CN101715153B - 混合波分时分复用无源传感光网络 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种混合波分时分复用无源传感光网络。它包括光终端设备、无源光网络和光传感单元，光终端设备的双向端口通过光纤接至无源光网络的一个双向端口，无源光网络还与光传感单元相连。本发明混合了波分、时分复用技术和光纤传感技术，复用容量大，监测范围广。
Description
技术领域
本发明涉及光纤传感技术领域，尤其涉及一种混合波分时分复用无源传感光网络构架、数据处理方法及实现装置。
背景技术
进入21世纪以来，随着光通信技术的高速发展，光通信中的一些最新技术逐渐为传感领域提供了新的技术平台。以光通信技术的发展为助推器的光纤传感正成为传感器研究领域中的一大热点。光纤传感器是20世纪70年代中期发展起来的一种新型传感器，与其他电传感器相比，它是用光而不是电来作为敏感信息的载体；利用光纤而不是用导线作为传递敏感信息的媒介。光纤传感器的原理是利用光纤在受到外界环境的影响下，对光纤中传播光的相位、偏振、光强、波长等物理参量的变化，进行测量从而感知环境变化的装置。光纤传感器一般由光源、调制器、光纤、光电探测器和信号处理系统组成。来自光源的光信号，经过一定调制后进入光纤，然后将探测器检测的参数调制成幅度、相位、波长或偏振信息，最后利用微处理器或计算机进行信息处理。
光纤围栏是光纤传感技术众多应用中的一种，其中，光纤既是传感介质，又是传输介质。光纤围栏可以在传感光纤布设范围内，对突发事件进行远程和实时的检测。因此，在军事国防、石油管道以及民用安全防护监测方面有着重要的应用前景。针对大范围区域的周界监控要求，最好的方式是采用分布式光纤传感技术或多点准分布式光纤传感技术。全分布式光纤传感主要有基于后向拉曼散射、布里散射的后向时域反射技术，以及长距离萨格奈克、迈克尔逊及马赫-泽德等干涉型传感器的复用技术，但这些传感方式系统实现成本高、稳定性和可靠性较差。多点准分布式光纤传感技术主要包括时分复用(TDM)、波分复用(WDM)、及空分复用(SDM)等，但都仅限于利用这些复用技术将多个传感单元串行或并行连接构成多点准分布传感，复用容量非常有限，监测范围较小。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是：提供一种混合波分时分复用无源传感光网络，本发明混合了波分、时分复用技术和光纤传感技术，复用容量大，监测范围广。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：混合波分时分复用无源传感光网络包括光终端设备、无源光网络和光传感单元，光终端设备的双向端口通过光纤接至无源光网络的一个双向端口，无源光网络还与光传感单元相连。
光终端设备包括高功率多波长脉冲调制光源、光纤环形器、OLT波分模块、光电探测器、多通道高速数据采集卡和工控机；高功率多波长脉冲调制光源的输出端接至光纤环形器的输入端，光纤环形器的输出端接至OLT波分模块的输入端，光纤环形器的双向端口接至无源光网络的一个双向端口，OLT波分模块的输出端通过光电探测器接至多通道高速数据采集卡的输入端，多通道高速数据采集卡的输出端接至工控机的输入端。
无源光网络包括光时分模块、PON波分模块，光时分模块的一个双向端口接至光终端设备的双向端口，光时分模块的其余双向端口接至PON波分模块，PON波分模块还与光传感单元相连。
该发明与现有技术相比，具有以下主要优点：
其一，以混合波分时分复用无源光网络结构组建传感光网络，集传、感于一体，有效地提高了光纤传感网络的容量，实现长距离、大范围、多区域监测；
其二，各传感单元之间相互独立，互不影响，提高传感系统的可靠性、稳定性及容错性；
其三，网络化结构便于多传感单元系统化的集中管理与控制，
其四，传感光网络的无源化消除了户外环境对有源器件可能造成的影响，使整个光纤传感系统更加可靠稳定；
其五，采用普通光纤光缆作为警戒触发装置，利用非对称马赫-泽德/萨格奈克干涉传感分区检测技术，其优势在于整个传感光缆沿线都是监测单元，因此通过无源传感光网络连接后整个防区周界沿线全部具有高灵敏度的振动传感监测功能，是一种全分布式无盲区的监控；
其六，采用环境自适应阈值动态调整技术，大大降低传感系统误报率和虚警率。
附图说明
图1是本发明网络架构结构示意图。
图2是本发明光传感单元路由寻址方法示意图。
图3是本发明的混合波分时分复用无源传感光网络传感数据管理方法示意图。
图4是本发明应用于光纤振动传感周界防入侵系统中的实现装置示意图。
图中：1.高功率多波长脉冲调制光源；2.光纤环形器；3.光时分模块；4.PON波分模块；5.光传感单元(OSU)；6.OLT波分模块；7.光电探测器；8.多通道高速数据采集卡；9.工控机；10.标记脉冲；11.信号脉冲序列；12.传感单元的数据序列；13.数据分析模块；14.报警判断模块；15.报警处理模块；16.阈值管理模块；17.报警信号；18.反馈控制；19.非对称马赫-泽德干涉仪；20.星型光纤耦合器；21.多通道光延时模块；22.多通道波分复用器；23.分布式传感光纤；24.光纤传感反射镜；25.光纤反射镜。26.光终端设备(OLT)；27.无源光网络(PON)。
具体实施方式
本发明针对现有多点准分布式光纤传感系统存在的监测容量非常有限的问题，提出将光纤通信中的无源光网络(PON)结构引入光纤传感技术，以光传感单元(OSU)代替PON中的光网络单元(ONU)，利用混合波分/时分复用技术灵活构建大容量无源传感光网络，大大提高光纤传感系统的传感监测范围；各传感单元之间独立，互不影响，提高光纤传感系统的稳定性和可靠性；同时，采用尽可能简单的网络技术在系统终端和传感单元之间实现单一光纤的传输，大大提高传输光纤利用率，降低光纤铺设成本。本发明还解决了这种新型无源传感光网络的传感数据处理方法。本发明的另一目的是这种混合波分时分复用无源传感光网络应用于光纤振动传感周界防入侵系统中的实现装置。
如图1所示，本发明的网络架构包括光终端设备26、无源光网络27和多个光传感单元5，光终端设备26的双向端口通过引导光纤接至无源光网络27的一个双向端口，无源光网络27还与光传感单元5相连。
光终端设备26包括高功率多波长脉冲调制光源1、光纤环形器2、OLT波分模块6、多个光电探测器7、多通道高速数据采集卡8和工控机9。高功率多波长脉冲调制光源1的输出端接至光纤环形器2的输入端，光纤环形器2的输出端接至OLT波分模块6的输入端，光纤环形器2的双向端口接至无源光网络27的一个双向端口，OLT波分模块6的输出端通过光电探测器7、数据电缆接至多通道高速数据采集卡8的输入端，多通道高速数据采集卡8的输出端通过数据电缆接至工控机9的输入端。
无源光网络27包括光时分模块3、多个PON波分模块4，光时分模块3的一个双向端口接至光终端设备26的双向端口，光时分模块3的其余双向端口接至PON波分模块4，每个PON波分模块4还与相应的光传感单元5相连。
本发明网络中光纤链路采用单纤双向双工传输方式。本发明的数据传输包括上行和下行方向。设M、N均为自然数。
在网络下行方向，高功率多波长脉冲调制光源1发出M个波长、一定功率、一定重复频率的脉冲光波，通过光纤环形器2到达光时分模块3，通过光时分模块3后脉冲光波被功率等分为(N+1)份，其中1路光在光时分模块3内部被反射作为标记脉冲信号10，其余N路光分别从T1至TN共N根引导光纤中输出。这N路输出脉冲光波的功率相等，各相邻路输出脉冲之间通过延迟光纤引入相同的时间延迟T(T至少要大于调制脉冲的脉宽)。每路脉冲光波向前传输至其对应的PON波分模块4，M个波长的光波按照波长被分离成λ1至λM共M路分别输出，此处每路输出为一定功率的特定波长脉冲光波。每路特定波长脉冲光波通过引导光纤输入给光传感单元5，光传感单元5采用光波反射式结构。
在网络上行方向，携带了传感信息的反射单波长脉冲光通过引导光纤传输至PON波分模块4，经过PON波分模块4后实现多波长信号合波，再上行传输至光时分模块3进行功率合并。携带了网络中各个OSU传感信息的多波长序列脉冲光波通过光纤环形器2传输至OLT波分模块6，进行波长分离，每个波长的序列脉冲光由一个光电探测器7进行光电转换。M个波长的序列脉冲光波分别由M个光电探测器7进行光电转换，转换后的电信号被M通道高速数据采集卡8进行数据采集，然后送入工控机9进行数据处理，获得传感器网络中各个光传感单元5的检测信息。
基于这种M波分、N时分混合复用的无源传感光网络的容量可达M*N个光传感单元5。这些光传感单元5可通过不同的空间分布组合构成线型光纤周界或分区域型光纤周界。
实施例：
如图4所示，本发明应用于光纤振动传感周界防入侵系统时，则基于混合波分时分复用无源传感光网络和线形反射型光纤传感单元组织其架构。光时分模块3采用星型光纤耦合器20和多通道光时延模块21连接构成，PON波分模块4采用多通道波分复用器22，光传感单元5采用分布式传感光纤23和光纤传感反射镜24连接构成，光终端设备26与无源光网络27之间还接有非对称马赫-泽德干涉仪19。其中光终端设备26的双向端口接至非对称马赫-泽德干涉仪19，非对称马赫-泽德干涉仪19的另一端接至星型光纤耦合器20的一侧双向端口，星型光纤耦合器20的另一侧双向端口与多通道光延时模块21的一侧双向端口连接，多通道光延时模块21的另一侧双向端口接至多通道波分复用器22。分布式传感光纤23的一端与多通道波分复用器22连接，另一端与光纤传感反射镜24连接。星型光纤耦合器20还接有光纤反射镜25。
如图2和图4所示，该光网络上数据传输的方向分为下行和上行。下行时，高功率多波长脉冲调制光源1发出M个波长、一定功率、一定重复频率的的脉冲光波，通过光纤环形器2入射非对称马赫-泽德干涉仪19，经过1*(N+1)的星型光纤耦合器20进行等功率分配，其中1路光波通过光纤反射镜25反射，作为标记脉冲10，其余N路光波通过N通道光延时模块21后分别从T1至TN共N根光纤中输出。这N路输出脉冲光波的功率相等，各相邻路输出脉冲之间具有相同的时间延迟T。每路脉冲光波再继续下行向前传输至M通道波分复用器22，M个波长的光波按照波长被分离成λ1至λM共M路分别输出，每路输出为一定功率的单波长脉冲光波，通过引导光纤、分布式传感光纤23输入给M*N个光纤传感反射镜24。分布式传感光纤23和光纤传感反射镜24组成光纤振动传感单元。
当有入侵振动作用到周界光纤上时，会引起分布式传感光纤23中传输光波的相位改变，通过振动传感单元后转化为光功率的变化。上行时，携带了传感信息的单波长脉冲光被光纤传感反射镜24全部反射，发出携带了传感信息的反射单波长脉冲光。光波依次通过M通道波分复用器22、N通道光延时模块21、星型光纤耦合器20分别进行波长合并、二次延时及功率合并，然后再次经过非对称马赫-泽德干涉仪19，携带了网络中各个光传感反射镜24的传感信息的多波长序列脉冲光波11通过光纤环形器2传输至M通道OLT波分模块6进行波长分离，M个波长的序列脉冲光波再分别由M个光电探测器7进行光电转换，转换后的电信号被M通道高速数据采集卡8进行数据采集，然后送入工控机9进行数据提取、处理和分析，得到周界上各传感防区的入侵警戒情况。其中，非对称马赫-泽德干涉仪19、分布式传感光纤23、光纤传感反射镜24以及他们之间连接的引导光纤构成非中心对称的萨格奈克干涉传感器，对作用于传感光纤23上的振动信号具有非常高的检测灵敏度。
其光传感单元5的路由寻址方法是基于波分-时分矩阵式路由寻址的。各个光传感单元5的反射光波携带了各个位置的传感信息。上行时，各个光传感单元5的反射光波通过网络汇聚到M通道高速数据采集卡8后，每个通道采集到独立的(N+1)个脉冲序列数据，包括一个标记脉冲和N个传感单元信号脉冲，各信道、各脉冲之间相互独立。然后将得到的数据组成一个(N+1)*M的二维矩阵，其中矩阵的行元素对应不同的光波波长，矩阵的列元素对应不同的光波脉冲时间延迟，矩阵中的每个元素对应特定的光波波长和时间延迟，即特定的光传感单元5的信号。在工控机9中利用软件数据处理对各个脉冲信号进行分离和波长、时延定位，即可实现传感单元路由寻址。由此可实现路由寻址。
其光传感单元5的数据的提取方法是采取自动逻辑定位。M通道高速数据采集卡8获得二维矩阵式数据后，首先在波长维度上通过采集卡通道的区分实现数据分离；然后在时间维度上，以标记脉冲10作为定位基准，通过各个传感脉冲信号与标记脉冲信号之间的时间偏移实现数据分离。对于确定的无源传感光网络系统，每个光传感单元5对应的波长和时间延迟均唯一确定，系统软件在逻辑上为其准备一个独立的数据缓冲区域。工控机9的软件依次扫描每一个重复周期内对应的某一个传感信号脉冲值，并根据时间先后顺序将它们存储到对应的逻辑数据缓冲区内，最后每一个传感单元的数据均转换为一个数据序列，从而实现各光传感单元传感信息的有效提取。后续系统软件只需要在逻辑上管理这些数据序列，就能准确地处理对应的物理传感单元的状态信息。
本发明传感网络的管理，本质为对每一个物理光传感单元5的数据处理和管理。如图3所示，工控机9上装有数据管理系统，该系统包括数据分析模块13、报警判断模块14、阈值管理模块16和报警处理模块15。系统为每一个光传感单元都设定一个预期报警阈值，而不同的传感单元，由于硬件、环境等差异，一般报警阈值会有差别。每个独立光传感单元的数据序列输入到数据分析模块13，当数据分析模块13计算结果超过其预期阈值时，该传感单元被判定为有周界入侵发生，就将异常的计算结果传入报警判断模块14进行报警判断并输出报警信号给报警处理模块15，最后由报警处理模块15来处理该异常。为减小偶发的冲击脉冲的影响，在可接受范围内，系统报警设置一定的延滞时间，如果满足报警延滞条件，则向外部设备发出报警信号17。每一个逻辑周期内的阈值都将被阈值管理模块16记录下来，并在下一个逻辑周期内对阈值进行分析，然后对报警判断模块14进行反馈控制18，用以调整传感系统的灵敏度和误报率。
在实际应用中，系统的稳定性会受到环境的极大影响，例如异常的天气，风，雨，雪等影响，另外由于系统硬件的不稳定，也可能随着环境条件(温度等)的变化，而引起系统参数的变化，影响报警判断的准确性。相比于静态阈值管理方法，本系统采用动态阈值管理方法，每一次的阈值不仅能决定此次是否报警，还能反馈给下一次，以动态调整下一次的报警条件。当环境条件变化时，一部分受影响的传感单元的数据可能会发生剧烈抖动，此时，动态阈值管理模块能够在下一个逻辑周期内检测到异常，对环境影响进行智能判断，修正其预期阈值，从而避免下一个周期内发生大量误报。当报警事件频繁发生时，阈值管理模块也会根据实际情况，自动升高阈值，从而做出更具有实际意义的判断。当环境的扰动消失时，系统同样能够智能判断，迅速降低相应的报警阈值，保证了较高的灵敏度。
这个处理过程一般可以在一个逻辑周期内完成，对于系统的默认处理频率为20Hz，因此常规周界入侵扰动可以在极短的时间内完成判断并得到处理，在实际应用中，不会对系统的灵敏度造成太大影响，同时也能保证很低的误报率。当系统关机时，各逻辑传感单元的阈值会被存储到数据库中，以备下次系统启动时读取，并尽快使系统恢复到正常工作状态。
另外，混合波分时分复用无源传感光网络传感数据管理还包括对用户提供记录查询、数据备份和用户管理等功能。
最后应说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的精神和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。
Claims (6)
1.混合波分时分复用无源传感光网络，其特征在于：它包括光终端设备、无源光网络和光传感单元，光终端设备的双向端口通过光纤和非对称马赫-泽德干涉仪接至无源光网络的一个双向端口，无源光网络还与光传感单元相连；
光终端设备包括高功率多波长脉冲调制光源、光纤环形器、OLT波分模块、光电探测器、多通道高速数据采集卡和工控机；高功率多波长脉冲调制光源的输出端接至光纤环形器的输入端，光纤环形器的输出端接至OLT波分模块的输入端，光纤环形器的双向端口通过非对称马赫-泽德干涉仪接至无源光网络的一个双向端口，OLT波分模块的输出端通过光电探测器接至多通道高速数据采集卡的输入端，多通道高速数据采集卡的输出端接至工控机的输入端；
无源光网络包括光时分模块、PON波分模块，光时分模块的一个双向端口通过非对称马赫-泽德干涉仪接至光终端设备的双向端口，光时分模块的其余双向端口接至PON波分模块，PON波分模块还与光传感单元相连；
混合波分时分复用无源传感光网络上数据传输的方向分为下行和上行：
在网络下行方向，高功率多波长脉冲调制光源发出M个波长、一定功率、一定重复频率的脉冲光波，通过光纤环形器、非对称马赫-泽德干涉仪到达光时分模块，通过光时分模块后脉冲光波被功率等分为(N+1)份，其中1路脉冲光波在光时分模块内部被反射作为标记脉冲信号，其余N路脉冲光波分别从T1至TN共N根引导光纤中输出，这N路输出的脉冲光波的功率相等，各相邻路输出的脉冲光波之间通过光时分模块的多通道光延时模块引入相同的时间延迟T，每路脉冲光波向前传输至其对应的PON波分模块，M个波长的脉冲光波按照波长被分离成λ1至λM共M路分别输出，每路特定波长脉冲光波通过引导光纤输入给光传感单元；
在网络上行方向，携带了传感信息的反射单波长脉冲光波通过引导光纤传输至PON波分模块，经过PON波分模块后实现多波长信号合波，再上行传输至光时分模块进行功率合并，携带了网络中各个光传感单元信息的多波长序列脉冲光波通过非对称马赫-泽德干涉仪、光纤环形器传输至OLT波分模块进行波长分离，每个波长的序列脉冲光波由一个光电探测器进行光电转换，转换后的电信号被M通道的多通道高速数据采集卡进行数据采集，然后送入工控机进行数据处理，获得所述传感光网络中各个光传感单元的检测信息。
2.根据权利要求1所述的无源传感光网络，其特征在于：光传感单元采用尾端连接光纤传感反射镜的分布式传感光纤，光时分模块采用星型光纤耦合器和多通道光延时模块连接构成，光终端设备与无源光网络之间还接有非对称马赫-泽德干涉仪，其中光终端设备的双向端口接至非对称马赫-泽德干涉仪，非对称马赫-泽德干涉仪的另一端接至星型光纤耦合器，星型光纤耦合器与多通道光时延模块的双向端口相连，星型光纤耦合器还接有光纤反射镜。
3.根据权利要求2所述的无源传感光网络，其特征在于：混合波分时分复用无源传感光网络上数据传输的方向分为下行和上行；
下行时，高功率多波长脉冲调制光源发出M个波长的脉冲光波，通过光纤环形器入射非对称马赫-泽德干涉仪，经过1*(N+1)的星型光纤耦合器进行功率分配，其中1路脉冲光波通过光纤反射镜反射，作为标记脉冲，其余N路脉冲光波通过N通道的多通道光延时模块后分别从T1至TN共N根光纤中输出，每路脉冲光波再继续下行向前传输至M通道的PON波分模块，M个波长的脉冲光波按照波长被分离成λ1至λM共M路分别输出，每路输出为一定功率的单波长脉冲光波，通过引导光纤、分布式传感光纤输入给光纤传感反射镜；
上行时，光纤传感反射镜发出携带了传感信息的反射单波长脉冲光波，上述脉冲光波依次通过M通道的PON波分模块、多通道光延时模块、星型光纤耦合器分别进行波长合并、二次延时及功率合并，然后再次经过非对称马赫-泽德干涉仪得到携带了网络中各个光传感单元传感信息的多波长序列脉冲光波，上述多波长序列脉冲光波通过光纤环形器传输至M通道的OLT波分模块进行波长分离，得到M个波长的序列脉冲光波后再分别由M个光电探测器进行光电转换，转换后的电信号被M通道的多通道高速数据采集卡进行数据采集，然后送入工控机进行数据提取、处理和分析。
4.根据权利要求1所述的无源传感光网络，其特征在于其光传感单元的路由寻址方法是：上行时，各个光传感单元的反射单波长脉冲光波通过网络汇聚到M通道的多通道高速数据采集卡后，每个通道采集到独立的(N+1)个脉冲序列数据，将得到的数据组成一个(N+1)*M的二维矩阵，其中矩阵的行元素对应不同的光波波长，矩阵的列元素对应不同的光波脉冲时间延迟，矩阵中的每个元素对应特定的光波波长和时间延迟，由此可实现路由寻址。
5.根据权利要求3所述的无源传感光网络，其特征在于其光传感单元数据的提取方法是：M通道的多通道高速数据采集卡获得二维矩阵式数据后，首先在波长维度上通过采集卡通道的区分实现数据分离；然后在时间维度上，以标记脉冲作为定位基准，通过各个传感脉冲信号与标记脉冲信号之间的时间偏移实现数据分离；对于网络中每一个光传感单元，工控机为其准备一个独立的数据缓冲区域，工控机依次扫描每一个重复周期内对应的某一个传感信号脉冲值，并根据时间先后顺序将它们存储到对应的数据缓冲区内，最后每一个传感单元的数据均转换为一个数据序列，从而实现各光传感单元数据的有效提取。
6.根据权利要求4所述的无源传感光网络，其特征在于：工控机上装有数据管理系统，该系统包括数据分析模块、报警判断模块、阈值管理模块和报警处理模块；系统为每一个光传感单元都设定一个预期报警阈值，每个独立光传感单元的数据序列输入到数据分析模块，当数据分析模块计算结果超过其预期阈值时，就将异常的计算结果传入报警判断模块进行报警判断并输出报警信号，最后由报警处理模块来处理该异常；每一个逻辑周期内的阈值都将被阈值管理模块记录下来，并在下一个逻辑周期内对阈值进行分析，然后对报警判断模块进行反馈控制，用以调整无源传感光网络的灵敏度和误报率。
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