CN103067086A - 具有双向可扩展性的混合式双层光纤智能传感网 - Google Patents

Abstract

具有双向可扩展性的混合式双层光纤智能传感网，该传感网分为终端节点层和传感网络层双层结构。终端节点层产生调制信号，生成光谱，将光谱进行波长转换并拓宽，对光码分多址信号进行解码，解调并实时显示。传感网络层包含n个传感网络子层，进行光码分多址编码并回传给波长路由器，再传给接收器。子层中分立式和分布式传感单元或传感器混合组网。纵向上，增加波长路由器，扩展子层数目；横向上，子层中传感单元或传感器选择多种拓扑结构，实现传感单元或传感器数目扩展，具有双向扩展性。混合式双层网络协同工作，在计算机上实时显示解调信息。设置某一阈值，解调值达到阈值就会报警，并可连接到其它终端设备，提醒工作人员排除隐患，防患于未然。

Description

具有双向可扩展性的混合式双层光纤智能传感网

技术领域

本发明属于光纤传感网技术领域，尤其涉及一种具有双向可扩展性的融合多种、多个分立式传感子网和分布式传感子网的混合式双层光纤智能传感网组网技术。

背景技术

光纤传感技术依托光纤的防磁，防电，抗干扰等特性，以其独特的优势，与光纤通讯技术相结合，成为光纤技术的重要研究领域。随着社会进步和科技发展，对光纤传感技术的要求越来越高。目前，光纤传感技术正朝着多参量、高精度、长距离和网络化方向发展。

光纤传感网是将光纤传感器或光纤传感子系统以一定拓扑结构构成的网络。光纤传感网不同于光纤通信网络，光纤传感网主要用于物理、生物和化学等参量的传感和传输，数据量不大但却要求实时、准确。光纤智能传感网是信息科学与物理学、化学、生物学、医学和地学等多个学科交叉的产物，又是检测物理量、化学量、生物量、医学量和地学量的重要手段，将促进多个学科的全面发展。光纤智能传感网可接入光纤通信网络和无线网络进行信息传输，从而实现灾害预警与评估、基础设施健康监测，满足国防军事与国家安全等的重大需求。

目前，光纤传感技术在发展中面临着传感容量、传感精度和传感距离的挑战，分立式光纤传感技术以及单点或多点式光纤传感系统将无法满足现代光纤传感技术发展的需要，光纤传感网的传感接入扩容、传感器增敏和传感距离延伸是当前光纤传感科学与技术发展的主要趋势。

受光源和传感单元带宽占用等限制，现有的光纤传感网接入和复用方式所能复用的传感单元和传感器数量和所能达到的检测容量还是受到了较大限制。难以实现多参量、多类型、大容量、长距离、可扩展的光纤智能传感，不能满足快速、实时、可靠、智能的工程实用化要求。

发明内容

本发明的目的是提供一种多类型、多参量、多拓扑、大容量、具有双向可扩展的混合式双层光纤智能传感网，解决了目前传感网中传感器类型单一、容量小、灵敏度低、接入扩容性差的缺点。

本发明旨在将以新型光子晶体光纤传感器、基于光微流体理论的生物光纤传感器、基于光谱吸收的气体传感器为代表的分立式传感器，以及以基于布里渊效应的光纤传感网、基于非线性光学效应融合原理的光纤拉曼传感网、基于宽光谱动态干涉效应的分布式光纤扰动及定位传感网为代表的分布式传感单元中不同类型和不同功能的传感器和传感单元进行混合组网，形成具有多种复用结构的可自愈、高精度的可双向扩展的传感解调双层网络系统。不仅充分利用传感系统的光谱资源，而且在此基础之上采用全光波长转换技术，使得可用光谱范围加宽，使扩容成为可能。此外采用多种复用方式相结合的复用方式，实现了多类型、多参量，长距离传感，同时融合多种拓扑结构，将各个传感器和传感单元有机的组合在一起，形成了具有双向可扩展性的混合式双层光纤智能传感网。

本发明提供的具有双向可扩展性的混合式双层光纤智能传感网如图1所示，将整个智能传感网分为终端节点层和传感网络层双层结构。

终端节点层包括计算机、调制模块、光源模块、波长转换模块包括向上波长转换器和向下波长转换器、波分复用模块包括第一波分复用器和第二波分复用器、接收模块、解码器和解调模块；传感网络层包括R1、R2…、Rn等n个波长路由器以及其所属的n个传感网络子层f1、f2…fn，n为≥2的任意整数，根据网络需要自行取值，每个子层中包含R11、R12…、R1m等m个分布式传感单元或者传感器，或者R211、R212…、R21m等m个分立式传感单元或者传感器，m为≥2的任意整数，根据网络子层需要自行取值，不同网络子层的m的取值可以相同，也可以不同。

终端节点层F1的计算机通过控制调制模块来控制光源模块输出激光，输出的激光经过向上波长转换器和向下波长转换器的波长转换后，与光源模块本身的光谱进行波分复用，复用后光谱大大展宽，如图2所示为扩展后的光谱图。扩展后的光谱经第一波分复用器波分复用后传送到n个波长路由器R1、R2…、Rn，再由n个波长路由器传送到n个传感网络子层f1、f2…fn中各个不同的m个传感器或者传感单元。接收模块接受来自n个传感网络子层的传感信号，第二波分复用器将各路传感信号进行波分复用，并将复用后的信号传送给解码器，进行正交互相关解码，经过解码后的信号送至解调模块，解调出各个传感器位置及测量信息，再传送到计算机，实时显示各个传感器的位置和传感器测量的物理量、化学量和生物量信息，可以在某一物理量、化学量和生物量信息超过某设定阈值时发出提醒或警告，以便工作人员排除隐患，防患于未然。

传感网络层F2包括n个传感网络子层f1、f2…fn。在传感网络子层f1中，有R11、R12…、R1m等m个分布式传感单元或者传感器，每个传感单元包括L个传感器和编码器，L的取值为≥2的任意整数，根据网络需要自行取值。传感网络子层f2中包含m个分立式传感单元或者传感器R211、R212…、R21m，每个传感单元包括L个传感器和编码器，L的取值为≥2的任意整数，根据网络需要自行取值。不同传感网络子层中传感单元的数目可以相同也可以不同，传感单元中L的取值可以相同也可以不同。R2作为这一传感网络子层的总的波长路由器，由它将信号分发到下一级波长路由器以及收集从下级波长路由器传回来的传感信号，这样一直路由到最后一级的传感器，最后一级的传感器包含传感器和编码器两个部分，每一级的传感器的数目为≥2的任意整数，根据网络需要自行取值。每一个传感器可以感应不同的物理量、化学量和生物量，编码器对每一个传感器进行编码并传输。各个传感单元或者传感器按照特定拓扑结构有序的组合在一起，每一个传感单元内部的L个传感器也按照一定的拓扑结构有机组合，整个传感网络子层中的传感器形成了灵活的拓扑结构，能够连接多种类型、多参量的多个传感器，大大扩展了传感网容量，增强了系统的自愈性和智能性，为传感网的横向扩展打下了基础。多个处于传感网末端的传感器的测量信息以及编码信息，通过光纤和波长路由器返回到终端节点层。这样就构成了终端节点层和传感网络层的双层网络结构，两层网络协同工作，共同构成了混合式光纤智能传感网结构。

其中，终端节点层的光源为窄线宽、宽光谱、波长快速可调谐的新型的梳状暗调谐激光光源，能够实现宽光谱范围内高分辨率的较小光谱噪声的光谱调谐。

本发明利用波长转换技术，引入向上和向下波长转换器。全光波长转换器可以高效、可靠、简单的将信号光从一个波长转化到另一个波长，再经过波分复用器复用，从而使传感网络的可用光谱范围大大扩展，为每一传感网络子层传感器的数目扩展提供了条件，系统容量大大提高，实现波长的再利用,解决波长竞争问题,使网络管理更为灵活、简便和合理。

传感网络层将以新型光子晶体光纤传感器、基于光微流体理论的生物光纤传感器、基于光谱吸收的气体传感器为代表的分立式传感器，以及以基于布里渊效应的光纤传感网、基于非线性光学效应融合原理的光纤拉曼传感网、基于宽光谱动态干涉效应的分布式光纤扰动及定位传感网为代表的分布式传感单元中不同类型和不同功能的传感器进行混合组网，形成分布式传感单元与分立式传感器的混合，形成大距离、多参量、高精度混合式智能传感网结构。

所述智能传感网具有双向可扩展性；传感网络层中包含有n个传感网络子层，每个传感网络子层中又包含有不同种类的传感器或传感单元；在纵向上，能够增加固定的波长路由器，扩展传感网络子层的数目；横向上，每一个传感网络子层内的传感器或传感单元的布设为星形、树形、总线型、雪花型、蜘蛛网型或者这几种拓扑结构的组合结构的二维拓扑结构，采用三维正交码对每个传感器编码，接入灵活，能够实现传感器或传感单元数目和拓扑结构的扩展，具有双向可扩展性，大大提高了系统容量。

传感网络层的各个传感器的拓扑结构式可以有多种形式。拓扑结构的形状可以是总线型图3，星形图4，三角形图5，或者基于仿生学理论的蜘蛛网图6和雪花-蜘蛛结构图7或者是几种结构的组合形式。因为每一个形状既相互独立，独自成网，又可以相互嵌入，形成复合式的拓扑结构，可以连接更多传感器，可接入灵活，为横向扩展奠定了基础。充分发挥网络扩容和局部结构优化特性，进一步增强光纤传感网的大容量、自愈性、抗毁性等能力。

本发明的技术特点及效果

1、发明了基于终端结点层和传感网络层的双层结构的光纤智能传感网，层次清晰，分工明确，层与层之间以及层内部各部分协调工作，保证了传感网的完整性和智能性，为研究传感网的复杂结构及工作过程提供了一种方法。

2、本发明将分布式和分立式传感单元混合组网，避免了单一类型传感单元组网的缺点，各取所长，充分发挥了分立式传感系统和分布式传感系统各自的优势，优化了网络结构，提高了网络的性能。

3、发明了基于波分复用与光码分多址技术相结合的复用方式，实现了传感网的双向可扩展性。波分复用技术实现了在同一根光纤中传输多个波长，光码分多址技术通过三维编解码系统，实现对某一个波长的定位和恢复，两者的结合，不仅大大提高了混合式光纤传感网的复用能力和传感容量，实现了网络纵向和横向上的可扩展性，而且由于码序列的正交性，解码的准确性和灵活，避免了光纤传感网中各传感器间的相互影响、避免多种外部参量对多种光纤传感器的交叉影响，使光纤传感网中各传感单元能可靠协调地工作。

附图说明

图1为具有双向可扩展性的混合式双层光纤智能传感网原理图。

图中，F1为终端节点层，1是计算机终端，2是调制模块，3是光源模块，4是向上波长转换器，5是向下波长转换器，6是第一波分复用器，7是接收模块，8是第二波分复用器，9是解码器，10是解调模块。F2为传感网络层，由n个波长路由器R1、R2、…Rn以及其所在的n个传感网络子层f1、f2…fn构成，n为≥2的任意整数，根据网络需要自行取值。传感网络子层f1中，有R11、R12…、R1m等m个传感单元或者传感器，m为≥2的任意整数，根据网络需要自行取值，其中每一个传感单元都有L个传感器和编码器，L为≥2的任意整数，根据网络需要自行取值。每一个传感网络子层中每一级传感器的代号由本层的路由器代号和数字进行标识，不同级数用不同位数的数字标识，即路由器字母代号+第一级数字+第二级数字...如此递进。各个传感单元或传感器按照总线型图3，星形图4，三角形图5，蜘蛛网结构图6，雪花-蜘蛛网型图7或者这几种拓扑结构的组合的一种或者几种拓扑结构有序的组合在一起，每一个传感单元内部的L个传感器也按照上述拓扑结构有机组合。传感网络子层f2中，R2作为这个传感子层的总的波长路由器，这样一直路由到最后一级的传感器R211、R212…、R21m等m个传感单元或者传感器，m为≥2的任意整数，根据网络需要自行取值，其中每一个传感单元都有L个传感器和编码器，L为≥2的任意整数，根据网络需要自行取值。各个传感器也是按照总线型图3，星形图4，三角形图5，蜘蛛网结构图6，雪花-蜘蛛网型图7或者这几种拓扑结构的组合中的一种或者几种拓扑结构有序的组合在一起。

图2为光源模块产生的光谱，经由向上和向下波长转换器将光谱进行波长转换，通过波分复用器的复用后，光谱被拓宽，经由光纤传送给每一个传感单元或传感器。

图3为总线型的拓扑结构，每一个传感单元或者传感器都与总线相连接，而总线直接与终端节点层相连，每个S代表传感单元或者传感器。

图4为星形拓扑结构，波长路由器直接与中间的传感单元或者传感器相连，中间的传感单元或者传感器再与相邻的其他星形的传感单元或者传感器相连，组成星形结构，每个S代表传感单元或者传感器。

图5为三角形结构，他有很多个三角形组成，每一三角形的边上都有一个传感单元或者传感器，使得拓扑结构具有更好的自愈性，容纳更多数量的传感器，大大扩大了系统容量。

图6为仿生蜘蛛网拓扑结构。假如某处出现故障点，可以自动启用主路径的光开关选择路径，以免丢失传感单元或者传感器，或者选用备用路径的光开关选择路径，多方位保障传感单元或者传感器的信息不丢失，具有很好抗毁性和自愈性。

图7为雪花-蜘蛛网拓扑结构。同时在雪花结构的传感节点处嵌入了蜘蛛网结构，这样不仅是传感器数量增加，可获取的信息量增大，而且结合了雪花网和蜘蛛网的优点，具有更好的抗毁性和自愈性能。

最佳实施方式

实施例1

如图1所示，智能传感网分为终端节点层F1和传感网络层F2双层结构。

终端节点层F1包括计算机1、调制模块2、光源模块3、波长转换模块包括向上波长转换器4和向下波长转换器5、波分复用模块包括第一波分复用器6和第二波分复用器8、接收模块7、解码器9和解调模块10。

终端节点层F1中的计算机1通过控制调制模块2来控制光源模块3输出激光，输出的激光经过向上波长转换器4和向下波长转换器5的波长转换后，与光源模块3本身的光谱进行波分复用，复用后光谱大大展宽，如图2所示为扩展后的光谱图。扩展后的光谱经波分复用器8波分复用后传送到n个波长路由器R1、R2、…Rn，n为≥2的任意整数，根据网络需要自行取值，再由n个波长路由器R1、R2、…Rn传送到n个传感网络子层f1、f2…fn中m个传感器或者传感单元，m为≥2的任意整数，根据网络需要自行取值。需要对传感网进行纵向扩展时，只需要增加波长路由器就可以简单实现。不仅将光谱资源分配给不同的传感单元或者传感器，同时保证整个光谱范围内的光既能得到充分的利用也不重叠。接收模块7接受来自n个传感子层f1、f2…fn的传感信号，波分复用器8将各路传感信号进行波分复用，并将复用后的信号传送给解码器9，进行正交互相关解码，经过解码后的信号送至解调模块10，解调出各个传感器位置及测量信息，再传送到计算机1，实时显示各个传感器的位置和传感器测量的物理量、化学量和生物量信息，可以在某一物理量、化学量和生物量信息超过某设定阈值时发出提醒或警告，传送到其他设备终端，实现联动报警。

传感网络层F2包括R1、R2…、Rn等n个波长路由器以及其所属的n个传感网络子层f1、f2…fn，n取值为≥2的任意整数，根据网络需要自行取值。每个子层中有R11、R12…、R1m等m个分布式传感单元或者传感器，或者R211、R212…、R21m等m个分立式传感单元或者传感器，m为≥2的任意整数，根据网络子层需要自行取值，不同网络子层的m的取值可以相同，也可以不同。

在传感网络子层f1中，有R11、R12…、R1m等m个分布式传感单元或者传感器，每个传感单元包括L个传感器和编码器，L为≥2的任意整数，根据网络子层需要自行取值，每一个传感器感应物理量、化学量或者生物量并对其进行编码并传输。各个传感单元按照特定拓扑结构有序的组合在一起，每一个传感单元内部的L个传感器也按照一定的拓扑结构有机组合，整个传感网络子层f1中的传感器形成了灵活的拓扑结构，大大扩展了传感网容量，增强了系统的自愈性和智能性。拓扑结构可以选择总线型图3，星形图4，三角形图5，蜘蛛网结构图6，雪花-蜘蛛网型图7或者这几种拓扑结构的组合结构的二维拓扑结构，也可以是层状，球状等立体结构。这些拓扑结构不仅能连接多种类型、多参量的多个传感器，而且还具有高度的灵活性，为传感网的横向扩展打下了基础。传感网络子层f2中包含m个分立式传感单元或者传感器R211、R212…、R21m，每个传感单元包括L个传感器和编码器，L为≥2的任意整数，根据网络子层需要自行取值，R2作为这一传感网络子层的总的路由器，由它将信号分发到下一级路由器R21和R22以及收集从下级路由器传回来的传感信号，这样一直路由到最后一级R211、R212…R221、R222…等m个传感器，每一级传感单元或者传感器的数目可以是≥2的任意整数，根据网络子层需要自行取值，最后一级的传感器包含传感器和编码器两个部分，也具有一定的拓扑结构，与传感网络子层f1中的各传感器拓扑结构类似。多个处于传感网末端的传感器的测量信息以及编码信息，通过光纤和波长路由器返回到终端节点层F1。这样就构成了终端节点层F1和传感网络层F2的双层网络结构，两层网络协同工作，共同构成了形成了具有双向可扩展性的混合式双层光纤智传感网结构，此结构不仅充分利用了光源的光谱，实现了大容量，而且提高了系统的自愈性，抗损毁性，实现了快速解调。

光源为窄线宽、宽光谱、波长快速可调谐的新型的梳状暗调谐激光光源，能够实现宽光谱范围内高分辨率的较小光谱噪声的光谱调谐。为了达到系统大容量的要求，我们引入了波长转换器，将原来的光谱分别向上和向下转换到λ″和λ'的位置，经过波分复用器后，同一根光纤中传输的光谱范围扩展为原来的三倍，大大提高了可用光谱范围，系统的容量也有大幅度提升。

传感网具有双向可扩展性。在纵向上，能够通过增加波长路由器的数目，以扩展传感网络子层的数目，实现传感网纵向上的扩展；横向上，每一个传感网络子层内的传感器或传感单元的布设为星形、树形、总线型、雪花型、蜘蛛网型或者这几种拓扑结构的组合结构的二维拓扑结构，采用三维正交码对每个传感器编码，接入灵活，能够实现传感器或传感单元数目和拓扑结构的扩展，实现传感网横向上的扩展，从而具有双向可扩展性，大大提高了系统容量，实现了传感网系统的灵活性和双向可扩展性。

传感网络层的各个传感器的拓扑结构式可以有多种形式。拓扑结构的形状可以是总线型图3，星形图4，三角形图5，或者基于仿生学理论的蜘蛛网图6和雪花-蜘蛛结构图7或者是几种结构的组合形式。因为每一个形状既相互独立，独自成网，又可以相互嵌入，形成复合式的拓扑结构，克服了单一拓扑结构的缺点，各种结构各取其优点，形成更具智能性的结构，充分发挥网络扩容和局部结构优化特性，进一步增强光纤传感网的大容量、自愈性、抗毁性等能力。

本发明将分立式传感器和分布式传感单元各取其优点混合组网，有效的避免了单一种类传感网的缺点，与多种拓扑结构相结合，不仅增加系统容量，还优化了网络结构，提高了网络的性能，提高了系统的智能性和自愈性。

Claims (2)

1.具有双向可扩展性的混合式双层光纤智能传感网，其特征在于将整个智能传感网分为终端节点层和传感网络层双层结构；

终端节点层包括计算机、调制模块、光源模块、波长转换模块包括向上波长转换器和向下波长转换器、波分复用模块包括两个波分复用器、接收模块、解码器模块和解调模块；主要作用是产生调制信号，生成光谱信号，将光谱信号进行波长转换，经由波分复用将光谱拓宽，对光码分多址信号进行解码，解调信号并实时显示；传感网络层包含n个传感网络子层，n为≥2的任意整数，根据网络需要自行取值，每一个传感网络子层都有一个固定的波长路由器，接收终端节点层传送来的波长信号，并传送给所在传感网络子层的传感单元或者传感器；

所述的传感单元是指分布式传感单元，分布式传感单元中包括单一的传感器，也包括下一级分布式传感单元，如此递进；

传感网络层的主要作用是感应物理量，化学量和生物量，进行光码分多址的编码并回传给波长路由器，再由波长路由器传输给终端节点层的接收模块；

每一个传感网络子层中每一级传感单元或者传感器的代号由本层的波长路由器代号和数字进行标识，不同级数用不同位数的数字标识，即波长路由器字母代号+第一级数字+第二级数字...如此递进；

所述终端节点层中的计算机通过控制调制模块来控制光源模块输出激光，输出的激光经过向上波长转换器和向下波长转换器的波长转换后，与光源模块本身的光谱经第一波分复用器进行波分复用，复用后光谱大大展宽，波分复用后的光谱传送到传感网络层中的n个波长路由器，再由n个波长路由器分别传送到n个传感网络子层中各个不同的传感器或传感单元，然后再由接收模块接受来自传感网络层中的n个传感网络子层的传感信号，第二波分复用器将各路传感信号进行波分复用，并将复用后的信号传送给解码器，进行正交互相关解码，经过解码后的信号送至解调模块，解调出各个传感单元或者传感器的位置及测量信息，再传送到计算机，实时显示各个传感单元或传感器的位置和测量的物理量、化学量和生物量信息，在某一测量信息超过设定阈值时发出提醒或警告，并且通过网络连接到其他终端设备，以便工作人员排除隐患，防患于未然。

2.根据权利要求1所述的具有双向可扩展性的混合式双层光纤智能传感网，其特征在于所述传感网具有双向可扩展性；传感网络层中包含有n个传感网络子层，每个传感网络子层中又包含有不同种类的传感器或者传感单元。在纵向上，能够增加固定的波长路由器，扩展传感网络子层的数目；横向上，每一个传感网络子层内的传感器或者传感单元的布设可以选择星形、树形、总线型、雪花型、蜘蛛网型或者这几种拓扑结构的组合结构的二维拓扑结构，采用三维正交码对每个传感器编码，接入灵活，能够实现传感器或者传感单元数目和拓扑结构的扩展，具有双向可扩展性，大大提高了系统容量。

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