CN103944639B - 一种具有自愈功能的无源光纤星环网 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种具有自愈功能的无源光纤星环网，包括作为上层网络的星形网络和作为下层网络的环形网络，还包括一个中心节点，其上设置有光源；光源发出的入射光信号被设置于中心节点上的一个2×N耦合器分为N路光信号，该N路光信号被送至与2×N耦合器相连的N个1×2耦合器上，构成星形网络；所有1×2耦合器的各支路都相邻连接设置一FBG传感器，构成环形网络；环形网络中每个FBG传感器，当其中有一个支路的光纤发生断裂，其他支路上行光信号仍可传输到该FBG传感器中，使得其始终有传感信号发射，环形网络上所有FBG传感器保持正常工作状态，实现自愈功能。本发明能在严重电磁干扰的环境下实现传感网的自愈；具有广泛的社会效益和经济效益。

Description

一种具有自愈功能的无源光纤星环网

技术领域

本发明专利涉及一种具有自愈能力的无源光纤传感网，是物联网技术中的一种，

背景技术

物联网技术的出现为信息技术的发展带来了新的革命。物联网是一个物与物、人与物之间联系的信息互动，是传感网的延伸。传感网由传感器节点组成的网络，是实现物联网的基础。目前，传感网主要有两种模式，一种是光纤传感网，另一种是无线传感网，二者的应用范围和程度有一定的交叠，但是在一些区域内如强电场中，只能单独使用。随着传感网内传感节点数量的增加，传感网的可靠性就显得尤为重要。特别是连接光纤发生断裂，将会使大量传感器失效，严重影响传感网的性能。因此具有自愈功能的光纤传感网将是解决光纤发生断裂引起的传感器失效的有效手段之一。

目前，传感网的自愈性研究多集中在无线传感网领域内，光纤传感网的自愈研究还比较少，这和光纤传感网的研究起步晚有关。光纤传感网凭借其抗电磁干扰、质量轻、耐腐蚀、易于组网等优点，广泛用于安防、建筑物结构监测等领域。相关的研究多采用有源器件来实现，如文献Peng-ChunPeng等，Ahybridstar-ringarchitectureforfiberBragggratingsensorsystem提出利用光开关实现基于FBG传感器的网络，该方法增加的传感网的实现成本，对于原本成本就较高的光纤传感网带来的巨大的负担。在国内，专利号为200910028386.6的专利《一种光纤分布式传感器网络自修复系统及自修复方法》中提出一种具有自修复系统的光线传感网，主要采用一个自修复控制器修复网络损伤。该方法可以实现网络自愈，但是在实现过程中受制于计算机进行计算网络的粒度的影响，使得自愈功能的实现和自愈的时间受到限制。专利号为201010252698.8的专利《一种大容量的可自愈光纤传感网》也提到一种大容量的自愈光线传感网，其使用有源器件光开关实现网络自愈，由于采用有源器件，在一定场合中（如强电场内）网络的自愈功能将受到外界环境的干扰，影响传感网的性能。可以看到，当前光纤传感网自愈的研究主要是利用有源器件在实现，还没有基于无源器件具有自愈功能的光纤传感网。

发明内容

为了克服上述现有技术存在的问题，本发明提出一种具有自愈功能的无源光纤星环网，利用光纤耦合器将FBG传感器连接起来，组成一个星环网，传感网的上层是星形网络，下层是环形网络，从而实现传感网的自愈功能，使该网络可以工作在特殊电磁环境中。

本发明提出的一种具有自愈功能的无源光纤星环网，是由无源光器件组成的光纤传感网，所述光纤传感网包括两层网络，即作为上层网络的星形网络和作为下层网络的环形网络，还包括一个中心节点，所述中心节点处设置有光源，实现光信号的输出和输入；其中：

光源发出的入射光信号被设置于中心节点上的一个2×N耦合器分为N路光信号，该N路光信号被送至与2×N耦合器相连的N个1×2耦合器上，从而构成星形网络；

上述所有1×2耦合器的各支路都相邻连接设置有一个FBG传感器，从而构成环形网络；

在所述星形网络中，输入光信号都是宽带信号，FBG传感器作为传输器，其中与FBG传感器工作波长相匹配的光信号被反射回去成为上行光信号，其他未被反射的光信号成为下行光信号；

在所述环形网络中，对于每个FBG传感器，当其中有一个支路的连接光纤发生断裂，除这一支路以外的其他支路的上行光信号仍传输到该支路的FBG传感器，使得该FBG传感器始终有传感信号发射，此时环形网络上所有FBG传感器保持正常工作状态，即实现了自愈功能。

所述中心节点处还设置有信号解调系统，用于检测FBG传感器接收到的上行光信号，当上行光信号保持在噪声界限以上时，光纤传感网具备自愈功能。

每个所述1×2耦合器都分别具有两个输入分支和一个输出分支。

所述其他未被反射的光信号，通过连接光纤和耦合器到达下一个FBG传感器，这样每个FBG传感器接收到的光信号为N路光信号的和。

与现有技术相比，本发明的光纤传感网具有很好的自愈功能，能够在严重电磁干扰的环境下实现传感网的自愈。因此本发明专利具有良好的优点和技术转化基础，具有广泛的社会效益和经济效益。

附图说明

图1为无源光纤星环网结构原理图；

1、第一传感器；2、第一1×2耦合器；3、第二传感器；4、第二1×2耦合器；5、第三传感器；6、第三1×2耦合器；7、环形网连接光纤；8、2×N耦合器；9、星形网连接光纤；10、中心节点；11、上行光信号；12、下行光信号；13、连接光纤断裂处；

图2为1×2耦合器的输出、输出分布图；

21、第一输入分支；22、第二输入分支；23、1×2耦合器；24、第三输出分支。

具体实施方式

下面将结合附图对本发明实施方式作进一步地详细描述。

如图1所示，该星环网中包含N个传感器（1，2…N），所有的传感器都分布在环形网上，传感器之间依靠连接光纤7和1×2耦合器1、1×2耦合器2、…1×2耦合器N的输入分支2和输出分支3连接成环网。星形网的一端是2×N耦合器8的输出端，另一端由N个1×2耦合器的输入端分支1构成。在星形网上不布置传感器。整个星环网上层星环网有N条连接光纤，下层环形网2N条连接光纤。当中心节点10中光源发射一束光信号，经过2×N耦合器8后，光束分成N路光信号，经由星形网连接光纤9构成的上层星形网传输到下层环形网。星环网中的传输器是FBG传感器，工作波长分别为λ₁,λ₂…λ_N。从上层星形网中输入的光信号都是宽带信号，只有与FBG传感器工作波长相匹配的光信号才会被反射回去（如上行信号11所示），其他未被反射的光信号（如下行信号12所示），通过连接光纤和耦合器到达下一个FBG传感器，这样每个FBG传感器接收到的光信号为N路光信号的和，也可以说对于每个传感器，有多条冗余路径。假设环形网中某一条连接光纤断裂（图1中断裂处13所示），其他支路仍然保持完好，此时，环形网上所有的传感器（1，2…N）将保持正常工作状态，只是传感器接收的光信号能量下降（接收的光信号能量在传感器噪声之上），因此当网络出现干扰和故障时，传感器能够仍然能够正常工作，不会造成因网络支路失效而使传感器不能探测外界信号。因此本专利提出的无源星环网具有很强的自愈功能，能够保证光纤传感网可靠地工作。

对于无源光纤星环网，由于FBG上的反射波长不同，经过FBG传感器后，还有一部分光信号在环形网络中传输，这样就能保证每个FBG传感器可以接收到所有星形网支路中传输的光信号，有效地保证每个传感器接收N路信号。当其中有一个支路的光纤发生断裂，这一路的信号将不能被传输到传感器中，但是其他支路的光信号仍然可以传输到该传感器中，可以使得该传感器始终有传感信号发射，有效避免了支路断裂造成的影响，因此该传感网具有自愈功能。当两个及以上支路发生断裂（根据研究，连接光纤断裂的概率较大，因此本专利中主要针对连接光纤失效的形式）时，传感器接收的光信号的强度将下降，由于该传感器的SNR较大，所以光信号下降到噪声界限以上时，均可被解调仪检测，此时光纤传感网都具有自愈性能。但是当光信号下降到噪声界限以下时，光信号被噪声淹没，无法检测到有效信号，此时传感网不具备自愈功能。

尽管上面结合图对本发明进行了描述，但是本发明并不局限于上述的具体实施方式，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，而不是限制性的，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不脱离本发明宗旨的情况下，还可以做出很多变形，这些均属于本发明的保护之内。

Claims (4)

1.一种具有自愈功能的无源光纤星环网，是由无源光器件组成的光纤传感网，其特征在于，所述光纤传感网包括两层网络，即作为上层网络的星形网络和作为下层网络的环形网络；还包括一个中心节点，所述中心节点处设置有光源，实现光信号的输出和输入；其中：

光源发出的入射光信号被与所述中心节点连接的一个2×N耦合器分为N路光信号，该N路光信号被送至与2×N耦合器相连的N个1×2耦合器上，从而构成星形网络；

上述所有1×2耦合器的各支路都相邻连接设置有一个FBG传感器，从而构成环形网络；

在所述星形网络中，输入光信号都是宽带信号，FBG传感器作为传输器，其中与FBG传感器工作波长相匹配的光信号被反射回去成为上行光信号，其他未被反射的光信号成为下行光信号；

在所述环形网络中，对于每个FBG传感器，当其中有一个支路的连接光纤发生断裂，除这一支路以外的其他支路的上行光信号仍传输到该支路的FBG传感器，使得该FBG传感器始终有传感信号发射，此时环形网络上所有FBG传感器保持正常工作状态，即实现了自愈功能。

2.如权利要求1所述的具有自愈功能的无源光纤星环网，其特征在于，所述中心节点处还设置有信号解调系统，用于检测FBG传感器接收到的上行光信号，当上行光信号保持在噪声界限以上时，光纤传感网具备自愈功能。

3.如权利要求1所述的具有自愈功能的无源光纤星环网，其特征在于，每个所述1×2耦合器都分别具有两个输入分支和一个输出分支。

4.如权利要求1所述的具有自愈功能的无源光纤星环网，其特征在于，所述其他未被反射的光信号，通过连接光纤和1×2耦合器到达下一个FBG传感器，这样每个FBG传感器接收到的光信号为N路光信号的和。