CN112953626A

CN112953626A - 一种基于光开关的高可靠性光纤光栅网络模型

Info

Publication number: CN112953626A
Application number: CN202110233597.4A
Authority: CN
Inventors: 胡兴柳; 毛军辉; 王彦; 张艳
Original assignee: Jinling Institute of Technology
Current assignee: Jinling Institute of Technology
Priority date: 2021-03-03
Filing date: 2021-03-03
Publication date: 2021-06-11
Anticipated expiration: 2041-03-03
Also published as: CN112953626B

Abstract

本发明设计了一种基于光开关的高可靠性光纤光栅网络模型，用光开关（Optical Switch，OS）实现多个布拉格光纤光栅（FBG）波分复用基础上的空分复用，并通过光纤传感器的组网提高了网络的可靠性。本方案将两种复用技术结合能够复用尽可能多的传感器并且可以减少传感器之间的串扰、降低系统的复杂程度和减少传感系统成本。由1个2×2的OS、2个1×2的OS和一个耦合器连接构成一种远程节点（Remote Node，RN），再由1个2×2的OS和2个1×2的OS连接构成另一种远程节点。当传感器网络中的某一链路出现故障导致某些传感器不能复用时，通过远程节点链路方式的切换，可以重新复用这些传感器，提高了网络的可靠性，实现了网络的自愈。

Description

一种基于光开关的高可靠性光纤光栅网络模型

技术领域

本发明涉及光纤光栅的传感领域，特别是涉及一种基于光开关的高可靠性光纤光栅网络模型。

背景技术

光纤光栅是一种近期发展十分迅速的制作在光纤上的具有窄带反射特性的光纤无源器件。光纤光栅具有体积小、宽带范围大、波长选择性好、极化不敏感、不受非线性效应影响等特点。因为光纤光栅与光纤之间的兼容性，所以光纤光栅易于与光纤系统连接且损耗小、可与其他光纤器件融成一体、耦合性好。这些优越性是其他许多器件无法替代的，这使得光纤光栅成为全光网中理想的关键器件。

FBG的基本工作原理是将光源输入的光在光栅区域内，外界被测参数（如温度、曲率、折射率、应变等）与进入光栅区域的光相互作用，进而改变光的波长、强度、相位等参数。灵敏度较高、体积小，易于和基体结构集成，是智能结构传感器中十分重要的一类。

波分复用是应用于反射或传输光纤衍射传感器的复用的最成熟的复用技术。在波分复用系统中，光纤光栅分级传感器通常采用串联拓扑，并且可以使用具有不同中心波长的传感器。波分复用的优点是结构简单、成本低、每个传感器波长没有串扰且检测精度高，缺点是复用数与光源的光谱宽度和传感器的波长范围有关。传感器的测量范围广的话复用的次数就更少了。

空分复用技术是在不同空间对光源的波长进行复用的复用技术。可以应用于反射传感器和透射传感器的复用。在空分复用系统中，光纤分级传感器采用并行拓扑。空分复用的优点是，每个传感器可以占据光源的全部频谱宽度，测量范围广，每个传感器之间没有串扰，精度高。缺点是必须具备光开关等光电路交换装置，成本相对较高，复用能力与光开关的信道数量有关，有一定的局限性。

随着各种复用技术在光纤传感网络中的混合使用，FBG传感网络的规模不断变大。规模越大，加载的FBG传感器越多，系统出现故障的可能性也越大。一旦发生故障，数据的准确性难以保证，还极有可能导致系统瘫痪。同时由于FBG传感器通常被埋置于大型建筑物的内部，一旦发生故障，很难修复。

发明内容

为解决上述问题，本发明提出了一种基于光开关的高可靠性光纤光栅网络模型，为一种新型FBG传感网络，可以最大限度地克服网络中同时发生多个链路故障的情况，其采用光开关进行空分复用和波分复用，利用远程节点的链路切换进行网络的自修复。该网络模型结构较简单、可靠性高、可扩展性好。

为达此目的，本发明提供一种基于光开关的高可靠性光纤光栅网络模型，包括光纤、远程节点和FBG传感器，使用光纤和远程节点将不同的FBG传感器连接起来，构成基于正方形的网络模型，每一个正方形边上都可以有n个不同的FBG传感器，所述远程节点作为光开关为1×3结构的远程节点或为1×4结构的远程节点，光开关通过移动内部光纤将光信号直接耦合到输出端，光路切换时间不超过10ms，通过改变引脚电平来实现光路的切换，2×2光开关有平行和交叉两种状态，通过光开关的切换改变光的传输方向。

作为本发明进一步改进，所述FBG传感器有20个，使用了1个1×4结构的远程节点RN1和三个1×3结构的远程节点分别为RN2、RN3和RN4将20个FBG传感器连接起来，20个FBG传感器包括S1、S2、S3、S4、S11、S12、S13、S14、S21、S22、S23、S24、S31、S32、S33、S34、S41、S42、S43和S44，光在S11、S12、S13、S14、S21、S22、S23、S24、S31、S32、S33、S34、S41、S42、S43和S44中的传播构成了4个外环，在S1、S2、S3和S4中的传播构成了一个内环，光在该FBG传感网络中的传播顺序是光源、RN4、S1、RN1、S11、S12、S13、S14、RN1、S2、RN2、S21、S22、S23、S24、RN2、S3、RN3、S31、S32、S33、S34、RN3、S4、RN4、S41、S42、S43、S44和RN4，本申请主要使用以上方式，构成基于正方形的网络模型。

作为本发明进一步改进，所述1×3结构的远程节点由1个2×2的OS和2个1×2的OS连接构成，该远程节点总共有5种链路切换方式，所述1×4结构的远程节点由1个1×2的OS、2个2×2的OS和一个耦合器连接构成，该远程节点总共有8种链路切换方式，作为光开关的远程节点主要使用以上结构。

作为本发明进一步改进，网络模型发生链路故障时，通过切换远程节点光开关，使光同时沿顺时针和逆时针方向传播。

作为本发明进一步改进，网络模型的光源采用宽带光源，通过光电探测器件测量布拉格光纤光栅传感器的反射光功率实现波长解调。

本发明的效果和益处是：

（1）本发明利用各类光开关组合成远程节点，可以实现光的多途径传播，提高网络的自修复能力。

（2）本发明的网络模型五个正方形，20条边，每条边上都可以有n个不同FBG传感器，因此总共可以复用20n个传感器。提高了网络的检测范围。

（3）本发明的网络模型是基于正方形，有着很好的可扩展性，加大了网络模型的实用性。

附图说明

附图1是基于光开关的高可靠性网络模型结构示意图；

附图2是远程节点(R1-R3)的结构示意图；

附图3是远程节点R4和耦合器组合的结构示意图；

附图4是传感网络故障修复图，其中实线箭头表示修复前的光传播，虚线箭头表示修复后的光传播。

具体实施方式

下面结合附图与具体实施方式对本发明作进一步详细描述：

本专利提供一种基于光开关的高可靠性光纤光栅网络模型，采用光开关进行空分复用和波分复用，利用远程节点的链路切换进行网络的自修复。该网络模型结构较简单、可靠性高、可扩展性好。

图1为基于光开关的高可靠性网络模型结构示意图。使用光纤和远程节点将20个不同的FBG传感器（图中的S）连接起来，这样就构成了一个基于正方形的网络模型。在此需要说明的是，每条边上的传感器可以更多，这里为了讨论方便只有一个FBG传感器。正常情况下，光的传播方向如图1所示，如果发生链路故障，通过切换远程节点（RN1）光开关，可使光同时沿顺时针和逆时针方向传播。

附图1使用了1个1×4结构的远程节点（RN1）和三个1×3结构的远程节点（RN2-RN4）将20个FBG传感器连接起来。其中，光在S11、S12、S13、S14、S21、S22、S23、S24、S31、S32、S33、S34、S41、S42、S43和S44中的传播构成了4个小外环，在S1、S2、S3和S4中的传播构成了一个内环。光在该FBG传感网络中的传播顺序是宽带光源、RN4、S1、RN1、S11、S12、S13、S14、RN1、S2、RN2、S21、S22、S23、S24、RN2、S3、RN3、S31、S32、S33、S34、RN3、S4、RN4、S41、S42、S43、S44和RN4。

附图2是远程节点(RN1- RN3)的结构示意图，由1个2×2的OS和2个1×2的OS连接构成。由于采用1×3的结构，该远程节点总共有5种链路切换方式。

附图3是远程节点RN 4和耦合器组合的结构示意图，由1个1×2的OS、2个2×2的OS和一个耦合器连接构成。由于采用1×4的结构，该远程节点总共有8种链路切换方式。

下面举例当该传感网络中有链路故障时，传感网络是如何自修复的。附图4是传感网络中出现两处故障，这两处故障分别位于S3和RN3之间、S33和S34之间。未经修复时，光路图如图4所示，此时解调器只能接受到S1、S11、S12、S13、S14、S21、S22、S23、S24和S3的反射信号，共有9个FBG传感器信号得不到解调，这样整个系统的性能就会降低很多，达不到检测的要求。修复过程如下：（1）将RN4中的光开关的切换方式改变，使得光沿着S41、S42、S43和S44的方向传播，这样这四个FBG传感器就能够成功反射信号；（2）再将RN4中的光开关的切换方式改变，使得光沿S4、S31、S32和S33的方向传播，这样这四个FBG传感器就能够成功反射信号；（3）再将RN4中的光开关的切换方式改变，使得光沿S4和S34方向传播，这样S34传感器就能成功复用。修复的光线传播图如图4所示。修复完成后，失效的传感器全部得到恢复。

以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非是对本发明作任何其他形式的限制，而依据本发明的技术实质所作的任何修改或等同变化，仍属于本发明所要求保护的范围。

Claims

1.一种基于光开关的高可靠性光纤光栅网络模型，包括光纤、远程节点和FBG传感器，其特征在于：使用光纤和远程节点将不同的FBG传感器连接起来，构成基于正方形的网络模型，每一个正方形边上都可以有n个不同的FBG传感器，所述远程节点作为光开关为1×3结构的远程节点或为1×4结构的远程节点，光开关通过移动内部光纤将光信号直接耦合到输出端，光路切换时间不超过10ms，通过改变引脚电平来实现光路的切换，2×2光开关有平行和交叉两种状态，通过光开关的切换改变光的传输方向。

2.根据权利要求1所述的一种基于光开关的高可靠性光纤光栅网络模型，其特征在于：所述FBG传感器有20个，使用了1个1×4结构的远程节点RN1和三个1×3结构的远程节点分别为RN2、RN3和RN4将20个FBG传感器连接起来，20个FBG传感器包括S1、S2、S3、S4、S11、S12、S13、S14、S21、S22、S23、S24、S31、S32、S33、S34、S41、S42、S43和S44，光在S11、S12、S13、S14、S21、S22、S23、S24、S31、S32、S33、S34、S41、S42、S43和S44中的传播构成了4个外环，在S1、S2、S3和S4中的传播构成了一个内环，光在该FBG传感网络中的传播顺序是光源、RN4、S1、RN1、S11、S12、S13、S14、RN1、S2、RN2、S21、S22、S23、S24、RN2、S3、RN3、S31、S32、S33、S34、RN3、S4、RN4、S41、S42、S43、S44和RN4。

3.根据权利要求1所述的一种基于光开关的高可靠性光纤光栅网络模型，其特征在于：所述1×3结构的远程节点由1个2×2的OS和2个1×2的OS连接构成，该远程节点总共有5种链路切换方式。

4.根据权利要求1所述的一种基于光开关的高可靠性光纤光栅网络模型，其特征在于：所述1×4结构的远程节点由1个1×2的OS、2个2×2的OS和一个耦合器连接构成，该远程节点总共有8种链路切换方式。

5.根据权利要求1所述的一种基于光开关的高可靠性光纤光栅网络模型，其特征在于：网络模型发生链路故障时，通过切换远程节点光开关，使光同时沿顺时针和逆时针方向传播。

6.根据权利要求1所述的一种基于光开关的高可靠性光纤光栅网络模型，其特征在于：网络模型的光源采用宽带光源，通过光电探测器件测量布拉格光纤光栅传感器的反射光功率实现波长解调。