混沌光时域波形帧间比较测距方法

摘要

本发明公开了一种混沌光时域波形帧间比较测距方法。本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进行时域帧间比较测距。采用混沌环形激光器输出的波形在相邻环行时间内，即帧内，具有很大相似性的特点，以及环内位置与帧内时间的对应关系来测定光纤扰动的位置。本发明适用于光纤分布参数动态变化的检测、测距或定位。本发明巧妙地利用了混沌环行激光器输出时域波形固有的帧结构特点进行帧间比较来测定光纤环上的扰动位置，结构和信号处理都很简单，成本低。由于检测只用相邻两帧的时域波形，时间非常短，对环境的慢变不敏感，抗干扰性强。

说明书

技术领域

本发明涉及一种时域波形比较测距方法，特别是一种混沌光时域波形帧间比较测距方法。

背景技术

混沌是一种确定性非线性动力学系统中的现象，具有存在奇异吸引子、对初值敏感、波形不会重复自身等特性，近年来已成为国内外学术界研究的热点。激光混沌可分为强度混沌、波长(频率)混沌、相位混沌和偏振态混沌等几种形式。

利用半导体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。实验发现，混沌环形激光器的输出波形具有帧结构特点。虽然混沌具有不可预测性，长期演化后的某一帧波形与最初产生的某一帧波形之间相差较大，但是相邻几帧的输出波形却具有很大的相似性。利用此特点，可以测定混沌环形激光器光纤环上的局部扰动位置。

发明内容：

本发明的目的在于提出一种混沌光时域波形帧间比较测距方法。

为达到上述的发明目的，本发明的构思是：把激光器输出的第i帧波形与第i-1帧波形比较。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：

通过以下两种方法中任选一种方法获取激光器输出的时域波形：

方法一：分成多路接收，一路直接接收，另外几路延迟τ的整数倍后接收。即一路接收混沌光的当前帧波形，另外几路并行接收混沌光的前几帧波形。

方法二：直接接收环形激光器的输出，连续采集多帧时间的波形。

帧间比较测距采用以下两个阶段进行：

第一阶 段系统参数确定

(1)用方波输出法确定激光器输出的一帧时间τ。

调节激光器环路上的偏振控制器(PC)，使输出波形为占空比50％的方波，方波的半周期即为该激光器输出波形的一帧时间τ。

(2)用移位帧间互相关法确定激光器输出的第1帧完整波形的起点。

所谓移位帧间互相关法，指调节PC使激光器输出成为混沌波形，选取连续3帧时间的数据，从第一点开始取一帧数据与接下来的一帧数据做互相关运算，得到一个相关峰的峰值。往后顺延一点做相同的运算，直至顺延一个周期为止。比较所得相关峰峰值，最大峰值对应的点即为一帧的起点。

(3)寻找最大互相关峰值。

选取连续多帧数据，每一帧与前一帧做互相关运算，找出最大互相关峰值，将其归一化为1。

(4)寻找扰动开始出现的那一帧波形的帧号i。

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。

(5)做距离-相关峰图。

扰动出现在一帧内的时间越早，即出现位置离起始点的距离越近，归一化帧间互相关峰值越小。改变系统环路上人为加入扰动的位置(可以是物理上的移位，也可以用数据上的移位模拟实现)，分别做帧间互相关运算，得到不同位置扰动时对应的归一化帧间互相关峰值，做出距离-相关峰图。

第二阶段 实际测试

(1)寻找扰动开始出现的那一帧波形的帧号i。方法同第一阶段中步骤(4)。

(2)比较激光器输出的第i帧波形与第i-1帧波形。比较方法从下述两种方法中任选一种：

方法一：让第i帧波形与第i-1帧波形相减。

如果激光器的初始状态没有变化，则二者相减结果几乎为零，得到一条近乎直线的输出；否则，环中某处发生扰动，帧内从相应时刻开始混沌输出波形发生改变，相应时刻相减结果大于零。设定一个阈值ε，从哪一时刻大于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。

方法二：计算第i帧波形与第i-1帧波形的帧间互相关。

对于持续时间大于τ的扰动情况，可以做帧间互相关运算。对照距离-相关峰图即可确定扰动出现的位置。

对于持续时间小于τ的扰动情况，可以做帧内局部互相关运算，得到一帧时间内局部互相关峰值分布曲线。初始状态无变化时，一帧时间内局部互相关峰值分布曲线接近直线；环内某处出现扰动时，一帧时间内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，多处变化，则有多处下陷点，据此，可定出扰动发生的位置。

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固有的帧结构特点进行帧间比较测距，结构和信号处理都很简单，成本低。由于检测只用相邻两帧的时域波形，时间非常短，对环境的慢变不敏感，抗干扰性强。

如用传统的连续激光调制方波帧的办法进行帧间比较测距，不但难以确定一帧的起始位置，还要利用干涉仪结构检测环内的变化，结构和信号处理都很复杂，成本高，抗干扰性也差。

本发明可用于光纤分布扰动如周界防卫、管道泄漏等的定位。也可以用于时变OTDR，光雷达，光纤线路双折射动态分布测定等。

附图说明：

图1为半导体光纤环形激光器构成的测距系统结构图。

图2为本发明的混沌光时域波形帧间比较测距方法的流程框图。

图3为距离-相关峰图。

图4为混沌环形激光器输出波形固有的帧结构特性曲线图。

图5为初始状态无变化时相邻帧波形的互相关曲线图。

图6为环内某处出现扰动时相邻帧波形的互相关曲线图。

具体实施方案举例

本发明的一个优选实施例，参见图1-图6。本实例选用半导体光纤环形激光器作混沌光源构成测距系统，其系统结构如图1所示。这里半导体光放大器1为OptoSpeed公司的SOA模块(SOA1550MRI-XI1500)。偏振控制器2为美国General Photonics公司的型号为PLC-001的光纤挤压器。滤波器3为上海翰宇公司生产的滤波器，中心波长为1560.6纳米。耦合器4为上海康阔公司的2 X 2耦合器，分光比为90:10。待测光纤5用G.652标准单模光纤。压电陶瓷相位调制器6为自制的。光隔离器7为美国General Photonics公司产的1550纳米波段的尾纤型隔离器。检偏器8为美国General Photonics公司型号为POL-NTSS-FC/PC的检偏器。光电测探器9为深圳飞通公司生产的PIN-TIA探测器。示波器10为安捷伦数字采样示波器(Angelent Corporation’s Infiniium，1.5GHz bandwidthand 8GHz sampling rate)。

具体实施步骤如下(见图2)：

第一阶段 系统参数确定

(1)用方波输出法确定激光器输出的一帧时间τ＝1.59μs，相应地光纤环长度为318米。这里采样率为4GS/s，每一帧的点数为6358点。其中待测光纤部分长度为300米，压电陶瓷相位调制器长度忽略不计。

(2)用移位帧间互相关法确定激光器输出的第1帧完整波形的起点为第964点。

(3)利用连续10帧数据寻找到最大帧间互相关峰值，将其归一化为1。

(4)绘制距离-相关峰图(见图3)。

我们将耦合器输出信号端作为环的起始位置，用Matlab软件模拟每隔一个数据点产生一个扰动，具体方法就是在一帧数据的不同位置用该系统持续受到宽频噪声干扰时的混沌信号代替，持续时间超过一帧长度。分别做帧间互相关运算，得到不同位置扰动时对应的归一化帧间互相关峰值，从而得到距离-相关峰图，如图3所示。图3实线对应待测光纤部分，虚线对应测试系统自身光纤部分。

第二阶段 实际测试。

在待测光纤中心位置放置一个压电陶瓷相位调制器，用宽频噪声驱动之，模拟一个扰动，扰动持续时间为3μs，超过一帧长度。

(1)寻找到扰动开始出现的那一帧波形的帧号i＝48。

(2)计算第i帧波形与第i-1帧波形的互相关，得到归一化互相关峰值为0.647，按照距离-相关峰图找到归—化位置0.656，换算得到扰动发生的位置距环的起始位置为208米，换算成距待测光纤的一端的距离为207米，与实际的150米存在一定的误差，误差为38％，相对整个待测光纤的长度，其误差为18.5％。

经分析，误差较大是由于以下几种类型的检测误差造成：1)混沌帧间波形的差异(相似，非相同)所引起的检测误差，这是系统的固有误差，不能消除；2)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；3)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，只能用示波器采集数据，采样率高时采集到的数据较少，导致误差较大，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，测距误差必能降低。

在图4中示出混沌环形激光器输出波形固有的帧结构特点。

在图5中示出初始状态无变化时相邻帧波形的互相关曲线。

在图6中示出环内某处出现扰动时相邻帧波形的互相关曲线。