一种新型分布式光纤传感器偏振控制方法与流程

本发明涉及一种光纤传感器偏振控制方法，特别涉及一种新型分布式光纤传感器偏振控制方法。

背景技术：

目前，由于单模光纤双折射的影响，使得双马赫-泽德型分布式光纤振动传感器的输出信号将会发生偏振退化和偏振相位漂移的现象，并且偏振的退化会使得干涉信号的可见度下降，导致传感器入侵检测性能降低甚至是失效，偏振相位漂移则会使输出信号时延改变，严重影响系统的定位功能。因此必须采取措施抑制偏振退化和偏振相位漂移现象，在这里我们要实现偏振控制，就需要我们根据目标函数不断改变偏振控制器的输入，但是由于外界环境处于缓慢变化和不确定的状态，会让偏振控制的初始偏振态和目标偏振态变成不可预知的，因此目标函数的形式是我们无法确定的，但若我们直接采用遍历的方法进行最优值的搜寻，则会耗费大量的时间。

技术实现要素：

本发明的目的是为了解决偏振系统在进行偏振控制过程中所存在的诸多问题而提供的一种新型分布式光纤传感器偏振控制方法。

本发明提供的新型分布式光纤传感器偏振控制方法，其方法如下所述：

步骤一、混沌初始化，随机产生一个2维、每个分量数值在0-1的向量y₁＝(y₁₁，y₁₂)，由y_i+1j＝μy_ij(1-y_ij)，i＝1，2...，99...，j＝1，2，μ＝4，得到数个向量y₁，y₂，...y₁₀₀...；将zi的各个分量载波到优化变量的取值范围：x_ij＝a_j+(b_j-a_j)y_ij，i＝1，2，...，99...，j＝1，2，a_i，b_j分别为输入到挤压器上电压值的最小值和最大值；计算目标函数C，从数个初始群体中选择C值最大的数个解作为初始解X_i＝(V_i1，V_i2)，i＝1,2,...,20...，并随机产生数个初始速度vi,其中i＝1,2,...,20...；

步骤二、将各个初始粒子的C值当做个体极值cxbest_i0，初始解x_i当做个体极值位置cxbest_i0；根据各个粒子的个体极值cfbest_i0，找出全局极值gfbest₀和全局极值位置gxbest₀；

步骤三、对极值位置gxbest₀＝(gx₀₁，gx₀₂)进行混沌优化，随机产生一个2维、每个分量数值在0-1之间的向量u₀＝(u₀₁，u₀₂)；产生u_i＝(u_i1，u_i2)，u_i+1j＝4u_ij(1-u_ij)，j＝1，2将u_i的各个分量载波到混沌扰动范围[-β,β]内，其中β为相对挤压器上输入电压值较小的一个常数，扰动量Δx_i＝(Δx_i1，Δx_i2)为Δ_xij＝-β+2βu_ij，u₀＝u₁；在解空间对混沌变量经历的每一个可行解计算其C值，得到最优值cgf_0j和与之对应的最优位置cgx_0j，用cgx_0j取代当前群体中任意一个粒子的位置；

步骤四、根据公式

v_k+1＝c_ov_k+c₁(cbest_k-x_k)+c₂(gbest_k-x_k)，x_k+1＝x_k+v_k+1更新粒子的速度和位置，其中c₀,c₁,c₂为常数；

步骤五、如果粒子C值优于个体极值cfbest_ik，cxbest_ik设置为新位置；

步骤六、如果粒子C值优于全局极值cfbest_ik，cxbest_ik设置为新位置；

步骤七、对最优位置cxbest_k＝(gx_k1，gx_k2)进行混沌优化，随机产生一个2维、每个分量数值在0-1之间的向量u₀＝(u₀₁,u₀₂)；产生u_i+1j＝4u_ij(1-u_ij)，j＝1，2将u_i的各个分量载波到混沌扰动范围[-β,β]内，扰动量Δx_i＝(Δx_i1，Δx_i2)为Δx_ij＝-β+2βu_ij，u₀＝u₁；在解空间对混沌变量经历的每一个可行解计算其C值，得到最优值cgf_kj和最优位置cgf_kj，用cgf_kj取代当前群体中任意一个粒子的位置；

步骤八、若最优值cgf_kj小于设定的某个值，即满足停止条件时，则搜索停止，输出全局极值位置，即输出两挤压器的最佳电压值，否则返回步骤四。

本发明的有益效果：

混沌粒子群优化方法是一种解决全局优化问题的极好方法，该方法收敛速度快、易于实现并且不需要目标函数的梯度信息，因此基于混沌粒子群优化算法的偏振控制方法能够进行高速稳定的偏振控制，从而保证双马赫-曾德型分布式光纤振动传感器的长期稳定性。

此优化方法将混沌引入粒子群算法，该算法具有极好的全局搜索能力。粒子群优化算法是模拟鸟群和鱼群迁徙和聚集行为的进化算法，具有程序实现简单、控制参数少的特点。混沌是一种普遍的非线性现象，其行为复杂且类似随机，却有精致的内在规律，在优化领域中混沌的遍历性特点可以作为搜索过程中避免陷入局部极小的一种优化机制。

该优化算法继承了粒子群算法易于实现、收敛速度快、不需要目标函数的梯度信息等诸多优点，并引入混沌改进了粒子群算法存在的局部收敛、初始解群远离最优解等不足，是解决全局优化问题的极好的方法。

附图说明

图1为偏振控制的混沌粒子群优化方法流程图。

图2为偏振控制前后不同测试点的测试结果示意图。

具体实施方式

请参阅图1和图2所示：

激光光源采用波长1550nm、线宽小于50kHz的DenseLight公司的分布反馈式半导体激光器，经过衰减器之后的输出为3.5mW，单模传感光缆的长度为2.25km，其被直接敷设于周界围栏上，采集卡的采样率被设置为10MHz，偏振控制器采用MPD-001/PCD-M02，相位调制器采用调制常数为1.3/λrad/V，进行偏振控制方法的混沌粒子群优化算法，具体方法如下：

步骤一、混沌初始化，随机产生一个2维、每个分量数值在0-1的向量y₁＝(y₁₁，y₁₂)，由y_i+1j＝μy_ij(1-y_ij)，i＝1，2...，99...，j＝1，2，μ＝4，得到100个向量y₁，y₂，...y₁₀₀；将zi的各个分量载波到优化变量的取值范围：x_ij＝a_j+(b_j-a_j)y_ij，i＝1，2，...，99...，j＝1，2，a_i，b_j分别为输入到挤压器上电压值的最小值和最大值；计算目标函数C，从数个初始群体中选择C值最大的20个解作为初始解X_i＝(V_i1，V_i2)，i＝1,2,...,20，并随机产生20个初始速度vi,其中i＝1,2,...,20；

步骤二、将各个初始粒子的C值当做个体极值cfbest_i0，初始解x_i当做个体极值位置cxbest_i0；根据各个粒子的个体极值cfbest_i0，找出全局极值gfbest₀和全局极值位置gxbest₀；

步骤三、对极值位置gxbest₀＝(gx₀₁，gx₀₂)进行混沌优化，随机产生一个2维、每个分量数值在0～1之间的向量u₀＝(u₀₁，u₀₂)；产生u_i＝(u_i1，u_i2)，u_i+1j＝4u_ij(1-u_ij)，j＝1，2将u_i的各个分量载波到混沌扰动范围[-β,β]内，其中β为相对挤压器上输入电压值较小的一个常数，扰动量Δx_i＝(Δx_i1，Δx_i2)为Δx_ij＝-β+2βu_ij，u₀＝u₁在解空间对混沌变量经历的每一个可行解计算其C值，得到最优值cgx_0j和与之对应的最优位置cgx_0j，用cgx_0j取代当前群体中任意一个粒子的位置；

步骤四、根据公式

v_k+1＝c_ov_k+c₁(cbest_k-x_k)+c₂(gbest_k-x_k)，x_k+1＝x_k+v_k+1更新粒子的速度和位置，其中c₀,c₁,c₂为常数；

步骤五、如果粒子C值优于个体极值cfbest_ik，cxbest_ik设置为新位置；

步骤六、如果粒子C值优于全局极值cfbest_ik，cxbest_ik设置为新位置；

步骤七、对最优位置cxbest_k＝(gx_k1，gx_k2)进行混沌优化，随机产生一个2维、每个分量数值在0～1之间的向量u₀＝(u₀₁,u₀₂)；产生u_i+1j＝4u_ij(1-u_ij)，j＝1，2将u_i的各个分量载波到混沌扰动范围[-β,β]内，扰动量Δx_i＝(Δx_i1，Δx_i2)为Δx_ij＝-β+2βu_ij，u₀＝u₁；在解空间对混沌变量经历的每一个可行解计算其C值，得到最优值cgf_kj和最优位置cgx_kj，用cgx_kj取代当前群体中任意一个粒子的位置；

步骤八、若最优值cgf_kj小于设定的某个值，即满足停止条件时，则搜索停止，输出全局极值位置，即输出两挤压器的最佳电压值，否则返回步骤四。

测试的偏振定位结果如图2所示，偏振控制的运行时间小于2s，并且大多分布在0.2-1s之间。表明偏振控制能够在0.185-1.990s内完成，其运行时间的平均值和标准差分别为0.4917s和0.3367s。一般来说，系统偏振态变化较为缓慢，偏振控制的时间间隔远大于偏振控制的运行时间，因此本发明提出的偏振控制方法几乎不会影响到系统的入侵检测和定位，已达到优化的目的。