CN111754755B - 一种基于分布式传感的信息传输系统及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于分布式传感的信息传输系统及方法，系统包括：脉冲光源、环形器、信号发生器，用于生成物理信号并作用于通信光纤的外层以使光波信号按一定规则发生应变；光电探测器，用于接收通信光纤回传的按规则应变的光波信号；主控模块，用于控制脉冲光源的输出、控制光电探测器的接收以及识别按规则应变的光波信号。本方案将分布式传感技术于光纤通信相结合，信息输入端不用接入光缆而只在光缆外层进行应变激励，可避免现有传输设备被入侵后就失去效果进而导致通信无法完成的效果，尤其是针对某些信息采集不能使用无线或者卫星回传的情况，分布式传感的信息传输系统使用光缆自身回传可避免非法窃取。
Description
技术领域
本发明涉及光纤通讯领域，特别涉及一种基于分布式传感的信息传输系统及方法。
背景技术
现有光纤通信系统信息传输主要依靠双向光波的发送和接收，依靠大量的芯片进行信号传递，在特殊条件下(如不能使用无线信号、光纤传输设备被入侵、需要长距离物理介质传输信息等情况)，不能进行有效信号传递。
发明内容
本发明旨在至少解决现有技术中存在的技术问题之一。为此，本发明提出一种基于分布式传感的信息传输系统，可适应特殊情况下的信息传输；本发明还提供了一种基于分布式传感的信息传输方法。
根据本发明第一方面实施例的一种基于分布式传感的信息传输系统，包括：脉冲光源，用于输出光波信号；环形器，所述环形器具有第一端口、第二端口、第三端口；所述环形器的第一端口与脉冲光源的输出端连接；通信光纤，所述通信光纤的输入端与所述环形器的第二端口连接；信号发生器，设置于远离所述环形器的所述通信光纤的一侧，用于生成物理信号并作用于所述通信光纤的外层以使光波信号按一定规则发生应变；光电探测器，所述光电探测器的输入端与所述环形器的第三端口连接，用于接收所述通信光纤回传的按规则应变的光波信号；主控模块，分别与所述脉冲光源、光电探测器电性连接以用于控制脉冲光源的输出、控制光电探测器的接收以及识别按规则应变的光波信号。
根据本发明第一实施例的基于分布式传感的信息传输系统，至少具有如下有益效果：本方案将分布式传感技术于光纤通信相结合，信息输入端不用接入光缆而只在光缆外层进行应变激励，可避免现有传输设备被入侵后就失去效果进而导致通信无法完成的效果，尤其是针对某些信息采集不能使用无线或者卫星回传的情况，分布式传感的信息传输系统使用光缆自身回传可避免非法窃取。
根据本发明第一方面的一些实施例，所述信号发生器包括固定板以及设置在所述固定板上的电源、控制芯片、应变器，所述电源为所述控制芯片和应变器供电，所述控制芯片用于按照一定规则控制所述应变器输出物理信号，所述通信光纤的一侧固定于所述固定板上并与所述应变器相接触。
根据本发明第一方面的一些实施例，所述应变器为电磁振动器、加热器或应力发生器。
根据本发明第一方面的一些实施例，所述通信光纤在所述固定板上具有延长光纤环，所述延长光纤环的光纤最小长度L0＝T*c/r，其中T为脉冲光源的最大脉冲时间，c为光速，r为光纤群折射率。
根据本发明第一方面的一些实施例，所述应变器为电磁振动器，所述电磁振动器的开关时间差为一个基础信号元，基础信号元的持续时间为T0，相邻两个基础信号元的等待时间为n*T0，T0大于(LL/(c/r))*2，其中n为正整数，LL为与所述应变器相接触的光纤设定长度，c为光速，r为光纤群折射率。
根据本发明第二方面实施例的一种基于分布式传感的信息传输方法，包括以下步骤：控制脉冲光源发送脉冲光波，脉冲光波经环形器进入通信光纤；生成物理信号并作用于特定位置的通信光纤外层，以使脉冲光波按一定规则发生应变；利用光电探测器接收所述通信光纤中经环形器回传的按规则应变的脉冲光波；光电探测器将其接收的按规则应变的脉冲光波传输给主控模块，并由主控模块识别按规则应变的脉冲光波。
根据本发明第二实施例的一种基于分布式传感的信息传输方法，至少具有如下有益效果：本方案将分布式传感技术于光纤通信相结合，信息输入端不用接入光缆而只在光缆外层进行应变激励，可避免现有传输设备被入侵后就失去效果进而导致通信无法完成的效果，尤其是针对某些信息采集不能使用无线或者卫星回传的情况，分布式传感的信息传输系统使用光缆自身回传可避免非法窃取。
根据本发明第二方面的一些实施例，所述物理信号为振动信号、温度信号或应力信号。
根据本发明第二方面的一些实施例，所述物理信号所作用通信光纤外层的特定位置由脉冲光源发送时间与光电探测器接收时间之差决定。
根据本发明第二方面的一些实施例，所述通信光纤发生应变的特定位置后端具有延长光纤环，所述延长光纤环的光纤最小长度L0＝T*c/r，其中T为脉冲光源的最大脉冲时间，c为光速，r为光纤群折射率。
根据本发明第二方面的一些实施例，所述物理信号为振动信号，所述振动信号的开关时间差为一个基础信号元，基础信号元的持续时间为T0，相邻两个基础信号元的等待时间为n*T0，T0大于(LL/(c/r))*2，其中n为正整数，LL为振动信号作用位置至环形器之间的光纤设定长度，c为光速，r为光纤群折射率。
本发明的附加方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。
附图说明
本发明的上述和/或附加的方面和优点从结合下面附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：
图1为本发明第一方面实施例的信息传输系统原理图；
图2为本发明第一方面实施例的信号发生器示意图；
图3为本发明第一方面实施例未应变状态下的回传脉冲波形图；
图4为本发明第一方面实施例应变状态下的回传脉冲波形图；
图5为本发明第二方面实施例的信息传输方法流程图。
附图标记：
脉冲光源100、环形器200、通信光纤300、信号发生器400、固定板410、电源420、控制芯片430、应变器440、延长光纤环450、光电探测器500、主控模块600。
具体实施方式
下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，仅用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。
在本发明的描述中，需要理解的是，涉及到方位描述，例如上、下、前、后、左、右等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
本发明的描述中，除非另有明确的限定，设置、安装、连接等词语应做广义理解，所属技术领域技术人员可以结合技术方案的具体内容合理确定上述词语在本发明中的具体含义。
参考图1所示，为本技术方案第一方面实施例的一种基于分布式传感的信息传输系统，包括：脉冲光源100，用于输出光波信号；环形器200，所述环形器200具有第一端口、第二端口、第三端口；所述环形器200的第一端口与脉冲光源100的输出端连接；通信光纤300，所述通信光纤300的输入端与所述环形器200的第二端口连接；信号发生器400，设置于远离所述环形器200的所述通信光纤300的一侧，用于生成物理信号并作用于所述通信光纤300的外层以使光波信号按一定规则发生应变；光电探测器500，所述光电探测器500的输入端与所述环形器200的第三端口连接，用于接收所述通信光纤300回传的按规则应变的光波信号；主控模块600，分别与所述脉冲光源100、光电探测器500电性连接以用于控制脉冲光源100的输出、控制光电探测器500的接收以及识别按规则应变的光波信号。
上述环形器200用于实现光波的耦合，将输入光波输出到光纤，并光纤中回向反射、散射光波输出到光电探测器端，如图3所示；信号发生器400用于产生一定规则的应变频率序列；当发生应变时光纤回向反射和散射信号会发生变化，如图4所示。
本方案将分布式传感技术于光纤通信相结合，信息输入端不用接入光缆而只在光缆外层进行应变激励，可避免现有传输设备被入侵后就失去效果进而导致通信无法完成的效果，尤其是针对某些信息采集不能使用无线或者卫星回传的情况，分布式传感的信息传输系统使用光缆自身回传可避免非法窃取。
在本发明第一方面的一些实施例中，如图2所示，所述信号发生器400包括固定板410以及设置在所述固定板410上的电源420、控制芯片430、应变器440，所述电源420为所述控制芯片430和应变器440供电，所述控制芯片440用于按照一定规则控制所述应变器440输出物理信号，所述通信光纤300的一侧固定(如胶水或其他紧固件)于所述固定板410上并与所述应变器440相接触。其中控制芯片430控制应变器400按一定规则进行应变，按一定时间规则进行应变，将该规则转换成相应的长短信号或者0、1信号，结合系统的可操作性和方便性，最终优选0、1信号将二进制码转换成应变信号。
在本发明第一方面的一些实施例中，所述应变器440为电磁振动器、加热器或应力发生器。但考虑时间控制、耗能控制等因素(如由于加热器不利于散热控制)，最终考虑使用电磁控制的振动器；单次振动，其振动波形存在一定的特征，但是由于其受干扰和距离等因素影响，要识别到准确的特征点其准确率有风险，但是，本方案只是识别到振动和连续振动时间，这就容易实现。
在本发明第一方面的一些实施例中，所述通信光纤300在所述固定板410上具有延长光纤环450，以减少光纤末端对回向散射的影响，所述延长光纤环450的光纤最小长度L0＝T*c/r，其中T为脉冲光源100的最大脉冲时间，c为光速，r为光纤群折射率。
在本发明第一方面的一些实施例中，所述应变器440为电磁振动器，所述电磁振动器的开关时间差为一个基础信号元，基础信号元的持续时间为T0，相邻两个基础信号元的等待时间为n*T0，T0大于(LL/(c/r))*2，以保证光电探测器500能接收到回传的光波信号，其中n为正整数，LL为与所述应变器440相接触的光纤设定长度，c为光速，r为光纤群折射率。
每次基础信号元发送后，主控模块600会感知到一个应变点和应变起止时间；当信号发生器400按一定时间规律发送应变信号，主控模块600也能感知到该时间规律，以一个基础信号元为1，间隔一个T0为0，那就可以组成一个二进制序列编码，以此实现信号的规则传递。
如图5所示，根据本发明第二方面实施例的一种基于分布式传感的信息传输方法，包括以下步骤：控制脉冲光源发送脉冲光波，脉冲光波经环形器进入通信光纤；生成物理信号并作用于特定位置的通信光纤外层，以使脉冲光波按一定规则发生应变；利用光电探测器接收所述通信光纤中经环形器回传的按规则应变的脉冲光波；光电探测器将其接收的按规则应变的脉冲光波传输给主控模块，并由主控模块识别按规则应变的脉冲光波。
本方案将分布式传感技术于光纤通信相结合，信息输入端不用接入光缆而只在光缆外层进行应变激励，可避免现有传输设备被入侵后就失去效果进而导致通信无法完成的效果，尤其是针对某些信息采集不能使用无线或者卫星回传的情况，分布式传感的信息传输系统使用光缆自身回传可避免非法窃取。
在本发明第二方面的一些实施例中，所述物理信号为振动信号、温度信号或应力信号。由于当光纤受到外界环境(如温度，压力，振动等)影响时，光纤中传输光的强度，相位，频率，偏振态等参量将会相应的发生变化。
在本发明第二方面的一些实施例中，所述物理信号所作用通信光纤外层的特定位置由脉冲光源发送时间与光电探测器接收时间之差决定。通过计算其变化距离L＝t12*c/r/2，其中t12为脉冲光源发送时间与光电探测器接收时间之差，c为光速，r为群折射率。
由于分辨率影响，需要将光纤加以延长，以保障传感信号的稳定识别，同时有效的增加消光比。在本发明第二方面的一些实施例中，所述通信光纤发生应变的特定位置后端具有延长光纤环，所述延长光纤环的光纤最小长度L0＝T*c/r，以减少光纤末端对回向散射的影响，其中T为脉冲光源的最大脉冲时间，c为光速，r为光纤群折射率。
在本发明第二方面的一些实施例中，所述物理信号为振动信号，所述振动信号的开关时间差为一个基础信号元，基础信号元的持续时间为T0，相邻两个基础信号元的等待时间为n*T0，T0大于(LL/(c/r))*2，其中n为正整数，LL为振动信号作用位置至环形器之间的光纤设定长度，c为光速，r为光纤群折射率。
在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示意性实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。
尽管已经示出和描述了本发明的实施例，本领域的普通技术人员可以理解：在不脱离本发明的原理和宗旨的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由权利要求及其等同物限定。
Claims (6)
1.一种基于分布式传感的信息传输系统，其特征在于，包括：
脉冲光源(100)，用于输出光波信号；
环形器(200)，所述环形器(200)具有第一端口、第二端口、第三端口；所述环形器(200)的第一端口与脉冲光源(100)的输出端连接；
通信光纤(300)，所述通信光纤(300)的输入端与所述环形器(200)的第二端口连接；
信号发生器(400)，设置于远离所述环形器(200)的所述通信光纤(300)的一侧，用于生成物理信号并作用于所述通信光纤(300)的外层以使光波信号按一定规则发生应变；所述信号发生器(400)包括固定板(410)以及设置在所述固定板(410)上的电源(420)、控制芯片(430)、应变器(440)，所述电源(420)为所述控制芯片(430)和应变器(440)供电，所述控制芯片(430)用于按照一定规则控制所述应变器(440)输出物理信号，所述通信光纤(300)的一侧固定于所述固定板(410)上并与所述应变器(440)相接触；所述通信光纤(300)在所述固定板(410)上具有延长光纤环(450)，所述延长光纤环(450)的光纤最小长度L0＝T*c/r，其中T为脉冲光源(100)的最大脉冲时间，c为光速，r为光纤群折射率；所述应变器(440)为电磁振动器，所述电磁振动器的开关时间差为一个基础信号元，基础信号元的持续时间为T0，相邻两个基础信号元的等待时间为n*T0，T0大于(LL/(c/r))*2，其中n为正整数，LL为与所述应变器(440)相接触的光纤设定长度，c为光速，r为光纤群折射率；
光电探测器(500)，所述光电探测器(500)的输入端与所述环形器(200)的第三端口连接，用于接收所述通信光纤(300)回传的按规则应变的光波信号；
主控模块(600)，分别与所述脉冲光源(100)、光电探测器(500)电性连接以用于控制脉冲光源(100)的输出、控制光电探测器(500)的接收以及识别按规则应变的光波信号。
2.一种基于分布式传感的信息传输方法，应用于权利要求1所述的一种基于分布式传感的信息传输系统，其特征在于：包括以下步骤
控制脉冲光源发送脉冲光波，脉冲光波经环形器进入通信光纤；
生成物理信号并作用于特定位置的通信光纤外层，以使脉冲光波按一定规则发生应变；
利用光电探测器接收所述通信光纤中经环形器回传的按规则应变的脉冲光波；
光电探测器将其接收的按规则应变的脉冲光波传输给主控模块，并由主控模块识别按规则应变的脉冲光波。
3.根据权利要求2所述的一种基于分布式传感的信息传输方法，其特征在于：所述物理信号为振动信号、温度信号或应力信号。
4.根据权利要求2所述的一种基于分布式传感的信息传输方法，其特征在于：所述物理信号所作用通信光纤外层的特定位置由脉冲光源发送时间与光电探测器接收时间之差决定。
5.根据权利要求2所述的一种基于分布式传感的信息传输方法，其特征在于：所述通信光纤发生应变的特定位置后端具有延长光纤环，所述延长光纤环的光纤最小长度L0＝T*c/r，其中T为脉冲光源的最大脉冲时间，c为光速，r为光纤群折射率。
6.根据权利要求2所述的一种基于分布式传感的信息传输方法，其特征在于：所述物理信号为振动信号，所述振动信号的开关时间差为一个基础信号元，基础信号元的持续时间为T0，相邻两个基础信号元的等待时间为n*T0，T0大于(LL/(c/r))*2，其中n为正整数，LL为振动信号作用位置至环形器之间的光纤设定长度，c为光速，r为光纤群折射率。
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