起点以前不足一帧的数据；(3)确定扰动发生帧计算相邻帧混沌波形的整体互相关，确定扰动发生帧；在系统的环路上人为加入一个扰动；不断计算前后帧的互相关，根据实际确定一个合适的归一化帧间互相关峰值的阈值，哪一帧与前一帧的互相关峰值小于阈值，扰动就是从哪一帧开始出现的；(4)寻找合适的短时窗长以不同短时窗长计算扰动帧之前的两个相邻无扰动帧的各个短时互相关，取短时互相关峰值一致性最好，即方差或标准偏差最小的短时窗长；短时窗越长，相似性越好，但是定位分辨率越低；短时窗越短，定位分辨率越高，但是相似性越低，因此选择短时窗长时也要考虑定位分辨率的要求；(5)寻找合适的短时窗起点nQ根据定位精度的要求分别从扰动帧和之前的无扰动帧的第一点开始把每个短时窗向后逐步移动η点，选取扰动短时窗的互相关峰值下降最大的第一个短时窗的起点Iitl为两个帧的短时窗的起点，此时应有扰动起始点与某一个短时窗的起点正好重合，此时定位最准确；(6)确定扰动短时窗计算扰动发生帧与前一个无扰动帧混沌波形的短时互相关，扰动发生前，前后帧的归一化短时互相关峰值较一致且都接近于I ;扰动发生时，短时互相关峰值在相应短时窗处开始明显下降；该短时窗便是扰动短时窗；(7)确定扰动发生的帧内时刻由扰动短时窗在帧内的序号j和短时窗后移Iitl点对应的时间，可以精确换算出环路中扰动发生的起始时刻；(8)确定扰动发生的环内位置混沌光纤围栏系统输出的一帧混沌波形的时间点与光纤环上的位置是一一对应的，找到扰动发生的帧内时刻便可以确定扰动发生的环内位置。
2.根据权利要求I所述的改进的混沌光纤围栏系统的短时互相关定位方法，其特征在于所述混沌环形激光器输出的混沌时域波形是强度混沌的，或者是偏振混沌的。
3.根据权利要求I所述的改进的混沌光纤围栏系统的短时互相关定位方法，其特征在于所述混沌环形激光器有多种变异形式，只要其输出波形具有帧结构特点都可用作混沌光纤围栏系统，并用该方法定位；所述的混沌激光器由半导体光放大器SOA或掺铒光纤放大器EDFA构成，或者由带外腔的半导体激光器构成；采用光纤或光波导连接，或者用自由空间连接。
全文摘要
本发明公开了一种改进的混沌光纤围栏系统的短时互相关定位方法。本方法利用混沌对初值的敏感性作检测机理，用混沌环形激光器输出波形固有的帧结构特点及相邻帧波形的分布相似性，把每帧波形平均分成N段，每段称为一个短时窗，计算相邻两帧波形的对应短时窗的互相关，即短时互相关，根据短时互相关峰值开始下降的帧内时刻来确定环内的入侵位置。本发明有效提高了混沌光纤围栏系统定位的精度，避免了提高相邻帧分布相似性即短时互相关峰值与提高定位分辨率的矛盾。
文档编号G01D5/26GK102589587SQ20121003017
公开日2012年7月18日 申请日期2012年2月13日 优先权日2012年2月13日
发明者刘晨, 方捻, 王陆唐, 路曼曼, 黄肇明 申请人:上海大学