CN109120908A - 用于森林防火监控的远程自由空间光传递方法及系统 - Google Patents
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Abstract
用于森林防火监控的远程自由空间光传递方法及系统，属于光通信技术领域，为了解决偏远森林防火监控信号远程传递和网络信号接入的问题，该系统由互联网传递终端及远程监控和网络接入端组成，互联网信号由互联网传递终端经自由空间光传递至远程监控和网络接入端，在远程接入网络信号，并将远程监控设备的实时监控信号从远程监控和网络接入端传递回互联网传送终端，并可由互联网传送终端通过该网络远程控制远程监控和网络接入端的监控设备工作；将自由空间光传输技术与网络技术结合，使森林火情远程监控实现实时、可控、并能够对监控点进行网络信号覆盖，提高了系统维护能力，也是林区专用网络最好的解决方案之一，应用前景非常广阔。
Description
技术领域
本发明涉及一种用于森林防火监控的远程自由空间光传递方法及系统，属于光通信技术领域，可应用于偏远森林等无各种网络信号覆盖的环境进行信号的远程传递领域。
背景技术
远距离无人环境，如森林、山地、海岛、湖泊、无人区等，目前多数尚无网络信号覆盖，需要依靠卫星通信等设施进行信息传输。森林防火是林区的头等大事，实时进行视频监控对森林防火意义重大，我国目前针对森林防火，主要采用瞭望、巡山等活动，并不能对各大林场的所有森林覆盖地区进行实时监控，消耗大量人力。近年来开展对森林全覆盖的实时视频监控系统，若采用运营商提供的专线网络，在无法进行光缆施工的山区架设的大量架空线缆、电力设备等将严重影响森林生态，对野生动物造成伤害。重新铺设大量通信设备、电力设备导致成本非常高。采用微波基站进行传输，也将受到电力、传输距离等因素影响。因此，设计节能、环保的绿色信息传递方案，尤其对于森林防火的实时监控网络非常迫切。
发明内容
本发明为了解决偏远森林防火监控信号远程传递和网络信号接入的问题，提出一种用于森林防火监控的远程自由空间光传递方法及系统，其具有较高带宽和低能耗。本发明采用自由空间光传递技术实现实时视频监控信息和网络信号的远程传递。能够在不便于铺设光缆的山区通过自由光传递系统将网络信号接入至偏远林区，并将该处实时监控信息通过该系统传递上网，也能够通过该网络对监控设备进行控制等。
用于森林防火监控的远程自由空间光传递系统，其特征是，该系统由互联网传递终端及远程监控和网络接入端组成，互联网信号由互联网传递终端经自由空间光传递至远程监控和网络接入端，在远程接入网络信号，并将远程监控设备的实时监控信号从远程监控和网络接入端传递回互联网传送终端，并可由互联网传送终端通过该网络远程控制远程监控和网络接入端的监控设备工作。
所述互联网传递终端主要由互联网信号接口、第一路由器、第一网络编解码器，监控计算机主机、第一光电信号转换器、第一单模光纤、第一光纤放大器、第一激光发射望远镜、第一多模光纤和第一激光接收望远镜组成；互联网信号接口与第一路由器一个端口连接，监控计算机主机与第一路由器另一个端口连接，第一路由器的第三端口与第一网络编解码器的网络接口连接，以上连接均为以太网端口RJ45连接；第一网络编解码器的输出端口与第一光电信号转换器的数据端口连接，为数据端口连接；第一光电信号转换器的输出光纤端口与第一单模光纤的输入端口连接，第一单模光纤的输出端口与第一光纤放大器的输入端口连接，第一光纤放大器的输出端口与第一激光发射望远镜的输入端口连接，第一发射望远镜将输出信号光发射至空间，第一光电信号转换器的输入光纤端口与第一多模光纤的输出端口连接，第一多模光纤的输入端口与第一激光接收望远镜的输出端口连接，第一激光接收望远镜从空间接收远程监控和网络接入端发射的光信号；第一激光发射望远镜，其输入端接口为光开关，第一光纤放大器输出端与光开关一个输入端口连接，对准绿光激光器发射端与光开关另一个输入端口连接，光开关的输出端口与第一发射望远镜准直端口连接。
远程监控和网络接入端主要由远程监控设备、第二路由器、第二网络编解码器、无线局域网设备、第二光电信号转换器、第二单模光纤、第二光纤放大器、第二激光发射望远镜、第二多模光纤和第二激光接收望远镜组成；远程监控设备与第二路由器的一个端口连接，无线局域网设备与第二路由器另一个端口连接，第二路由器的端口与第二网络编解码器的网络接口连接，以上连接均为以太网端口RJ45连接；第二网络编解码器的输出端口与第二光电信号转换器的数据端口连接，为数据端口连接；第二光电信号转换器的输出光纤端口与第二单模光纤的输入端口连接，第二单模光纤的输出端口与第二光纤放大器的输入端口连接，第二光纤放大器的输出端口与第二激光发射望远镜的输入端口连接，第二激光发射望远镜将输出信号光发射至空间，第二光电信号转换器的输入光纤端口与第二多模光纤的输出端口连接，第二多模光纤的输入端口与第二激光接收望远镜的输出端口连接，第二激光接收望远镜从空间接收互联网传递终端发射的光信号；第二激光发射望远镜，其输入端接口为光开关，第二光纤放大器输出端与光开关一个输入端口连接，对准绿光激光器发射端与光开关另一个输入端口连接，光开关的输出端口与第二发射望远镜准直端口连接，以上连接均为光纤连接。
用于森林防火监控的远程自由空间光传递系统的工作方法，其特征是，该方法包括以下步骤：
步骤一，在工作前，首先进行互联网传递终端与远程监控和网络接入端对准，其包括第一激光发射望远镜与第二激光接收望远镜对准和第二激光发射望远镜与第一激光接收望远镜对准，第一激光发射望远镜的光开关启动对准模式，第一激光发射望远镜的对准绿光激光器的激光通过光开关进入第一激光发射望远镜，通过互联网传递终端的望远镜目镜和远程监控和网络接入端的望远镜目镜相互观看绿光光束，将光束对准到第二激光接收望远镜中，而后，第二激光发射望远镜的光开关启动对准模式，第二激光发射望远镜的对准绿光激光器的激光通过光开关进入第二激光发射望远镜，通过远程监控和网络接入端的望远镜目镜和互联网传递终端的望远镜目镜相互观看绿光光束，将光束对准到第二激光接收望远镜中，从而实现了系统两端对准；
步骤二，互联网传递终端中，互联网信号通过互联网信号接口接入第一路由器，同时，监控计算机主机也接入第一路由器，在第一路由器中经过路由分配，网络信号由第一路由器通过第一网络编解码器的网络接口输入进第一网络编解码器，在第一网络编解码器中进行网络协议解析和信号解码，经过解码后的网络信号通过第一光电信号转换器进行激光脉冲编码和电光转换，网络信号经第一光电信号转换器调制成激光脉冲，再通过第一单模光纤注入第一光纤放大器，功率提高至1W后注入第一激光发射望远镜，第一激光发射望远镜将调制光信号发射至空间；
步骤三，第一激光接收望远镜从空间接收远程监控和网络接入端发射的光信号，光信号经过第一激光接收望远镜汇聚后经大视场第一多模光纤进入第一光电信号转换器进行光电转换和解调，解调后的信号通过第一网络编解码器进行网络编码，编码后的网络信号通过第一路由器和互联网信号接口接入互联网；
步骤四，远程监控和网络接入端中，实时监控信号在实时监控设备中进行网络编码，信号接入第二路由器，无线局域网设备也接入第二路由器，在第二路由器中经过路由分配，网络信号通过第二网络编解码器的网络接口端输入进第二网络编解码器，在第二网络编解码器中进行网络协议解析和信号解码，经过解码后的网络信号通过第二光电信号转换器进行激光脉冲编码和电光转换，网络信号经第二光电信号转换器调制成激光脉冲，再通过第二单模光纤注入第二光纤放大器，功率提高至W级后注入第二激光发射望远镜，第二激光发射望远镜将调制光信号发射至空间；
步骤五，第二激光接收望远镜从空间接收互联网传递终端发射的光信号，光信号经过接收望远镜汇聚后经大视场第二多模光纤进入第二光电信号转换器进行光电转换和解调，解调后的信号通过第二网络编解码器进行网络编码，编码后的网络信号通过第二路由器和第二无线局域网设备将网络信号接入监控点。
本发明的有益效果是：采用自由光信息传递技术实现远程网络信号接入和森林防火监控信号的实时网络传输。
本发明远程自由空间光传递方法及系统，相比于铺设光缆或微波信号传递技术，该方案结构简单、成本低、不破坏环境、带宽宽，并可由互联网传送终端通过该网络控制远程监控设备工作，是未来无网络信号覆盖地区网络接入的最佳方法之一。
采用自由空间光传输技术，具有带宽宽、传输距离远、不占用无线电频谱资源、抗干扰等优势。另外，由于激光收发系统能耗低，可以利用小型太阳能电池即可对孤立监控点的光收发系统进行供电，特别适合原始森林的火情监控。
将自由空间光传输技术与网络技术结合，使森林火情远程监控实现实时、可控、并能够对监控点进行网络信号覆盖，提高了系统维护能力，也是林区专用网络最好的解决方案之一，应用前景非常广阔。
附图说明
图1为本发明用于森林防火监控的远程自由空间光传递系统的结构示意图。
具体实施方式
下面结合附图对发明做进一步说明。
如图1所示，用于森林防火监控的远程自由空间光传递系统，该系统由互联网传递终端1及远程监控和网络接入端2组成，互联网信号由互联网传递终端1经自由空间光传递至远程监控和网络接入端2，在远程接入网络信号，并将远程监控设备的实时监控信号从远程监控和网络接入端2传递回互联网传送终端1，并可由互联网传送终端1通过该网络远程控制远程监控和网络接入端2的监控设备工作。
互联网传递终端1主要由互联网信号接口10、第一路由器11、第一网络编解码器12，监控计算机主机13、第一光电信号转换器14、第一单模光纤15、第一光纤放大器16、第一激光发射望远镜17、第一多模光纤18和第一激光接收望远镜19组成。
互联网信号接口10与第一路由器11一个端口连接，监控计算机主机13与第一路由器11另一个端口连接，第一路由器11的第三端口与第一网络编解码器12的网络接口连接，以上连接均为以太网端口RJ45连接。
第一网络编解码器12的输出端口与第一光电信号转换器14的数据端口连接，为数据端口连接。
第一光电信号转换器14的输出光纤端口与第一单模光纤15的输入端口连接，第一单模光纤15的输出端口与第一光纤放大器16的输入端口连接，第一光纤放大器16的输出端口与第一激光发射望远镜17的输入端口连接，第一发射望远镜17将输出信号光发射至空间，第一光电信号转换器14的输入光纤端口与第一多模光纤18的输出端口连接，第一多模光纤18的输入端口与第一激光接收望远镜19的输出端口连接，第一激光接收望远镜19从空间接收远程监控和网络接入端2发射的光信号，以上连接均为光纤连接。
第一激光发射望远镜17，其输入端接口为光开关17-1，第一光纤放大器16输出端与光开关17-1一个输入端口连接，对准绿光激光器17-2发射端与光开关17-1另一个输入端口连接，光开关17-1的输出端口与第一发射望远镜17准直端口连接，以上均为光纤连接。
远程监控和网络接入端2主要由远程监控设备20、第二路由器21、第二网络编解码器22、无线局域网设备23、第二光电信号转换器24、第二单模光纤25、第二光纤放大器26、第二激光发射望远镜27、第二多模光纤28和第二激光接收望远镜29组成。
远程监控设备20与第二路由器21的一个端口连接，无线局域网设备23与第二路由器21另一个端口连接，第二路由器21的端口与第二网络编解码器22的网络接口连接，以上连接均为以太网端口RJ45连接；
第二网络编解码器22的输出端口与第二光电信号转换器24的数据端口连接，为数据端口连接；
第二光电信号转换器24的输出光纤端口与第二单模光纤25的输入端口连接，第二单模光纤25的输出端口与第二光纤放大器26的输入端口连接，第二光纤放大器26的输出端口与第二激光发射望远镜27的输入端口连接，第二激光发射望远镜27将输出信号光发射至空间，第二光电信号转换器24的输入光纤端口与第二多模光纤28的输出端口连接，第二多模光纤28的输入端口与第二激光接收望远镜29的输出端口连接，第二激光接收望远镜29从空间接收互联网传递终端1发射的光信号，以上连接均为光纤连接。
第二激光发射望远镜27，其输入端接口为光开关27-1，第二光纤放大器26输出端与光开关27-1一个输入端口连接，对准绿光激光器27-2发射端与光开关27-1另一个输入端口连接，光开关27-1的输出端口与第二发射望远镜27准直端口连接，以上均为光纤连接。
用于森林防火监控的远程自由空间光传递系统的工作方法，该方法包括以下步骤：
步骤一，在工作前，首先进行互联网传递终端1与远程监控和网络接入端2对准，其包括第一激光发射望远镜17与第二激光接收望远镜29对准和第二激光发射望远镜27与第一激光接收望远镜19对准，第一激光发射望远镜17的光开关17-1启动对准模式，第一激光发射望远镜17的对准绿光激光器17-2的激光通过光开关17-1进入第一激光发射望远镜17，通过互联网传递终端1的望远镜目镜和远程监控和网络接入端2的望远镜目镜相互观看绿光光束，将光束对准到第二激光接收望远镜29中，而后，第二激光发射望远镜27的光开关27-1启动对准模式，第二激光发射望远镜27的对准绿光激光器27-2的激光通过光开关27-1进入第二激光发射望远镜27，通过远程监控和网络接入端2的望远镜目镜和互联网传递终端1的望远镜目镜相互观看绿光光束，将光束对准到第二激光接收望远镜19中，从而实现了系统两端对准。
步骤二，互联网传递终端1中，互联网信号通过互联网信号接口10接入第一路由器11，同时，监控计算机主机13也接入第一路由器11，在第一路由器11中经过路由分配，网络信号由第一路由器11通过第一网络编解码器12的网络接口输入进第一网络编解码器12，在第一网络编解码器12中进行网络协议解析和信号解码，经过解码后的网络信号通过第一光电信号转换器14进行激光脉冲编码和电光转换，网络信号经第一光电信号转换器14调制成激光脉冲，再通过第一单模光纤15注入第一光纤放大器16，功率提高至1W后注入第一激光发射望远镜17，第一激光发射望远镜17将调制光信号发射至空间。
步骤三，第一激光接收望远镜19从空间接收远程监控和网络接入端2发射的光信号，光信号经过第一激光接收望远镜19汇聚后经大视场第一多模光纤18进入第一光电信号转换器14进行光电转换和解调，解调后的信号通过第一网络编解码器12进行网络编码，编码后的网络信号通过第一路由器11和互联网信号接口10接入互联网。
步骤四，远程监控和网络接入端2中，实时监控信号在实时监控设备20中进行网络编码，信号接入第二路由器21，无线局域网设备23也接入第二路由器21，在第二路由器21中经过路由分配，网络信号通过第二网络编解码器22的网络接口端输入进第二网络编解码器22，在第二网络编解码器22中进行网络协议解析和信号解码，经过解码后的网络信号通过第二光电信号转换器24进行激光脉冲编码和电光转换，网络信号经第二光电信号转换器24调制成激光脉冲，再通过第二单模光纤25注入第二光纤放大器26，功率提高至W级后注入第二激光发射望远镜27，第二激光发射望远镜27将调制光信号发射至空间。
步骤五，第二激光接收望远镜29从空间接收互联网传递终端1发射的光信号，光信号经过接收望远镜29汇聚后经大视场第二多模光纤28进入第二光电信号转换器24进行光电转换和解调，解调后的信号通过第二网络编解码器22进行网络编码，编码后的网络信号通过第二路由器21和第二无线局域网设备23将网络信号接入监控点。
综上所述，互联网传递终端1及远程监控和网络接入端2，通过网络编解码、激光脉冲编码调制解调及空间信息传递技术实现了自由光信号的空间远程传递，并可通过互联网传递终端对远程监控设备实现远程控制功能。
本发明整个系统所具备的特点有：
该系统监控视频采用网络信号传递，所有网络信号接口均为RJ45以太网口。
第一激光发射望远镜17和第二激光发射望远镜27采用透射式结构，近红外激光1550nm波段，光纤接口为单模石英光纤，纤芯9μm，包层125μm。
第一激光接收望远镜19和第二激光接收望远镜29采用反射式卡塞格林结构，近红外激光1550nm波段，光纤接口为多模石英光纤，纤芯105μm，包层125μm。
第一光纤放大器16和第二光纤放大器26采用掺铒光纤放大器，工作波段1550nm，单模输入输出，纤芯9μm，包层125μm，输出功率1W。
传输距离3km，根据远程监控距离，通过设计光纤放大器输出功率可增加传输距离。
远程空间对准采用信标光对准。
该系统链路由激光信号通过发射和接收望远镜建立，跨越山区森林地带，通过固定实现永久连接。利用软件在互联网传递终端对远程监控和网络接入端设备进行实时监测和控制。该方法和系统解决了无信号覆盖地区的网络接入成本高、破坏环境等难题，适用于森林防火实时监控。
Claims (7)
1.用于森林防火监控的远程自由空间光传递系统，其特征是，该系统由互联网传递终端(1)及远程监控和网络接入端(2)组成，互联网信号由互联网传递终端(1)经自由空间光传递至远程监控和网络接入端(2)，在远程接入网络信号，并将远程监控设备的实时监控信号从远程监控和网络接入端(2)传递回互联网传送终端(1)，并可由互联网传送终端(1)通过该网络远程控制远程监控和网络接入端(2)的监控设备工作。
2.根据权利要求1所述的用于森林防火监控的远程自由空间光传递系统，其特征在于，所述互联网传递终端(1)主要由互联网信号接口(10)、第一路由器(11)、第一网络编解码器(12)，监控计算机主机(13)、第一光电信号转换器(14)、第一单模光纤(15)、第一光纤放大器(16)、第一激光发射望远镜(17)、第一多模光纤(18)和第一激光接收望远镜(19)组成；
互联网信号接口(10)与第一路由器(11)一个端口连接，监控计算机主机(13)与第一路由器(11)另一个端口连接，第一路由器(11)的第三端口与第一网络编解码器(12)的网络接口连接，以上连接均为以太网端口RJ45连接；
第一网络编解码器(12)的输出端口与第一光电信号转换器(14)的数据端口连接，为数据端口连接；
第一光电信号转换器(14)的输出光纤端口与第一单模光纤(15)的输入端口连接，第一单模光纤(15)的输出端口与第一光纤放大器(16)的输入端口连接，第一光纤放大器(16)的输出端口与第一激光发射望远镜(17)的输入端口连接，第一发射望远镜(17)将输出信号光发射至空间，第一光电信号转换器(14)的输入光纤端口与第一多模光纤(18)的输出端口连接，第一多模光纤(18)的输入端口与第一激光接收望远镜(19)的输出端口连接，第一激光接收望远镜(19)从空间接收远程监控和网络接入端(2)发射的光信号；
第一激光发射望远镜(17)，其输入端接口为光开关(17-1)，第一光纤放大器(16)输出端与光开关(17-1)一个输入端口连接，对准绿光激光器(17-2)发射端与光开关(17-1)另一个输入端口连接，光开关(17-1)的输出端口与第一发射望远镜(17)准直端口连接；以上连接均为光纤连接。
3.根据权利要求1所述的用于森林防火监控的远程自由空间光传递系统，其特征在于，远程监控和网络接入端(2)主要由远程监控设备(20)、第二路由器(21)、第二网络编解码器(22)、无线局域网设备(23)、第二光电信号转换器(24)、第二单模光纤(25)、第二光纤放大器(26)、第二激光发射望远镜(27)、第二多模光纤(28)和第二激光接收望远镜(29)组成。
远程监控设备(20)与第二路由器(21)的一个端口连接，无线局域网设备(23)与第二路由器(21)另一个端口连接，第二路由器(21)的端口与第二网络编解码器(22)的网络接口连接，以上连接均为以太网端口RJ45连接；
第二网络编解码器(22)的输出端口与第二光电信号转换器(24)的数据端口连接，为数据端口连接；
第二光电信号转换器(24)的输出光纤端口与第二单模光纤(25)的输入端口连接，第二单模光纤(25)的输出端口与第二光纤放大器(26)的输入端口连接，第二光纤放大器(26)的输出端口与第二激光发射望远镜(27)的输入端口连接，第二激光发射望远镜(27)将输出信号光发射至空间，第二光电信号转换器(24)的输入光纤端口与第二多模光纤(28)的输出端口连接，第二多模光纤(28)的输入端口与第二激光接收望远镜(29)的输出端口连接，第二激光接收望远镜(29)从空间接收互联网传递终端(1)发射的光信号，以上连接均为光纤连接；第二激光发射望远镜(27)，其输入端接口为光开关(27-1)，第二光纤放大器(26)输出端与光开关(27-1)一个输入端口连接，对准绿光激光器(27-2)发射端与光开关(27-1)另一个输入端口连接，光开关(27-1)的输出端口与第二发射望远镜(27)准直端口连接；以上连接均为光纤连接。
4.根据权利要求1所述的用于森林防火监控的远程自由空间光传递系统，其特征在于，第一激光发射望远镜(17)和第二激光发射望远镜(27)采用透射式结构，近红外激光1550nm波段，光纤接口为单模石英光纤，纤芯9μm，包层125μm。
5.根据权利要求1所述的用于森林防火监控的远程自由空间光传递系统，其特征在于，第一激光接收望远镜(19)和第二激光接收望远镜(29)采用反射式卡塞格林结构，近红外激光1550nm波段，光纤接口为多模石英光纤，纤芯105μm，包层125μm。
6.根据权利要求1所述的用于森林防火监控的远程自由空间光传递系统，其特征在于，第一光纤放大器(16)和第二光纤放大器(26)采用掺铒光纤放大器，工作波段1550nm，单模输入输出，纤芯9μm，包层125μm，输出功率1W。
7.用于森林防火监控的远程自由空间光传递系统的工作方法，其特征是，该方法包括以下步骤：
步骤一，互联网传递终端(1)中，互联网信号通过互联网信号接口(10)接入第一路由器(11)，同时，监控计算机主机(13)也接入第一路由器(11)，在第一路由器(11)中经过路由分配，网络信号由第一路由器(11)通过第一网络编解码器(12)的网络接口输入进第一网络编解码器(12)，在第一网络编解码器(12)中进行网络协议解析和信号解码，经过解码后的网络信号通过第一光电信号转换器(14)进行激光脉冲编码和电光转换，网络信号经第一光电信号转换器(14)调制成激光脉冲，再通过第一单模光纤(15)注入第一光纤放大器(16)，功率提高至1W后注入第一激光发射望远镜(17)，第一激光发射望远镜(17)将调制光信号发射至空间；
步骤二，第一激光接收望远镜(19)从空间接收远程监控和网络接入端(2)发射的光信号，光信号经过第一激光接收望远镜(19)汇聚后经大视场第一多模光纤(18)进入第一光电信号转换器(14)进行光电转换和解调，解调后的信号通过第一网络编解码器(12)进行网络编码，编码后的网络信号通过第一路由器(11)和互联网信号接口(10)接入互联网；
步骤三，远程监控和网络接入端(2)中，实时监控信号在实时监控设备(20)中进行网络编码，信号接入第二路由器(21)，无线局域网设备(23)也接入第二路由器(21)，在第二路由器(21)中经过路由分配，网络信号通过第二网络编解码器(22)的网络接口端输入进第二网络编解码器(22)，在第二网络编解码器(22)中进行网络协议解析和信号解码，经过解码后的网络信号通过第二光电信号转换器(24)进行激光脉冲编码和电光转换，网络信号经第二光电信号转换器(24)调制成激光脉冲，再通过第二单模光纤(25)注入第二光纤放大器(26)，功率提高至W级后注入第二激光发射望远镜(27)，第二激光发射望远镜(27)将调制光信号发射至空间；
步骤四，第二激光接收望远镜(29)从空间接收互联网传递终端(1)发射的光信号，光信号经过接收望远镜(29)汇聚后经大视场第二多模光纤(28)进入第二光电信号转换器(24)进行光电转换和解调，解调后的信号通过第二网络编解码器(22)进行网络编码，编码后的网络信号通过第二路由器(21)和第二无线局域网设备(23)将网络信号接入监控点。
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