CN104618025B - 一维光纤传感网传感器数量及布置方法 - Google Patents

Abstract

一维光纤传感网传感器数量及布置方法，该方法根据传感网优化布设公式，确定布设过程中相邻两传感器最大、最小及最优间距d _max 、d _min 和d _opt 。然后根据一维传感网布设方法，确定监测区域内所需传感器数量m。本发明从光纤传感网鲁棒性入手，给出了一种适用于一般情况的一维光纤传感网优化布设方法，通过优化布设网络中传感器位置使传感网的鲁棒性得以优化，这一方法并不考虑结构本身的模态状况，适用于类似温度场等能够传播的物理场测量，通过这一方法可以为实际应用中的光纤传感网布设节约成本，提高网络性能。该方法适用于光纤传感网的不同拓扑结构。

Description

一维光纤传感网传感器数量及布置方法

技术领域

本发明属于光纤智能传感领域，涉及一种设计方法，特别是一种一维光纤传感网布设的方法及所需传感器数量，适用于一切分立式光纤传感器。

背景技术

光纤传感网是一种在多路复用技术的支持下，将一个或多个不同功能的光纤传感器通过不同拓扑结构组合而成的传感网络。传感网中的传感器或是被埋入被测单元，或是被布设在距被测单元很近的位置，能够实现多参量、多点的监测和控制。在光纤传感网络中，多个传感器可以共享终端设备，由此带来的经济效益在于设备成本的节省。光纤传感网正逐步渗透到我们的生活之中，从生活中的大型建筑结构监测，到军用光纤陀螺等诸多领域中均可见到光纤传感网的身影。

随着传感网络规模的不断扩大，其所监测目标结构的不断复杂，传感网中的传感器数量不断增加，这必然会带来庞大网络数据处理工作量，同时也会引起传感网更易受到攻击而使网络瘫痪。为解决这一问题，如何优化布设传感器位置成为一个重要研究方向。网络中传感器优化布设就是要达到减少传感网中传感器数量的同时优化网络的监测性能。专利CN101694674A介绍了一种基于布设点的弹性力学受力来调整多数量多类型的传感网传感器区域布设，以便使传感器间的数据融合能够达到更好的结果。专利CN101247303A提出了一种弧线型规则带状无线传感网络布设方法，这种方法通过计算相邻节点最大部署间距，以满足给定连通度要求，并实现在给定要求下网络规模最小化。

目前光纤传感网中传感器的布设优化多是基于某一具体结构，从结构的角度入手，以结构本身为主体，而对于光纤传感网本身的性能并未多予考虑，这些优化方法往往无法推广到应用于其他结构或环境中的光纤传感网布设。

发明内容

本发明目的是解决现有光纤传感网存在的上述问题，提供一种基于鲁棒性的一维光纤传感网传感器数量及布置方法。

本发明从光纤传感网鲁棒性入手，给出了一种适用于一般情况的一维光纤传感网优化布设方法，通过优化布设网络中传感器位置使传感网的鲁棒性得以优化，这一方法并不考虑结构本身的模态状况，适用于类似温度场等能够传播的物理场测量，通过这一方法可以为实际应用中的光纤传感网布设节约成本。利用这一方法可以优化大型一维光纤传感网，在节约传感器的前提下提高一维光纤传感网的鲁棒性，降低工程成本，提高网络性能。这一方法适用于光纤传感网的不同拓扑结构，同时适用于类似温度和应力等能够传播的物理场的一维区域监测。

本发明技术方案

一维光纤传感网传感器数量及布置方法，该方法的步骤如下：

第1、根据传感网优化布设公式，确定布设过程中相邻两传感器最大、最小及最优间距d _max 、d _min 和d _opt 。

第1.1、已知鲁棒性评估所需的衰减系数α及阈值γ；

在光纤传感网鲁棒性评估模型中定义了两个参数：衰减系数α及传感网阈值γ。其中衰减系数α是由传感网中使用的传感器类型所决定，大型的光纤传感网中包含多种类型的传感器，且每个传感器监测的被测对象也不尽相同，理想情况下同种类型光纤传感器在监测同一种物理量时，其衰减系数相同；阈值γ与传感网所要达到的精度有关，其取值范围为0≤γ≤1，精度越高γ取值越小。

第1.2、根据光纤传感网鲁棒性评估模型，确定布设过程中相邻两传感器最大、最小及最优间距(d _max 、d _min 、d _opt )。

第1.2.1、传感器最大间距d _max 确定：设传感器1位于(0, 0)，传感器2位于(x, y)。选取两传感器所在直线的中点作为评估点A来评价两传感器监测能力随传感器间距增加的变化情况，A点的坐标为(x/2, y/2)。当两传感器对A的监测能力刚好等于阈值γ，则说明两传感器达到了其最大间距d _max ，则有：

；

第1.2.2、传感器最小间距d _min 确定：不考虑两传感器间的相互影响，两传感器的最小间距为单个传感器监测范围d _s 的叠加，根据鲁棒性评估模型中光纤传感器监测能力公式可得：

；

第1.2.3、传感器最优间距d _opt 确定：定义能够使得光纤传感网鲁棒性最优时，传感器间距为最优间距d _opt 。通过分析传感器间距对于传感网有效监测面积的影响，结合光纤传感网鲁棒性评估模型可以得到：

；

第2、根据监测区域长度L及布设方法确定传感器分布位置。

第2.1、确定监测区域最左端传感器位置，即第一个传感器S ₁位置。

若将一维光纤传感网最左端传感器记作第一个传感器为S ₁，则S ₁对监测区域最左端的监测能力符合单个传感器的监测情况；设S ₁距监测区域左端的距离为d ₀，由最小间距可知d ₀=d _min /2=-lnγ/α。因此将S ₁布设在距监测区域左端d ₀处的监测区域中心线上。这里考虑传感网中传感器种类相同。

第2.2、根据监测区域长度L确定一维光纤传感网剩余传感器。

当确定第一个传感器S ₁后，首先计算剩余监测区域长度所需传感器数量N，N=[(L-d ₀)/d _opt ]=[(L+lnγ/α)/d _opt ]，由于剩余监测长度并不一定能够被最优间距整除，因此在求取传感器数量时对这一商进行取整操作。之后沿着监测区域中心线按照最优间距d _opt 布设剩余传感器，当布设到传感器S _N+1时，则S _N+1与监测区域最右端的距离为d=L-d ₀ -N×d _opt ，若d∈[d _s , d _opt ]，则在传感器S _N+1与监测区域右边缘之间再布设一个传感器。

第3、根据一维传感网布设方法，确定监测区域内所需传感器数量m。

将监测区域的中点设为原点，以区域中心线为x轴，区域中垂线为y轴建立坐标系。则传感器S ₁的坐标为(-L/2-(lnγ)/ α, 0)，传感网中除传感器S ₁外的其他传感器数量为：

其中：α为传感网中传感器衰减系数；γ为传感网阈值。

由于N并不一定是一个整数，为了保证整个监测区域均能被有效监测，我们对N进行取整处理之后再对其加1。根据一维光纤传感网布设方法，可得一维传感网中所需的传感器数量m为：

。

本发明的优点和积极效果：

本发明通过对一维光纤传感网传感器进行优化布设，能够在避免大型光纤传感网中传感器浪费的同时使传感网鲁棒性得以优化，从而降低工程成本，提高一维光纤传感网的总体性能。

附图说明

图1是表示本发明的基本的流程图。

图2是表示500cm60cm的监测区域布设一维光纤传感网的示意图，其中光纤传感器以线形拓扑的方式进行连接。1是监测区域；2是连接光纤；3~12是光纤光栅（FBG）；13是宽带光源；14是解调系统；15是耦合器。

图3是参数实验示意图。

图4是模拟一维光纤传感网鲁棒性随相邻传感器间距增加的变化情况。

具体实施方式

实施例1：

如图2所示，在500cm60cm的区域内按照一维光纤传感网布设方法布设FBG传感网，并对其鲁棒性变化进行了模拟。

首先，取得FBG传感器的衰减系数及阈值。

如图3所示，在500cm60cm的区域内对FBG传感器进行参数实验，该实验包括：宽带光源13，耦合器15；光纤光栅（FBG）3；连接光纤2；解调系统14，其中解调系统包括可调谐窄带滤波器、光探测器、数据处理系统和电脑。

选取一个FBG传感器布设在监测区域内S点，若监测区域中心点为原点建立坐标系，则S点坐标为(15, 0)；选取区域中心点作为实验点P，其坐标为(0，0)。对实验点加热；同时，宽带光源输出的光经过耦合器后进入FBG传感器3，由于温度变化将会引起FBG中心波长移动，采集40组数据，数据包括实验点温度值以及其相应的FBG的中心波长移动量。利用支持向量机(SVM)进行数据处理，选取35组数据训练SVM，其余5组作为检测集检测SVM训练结果。从而得到均方差mse=1.0692，则FBG传感器对点P的监测能力。由监测能力公式：，得到FBG传感器的衰减系数为。得到衰减系数后，根据FBG传感器对温度的监测精度，选取阈值为。

然后，确定布设过程中相邻两传感器最大、最小及最优间距(d _max 、d _min 、d _opt )。

将衰减系数及阈值分别带入两传感器最大、最小及最佳间距公式中，分别得到：d _max =76cm、d _min =46cm、d _opt =55cm。

之后，如图2所示在监测区域内首先布设传感器S ₁，S ₁距区域左边缘距离为23cm；根据区域长度L=500cm，计算剩余传感器数量N=8个，按照最优间距布设剩余传感器，直到传感器S ₉ 。计算S ₉与区域右边缘距离d，经判断S ₉与区域右边缘需要再加入一个传感器S ₁₀；统计传感器数量m=10。最后根据光纤传感网鲁棒性评估模型计算该一维光纤传感网鲁棒性。

如图4所示，模拟分析了在500cm60cm区域内，调整传感网中从S ₁开始的相邻两传感器间距，并计算网络相应的鲁棒性。从图中可以看出，当S ₁~S _m 相邻传感器间距为最优间距时，网络鲁棒性最优，即本发明所提布设方法布设的一维光纤传感网鲁棒性最优。

Claims (1)

1.一种一维光纤传感网传感器数量确定及布置方法，其特征在于该方法的步骤如下：

第1、根据传感网优化布设公式，确定布设过程中相邻两传感器最大、最小及最优间距d_max、d_min和d_opt；

第1.1、已知鲁棒性评估所需的衰减系数α及阈值γ；

在光纤传感网鲁棒性评估模型中定义了两个参数：衰减系数α及传感网阈值γ；其中衰减系数α是由传感网中使用的传感器类型所决定，阈值γ与传感网所要达到的精度有关，其取值范围为0≤γ≤1，精度越高γ取值越小；

第1.2、根据光纤传感网鲁棒性评估模型，确定布设过程中相邻两同种类型传感器最大、最小及最优间距d_max、d_min及d_opt；

第1.2.1、传感器最大间距d_max确定：设传感器1位于(0,0)，传感器2位于(x,y)；选取两传感器所在直线的中点作为评估点A来评价两传感器监测能力随传感器间距增加的变化情况，A点的坐标为(x/2,y/2)；当两传感器对A的监测能力刚好等于阈值γ，则说明两传感器达到了最大间距d_max，则有：

$d_{max}=\sqrt{x^2+y^2}=-2ln(1-\sqrt{1-\mathrm{\γ}})/\mathrm{\α};$

第1.2.2、传感器最小间距d_min确定：不考虑两传感器间的相互影响，两传感器的最小间距为单个传感器监测范围d_s的叠加，根据鲁棒性评估模型中光纤传感器监测能力公式可得：

d_min＝2d_s＝-2lnγ/α；

第1.2.3、传感器最优间距d_opt确定：定义能够使得光纤传感网鲁棒性最优时，传感器间距为最优间距d_opt；通过分析传感器间距对于传感网有效监测面积的影响，结合光纤传感网鲁棒性评估模型可以得到：

$d_{opt}=-\sqrt{2}ln(1-\sqrt{1-\mathrm{\γ}})/\mathrm{\α};$

第2、根据监测区域长度L及布设方法确定传感器分布位置；

第2.1、确定监测区域最左端传感器位置，即第一个传感器S₁位置；

若将一维光纤传感网最左端传感器记作第一个传感器为S₁，则S₁对监测区域最左端的监测能力符合单个传感器的监测情况；设S₁距监测区域左端的距离为d₀，由最小间距可知d₀＝d_min/2＝-lnγ/α；因此将S₁布设在距监测区域左端d₀处的监测区域中心线上；这里考虑传感网中传感器种类相同；

第2.2、根据监测区域长度L确定一维光纤传感网剩余传感器；

当确定第一个传感器S₁后，首先计算剩余监测区域长度所需传感器数量N，N＝[(L-d₀)/d_opt]＝[(L+lnγ/α)/d_opt]，由于剩余监测长度并不一定能够被最优间距整除，因此在求取传感器数量时对这一商进行取整操作；之后沿着监测区域中心线按照最优间距d_opt布设剩余传感器，当布设到传感器S_N+1时，则S_N+1与监测区域最右端的距离为d＝L-d₀-N×d_opt，若d∈[d_s,d_opt]，则在传感器S_N+1与监测区域右边缘之间再布设一个传感器；

第3、根据一维传感网布设方法，确定监测区域内所需传感器数量m；

将监测区域的中点设为原点，以区域中心线为x轴，区域中垂线为y轴建立坐标系；则传感器S₁的坐标为(-L/2-(lnγ)/α,0)，传感网中除传感器S₁外的其他传感器数量N为：

$N=\left\{\begin{array}{cc}(L+ln\mathrm{\&gamma;}/\mathrm{\&alpha;})/d_{opt}& 0\&le;d<d_s\\ (L+ln\mathrm{\&gamma;}/\mathrm{\&alpha;})/d_{opt}+1& d_s\&le;d\&le;d_{opt}\end{array}\right.$

其中：α为传感网中传感器衰减系数；γ为传感网阈值；

由于N并不一定是一个整数，为了保证整个监测区域均能被有效监测，我们对N进行取整处理之后再对其加1；根据一维光纤传感网布设方法，可得一维传感网中所需的传感器数量m为：

$m=\left\{\begin{array}{cc}\&lsqb;N\&rsqb;+1=\&lsqb;-(L\mathrm{\&alpha;}+\ln \mathrm{\&gamma;})/\sqrt{2}\ln (1-\sqrt{1-\mathrm{\&gamma;}})\&rsqb;+1& 0<d<d_s\\ \&lsqb;N\&rsqb;+2=\&lsqb;-(L\mathrm{\&alpha;}+\ln \mathrm{\&gamma;})/\sqrt{2}\ln (1-\sqrt{1-\mathrm{\&gamma;}})\&rsqb;+2& d_s\&le;d<d_{opt}\end{array}\right.$