基於遺傳算法的光纖擾動系統的偏振控制方法及其裝置製造方法
2023-05-07 07:27:01
基於遺傳算法的光纖擾動系統的偏振控制方法及其裝置製造方法
【專利摘要】本發明公開了一種基於遺傳算法的分布式光纖擾動定位系統偏振控制方法，在偏振控制中，採用遺傳算法作為控制算法，並利用擠壓型偏振控制器對幹涉光波偏振態進行調製。以分布式光纖擾動定位系統中探測器接收的兩路幹涉信號之間的相關度作為反饋信號，利用遺傳算法搜索兩路信號相關度最大時對應的擠壓型偏振控制器外加電壓值。所涉及到的偏振控制系統包括基於雙馬赫-曾德幹涉儀原理的分布式光纖擾動傳感系統，擠壓型偏振控制器，鈮酸鋰雙折射相位調製器，單片機系統和計算機。本發明分布式光纖擾動定位系統偏振控制方法，通過調整幹涉光的偏振態，能夠有效地提高系統的抗偏振衰落能力，並很大程度上消除單模光纖雙折射對系統定位精度的影響。
【專利說明】基於遺傳算法的光纖擾動系統的偏振控制方法及其裝置
【技術領域】
[0001]本發明屬於傳感及檢測【技術領域】，尤其涉及一種光纖擾動系統的偏振控制系統。【背景技術】
[0002]隨著科技的發展與人們安防意識的增強，研製一種探測範圍大、能耗小、成本低的周界安全系統成為一個必須且迫切需要解決的問題。分布式光纖振動傳感系統憑藉其靈敏度高，抗電磁幹擾，無需供電等優點，在軍事防禦、金融防護、能源安全、社區安保等安防領域已有了廣泛的應用，並且在未來還將有著廣大的應用前景。
[0003]由於光波產生幹涉的必要條件之一就是參與幹涉的光矢量振動方向相同，即有相同的偏振方向分量。實際擾動系統採用的光纖為普通單模光纖，由於單模光纖的雙折射特性，光波進入光纖後偏振態會發生改變，導致線偏光的偏振態退化。在傳感領域，這會導致幹涉條紋可見度降低，甚至幹涉條紋消失，於是使系統對擾動的定位精度大大下降。
[0004]使用保偏光纖雖然能保持光的偏振態不變，但由於分布式光纖振動傳感系統的光纖敷設距離一般都長達幾十公裡，使用保偏光纖會使系統成本過高。因此，在實際應用中，我們必須採取一種恰當的手段對抗系統中光的偏振退化，補償光的偏振態改變，從而儘可能地消除單模光纖的雙折射特性導致的系統定位不準
【發明內容】
[0005]針對現有技術中存在的問題，本發明提供一種基於遺傳算法的偏振控制方法，用該方法調整分布式光纖振動傳感系統一臂中的信號光偏振態，可以儘量保持系統兩臂中的信號光偏振態一致，從而提高系統的定位精度。
[0006]本發明一種基於遺傳算法的分布式光纖擾動定位系統偏振控制方法，在分布式光纖擾動定位系統中，給傳感系統一臂上的相位調製器施加一定頻率和幅值的正弦波，作為參考信號，將傳感光纖另一臂的光信號輸入到擠壓型偏振控制器中，經過擠壓型偏振控制器偏振控制後兩路幹涉信號分別進入兩個光電探測器，用一數據採集卡採集兩路信號並將信號送入計算機；計算機判斷兩個光電探測器接收的兩路信號的差值是否大於所設定的閾值，若兩路信號的差值大於該閾值，則計算機根據所反饋的兩路幹涉信號的相關度，調整遺傳算法中各染色體的基因值，即通過單片機系統改變各染色體對應的外加到光纖擠壓器上的電壓值，對擠壓型偏振控制器入射光波的偏振態進行連續控制並利用反饋信號進行最優值搜索，直到反饋信號對應的兩路信號的相關度滿足搜索終止條件時停止。
[0007]進一步講，計算機根據所反饋的兩路幹涉信號的相關度調整遺傳算法中各染色體的基因值的具體過程是:
[0008]通過改變輸入到擠壓型偏振控制器兩個光纖擠壓器上的電壓控制光信號的偏振態，將一組兩個電壓值表示為一個染色體C = (V1, V2),將該組兩個電壓值輸入到擠壓型偏振控制器的光纖擠壓器上時分布式光纖擾動定位系統中兩個光電探測器接收的兩路信號的相關度表示為該染色體對應的適應值，並用以下函數描述:[0009]Eval (C) = f (V1, V2)
[0010]其中，V1, V2分別為兩個光纖擠壓器上所施加的電壓值，C = (V1, V2)為該組電壓值所表示的染色體，Eval (C)表示該染色體對應的適應值；當Eval (C)達到最大時，所對應的V1, V2值為最佳電壓值；從而實現偏振控制；作為偏振控制的遺傳算法的搜索過程如下:
[0011](I)初始化規模為50的群體，其中染色體每個基因的值採用隨機數產生器生成並滿足每個基因的值所對應的電壓的範圍；當前進化代數Generation = O ；
[0012](2)採用評估函數對群體中所有染色體進行評價，分別計算每個染色體的適應值，保存適應值最大的染色體CBest ；
[0013](3)採用輪盤賭選擇算法對群體的染色體進行選擇操作，產生規模同樣為50的種群;
[0014](4)按照交差概率P。從種群中選擇染色體進行交配；每兩個進行交配的附父代染色體，交換部分基因，產生兩個新的自帶染色體，子代染色體取代父代染色體進入新種群；沒有進行交配的染色體直接複製進入新種群；
[0015](5)按照變異概率Pm對新種群中染色體的基因進行變異操作；發生變異的基因數值發生改變；變異後的染色體取代原有染色體進入新群體，未發生變異的染色體直接進入新群體；
[0016](6)變異後的新群體取代原有群體，重新計算群體中各個染色體的適應值；倘若群體的最大適應值大於適應值最大的染色體C8est的適應值,則以該最大適應值對應的染色
體替代cBest ；
[0017](7)當前進化代數Generation加I ;如果Generation超過規定的最大進化代數或適應值最大的染色體CBest達到規定的誤差要求，即最大適應度值和平均適應度值變化不大、趨於穩定時，搜索過程結束；否則返回上述步驟(3)。
[0018]實現上述偏振控制方法的偏振控制裝置，包括基於雙馬赫-曾德光纖幹涉儀的基本分布式光纖傳感器，基本分布式光纖傳感器的一路傳感光纖上設有擠壓偏振控制器，另一路傳感光纖上設有鈮酸鋰雙折射相位調製器；所述基本分布式光纖傳感器用於產生幹涉信號，進行擾動定位；所述擠壓型偏振控制器包括四個擠壓方向成45°交錯排列的光纖擠壓器，通過調製所述擠壓型偏振控制器所在一路光信號的偏振態實現偏振控制；即使用擠壓型偏振控制器中的前兩個光纖擠壓器，通過對該兩個光纖擠壓器施加不同組合的電壓對輸入光波的偏振態進行不同的調製，從而輸出不同偏振態的光波；所述鈮酸鋰雙折射相位調製器用於產生參考信號，通過外加正弦電壓對經過鈮酸鋰雙折射相位調製器的光波產生正弦相位調製，相位調製信號經過雙馬赫-曾德光纖幹涉儀幹涉產生強度正弦調製，由兩個光電探測器分別接收，若不存在偏振退化，基本分布式光纖傳感器中兩個光電探測器接收的兩路幹涉信號具有固定時延且幅值相等；數據採集卡:對兩個光電探測器的電壓信號進行採集，並送入計算機處理；計算機:通過在計算機中的程序實現對數據採集卡送入的採集信號的處理，以實現最佳調製電壓的迭代搜索，並將搜索到的最佳調製電壓通過單片機系統反饋到擠壓型偏振控制器和鈮酸鋰雙折射相位調製器；單片機系統:通過與計算機進行通信，輸出數位訊號直接控制偏振控制器；輸出正弦波信號，對相位調製器進行調製。
[0019]與現有技術相比，本發明的有益效果是:
[0020]目前，大部分的分布式光纖擾動定位系統由於沒有進行偏振控制，導致定位精度較差。本發明提出了一種用於分布式光纖擾動定位系統中的偏振控制方法。利用該方法能夠有效地提高系統的抗偏振退化能力，並很大程度上消除單模光纖雙折射對系統的擾動定位精度的影響。本方法所使用的遺傳算法是一種在非線性規劃問題中求取全局最優解的方法，具有較好的全局最優值搜索性能，並且也具有較高的收斂速度，能有效地解決原來基於梯度法的假收斂問題。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0021]圖1是分布式光纖擾動定位系統構造示意圖；
[0022]圖2是圖1所示分布式光纖擾動定位系統的定位原理圖；
[0023]圖3是圖1所示分布式光纖擾動定位系統採集的未進行偏振控制的兩路信號；
[0024]圖4是偏振控制之後分布式光纖擾動定位系統採集的兩路信號；
[0025]圖5是本發明基於遺傳算法的光纖擾動系統偏振控制系統構造圖；
[0026]圖6是本發明基於遺傳算法的光纖擾動系統偏振控制算法搜索示意圖。
[0027]圖中:
[0028]1、9_雷射器2、10-第一稱合器3、11-第一光環形器
[0029]4、12-第二光環形器 5、13-第二耦合器6、14-第三耦合器
[0030]7a、7b_傳感光纖 8a、18a_第一光電探測器
[0031]8b、18b_第二光電探測器15-偏振控制器 16_LiNb03雙折射相位調製器
[0032]17-傳感光纜19-單片機系統 20-計算機
[0033]21-數據採集卡
【具體實施方式】
[0034]下面結合附圖和具體實施例對本發明技術方案作進一步詳細描述。
[0035]如圖1所不,傳統的分布式光纖擾動定位系統通常包括雷射器1、第一稱合器2、第一光環形器3、第二光環形器4、第二稱合器5、第三稱合器6、傳感光纖7a、傳感光纖7b、第一光電探測器8a、第二光電探測器Sb。其工作原理是基於雙馬赫-曾德光纖幹涉儀原理，利用光纜中的兩條單模光纖構成馬赫-曾德光纖幹涉儀的兩個傳感光纖7a、7b來感應光纜周圍的擾動信號。兩路傳感光纖7a、7b同時傳播方向相反的兩組光波,光纜周圍的擾動能夠對光纖中傳播的光波相位進行調製，從而對幹涉信號進行調製，相位經過調製的兩束光在耦合器中發生幹涉，幹涉光分別經過第一、第二環形器3、4輸出到第一光電探測器8a和第二光電探測器Sb。由於擾動發生位置到分布式傳感器兩端的第一光電探測器8a和第二光電探測器8b的距離不同，而光波在光纖中的傳播速度是一定的，因此根據兩個光電探測器檢測到同一事件的時間差，即可精確定位出事件發生的地點。定位原理如圖2所示。設分布式光纖擾動定位系統的兩個光電探測器檢測到同一擾動事件的時間分別為\和t2，Δ t=trt2, L為傳感光纜的長度，X為擾動點距離第二耦合器5的位置，其定位公式為
L — v(/t — ?』)
[0036]X = —^—
2
[0037]式中，V為光波在單模光纖中的傳播速度，單位m/s，其中V = c/n，c是光在真空中的速度(3 X 108ms)，η是光纖的折射率。[0038]遺傳算法是模擬生物在自然環境中的遺傳和進化過程而形成的一種自適應全局最優化概率搜索算法。遺傳算法適用於多維空間中的尋優過程，具有較好的全局最優值搜索性能和較高的收斂速度。遺傳算法提供了一種求解複雜系統優化問題的通用框架，它不依賴於問題的具體領域，對問題的種類有很強的魯棒性，廣泛應用於眾多領域。
[0039]偏振控制的反饋控制，事實是在波片相移解空間對光強這一目標函數進行尋優。基於此，本發明構想利用遺傳算法進行延遲量控制型偏振控制器的偏振態控制。在由多個波片延遲量所構成的解空間，一個固定方向的輸出偏振態光強具有許多鞍點，利用遺傳算法全局收斂性應能有效的解決原來基於梯度法的假收斂問題。
[0040]本發明基於遺傳算法的光纖擾動系統偏振控制方法，通過控制擠壓光纖型偏振控制器對光信號偏振態進行控制，在偏振控制中，以分布式光纖振動傳感系統中兩探測器接收的兩路信號作為輸入，利用遺傳算法搜索兩路信號差值最小時對應的偏振控制器外加電壓值。
[0041]在偏振控制中以分布式光纖振動傳感系統中兩探測器接收的兩路信號的差值(兩路信號差值越小，相似性越好，相關度越高)作為反饋信號，即算法的目標值，因此目標函數的最佳解為兩路信號差值最小時對應的偏振控制器的外加電壓值。兩路信號差值在算法的作用下趨於最小，當兩路信號差值滿足迭代終止條件時停止搜索，並把最佳解對應的電壓值寫入偏振控制器，從而完成偏振控制過程。
[0042]本發明基於遺傳算法的光纖擾動系統偏振控制方法，主要包括:
[0043]首先，在分布式光纖擾動定位系統中，給傳感系統一臂上的相位調製器施加一定頻率和幅值的正弦波，作為參考信號，將傳感光纖另一臂的光信號輸入到擠壓型偏振控制器中，經過擠壓型偏振控制器偏振控制後兩路幹涉信號分別進入兩個光電探測器，用一數據採集卡採集兩路信號並將信號送入計算機；
[0044]然後，計算機判斷兩個光電探測器接收的兩路信號的差值是否大於所設定的閾值，若兩路信號的差值大於該閾值(可以根據調整精度確定該閾值為0.01?0.1)，則計算機根據所反饋的兩路幹涉信號的相關度，調整遺傳算法中各染色體的基因值，即通過單片機系統改變各染色體對應的外加到光纖擠壓器上的電壓值，對擠壓型偏振控制器入射光波的偏振態進行連續控制並利用反饋信號進行最優值搜索，直到反饋信號對應的兩路信號的相關度滿足搜索終止條件時停止。
[0045]通過上述方法調整系統中幹涉光的偏振態，能夠有效抑制數據的偏振誤差，有效地提高系統的抗偏振退化能力，並很大程度上消除單模光纖雙折射對系統的擾動定位精度的影響，從而提聞系統對擾動的定位精度。
[0046]本發明光纖擾動系統偏振控制方法中，計算機根據所反饋的兩路幹涉信號的相關度調整遺傳算法中各染色體的基因值的具體過程是:
[0047]偏振控制中通過改變輸入到擠壓型偏振控制器兩個光纖擠壓器上的電壓控制光信號的偏振態，因此可以將一組兩個電壓值表示為一個染色體C = (V1, V2),將該組兩個電壓值輸入到光纖擠壓器上時分布式光纖擾動定位系統中兩個光電探測器接收的兩路信號的相關度表示為該染色體對應的適應值，可以將該問題用以下函數描述:
[0048]Eval (C) = f (V1, V2)
[0049]其中，V1J2分別為兩個光纖擠壓器上所施加的電壓值，C = (V1, V2)為該組電壓值所表示的染色體，Eval (C)表示該染色體對應的適應值；當Eval (C)達到最大時，所對應的V1, V2值為最佳電壓值，此時系統處於最佳工作狀態，從而實現了偏振控制，提高了系統的定位精度。
[0050]作為偏振控制的遺傳算法的搜索過程如下:
[0051](I)初始化規模為50的群體，其中染色體每個基因的值採用隨機數產生器生成並滿足每個基因的值所對應的電壓的範圍；當前進化代數Generation = O ；
[0052](2)採用評估函數對群體中所有染色體進行評價，分別計算每個染色體的適應值，保存適應值最大的染色體CBest ；
[0053](3)採用輪盤賭選擇算法對群體的染色體進行選擇操作，產生規模同樣為50的種群;
[0054](4)按照交差概率P。從種群中選擇染色體進行交配；每兩個進行交配的附父代染色體，交換部分基因，產生兩個新的自帶染色體，子代染色體取代父代染色體進入新種群；沒有進行交配的染色體直接複製進入新種群；
[0055](5)按照變異概率Pm對新種群中染色體的基因進行變異操作；發生變異的基因數值發生改變；變異後的染色體取代原有染色體進入新群體，未發生變異的染色體直接進入新群體；
[0056](6)變異後的新群體取代原有群體，重新計算群體中各個染色體的適應值；倘若群體的最大適應值大於適應值最大的染色體C8est的適應值,則以該最大適應值對應的染色
體替代cBest ；
[0057](7)當前進化代數Generation加I ;如果Generation超過規定的最大進化代數或適應值最大的染色體CBest達到規定的誤差要求，即最大適應度值和平均適應度值變化不大、趨於穩定時，搜索過程結束；否則返回上述步驟(3)。
[0058]實現本發明基於遺傳算法的光纖擾動系統偏振控制方法的偏振控制裝置，該偏振控制裝置包括基於雙馬赫-曾德光纖幹涉儀的基本分布式光纖傳感器，基本分布式光纖傳感器的一路傳感光纖上設有擠壓偏振控制器，另一路傳感光纖上設有鈮酸鋰雙折射相位調製器；該基本分布式光纖傳感器用於產生幹涉信號，進行擾動定位，本發明偏振控制裝置是在該傳感器的基礎上加上偏振控制器件實現的。
[0059]所述擠壓型偏振控制器包括四個擠壓方向成45°交錯排列的光纖擠壓器，本發明的控制過程中使用其中的前兩個光纖擠壓器，對兩個光纖擠壓器施加不同組合的電壓能夠對輸入光波的偏振態進行不同的調製，從而輸出不同偏振態的光波。
[0060]鈮酸鋰雙折射相位調製器:用於產生參考信號，加在基本分布式光纖傳感器的與偏振控制器所在端對應的傳感光纖另一路，通過外加正弦電壓對經過鈮酸鋰雙折射相位調製器的光波產生正弦相位調製，相位調製信號經過雙馬赫-曾德光纖幹涉儀幹涉產生強度正弦調製，由兩個光電探測器分別接收，若不存在偏振退化，基本分布式光纖傳感器中兩個光電探測器接收的兩路幹涉信號具有固定時延且幅值相等。
[0061]數據採集卡:對兩個光電探測器的電壓信號進行採集，並送入計算機處理。
[0062]計算機:通過在計算機中的軟體編程實現對數據採集卡送入的採集信號的處理，以實現最佳調製電壓的迭代搜索，並將搜索到的最佳調製電壓通過單片機系統反饋到擠壓型偏振控制器和鈮酸鋰雙折射相位調製器。[0063]單片機系統:通過與計算機進行通信，輸出數位訊號直接控制偏振控制器；輸出正弦波信號，對相位調製器進行調製。
[0064]實施例1:用於分布式光纖擾動定位系統中的偏振控制裝置
[0065]如圖5所示，該偏振控制裝置包括基於雙馬赫-曾德光纖幹涉儀的基本分布式光纖傳感器，所述基本分布式光纖傳感器包括:雷射器9、第一稱合器10、第二稱合器13和第三率禹合器14、第一光環形器11和第二光環形器12、傳感光纜17、第一光電探測器18a和第二光電探測器18b,在傳感光纜17的一路傳感光纖上設有擠壓偏振控制器15,另一路傳感光纖上設有鈮酸鋰雙折射相位調製器16 ；
[0066]所述擠壓型偏振控制器15:擁有四個擠壓方向成45°交錯排列的光纖擠壓器，控制過程中使用其中的前兩個光纖擠壓器，對兩個光纖擠壓器施加不同組合的電壓能夠對輸入光波的偏振態進行不同的調製，從而輸出不同偏振態的光波。將偏振控制器加在基本分布式光纖傳感系統傳感光纖的其中一路，通過調製該路光信號的偏振態實現偏振控制；
[0067]所述鈮酸鋰雙折射相位調製器16:用於產生參考信號，加在基本分布式光纖傳感系統的與偏振控制器所在端對應的傳感光纖另一路，通過外加正弦電壓對經過鈮酸鋰雙折射相位調製器的光波產生正弦相位調製，相位調製信號經過雙Mach-Zehnder光纖幹涉儀幹涉產生強度正弦調製，由兩個光電探測器分別接收，若不存在偏振退化，基本分布式光纖傳感系統中兩個光電探測器接收的兩路幹涉信號具有固定時延且幅值相等；
[0068]所述數據採集卡(DAQ Card) 21:對兩個光電探測器18a和18b的電壓信號進行採集，並送入計算機處理。
[0069]所述計算機(PC)20:通過在計算機中的軟體編程實現對數據採集卡送入的採集信號的處理，以實現最佳調製電壓的迭代搜索，並將搜索到的最佳調製電壓通過單片機系統反饋到偏振控制器和相位調製器。
[0070]所述單片機系統(SCM) 19:通過與計算機進行通信，輸出數位訊號直接控制偏振控制器；輸出正弦波信號，對相位調製器進行調製。
[0071]實施例2:偏振控制方法
[0072]兩束光產生幹涉的重要條件之一就是參與幹涉的光為線偏光且偏振方向一致，分布式光纖擾動定位系統的定位算法就是基於同偏振方向線偏光幹涉的假設上展開的。分布式光纖擾動定位系統主要用於周界防護、地震監測等，所用光纖長達數十公裡甚至上百公裡，若應用保偏光纖及其相應配套元件將非常昂貴，基於成本方面的考慮該系統所使用的傳感光纖均為普遍使用的單模光纖。普通單模光纖由於幾何形狀彎曲、周圍溫度變化等隨機因素，以及其他非隨機誤差的影響，都會引起光纖雙折射，從而造成線偏光在普通單模光纖中傳輸時偏振態發生變化，導致線偏光的偏振態退化。偏振態退化不僅會影響幹涉輸出信號質量，而且嚴重影響整個系統的定位精度。
[0073]圖3所示為分布式光纖擾動定位系統未進行偏振控制時所採集的兩路信號，圖中所示的兩路信號相差很大，完全看不出兩路信號的聯繫。對位置128.6m處的點施加擾動，定位結果從174.9m到360m隨機分布，與實際位置的最大偏差達到231.4m,平均偏差達到175.9m，完全偏離了實際位置。調整偏振態之後的兩路信號狀態如圖4所示，此時兩路信號基本一致。同樣對位置128.6m處的擾動進行定位，定位結果由123.4m到133.7m，與實際位置的最大偏差為5.2m，平均偏差為1.6m，定位精度顯著上升。[0074]因此，在實際應用的分布式光纖擾動定位系統中必須對幹涉光採取偏振控制，補償幹涉光偏振態的變化，從而提聞整個系統的抗偏振裳落能力，提聞系統的定位精度。
[0075]如圖5所不,將傳感光纖一臂的光信號輸入到偏振控制器15中，經過偏振控制後兩路幹涉信號分別進入兩個光電探測器，數據採集卡採集兩路信號並將信號送入計算機。
[0076]計算機內部軟體的遺傳算法根據所反饋的兩路幹涉信號的相關度調整混沌粒子群優化算法中各粒子的位置向量，即改變各位置向量對應的外加到光纖擠壓器上的電壓值。對偏振控制器入射光波的偏振態進行連續控制並利用反饋信號進行最優值搜索，直到反饋信號對應的兩路信號的相關度滿足搜索終止條件時停止。
[0077]下面根據圖5所示的系統，結合圖6所示的搜索流程，說明遺傳算法的編碼方法，並通過實驗說明該控制方法對系統定位精度的影響。
[0078]1、應用遺傳算法，需要解決問題解的表示，即染色體的編碼方式，染色體編碼方式確定是否得當會對接下來染色體的交配和變異操作構成影響，下面介紹求解該問題的遺傳算法的構造過程:。
[0079]I)確定決策變量及其約束條件
[0080]該方法中，Vi, i = 1,2分別為兩個光纖擠壓器上所施加的電壓值，即決策變量，其約束條件為O≤Vi≤4095, i = 1,2 ；
[0081]2)建立優化模型
[0082]max Eval (C) = f (V1, V2)
[0083]3)確定編碼方法
[0084]用長度為12位的二進位編碼串來分別表示兩個決策變量V1,\。
[0085]12位二進位編碼串可以表示從O到4095之間的4096個不同的數，故V1, V2的定義域為包括兩個端點在內的4096個不同的離散點，依次對應於000000000000(0)到111111111111(4095)之間的二進位編碼。再將分別表示V1和V2的兩個12位長的二進位編碼串連接在一起，組成一個24位長的二進位編碼串，它就構成了這個函數優化問題的染色體編碼方法。例如:C:000011011100110111000100，就表示一個個體的基因型，分別代表V1 = 220，V2 = 3524。
[0086]4)設計遺傳算子，選擇運算使用輪盤賭選擇算法，交叉運算使用單點交叉算子，變異運算使用基本位變異算子。
[0087]5)確定遺傳算法的運行參數。
[0088]對於本例，設定基本的遺傳算法的運行參數如下:
[0089]群體大小:M = 50
[0090]終止代數:T = 200
[0091]交叉概率:Pc= 0.6
[0092]變異概率:Pm= 0.001。
[0093]2、該控制方法對系統定位精度的影響:
[0094]表一基於遺傳算法的偏振控制對系統定位精度的影響實驗數據(單位:m)
[0095]
【權利要求】
1.一種基於遺傳算法的分布式光纖擾動定位系統偏振控制方法，其特徵在於， 在分布式光纖擾動定位系統中，給傳感系統一臂上的相位調製器施加一定頻率和幅值的正弦波，作為參考信號，將傳感光纖另一臂的光信號輸入到擠壓型偏振控制器中，經過擠壓型偏振控制器偏振控制後兩路幹涉信號分別進入兩個光電探測器，用一數據採集卡採集兩路信號並將信號送入計算機； 計算機判斷兩個光電探測器接收的兩路信號的差值是否大於所設定的閾值，若兩路信號的差值大於該閾值，則計算機根據所反饋的兩路幹涉信號的相關度，調整遺傳算法中各染色體的基因值，即通過單片機系統改變各染色體對應的外加到光纖擠壓器上的電壓值，對擠壓型偏振控制器入射光波的偏振態進行連續控制並利用反饋信號進行最優值搜索，直到反饋信號對應的兩路信號的相關度滿足搜索終止條件時停止。
2.根據權利要求1所述基於遺傳算法的分布式光纖擾動定位系統偏振控制方法，其特徵在於，計算機根據所反饋的兩路幹涉信號的相關度調整遺傳算法中各染色體的基因值的具體過程是: 通過改變輸入到擠壓型偏振控制器兩個光纖擠壓器上的電壓控制光信號的偏振態，將一組兩個電壓值表示為一個染色體C = (V1, V2)，將該組兩個電壓值輸入到擠壓型偏振控制器的光纖擠壓器上時分布式光纖擾動定位系統中兩個光電探測器接收的兩路信號的相關度表示為該染色 體對應的適應值，並用以下函數描述:
Eval (C) = f (V1, V2) 其中，VpV2分別為兩個光纖擠壓器上所施加的電壓值，C= (V1, V2)為該組電壓值所表示的染色體，Eval (C)表示該染色體對應的適應值；當Eval (C)達到最大時，所對應的V1, V2值為最佳電壓值；從而實現偏振控制； 作為偏振控制的遺傳算法的搜索過程如下: (1)初始化規模為50的群體，其中染色體每個基因的值採用隨機數產生器生成並滿足每個基因的值所對應的電壓的範圍；當前進化代數Generation = O ； (2)採用評估函數對群體中所有染色體進行評價，分別計算每個染色體的適應值，保存適應值最大的染色體CBest ； (3)採用輪盤賭選擇算法對群體的染色體進行選擇操作，產生規模同樣為50的種群； (4)按照交差概率P。從種群中選擇染色體進行交配；每兩個進行交配的附父代染色體，交換部分基因，產生兩個新的自帶染色體，子代染色體取代父代染色體進入新種群；沒有進行交配的染色體直接複製進入新種群； (5)按照變異概率Pm對新種群中染色體的基因進行變異操作；發生變異的基因數值發生改變；變異後的染色體取代原有染色體進入新群體，未發生變異的染色體直接進入新群體； (6)變異後的新群體取代原有群體，重新計算群體中各個染色體的適應值；倘若群體的最大適應值大於適應值最大的染色體C8est的適應值,則以該最大適應值對應的染色體替代 CBest ； (7)當前進化代數Generation加I;如果Generation超過規定的最大進化代數或適應值最大的染色體CBest達到規定的誤差要求，即最大適應度值和平均適應度值變化不大、趨於穩定時，搜索過程結束；否則返回上述步驟(3)。
3.一種實現權利要求1所述的偏振控制方法的偏振控制裝置，其特徵在於，包括基於雙馬赫-曾德光纖幹涉儀的基本分布式光纖傳感器，基本分布式光纖傳感器的一路傳感光纖上設有擠壓偏振控制器，另一路傳感光纖上設有鈮酸鋰雙折射相位調製器； 所述基本分布式光纖傳感器用於產生幹涉信號，進行擾動定位； 所述擠壓型偏振控制器包括四個擠壓方向成45°交錯排列的光纖擠壓器，通過調製所述擠壓型偏振控制器所在一路光信號的偏振態實現偏振控制；即使用擠壓型偏振控制器中的前兩個光纖擠壓器，通過對該兩個光纖擠壓器施加不同組合的電壓對輸入光波的偏振態進行不同的調製，從而輸出不同偏振態的光波； 所述鈮酸鋰雙折射相位調製器用於產生參考信號，通過外加正弦電壓對經過鈮酸鋰雙折射相位調製器的光波產生正弦相位調製，相位調製信號經過雙馬赫-曾德光纖幹涉儀幹涉產生強度正弦調製，由兩個光電探測器分別接收； 數據採集卡:對兩個光電探測器的電壓信號進行採集，並送入計算機處理； 計算機:通過在計算機中的程序實現對數據採集卡送入的採集信號的處理，以實現最佳調製電壓的迭代搜索，並將搜索到的最佳調製電壓通過單片機系統反饋到擠壓型偏振控制器和鈮酸鋰雙折射相位調製器； 單片機系統:通過與計算機進行通信，輸出數位訊號直接控制偏振控制器；輸出正弦波信號，對相位調製器進行調製。
【文檔編號】G05B13/04GK103995468SQ201410226340
【公開日】2014年8月20日 申請日期:2014年5月26日 優先權日:2014年5月26日
【發明者】劉琨, 劉鐵根, 陳沁楠, 江俊峰, 丁振揚, 潘亮, 李玉, 馬春宇 申請人:天津大學