一种基于偏振态变化监控的通信传感一体化系统及方法

技术领域

本申请涉及通信传感一体化系统技术领域，具体涉及一种基于偏振态变化监控的通信传感一体化系统及方法。

背景技术

传感器是能够接收并转换外部信号到电信号的设备。分布式光纤传感器(Distributed Fiber Optic Sensor，DFOS)是一种利用光纤作为传感介质，通过测量光纤中的散射光或前向光的变化来监测光纤沿程的温度、应变、振动等。

这些分布式光纤传感器基于不同的光学效应，大致可以分为：

1.基于瑞利散射的光纤传感器，主要用于振动和声音信号检测。

2.基于拉曼散射的光纤传感器，主要用于温度测量。

3.基于布里渊散射的光纤传感器，主要用于应变和温度的双参数测量。

4.基于前向光干涉的光纤传感器，主要用于振动和声音的检测。

分布式光纤传感器因其长距离、高灵敏度、抗电磁干扰及多参数测量等优点，在工程、安防、能源、交通等领域得到了广泛的应用。

事实上，散射光和前向光在DFOS中的测量原理不同，其物理特性也不同。前向光是指光信号从一个端口进入光纤，然后在光纤中传播，最后从另一个端口输出。而散射光是指在光纤中，由于光子与光纤中的微小扰动(如分子、原子等)相互作用，部分光子随机地被散射出来，形成一个与入射光相干的散射场，这个散射场包含了入射光的所有信息。因此，基于散射光的传感器可以通过测量散射光子的强度和频率分布来推测光纤中温度、应变等物理量的变化。

基于脉冲光在光纤中瑞利散射的光纤传感器是一种基于散射光的分布式传感器，可以用于测量光纤中的温度、应变等物理量的分布情况。其工作原理如下：

发射脉冲光，在光纤的一端向光纤中发射一个短脉冲的激光光源，通常采用激光器作为光源。

瑞利散射，激光脉冲在光纤中传输时，会与光纤中的分子、原子等微小扰动发生瑞利散射。瑞利散射会使得一小部分激光光子散射出来，并在光纤中传播。这些散射光子的强度与光纤中的扰动有关，因此可以通过测量这些散射光子的强度和频率分布来反演光纤中的温度、应变等物理量的变化。

接收和处理信号，在光纤的另一端安装一个接收器来接收散射光子，并将接收到的信号送入光电转换器和信号处理器进行信号放大、滤波和分析等处理。

分析结果：通过分析接收到的散射光信号的强度和频率分布，可以得到光纤中物理量的分布情况。由于光纤传输的信号是分布式的，因此可以在整个光纤长度范围内获得温度、应变等物理量的分布情况。

需要注意的是，散射光的强度非常弱，需要采用高灵敏度的探测器和信号处理器来实现测量。同时，光纤传输过程中还存在一些非线性效应，如拉曼散射、布里渊散射等，也需要进行补偿和校正。此外，由于非线性效应，光脉冲能量受到限制，也对传感器的工作距离产生限制。

为了克服散射光传感的一些限制，我们可以使用前向式传感结构。

前向式传感器利用连续光作为信号源，因此在接收端可以获得较强的信号光功率。在使用相干检测的情况下，接收机可以检测到光场的完整信息，并由此推算信道参数的变化。前向式光纤传感的工作距离与相应的光纤通信系统距离相当，可达数万公里。

然而，前向式传感获取的是整个信道的信息，因此无法直接定位监测到的事件。为了解决这个问题，一种常用的方法是在两端设备之间建立时间同步，同时在两端采集数据并比较检测到事件的时间先后，从而计算出事件距离两端设备的距离，实现事件的定位。这种方法通常被称为时间差定位(Time-of-flight localization)或时间差测距(Time-of-flight ranging)。

综上所述，散射光传感器具有一些特点和限制，而前向式传感器通过使用连续光和相干检测结构，可以克服部分限制，并提供更长的工作距离和定位能力。

相干光前向传感技术一般检测两个物理量：

1偏振态变化，通常的相干光通信(Coherent lightwave communications)系统使用自适应算法估计偏振信道，参数调整较慢，难以对较高频率的信号(如雷电引发的偏振旋转)进行检测，而且计算出的偏振信道信号精度较低。

2相位变化，可以用于检测光纤中光信号的延迟变化。但是，由于收发端激光器本身存在频率漂移与相位噪声，也会引起相位变化。所以，相位检测要求使用昂贵的超低线宽的激光器。

发明内容

针对现有技术中存在的缺陷，本申请的目的在于提供一种基于偏振态变化监控的通信传感一体化系统，在进行相干光通信的同时，系统可以计算光通信信道的偏振矩阵(Polarization Matrix)，且通过检测信道偏振态的变化，检测光纤线路的抖动、遭受雷击等意外事件。

为达到以上目的，采取的技术方案是：

本申请第一方面提供一种基于偏振态变化监控的通信传感一体化系统，所述系统包括发送端和接收端，所述系统还包括：

序列插入模块，其配置于所述发送端，用于按照预设的插入策略向发送数据中周期性插入特定训练序列后，根据发送数据调制得到光信号并输出，所述插入策略包括在每个插入周期向X偏振依次插入第一X训练数据和第二X训练数据、以及在每个插入周期向Y偏振依次插入第一Y训练数据和第二Y训练数据，所述两个X数据从插入数据集中随机选择，所述插入数据集为{1、j、-1、-j}，j为虚数，所述第一Y训练数据为对第一X训练数据随机取正负得到，所述第二Y训练数据为将第二X训练数据随机乘以正虚数或负虚数得到；

偏振分析模块，其配置于所述接收端，用于对包含特定训练序列的光信号进行偏振矩阵求解，得到信道偏振变化信息；

扰动识别模块，其用于分析信道偏振变化信息的幅度谱，以识别具有特定频率的扰动信号。

事件定位模块，其用于根据双向传输时的两个接收端提取的信道偏振变化信息，得到扰动事件到达双向传输两端的时间差，并根据该时间差对扰动事件定位。

一些实施例中，所述两个X训练数据和所述两个Y训练数据的关系采用下述公式表示：

其中，

TY(m)用于表示第一Y训练数据；

TX(m)用于表示第一X训练数据；

TY(m+1)用于表示第二Y训练数据；

TX(m+1)用于表示第二X训练数据；

m用于表示码元序列号，m为正整数。

一些实施例中，所述偏振分析模块将光信号转化电信号，并对其进行采样得到数字信号，利用两级均衡器对采样得到的数字信号进行信道均衡，并得到第一级均衡器输出的中间信号，所述中间信号表述为发送数据、偏振矩阵、以及光信号的频差相差带来的复变量的乘积，所述偏振矩阵包括偏振元素A和偏振元素B；

所述偏振分析模块通过将X路中间信号和Y路中间信号共轭相乘，解方程得到所述A

一些实施例中，所述中间信号采用下述公式表示：

其中，

用于表示第一级均衡器输出的X路中间信号；

用于表示第一级均衡器输出的Y路中间信号；

exp()用于表示以自然常数e为底的指数函数；

π用于表示圆周率；

Δf用于表示频差；

T用于表示码元周期；

Φ用于表示X偏振和Y偏振的公共相差；

A/B构成的正交琼斯矩阵用于表示偏振旋转；

A和B均用于表示正交琼斯矩阵的偏振元素；

*用于表示共轭；

k用于表示m或m+1，m为码元序列号，m为正整数。

一些实施例中，所述偏振分析模块通过将2

一些实施例中，定义双向传输两端分别为西端W和东端E，以西端W作为发送端时，由东端E作为接收端提取A

扰动识别模块，其用于对A

一些实施例中，其特征在于，所述偏振分析模块在时域进行分析时，对双向传输时的西部接收端提取的A

一些实施例中，其特征在于，所述偏振分析模块在频域进行分析时，对双向传输时的两个接收端提取的A

一些实施例中，其特征在于，所述加权平均后的相位差采用下述公式计算得到：

其中，

φ_WE_Combo用于表示加权平均后的相位差；

W1用于表示第一权重；

W2用于表示第二权重；

W3用于表示第三权重；

W4用于表示第四权重；

φ_WE_AA_(n)用于表示以西端W作为接收端时根据A

φ_WE_AB(n)用于表示以西端W作为接收端时根据A

φ_WE_BA_(n)用于表示以西端W作为接收端时根据B

φ_WE_BB_(n)用于表示以西端W作为接收端时根据B

一种基于偏振态变化监控的通信传感一体化方法，所述方法包括：

在发送端，按照预设的插入策略向发送数据中周期性插入特定训练序列后，根据发送数据调制得到光信号并输出，所述插入策略包括在每个插入周期向X偏振依次插入第一X训练数据和第二X训练数据、以及在每个插入周期向Y偏振依次插入第一Y训练数据和第二Y训练数据，所述两个X数据从插入数据集中随机选择，所述插入数据集为{1、j、-1、-j}，所述第一Y训练数据为对第一X训练数据随机取正负得到，所述第二Y训练数据为将第二X训练数据随机乘以正虚数或负虚数得到；

在接收端，对包含特定训练序列的光信号进行偏振矩阵求解，得到信道偏振变化信息；

分析信道偏振变化信息的幅度谱，以识别具有特定频率的扰动信号。

根据双向传输时的两个接收端提取的信道偏振变化信息，得到扰动事件到达双向传输两端的时间差，并根据该时间差对扰动事件定位。

本申请提供的技术方案带来的有益效果包括：

在发端周期性地插入特定训练序列，在收端利用特定训练序列直接求解偏振矩阵，求得的偏振矩阵即为信道偏振信号，然后过滤掉信道偏振信号的直流分量与低频分量，则可分离出对应于外界扰动的信道偏振变化信息。

在进行相干光通信的同时，系统可以计算光通信信道的偏振矩阵，且通过检测信道偏振态的变化，检测光纤线路的抖动、遭受雷击等意外事件，可以利用广泛的商用相干光通信系统，并且有着长距离工作的优势。

附图说明

图1为本发明实施例中基于偏振态变化监控的通信传感一体化系统的功能模块示意图。

具体实施方式

以下结合附图及实施例对本申请作进一步详细说明。

本发明实施例提供一种基于偏振态变化监控的通信传感一体化系统，如图1所示，包括配置于发送端3的序列插入模块1和配置于接收端4的偏振分析模块2，以及扰动识别模块5和事件定位模块6。

序列插入模块1按照预设的插入策略向发送数据中周期性插入特定训练序列后，根据发送数据调制得到光信号并输出，上述插入策略包括在每个插入周期向X偏振依次插入第一X训练数据和第二X训练数据、以及在每个插入周期向Y偏振依次插入第一Y训练数据和第二Y训练数据，上述两个X数据从插入数据集中随机选择，上述插入数据集为{1、j、-1、-j}，上述第一Y训练数据为对第一X训练数据随机取正负得到，上述第二Y训练数据为将第二X训练数据随机乘以正虚数或负虚数得到。

偏振分析模块2对包含特定训练序列的中间信号进行偏振矩阵求解，求得的偏振矩阵即为信道偏振信号，累加并滤除直流后得到信道偏振变化信息。中间信号为解调后，经过采样与第一级均衡的数字信号。

扰动识别模块5分析信道偏振变化信息的幅度谱，以识别具有特定频率的扰动信号。该扰动信号由扰动事件引起。

事件定位模块6根据双向传输两端提取的信道偏振变化信息，得到扰动事件到达双向传输两端的时间差，并根据该时间差对扰动事件定位。其中，双向传输两端指分别将传输两端西端W和东端E作为发动端时，在相应两个接收端接收到的光信号数据。

在本实施例中，在发送端3发送的数据中，周期性插入训练序列。X偏振每次插入两个数据，为第一X训练数据TX(m)和第二X训练数据TX(m+1)，m为码元序列号，m为正整数。Y偏振每次插入两个数据，为第一Y训练数据TY(m)和第二Y训练数据TY(m+1)，TX(m)和TX(m+1)随机从插入数据集{1、j、-1、-j}中取值，其中j为复数单位。

上述两个X训练数据和上述两个Y训练数据的关系采用下述公式(1)表示：

其中，公式(1)的正负号的取值随机决定。

在接收端4用模数转换器(analog to Digital Converter，ADC)对解调信号采样后，其所得采样数据信号由数字信号处理(Digital S ignal Process，DSP)进行信号处理，通过在发端周期性地插入特定训练序列，在收端利用特定训练序列直接求解偏振矩阵，求得的偏振矩阵即为信道偏振信号，然后过滤掉信道偏振信号的直流分量与低频分量，则可分离出对应于外界扰动事件的扰动信号即信道偏振变化信息。

在较佳的实施例中，上述接收端4在接收到发送端3输出的光信号后，将光信号转化为电信号，并对其进行采样得到数字信号，利用两级均衡器对采样得到的数字信号进行信道均衡，并得到第一级均衡器输出的中间信号。上述中间信号可表述为发送数据、偏振矩阵、以及光信号的频差相差带来的复变量的乘积，上述偏振矩阵包括偏振元素A和偏振元素B。

上述偏振分析模块2通过根据中间信号，得到偏振矩阵中的A

在本实施例中，采样数据信号由两级均衡器进行信道均衡，第一级均衡器补偿信号码元间串扰，其输出的中间信号可看作发送信号乘以偏振旋转矩阵再乘以频差相差带来的复变量，上述中间信号的数学表达式采用下述公式(2)表示：

其中，

在较佳的实施例中，上述偏振分析模块2通过将X路中间信号和Y路中间信号共轭相乘，解方程得到A

在本实施例中，在TY(m)＝TX(m)时，将

在TY(m)＝jTX(m)时，将

在TY(m)＝-TX(m)时，将

在TY(m)＝-jTX(m)时，将

由上述公式(3)、公式(4)、公式(5)、公式(6)求解得到A

在较佳的实施例中，上述偏振分析模块2通过将2

在本实施例中，将2

在较佳的实施例中，定义双向传输两端分别为西端W和东端E，以西端W作为发送端时，由东端E作为接收端提取A

扰动识别模块5，用于对A

在本实施例中，对APS_A

其中，APS_A

APS_B

对频域信号APS_A

对频域信号APS_B

分析其幅度谱信号，在线路受到一定频率的扰动情况下，幅度谱信号|APS_A

在较佳的实施例中，上述偏振分析模块2在时域进行分析时，对双向传输时的西部接收端提取的A

在本实施例中，将收发两端的偏振A/B平方累加信号分别表示为：以西端W作为接收端获取的A

在时域定位时，对上述信号进行相关运算，我们可以得到以下四组相关信号：

APS_A

APS_A

APS_B

APS_B

对这四组相关信号进行了取模并合并得到事件信号，事件信号采用下述公式(8)表示：

SUM_Corr_W_E＝|Corr_A

其中，SUM_Corr_W_E用于表示事件信号。

找出SUM_Corr_W_E峰值，根据峰值可计算出事件发生位置到西部与东部的距离差，并由此求出事件发生位置。

在较佳的实施例中，对应于时域方法，距离差也可在频域求出。上述偏振分析模块2在频域进行分析时，对双向传输时的两个接收端提取的A

在本实施例中，对应于时域方法，距离差也可在频域求出。将信息APS_A

在一个具体实施例中，该过程如下：

对两端的A

Phi_APS_A

Phi_APS_B

Phi_APS_A

Phi_APS_B

其中，angle()用于表示取角度运算。

Phi_APS_A

Phi_APS_B

Phi_APS_A

Phi_APS_B

对比West/East两端相位，求出四组相位差：

φ_WE_AA(n)＝Phi_APS_A

φ_WE_AB(n)＝Phi_APS_A

φ_WE_BA(n)＝Phi_APS_B

φ_WE_BB(n)＝Phi_APS_B

加权合并四组相位差，得到:

其中，W1、W2、W3、以及W4用于表示权重。

φ_WE_AA_(n)用于表示以西端W作为接收端时根据A

φ_WE_AB(n)用于表示以西端W作为接收端时根据A

φ_WE_BA_(n)用于表示以西端W作为接收端时根据B

φ_WE_BB_(n)用于表示以西端W作为接收端时根据B

权重W1、W2、W3、W4的计算方式为:

W1＝|APS_A

W2＝|APS_A

W3＝|APS_A

W4＝|APS_A

分别利用相位差计算距离差，根据相位求出事件发生点距两端的距离差，计算公式采用下述公式(9)：

其中，ΔL用于表示距离差。Φ_WE_Combo用于表示两端恢复出的扰动信号相位差。C用于表示光速，f

在较佳的实施例中，通过时间差定位的前提是，需对两端进行时间同步。时间同步可通过北斗或GPS授时进行，也可以用一段发射特殊的数据序列，保证两端同时开始计时。

本发明还提供一种基于偏振态变化监控的通信传感一体化方法，包括：

在发送端3，按照预设的插入策略向发送数据中周期性插入特定训练序列后，根据发送数据调制得到光信号并输出，上述插入策略包括在每个插入周期向X偏振依次插入第一X训练数据和第二X训练数据、以及在每个插入周期向Y偏振依次插入第一Y训练数据和第二Y训练数据，上述两个X数据从插入数据集中随机选择，上述插入数据集为{1、j、-1、-j}，上述第一Y训练数据为对第一X训练数据随机取正负得到，上述第二Y训练数据为将第二X训练数据随机乘以正虚数或负虚数得到。

在接收端4，对包含特定训练序列的光信号进行偏振矩阵求解，求得的偏振矩阵即为信道偏振信号，对信道偏振信号累加并滤除直流分量得到信道偏振变化信息，根据信道偏振变化信息进行扰动事件分析，得到扰动事件信息。

分析信道偏振变化信息的幅度谱，以识别具有特定频率的扰动信号。

根据双向传输两端提取的信道偏振变化信息，得到扰动事件到达双向传输两端的时间差，并根据该时间差对扰动事件定位。

本申请不局限于上述实施方式，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本申请原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也视为本申请的保护范围之内。