本发明属于光纤通信与光纤传感技术领域，更具体地，涉及一种实现偏振稳定的控制方法及系统。
背景技术：
光纤通信系统中，由于光纤传输过程中光纤的弯曲、挤压以及其他因素影响，经传输后光的偏振态发生动态随机变化，在邦加球上的表现为输出光偏振态的轨迹不是一个固定点。对于偏振复用、相干接收、偏振态量子密钥分发等需要稳定偏振态的系统，需要将随机变化的偏振态快速稳定为一个固定的偏振态，或者需要产生一个偏振态稳定的输出光，方法是通过不断地控制和调节偏振控制器(pc)来实现偏振稳定。
目前已有多种实现偏振稳定的方案，主要分为两类，一是利用多维优化算法，如偏振稳定控制装置及方法(cn105629518a)和2014年11月10日公开的文献chineseopticsletterscol12(11)，110603(2014)中使用的粒子群优化算法、2012年02月07日公开的文献engineeringapplicationsofartificialintelligencevolume25，issue4，(2012)中使用的遗传算法、提升偏振控制器性能的方法和装置(cn102221751a)中使用的梯度算法等，设定目标函数，优化目标函数来控制pc，稳定偏振态，但这些优化算法都难以兼顾全局搜索和搜索速度：或为了避免陷入局部极值而速度较慢，或速度较快但容易陷入局部最佳而错过全局最优点；另一种是测量输入光偏振态，结合目标偏振态计算出偏振控制器的控制电压，直接将输入转换到目标偏振态，但这种方法只在理论上提出，并无实验证实，因为实际使用中会受到偏振控制器标定精度和链路上其他偏振变化的影响，随着时间的推移准确度会降低，系统稳定性较差。除此之外，大部分偏振稳定装置和方法只能将任意输入光偏振态稳定在某一个特定的输出光偏振态，而不是任意输出光偏振态。实际应用中很多情况下需要将偏振态稳定到邦加球上的任意指定位置，因此限制了这些方法的实际应用。
技术实现要素：
针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种实现偏振稳定的控制方法及系统，其目的在于结合快速定位和随机梯度下降算法，利用快速定位将任意输入光偏振态快速转换到目标偏振态附近，无需全局搜索，再由随机梯度下降算法进一步将输出光偏振态优化到目标偏振态处，兼顾搜索速度和避免局部极值，用此方法和装置可以将随机快速变化的输入光偏振态稳定到任意设定的目标偏振态，由于其稳定速度较快，可以用在高速偏振变化的系统中，使其输出光偏振态与目标偏振态偏差在一定阈值内，由此解决现有技术中偏振控制速度较慢的技术问题。
为实现上述目的，按照本发明的一个方面，提供了一种实现偏振稳定的控制方法，通过快速定位算法将任意输入光偏振态经过偏振控制器后的输出光偏振态快速调整到邦加球上任意指定目标偏振态附近，再由随机梯度下降算法进一步稳定输出光偏振态至目标偏振态，以实现对任意偏振态稳定到任意设定的目标偏振态，该方法具体包括以下步骤：
由输入光和目标偏振态斯托克斯参数直接计算出偏振控制器所需施加波片相位差以及对应的电压值；
对偏振控制器施加所述电压值以调整输出光偏振态在邦加球的位置，以使输出光偏振态与目标偏振态在邦加球上的夹角小于预设临界角度；
通过随机梯度下降算法进一步调整输出光偏振态以趋向于目标偏振态，从而实现偏振稳定。
优选地，对偏振控制器施加所述电压值以调整输出光偏振态在邦加球的位置，以使输出光偏振态与目标偏振态在邦加球上的夹角小于预设临界角度，包括以下具体步骤：
根据输入与目标偏振态在邦加球上相对位置区分为不在盲区和在盲区两种情况，偏振控制器只需前两级波片改变相位差或需要前三级波片改变相位差，再由输入光和目标偏振态斯托克斯参数采用不同的公式计算前两级波片或前三级波片相位差，将该相位差对应的电压施加在标定好的偏振控制器上，通过偏振控制器的前两级波片或前三级波片调节即可将输出光偏振态调整至目标偏振态附近，以使光经过偏振控制器后的所述夹角小于预设临界角度。
优选地，通过随机梯度下降算法进一步调整输出光偏振态以趋向于目标偏振态，从而实现偏振稳定，包括以下步骤：
按照一定的步长依次调节偏振控制器内各波片的电压，步长与当前输出光偏振态和目标偏振态在邦加球上的夹角成正比，每次对一个波片增加或减少一个步长的电压，然后测量输出光偏振态，根据输出光偏振态与目标偏振态夹角在哪种情况减小选择对此波片增加还是减小一个波长电压，再对下一个波片相同操作，依次循环调节三个波片，直至输出光偏振态与目标偏振态夹角小于设定阈值。
优选地，所述偏振控制器的标定过程为：
标定所述偏振控制器各个波片上的电压，使用偏振分析仪测量输出光偏振态；
观察所述输出光偏振态随电压逐渐增大的过程中在邦加球上走过一个圆轨迹，并将偏振态旋转的角度与电压对应起来，偏振控制器标定完成。
优选地，所述输出光偏振态与目标偏振态在邦加球上的夹角为输出光偏振态与邦加球球心连线和目标偏振态与邦加球球心连线之间的夹角；
计算输出光偏振态与目标偏振态在邦加球上的夹角步骤具体为：
设定目标偏振态的对s0归一化斯托克斯参数s1、s2、s3，以及由目标偏振态和输入/输出光偏振态归一化斯托克斯参数计算两者在邦加球上的夹角公式
θ＝acrcos(s1*s′1 s2*s′2 s3*s′3)
其中s1、s2、s3为设定目标偏振态的归一化斯托克斯参数，s′1、s′2、s′3为检测到的输入/输出光偏振态的归一化斯托克斯参数。
优选地，所述计算输出光偏振态与目标偏振态在邦加球上的夹角包括以下步骤：
待稳定偏振光进入前置偏振分析仪，所述前置偏振分析仪得到4组电压值，并由前置偏振分析仪的测量矩阵计算出输入光归一化斯托克斯参数s′1、s′2、s′3；
保持偏振控制器不变，在所述偏振控制器输出端的后置偏振分析仪测量输出光偏振态，得到输出光斯托克斯参数s″1、s″2、s″3；
通过所述夹角公式计算输出光偏振态与目标偏振态的夹角。
优选地，所述偏振控制器由五级等效相位差可调角度固定波片组成，每一级波片的角度依次为0°、45°、0°、45°、0°，前三级波片用于控制输出光偏振态，后两级波片用于当前三级波片上施加电压达到极限时，回退前三级波片电压至中间电压以便于继续调节电压。
按照本发明的另一方面，提供了一种实现偏振稳定的控制系统，该系统包括：前置偏振分析仪、后置偏振分析仪、偏振控制器、驱动电路、采样电路和单片机；
所述前置偏振分析仪的输出端通过所述采样电路连接于所述单片机的第一输入端；所述后置偏振分析仪的输出端通过所述采样电路连接于所述单片机的第二输入端；所述单片机的输出端通过所述驱动电路连接于所述偏振控制器的输入端；
所述前置偏振分析仪用于检测输入光的偏振态并输出输入光偏振态的四路电压信号；
所述后置偏振分析仪用于检测输出光的偏振态并输出输出光偏振态的四路电压信号；
所述采样电路用于使所述前置偏振分析仪输出的四路电压信号数模转换后的数字信号输入至所述单片机；所述采样电路还用于使所述后置偏振分析仪输出的四路电压信号数模转换后的数字信号输入至所述单片机；
所述单片机用于接收两路数字信号并进行矩阵运算后得到表示偏振态的四个斯托克斯参数，通过快速定位算法和随机梯度下降算法将输出光偏振态稳定至目标偏振态，并将控制信号通过所述驱动电路反馈给所述偏振控制器以实现对入射光偏振态的稳定控制。
优选地，所述偏振控制器由五级等效相位差可调角度固定波片组成，每一级波片的角度依次为0°、45°、0°、45°、0°，前三级波片用于控制输出光偏振态，后两级波片用于当前三级波片上施加电压达到极限时，回退前三级波片电压至中间电压以便于继续调节电压。
总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，由于结合快速定位和随机梯度下降算法，利用快速定位将任意输入偏振态快速转换到目标偏振态附近，无需全局搜索，再由随机梯度下降算法进一步将输出偏振态优化到目标偏振态处，兼顾搜索速度和避免局部极值，可以将随机快速变化的输入光偏振态稳定到任意设定的目标偏振态，其稳定速度较快，可以应用于各类高速偏振变化的系统中。
附图说明
图1是本发明偏振稳定的控制系统示意图；
图2是本发明目标偏振态与输出光偏振态在邦加球上的夹角示意图；
图3是本发明快速定位算法原理图；
图4是本发明偏振稳定时输出偏振态在邦加球上的轨迹图；
图5是本发明偏振稳定算法流程图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。
本发明提出了一种实现偏振稳定的控制方法，通过快速定位算法将任意输入光偏振态经过偏振控制器后的输出光偏振态快速调整到邦加球上任意指定目标偏振态附近，再由随机梯度下降算法进一步稳定输出光偏振态至目标偏振态，以实现对任意偏振态稳定到任意设定的目标偏振态，该方法具体包括以下步骤：
由输入光和目标偏振态斯托克斯参数直接计算出偏振控制器所需施加波片相位差以及对应的电压值；
通过输入光和输出光的斯托克斯参数以及预先设定的目标偏振态斯托克斯参数计算输出光偏振态与目标偏振态在邦加球上的夹角；
对偏振控制器施加所述电压值以调整输出光偏振态在邦加球的位置，以使输出光偏振态与目标偏振态在邦加球上的夹角小于预设临界角度；
通过随机梯度下降算法进一步调整输出光偏振态以趋向于目标偏振态，从而实现偏振稳定。
本发明的核心原理是结合快速定位和随机梯度下降算法，利用快速定位将任意输入光偏振态快速转换到目标偏振态附近，无需全局搜索，再由随机梯度下降算法进一步将输出光偏振态优化到目标偏振态处，兼顾搜索速度和避免局部极值，用此方法可以将随机快速变化的输入光偏振态稳定到任意设定的目标偏振态，由于其稳定速度较快，可以用在高速偏振变化的系统中，使其输出偏振态与目标偏振态偏差在一定阈值内。本发明的控制方法步骤为：
入射光偏振态随机快速变化，通过偏振分析仪检测偏振态，得到输入光斯托克斯参数，再通过标定好的偏振控制装置，再次将输出的光耦合到后置偏振分析仪，检测输出光偏振态，得到输出光斯托克斯参数，与设定的目标偏振态计算夹角。
本发明的实施例中，所述夹角设定为10°，实际算法可以选择其他角度作为临界角度。
更进一步的说明，若夹角大于10°，则由输入光和目标偏振态斯托克斯参数计算偏振控制器的波片相位差，再将此相位差对应的电压施加在偏振控制器上；若夹角小于10°，则进入小范围随机梯度下降算法，由梯度算法搜索偏振控制器各波片上最佳电压值，使得输出光偏振态与目标偏振态夹角最小，最终实现偏振稳定功能。
图5是本发明偏振稳定算法流程图，如图5所示，具体步骤为：
s1，设定目标偏振态的对s0归一化斯托克斯参数s1、s2、s3，以及由目标偏振态和输入/输出光偏振态归一化斯托克斯参数计算两者在邦加球上的夹角公式
θ＝acrcos(s1*s′1 s2*s′2 s3*s′3)。
其中s1、s2、s3为设定目标偏振态的归一化斯托克斯参数，s′1、s′2、s′3为检测到的输入/输出光偏振态的归一化斯托克斯参数。
具体的，如图2所示的目标偏振态与输出光偏振态在邦加球上的夹角示意图，所述输出光偏振态与目标偏振态在邦加球上的夹角为：输出光偏振态与邦加球球心连线和目标偏振态与邦加球球心连线之间的夹角。当输出光偏振态与目标偏振态一致时，角度θ最小。
s2，待稳偏光进入系统时，首先耦合部分光导前置偏振分析仪1，前置偏振分析仪1得到四组电压值，并由偏振分析仪的测量矩阵计算出输入光归一化斯托克斯参数s′1、s′2、s′3，然后保持偏振控制器不变，在输出端的偏振分析仪2测量输出光偏振态，得到输出光斯托克斯参数s″1、s″2、s″3，由夹角公式计算输出光偏振态与目标偏振态夹角θ。
s3，若θ＞10°，则判断目前输出光偏振态与目标偏振态距离较大，需要快速定位将输出光偏振态快速移动到目标偏振态附近，便于梯度算法正常工作。这时利用已知的输入光偏振态和目标偏振态的斯托克斯矢量，由下面步骤计算出偏振控制器各波片所需施加相位差。
根据输入和目标偏振态的相对位置，如图3所示，分为两种情况：
(1)目标偏振态不在盲区，
(2)目标偏振态在盲区，
具体的，针对情况(1)，如图3所示，0°和45°波片在邦加球上的轨迹分别为绕邦加球的s1轴和s2轴旋转圆，可将输入光偏振态sin到目标偏振态saim的路径分为两段，首先由0°波片将sin旋转到d1，再由45°波片将d1旋转到saim，d1的归一化斯托克斯参数可从图上计算出为
更进一步的说明，针对情况(2)，如图3所示，输入光偏振态sin到目标偏振态saim的路径分为三段，有两个中间节点d1和d2，d1和d2的归一化斯托克斯参数分别计算为
当计算出各波片所需的相位差时，根据标定好的偏振控制器电压与相位差关系，得到偏振控制器所需施加的电压值v1-v5。需要说明的是，v4、v5即后两波片的电压值为零，将对应电压施加到偏振控制器上，由于标定的偏振控制器可能存在的其他偏振误差，输出光偏振态不会完美达到目标偏振态，而是在其附近，即θ＜10°。
s4，若θ＜10°，即输出光偏振态在目标偏振态附近，此时进入随机梯度下降优化过程，按一定步长依次改变前三各波片的电压。
具体的，首先调节波片1，增加或减少一个步长的电压，使输出光偏振态与目标偏振态夹角减少；然后调节波片2，增加或减少一个步长的电压，使输出光偏振态与目标偏振态夹角减少；最后调节波片3，增加或减少一个步长的电压，使输出光偏振态与目标偏振态夹角减少。
所述步长与夹角θ成正比，即夹角θ较大时，步长也较大，θ较小时步长变小以提高精度，不断循环此过程，直到输出光偏振态与目标偏振态夹角小于阈值完成偏振稳定。
输出光偏振态到目标偏振态在邦加球上的轨迹如图4所示。保持算法运行，使得输入光偏振态任意变化时，输出光偏振态始终在目标偏振态附近，且偏差小于阈值。
本发明的另一个实施例提出了一种实现偏振稳定的控制系统，如图1所示，包括前置偏振分析仪、后置偏振分析仪、偏振控制器、驱动电路、采样电路和单片机。
需要说明的是，本申请中前置偏振分析仪为偏振分析仪1，后置偏振分析仪为偏振分析仪2，所述偏振控制器为标定好的偏振控制器。
具体的，偏振分析仪1的输出端通过所述采样电路连接于所述单片机的第一输出端，所述偏振分析仪2的输出端通过所述采样电路连接于所述单片机的第二输入端，所述单片机的输出端通过所述驱动电路连接于所述偏振控制器的输入端。
标定好的偏振控制器由五级等效相位差可调角度固定波片构成，每一级波片角度分别为0°、45°、0°、45°、0°，其中最后两级波片用于复位，当前三级波片上施加电压达到极限15v时，需要回退其电压到中间电压以便于继续调节电压，即将波片的电压复位。此时通过后两级45°和0°波片辅助，可在不改变偏振态的情况下，将需要复位的波片上电压回退到中间电压。
前三级波片用于控制偏振态，可调相位差由施加在波片上的电压控制，电压范围为0v-15v，可实现0-2π相位差变化，且电压与相位差变化关系已标定好，标定过程为：分别标定偏振控制器各个波片电压与相位差关系，从后往前依次标定第五到第一个波片，改变偏振控制器波片上电压，使用偏振分析仪测量输出偏振态，观察到输出偏振态随着电压从0-15v增大时，输出偏振态在邦加球上走过一个圆轨迹，将偏振态旋转的角度即波片产生的相位差与电压对应起来，即完成偏振控制的标定。
偏振分析仪1用于检测输入光的偏振态并输出输出光偏振态的四路电压信号。偏振分析仪2用于检测输出光的偏振态并输出输出光偏振态的四路电压信号。
采样电路用于使所述偏振分析仪1输出的四路电压信号数模转换后的数字信号输入至所述单片机，采样电路还用于使偏振分析仪2输出的四路电压信号数模转换后的数字信号输入至所述单片机。
单片机用于接收两路数字信号并进行矩阵运算后得到表示偏振态的四个斯托克斯参数s0、s1、s2、s3，通过快速定位算法和随机梯度下降算法将输出光偏振态稳定至目标偏振态，并将控制信号通过驱动电路反馈给偏振控制器以实现对入射光偏振态的稳定控制。
本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
1.一种实现偏振稳定的控制方法，其特征在于，该方法具体包括以下步骤：
由输入光和目标偏振态斯托克斯参数直接计算出偏振控制器所需施加波片相位差以及对应的电压值；
对偏振控制器施加所述电压值以调整输出光偏振态在邦加球的位置，以使输出光偏振态与目标偏振态在邦加球上的夹角小于预设临界角度；
通过随机梯度下降算法进一步调整输出光偏振态以趋向于目标偏振态，从而实现偏振稳定。
2.根据权利要求1所述的一种实现偏振稳定的控制方法，其特征在于，对偏振控制器施加所述电压值以调整输出光偏振态在邦加球的位置，以使输出光偏振态与目标偏振态在邦加球上的夹角小于预设临界角度，包括以下具体步骤：
根据输入与目标偏振态在邦加球上相对位置区分为不在盲区和在盲区两种情况，偏振控制器只需前两级波片改变相位差或需要前三级波片改变相位差，再由输入光和目标偏振态斯托克斯参数采用不同的公式计算前两级波片或前三级波片相位差，将该相位差对应的电压施加在标定好的偏振控制器上，通过偏振控制器的前两级波片或前三级波片调节即可将输出光偏振态调整至目标偏振态附近，以使光经过偏振控制器后的所述夹角小于预设临界角度。
3.根据权利要求1或2所述的一种实现偏振稳定的控制方法，其特征在于，通过随机梯度下降算法进一步调整输出光偏振态以趋向于目标偏振态，从而实现偏振稳定，包括以下步骤：
按照一定的步长依次调节偏振控制器内各波片的电压，步长与当前输出光偏振态和目标偏振态在邦加球上的夹角成正比，每次对一个波片增加或减少一个步长的电压，然后测量输出光偏振态，根据输出光偏振态与目标偏振态夹角在哪种情况减小选择对此波片增加还是减小一个波长电压，再对下一个波片相同操作，依次循环调节三个波片，直至输出光偏振态与目标偏振态夹角小于设定阈值。
4.根据权利要求2所述的一种实现偏振稳定的控制方法，其特征在于，由输入光和目标偏振态斯托克斯参数直接计算出偏振控制器所需施加波片相位差以及对应的电压值前还需对偏振控制器进行标定，所述偏振控制器的标定过程为：
标定所述偏振控制器各个波片上的电压，使用偏振分析仪测量输出光偏振态；
观察所述输出光偏振态随电压逐渐增大的过程中在邦加球上走过一个圆轨迹，并将偏振态旋转的角度与电压对应起来，偏振控制器标定完成。
5.根据权利要求1-4任一项所述的一种实现偏振稳定的控制方法，其特征在于，所述输出光偏振态与目标偏振态在邦加球上的夹角为输出光偏振态与邦加球球心连线和目标偏振态与邦加球球心连线之间的夹角；
计算输出光偏振态与目标偏振态在邦加球上的夹角步骤具体为：
设定目标偏振态的对s0归一化斯托克斯参数s1、s2、s3，以及由目标偏振态和输入/输出光偏振态归一化斯托克斯参数计算两者在邦加球上的夹角公式
θ＝acrcos(s1*s′1 s2*s′2 s3*s′3)
其中s1、s2、s3为设定目标偏振态的归一化斯托克斯参数，s′1、s′2、s′3为检测到的输入/输出光偏振态的归一化斯托克斯参数。
6.根据权利要求5所述的一种实现偏振稳定的控制方法，其特征在于，所述计算输出光偏振态与目标偏振态在邦加球上的夹角包括以下步骤：
待稳定偏振光进入前置偏振分析仪，所述前置偏振分析仪得到4组电压值，并由前置偏振分析仪的测量矩阵计算出输入光归一化斯托克斯参数s′1、s′2、s′3；
保持偏振控制器不变，在所述偏振控制器输出端的后置偏振分析仪测量输出光偏振态，得到输出光斯托克斯参数s″1、s″2、s″3；
通过所述夹角公式计算输出光偏振态与目标偏振态的夹角。
7.根据权利要求6所述的一种实现偏振稳定的控制方法，其特征在于，所述偏振控制器由五级等效相位差可调角度固定波片组成，每一级波片的角度依次为0°、45°、0°、45°、0°，前三级波片用于控制输出光偏振态，后两级波片用于当前三级波片上施加电压达到极限时，回退前三级波片电压至中间电压以便于继续调节电压。
8.一种实现如权利要求1-7任一项所述的实现偏振稳定的控制方法的控制系统，其特征在于，该系统包括：前置偏振分析仪、后置偏振分析仪、偏振控制器、驱动电路、采样电路和单片机；
所述前置偏振分析仪的输出端通过所述采样电路连接于所述单片机的第一输入端；所述后置偏振分析仪的输出端通过所述采样电路连接于所述单片机的第二输入端；所述单片机的输出端通过所述驱动电路连接于所述偏振控制器的输入端；
所述前置偏振分析仪用于检测输入光的偏振态并输出包含输入光偏振态信息的四路电压信号；
所述后置偏振分析仪用于检测输出光的偏振态并输出包含输出光偏振态信息的四路电压信号；
所述采样电路用于使所述前置偏振分析仪输出的四路电压信号数模转换后的数字信号输入至所述单片机；所述采样电路还用于使所述后置偏振分析仪输出的四路电压信号数模转换后的数字信号输入至所述单片机；
所述单片机用于接收两路数字信号并进行矩阵运算后得到表示偏振态的四个斯托克斯参数，通过权利要求1所述的实现偏振稳定的控制方法将控制信号反馈至所述偏振控制器以实现对入射光偏振态的稳定控制。
9.根据权利要求8所述的一种实现偏振稳定的控制系统，其特征在于，所述偏振控制器由五级等效相位差可调角度固定波片组成，每一级波片的角度依次为0°、45°、0°、45°、0°，前三级波片用于控制输出光偏振态，后两级波片用于当前三级波片上施加电压达到极限时，回退前三级波片电压至中间电压以便于继续调节电压。
技术总结