CN101917230A - 一种大容量的可自愈光纤传感网 - Google Patents

Abstract

一种大容量的可自愈光纤传感网。包括：宽带光源、耦合器、1×N光开关、N个选择节点、N层光纤传感子网、光开关驱动装置、可调谐窄带滤波器、光探测器、数据处理系统和计算机等。宽带光源输出的光经耦合器后光开关和N个选择节点选择一个通道，进入选择节点后，在该层光纤传感子网中接受外界传感量的调制，反射光再次经过选择节点、光开关和耦合器后经过可调谐窄带滤波器进入其后的光探测器、数据处理系统和计算机进行解调分析。选择节点的作用不仅给光纤传感子网提供一条正常工作路径，还有一条备用路径，从而使光纤传感子网具有自愈性，且传感网基于光开关的自愈性全部由计算机根据反馈信号自行控制实现，自动化程度高，无需人工操作。

Description

一种大容量的可自愈光纤传感网

【技术领域】：本发明涉及一种光纤传感网络系统。特别涉及一种采用光开关来实现自愈性的大容量光纤传感网络系统，属于光纤智能传感领域。

【背景技术】：光纤传感网络是光纤传感技术与通信技术相结合的产物。此类传感网络可以只需一个光源和一个探测线路，集传感与传输于一体，实现远距离测量与监控。由于同时获取的信息量大，使得单位信息所需的费用大大降低，从而获得高的性价比。因此由光纤传感器复用构成的分布式传感器是任何点式传感器所不能比拟的。实际应用最广泛的光纤传感网是光纤光栅复用传感网。

目前光纤光栅传感网大容量方面的研究多集中在底层传感器的简单串并联，自愈性研究大多数是通过工作光纤和保护光纤切换来实现的。专利CN03148724.6提出的“双向波分复用自愈环网”是在内环遭受链路故障时，使用外环网进行保护交换。专利CN200710019914.2提出的“具有生存性保证的光纤光栅传感网络”采用扇形子网级联的结构，模型中包含主从节点、传输支路、传感支路、光开关等，能在一定程度上提高生存性能和实时性，但在自愈性方面还有待近一步加强，即需要在传感网络发生故障时，无需人工干预，在极短的时间内自动恢复的能力。

本发明设计了一种选择节点，利用光开关及反馈机制使光纤传感网具有自我恢复的功能。并且这种结构还可以使用光开关阵列提高该传感网的容量，从而实现了光纤光栅传感网的智能化，使之更加适合于实际中大规模、多点的测量。

【发明内容】：本发明的目的是要设计一种大容量可自愈的光纤传感网络系统，以解决当前光纤传感网络可靠性差、容量低的缺点。

本发明提供的大容量可自愈的光纤传感网包括：宽带光源、耦合器、1×N光开关、max N＝光源的总能量/每层传感子网所需的能量、N个选择节点(BN，Branch Node)、N层光纤传感子网、光开关驱动装置、可调谐窄带滤波器、光探测器、数据处理系统和计算机；其中，宽带光源输出的光经过耦合器后通过1×N光开关和N个选择节点选择一个通道，进入选择节点后，在该层光纤传感子网中接受外界传感量的调制，反射光再次经过选择节点、1×N光开关和耦合器后经过可调谐窄带滤波器进入其后的光探测器、数据处理系统和计算机进行解调分析；所述的1×N光开关由光开关驱动装置进行控制。

所述的选择节点BN的结构如图2所示，它包含一个耦合器10和一个1×1光开关11。耦合器10的一个输出端接一层光纤传感子网，另一个输出端接1×1光开关11，1×1光开关11的输出端和这一层光纤传感子网的另一端相连。

BN选择节点的作用是不仅给光纤传感子网提供一条正常工作路径，还有一条备用路径，从而使得光纤传感子网具有自愈性。当这一层光纤传感子网正常工作时，BN中的光开关11(OS，Optical Switch)保持断开状态，每个光纤传感器的反射光谱信号在原工作路径中传输，不使用备用路径，如图3。当某两个光纤器之间的连接点出现故障，比如S_jk(j代表某层光纤传感子网，k代表第k个传感器)与S_j(k+1)传感器之间的连接点出现故障，此时S_j(k+1)至S_jn的传感信号不能返回到解调系统中，此时由计算机发出指令控制光开关驱动装置将BN中的开关切换到闭合状态，如图4，那么传感器S_j1至S_jk的传感信号在原路径中传输的同时，S_j(k+1)至S_jn的传感信号就在备用路径中传输。这样，所有传感器的传感信号都可以返回到解调系统进行解调分析，恢复该光纤传感子网正常的传感功能。

光纤光栅传感网由N层传感子网组成。每层光纤传感子网都可充分利用宽带光源的谱宽，可使用数量相同或不同的光纤传感器，并且可并联多个光纤传感子网以增大传感网的容量。如果将N+1支1×N光开关级联起来，则可连接N²个光纤传感子网，极大地提高了系统的容量。

通过计算机可使得任一个光纤传感子网进行工作。当某个光纤传感子网的信号接收解调结束后，计算机发出指令，通过光开关驱动电路驱动1×N光开关，使得任一个光纤传感子网进行工作。

当某个光纤传感子网出现故障时，光探测器探测到的光功率迅速减小，这一异常现象立刻反馈到计算机，计算机发出指令给光开关的驱动电路，由驱动电路进行转换控制，控制选择节点，启动备用路径。整个过程完全由计算机统筹控制，无需人工操作。

光纤传感子网中的传感器为光谱型光纤传感器，不仅可以使用光纤光栅，其它光谱型调制的传感器均适用。

本附图及说明是针对光纤传感器的反射光谱进行传感，对于利用光纤传感器的透射光谱进行传感也同样适用。

本发明的优点和积极效果：

(1)本发明提出了选择节点，增加了系统的备用路径，通过探测信号的变化，运用光开关反馈机制，计算机能够直接控制备用路径的启用，使得光纤传感网具有自愈性，提高了系统的可靠性。

(2)所述光纤传感网的基于光开关的自愈性全部由计算机根据反馈信号自行控制实现，自动化程度高，无需人工操作。

(3)该传感网通过并联多个传感子层可实现大容量且易于扩展，增加每个子层的传感器数目、传感子层数或简单地将多个光开关级联起来都可以极大地提高系统的容限。

【附图说明】：

图1是设计的具有自愈性的光纤传感网结构示意图。

图中，1是宽带光源，2为耦合器，3是1×N光开关(图5是其具体结构)，4是BN节点，5是可调谐窄带滤波器，6是光开关驱动装置，7是光探测器，8是数据采集系统，9是计算机，S是各个光纤传感器。

图2是BN节点的结构。

图中，10是耦合器，11是1×1光开关。

图3为传感子网正常工作时BN中光开关的状态。

图中虚线标出此时传感信号的传输路径。

图4为传感子网出现故障时BN中光开关的状态。

图中虚线分别标出此时传感信号的传输路径和备用传输路径。

图5是光开关的具体驱动系统。

图中，12是串行接口模块，13是RS232电平转换模块，14是单片机驱动控制模块，15是光开关，可以是图1中的1×N的或是其他维数的光开关，16是电源供给，17是发光管显示。

图6为传感子网正常工作时BN中光开关的状态。

图中虚线标出此时传感信号的传输路径。

图7为传感子网的连接出现故障时BN中光开关的状态。

图中虚线分别标出此时传感信号的传输路径和备用传输路径。

【具体实施方式】：

实施例1

如图1所示，本发明提供的基于光纤光栅传感器构建的大容量可自愈的光纤传感网，该光纤传感网包括：宽带光源1、耦合器2、1×N光开关3、N个选择节点4(BN，Branch Node)、N层光纤传感子网、光开关驱动装置6、可调谐窄带滤波器5、光探测器7、数据处理系统8和计算机9；其中，宽带光源输出的光经过耦合器后通过1×N光开关3和N个选择节点4选择一个通道，进入选择节点后，在该层光纤传感子网中接受外界传感量的调制，反射光再次经过选择节点4、1×N光开关3和耦合器2后经过可调谐窄带滤波器5进入其后的光探测器7、数据处理系统8和计算机9进行解调分析；所述的1×N光开关由光开关驱动装置进行控制，具体结构如图5所示。

所述的选择节点BN的结构如图2所示，它包含一个耦合器10和一个1×1光开关11。耦合器10的一个输出端接一层光纤传感子网，另一个输出端接1×1光开关11，1×1光开关11的输出端和这一层光纤传感子网的另一端相连。

本发明采用产自上海瀚宇光纤通信技术有限公司的SLD76-HP高功率SLD模块作为系统光源，光源的3dB带宽为51.2nm，并将0.8nm作为不同FBG反射谱中心波长之间的间隔，那么1个通道的光纤传感子网可以实现64个FBG的级联，整个传感网可容纳64×N个FBG。但实际上，系统的损耗决定了传感子网可容纳的FBG数量不可能达到上述理论值。

光开关级联构建而成的光纤传感网络，其损耗主要表现在无源器件的插入损耗、FBG的反射/透射损耗与熔接损耗以及光纤的传输损耗三个方面。系统中光纤的总长度在数千米之内，因此光纤的传输损耗可忽略不计。系统中的无源器件主要包含光耦合器和光开关。实验测得光信号两次经过耦合器的损耗不超过7.5dB，光信号两次经过光开关的损耗不超过2.4dB。因此，在此传感网中，一个通道中所有无源器件的总损耗为(7.5×2+2.4×2)dB，即19.8dB。

设1个传感子网中包含n个FBG，每个FBG接入光纤中有两个熔点，每个熔点的熔接损耗不超过0.1dB，则1个传感阵列的熔接损耗为n×0.4dB。设FBG的反射率不小于90％，则其反射损耗小于0.5dB。设FBG的透射率不小于95％，1个传感阵列中最后1个FBG的透射损耗最大，为(n-1)×0.4dB。综上所述，FBG接入光纤中带来的损耗最大值为(n×0.8-0.1)dB。当n取4时，最大损耗约为3.1dB。实际将4个FBG级联为1个传感阵列时，最大损耗可控制在3dB以内。如果在1个传感阵列中串联更多的FBG，将会以0.75dB/FBG的速率等量增大损耗。

设光源的单模输出功率为P₀，接收机最小可探测功率为P_D，无源器件的总损耗为K，FBG的总损耗为R，R＝0.75×n，则可复用的FBG的个数n应该满足关系式：

P_D≤P₀-K-R                      (1)

即：n≤(P₀-P_D-K/0.75)           (2)

取P₀＝7.7dBm，P_D＝-30dBm，由上述讨论可知，K＝19.8dB，由式(2)可解得n≤23.8.故每个传感器阵列可容纳的FBG最多为23个。若选用1×4的光开关，则整个系统可以容纳92个FBG。如果将1×4光开关改为1×N光开关(N＞4)，则可增大系统容限，但同时也增加了系统对整个应变场实时监测的周期。

传感网中光开关的具体驱动系统如图5所示。对应于串口驱动控制电路，选择了使用MAXIM公司的MAX2321双路RS-232接收发送器将EIA电平转换成TTL电平。单片机驱动控制由美国ATMEL公司的AT89C2051单片机来实现。在方框图中，光开关驱动电路和计算机的串行接口模块由一个RS-232连接器DB9和在电路板上的DIP封装的插针，以及一条标准线缆组成。通过串行线缆，从计算机后面的RS-232接口将串行数据引到电路板上。从计算机发送出来的数据TXD经过电平转换芯片MAX2321变成了TTL电平，然后由单片机串行接收端口接收，通过判断控制数据的数值，从而从P0口发出并行控制信息，来调整光开关的光路配置状态。最后通过发光二极管来实时显示光路配置状态。同时，由电源模块提供整个电路所需要的+5V直流电源。

当传感阵列正常工作时，BN中的光开关OS保持断开状态，每个FBG的信号就在原路径中传输，不使用备用路径，如图6所示；当FBG阵列中某一个连接点出现故障，比如FBG_1j与阵列的一个熔接点断开，此时FBG_1j至FBG_1n的传感信号不能返回到解调系统中，此时由计算机发出指令控制光开关驱动装置将BN中的开关切换到闭合状态，如图7，那么传感器FBG₁₁至FBG_1j-1的传感信号在原路径中传输的同时，FBG_1j至FBG_1n的传感信号就在备用路径中传输。这样，所有FBG的传感信号都可以返回到解调系统进行解调分析，恢复该传感阵列正常的传感功能。

如果使用1×N光开关，可以很大地提高系统的复用能力，但同时也增加了系统对整个应变场实时监测的周期。如果将N+1支1×N光开关级联起来，则可连接N²个传感阵列，极大地提高了系统的容限。但由于光开关级联增大了系统损耗，因此每个传感阵列所能容纳的FBG数量将会降低。光开关级联虽然能够大幅提高系统的测试范围，但是以加大系统损耗、增加监测周期为代价的。

系统中传感阵列的容限与系统对整个应变场实时监测的周期互相依赖。增大容限必然以提高监测周期为代价；要想提高实时监测的频率就要限制传感阵列的规模。因此，根据实际需要设计适当的传感子网规模是该系统应用的关键。

Claims (5)

1.一种大容量的可自愈光纤传感网，其特征在于该光纤传感网包括：宽带光源、耦合器、1×N光开关、max N＝光源的总能量/每层传感子网所需的能量、N个选择节点、N层光纤传感子网、光开关驱动装置、可调谐窄带滤波器、光探测器、数据处理系统和计算机；其中，宽带光源输出的光经过耦合器后通过1×N光开关和N个选择节点选择一个通道，进入选择节点后，在该层光纤传感子网中接受外界传感量的调制，反射光再次经过选择节点、1×N光开关和耦合器后经过可调谐窄带滤波器进入其后的光探测器、数据处理系统和计算机进行解调分析；所述的1×N光开关由光开关驱动装置进行控制。

2.根据权利要求1所述的大容量的可自愈光纤传感网，其特征在于所述的选择节点包含一个耦合器和一个1×1光开关，耦合器的一个输出端接一层光纤传感子网，另一个输出端接1×1光开关，1×1光开关的输出端和这一层光纤传感子网的另一端相连。

3.根据权利要求1所述的大容量的可自愈光纤传感网，其特征在于所述的光纤传感网由N层光纤传感子网组成，每层光纤传感子网都可充分利用宽带光源的谱宽，可使用数量相同或不同的光纤传感器，并且可并联多个光纤传感子网以增大传感网的容量，如果将N+1支1×N光开关级联起来，则可连接N²个光纤传感子网，极大地提高了系统的容量。

4.根据权利要求1所述的大容量的可自愈光纤传感网，其特征在于所述的光纤传感子网中的传感器为光谱型光纤传感器，包括光纤压力传感器、光纤温度传感器、光纤气体传感器等。本专利附图及说明是针对光纤传感器的反射光谱进行传感，对于利用光纤传感器的透射光谱进行传感也同样适用。

5.根据权利要求1所述的大容量的可自愈光纤传感网，其特征在于所述的宽带光源后接掺饵光纤放大器EDFA，以增加输出光功率，带动更多的传感子网。光源可以加放大器或是增益以扩展传感网络的性能。

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