CN113810113B - 一种用于光纤传感通信的基站系统和实现方法 - Google Patents

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Abstract

本发明属于通信技术领域，尤其涉及一种用于光纤传感通信的基站系统和实现方法，所述基站系统的信号发射端，用于发送激光信号并将其转化为激光脉冲发射信号，并通过业务光纤传输端发送至待测光纤，以获取传感器检测到的环境信息；还包括信号接收端，用于接收、解调及还原反射回来的高频编码信号；还包括信号展示与通信端，用于展示分析还原得到的环境信息，并发送至用户端。采用该方式，可以兼顾传感器的准确性与光纤传感的可靠性，同时采用高频编码信号通信以及基于相邻传感器位置的能量峰平系数的解调方法，可以保证通信效率与安全，并通过将高频编码信号解调、还原的直观展示提高用户体验。

Description

一种用于光纤传感通信的基站系统和实现方法
技术领域
本发明涉及光纤传感技术领域，尤其涉及一种用于光纤传感通信的基站系统和实现方法。
背景技术
现有的基站通信系统，包括无线基站通信系统及有线基站通信系统，然而无线基站系统受限于电磁波/光波在自由空间中的传播损耗、衰落效应等因素，存在多种无线通信信号覆盖受限场景，比如山区、高原等人烟稀少地区以及地下、水下管道空间等，无线信号信噪比低，且建立无线基站，需要在山顶高处建立大型无线中继发射搭、高压电源系统等等，安装非常困难，信号解调困难，无法实现多监测点信息的有效可靠回传。有线基站系统中，如果需要进行多位置点有源耦合多址接入，则需要的割接工作量大，尤其在地下空间，施工难度较大，对施工人员技术水平要求高，同时多位置点有源耦合需要的电源在地下、水下或架空场景下较难获得，电缆布设成本较高。
鉴于上述因素的不足，本发明提出一种与现有基站通信系统不同的用于光纤传感通信的基站系统。由于现有光缆纤芯对温度等外界环境参数的直接定量感知误差较大，很多时候只能根据数据进行定性分析，而现有各种传感器对于各种物理参数的感知和传输精度非常高，因此通过其与光传感技术的叠加，而如何实现对数据的有效可靠传输，成为本领域亟待解决的技术问题。
发明内容
针对现有技术的不足，本一种用于光纤传感通信的基站系统和实现方法。本发明通过以下技术方案实现：
一种用于光纤传感通信的基站系统，包括信号发射端、信号接收端、业务光纤传输端、信号展示与通信端、用户端；所述信号发射端包括光源模块、调制驱动器模块、信号调制模块和信号放大模块；所述光源模块发射连续的特定波长的激光信号，所述激光信号输入信号调制模块后，所述用户端下发启动指令，指示所述信号展示与通信端控制调制驱动器模块发出脉冲调制信号，从而驱动所述信号调制模块将连续的激光信号转变成脉冲激光信号，将所述脉冲激光信号输入所述信号放大模块，生成激光脉冲发射信号；通过业务光纤传输端将所述激光脉冲发射信号发送至待测光纤，以获取传感器终端检测到的环境信息；所述传感器终端设置在待测光纤沿线；所述信号接收端，用于接收、解调及还原由所述待测光纤反射回来的高频编码信号；所述信号展示与通信端，用于展示还原得到的环境信息，并发送至用户端。
进一步地，所述信号接收端包括光电转换模块和FPGA信号解调分析模块，所述光电转换模块将所述高频编码信号转换为电信号，所述FPGA信号解调分析模块对所述电信号进行解调与还原，计算所述电信号的频域能量峰平系数，获取相邻传感器终端对应的频域能量峰平系数中值矩阵，结合机器学习模型，得到解调后的比特数据；并将其还原成所述环境信息。
进一步地，所述信号接收端包括光电转换模块和FPGA信号解调分析模块，所述光电转换模块将所述高频编码信号转换为电信号，所述FPGA信号解调分析模块对所述电信号进行解调与还原，计算所述电信号的频域能量峰平系数，获取相邻传感器终端对应的频域能量峰平系数中值矩阵，结合时域/频域的单域解调方式；或者频域特征解调方式；或者信号数据多域特征的联合解调方式；得到解调后的比特数据；并将其还原成所述环境信息。
进一步地，所述信号展示与通信端包括处理单元，所述处理单元和/或所述用户端将所述环境信息以波形和/或数字的形式显示，所述用户端包括手机APP和/或WEB端。
进一步地，所述信号展示与通信端还包括4G和/或网口；通过所述4G和/或网口与后台服务器联网上线后，发射激光信号，所述激光信号为1550nm波长光信号。
还包括一种用于光纤传感通信的基站系统实现方法，包括以下步骤：
S1、光源模块发射连续的特定波长的激光信号，所述激光信号输入信号调制模块后，用户端下发启动指令，指示信号展示与通信端控制调制驱动器模块发出脉冲调制信号，从而驱动所述信号调制模块将连续的激光信号转变成脉冲激光信号，将所述脉冲激光信号输入信号放大模块，生成激光脉冲发射信号；通过业务光纤传输端将所述激光脉冲发射信号发送至待测光纤，以获取传感器终端检测到的环境信息；所述传感器终端设置在待测光纤沿线；
S2、信号接收端接收、解调及还原由所述待测光纤反射回来的高频编码信号；
S3、信号展示与通信端展示还原得到的环境信息，并发送至用户端。
进一步地，所述步骤S2包括：所述信号接收端的光电转换模块将所述高频编码信号转换为电信号，所述信号接收端的FPGA信号解调分析模块对所述电信号进行解调与还原，计算所述电信号的频域能量峰平系数，获取相邻传感器终端对应的频域能量峰平系数中值矩阵，结合机器学习模型，得到解调后的比特数据；并将其还原成所述环境信息。
进一步地，所述步骤S2包括：所述信号接收端的光电转换模块将所述高频编码信号转换为电信号，所述信号接收端的FPGA信号解调分析模块对所述电信号进行解调与还原，计算所述电信号的频域能量峰平系数，获取相邻传感器终端对应的频域能量峰平系数中值矩阵，结合时域/频域的单域解调方式；或者频域特征解调方式；或者信号数据多域特征的联合解调方式；得到解调后的比特数据；并将其还原成所述环境信息。
进一步地，所述步骤S3包括：所述信号展示与通信端的处理单元和/或所述用户端将所述环境信息以波形和/或数字的形式显示，所述用户端包括手机APP和/或WEB端。
进一步地，步骤S1前还包括以下步骤：通过所述信号展示与通信端的4G和/或网口与后台服务器联网上线后，发射激光信号，所述激光信号为1550nm波长光信号。
本发明与现有技术相比存在以下优点：
本发明将环境信息加载到激光脉冲发射信号后，生成高频编码信号回传，通过将传感器与光纤传感的叠加，即可以获得传统传感器的检测精度，又可以获得光纤传感带来的数据传输的高可靠性；
采用高频编码信号进行光纤传感，通过高频信号编码的形式来唯一准确地表征并传输物理数据检测结果，编码后可提高数据传输效率与可靠性。
同时，在信号接收端对高频编码信号进行接收、解调与还原，其通过傅里叶变换将接收到的信号转换到频域，并计算频域功率的能量峰平系数向量，再结合机器学习模型或者手工设计特征的解调算法，得到准确的比特序列，该解调方式可以提高通信的效率与可靠性。而还原后以波形或者数字的形式直观地展现在用户的面前，提高用户体验。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是本发明实施例中的用于光纤传感通信的基站系统；
图2是本发明实施例中的用于光纤传感通信的基站系统实现方法。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
如图1所示的用于光纤传感通信的基站系统，包括信号发射端、信号接收端、业务光纤传输端、信号展示与通信端、用户端。通过信号发射端向待测光纤发射激光脉冲发射信号；该激光脉冲发射信号在光纤传输过程中，对光缆/光纤的环境状态比如温度、振动、应力、形变、电场、磁场等非常敏感，待测光纤另一端设置的传感器（图中未示出）将检测到的环境信号耦合到激光脉冲发射信号上，生成高频编码信号，通过信号编码的形式来唯一准确地表征并传输物理数据检测结果，从而保证通信效率与可靠性。
信号发射端包括光源模块、信号调制模块、信号放大模块；光源模块发射连续的激光信号，所述激光信号输入信号调制模块后，所述用户端下发启动指令，指示所述信号展示与通信端控制驱动器发出脉冲调制信号，从而驱动所述信号调制模块将连续的激光信号转变成脉冲激光信号；且为了防止相邻脉冲激光之间的干扰，基于所述待测光纤的长度来设置脉冲的频率f，使得f≤S/2L；其中S表述激光光速。
将所述脉冲激光信号输入所述信号放大模块，生成激光脉冲发射信号；尤其是采用AOM声光调制器将连续的激光信号调制为脉冲激光信号，再由信号放大器模块将其放大为激光脉冲发射信号。所述业务光纤传输端包括环形器，通过环形器将所述激光脉冲发射信号输出至待测光纤。
信号接收端包括光电转换模块和FPGA信号解调分析模块，所述光电转换模块将所述高频编码信号转换为电信号，所述FPGA信号解调分析模块对所述电信号进行解调分析，并将其还原成所述环境信息。环境信息包括但不限于温度、振动、应力、形变、电场、磁场等。所述解调分析包括：获取/光缆沿线逐个传感器终端的幅度、相位等信息，作为后续信号处理算法的计算数据源；对该数据进行冗余分段，在段与段之间冗余设置若干个重叠数据进行分割，从而增加数据间的粘性；通过短时傅里叶处理，计算预设频率点在频域能量峰平系数，即预设频率点附近的预定范围内，功率极大值与平均值之间相差的倍数；求解多个相邻传感器终端所在位置的能量峰平系数向量及该向量中值，结合机器学习类比特序列识别算法(也可以采用手工设计特征的解调方式)，得到信息解调结果，从而唯一准确确定解调后的比特序列，如000000,000001,000010，000011……。从而实现传感器终端信息的有效可靠传输。
信号展示与通信端包括处理单元和通信单元，处理单元和/或用户端将所述环境信息以波形和/或数字的形式显示，用户端包括手机APP和/或WEB端，或者本领域其他常规终端类型。通信单元可以是4G和/或网口；通过所述4G和/或网口与后台服务器联网上线后，发射激光信号，所述激光信号为1550nm波长光信号。
如图2所示的一种用于光纤传感通信的基站系统实现方法，包括以下步骤：
S1、光源模块发射连续的特定波长的激光信号，所述激光信号输入信号调制模块后，用户端下发启动指令，指示信号展示与通信端控制调制驱动器模块发出脉冲调制信号，从而驱动所述信号调制模块将连续的激光信号转变成脉冲激光信号，将所述脉冲激光信号输入信号放大模块，生成激光脉冲发射信号；通过业务光纤传输端将所述激光脉冲发射信号发送至待测光纤，以获取传感器终端检测到的环境信息；所述传感器终端设置在待测光纤沿线；
S2、信号接收端接收、解调及还原由所述待测光纤反射回来的高频编码信号；
S3、信号展示与通信端展示还原得到的环境信息，并发送至用户端。
进一步地，所述步骤S2包括：所述信号接收端的光电转换模块将所述高频编码信号转换为电信号，所述信号接收端的FPGA信号解调分析模块对所述电信号进行解调与还原，计算所述电信号的频域能量峰平系数，获取相邻传感器终端对应的频域能量峰平系数中值矩阵，结合机器学习模型，得到解调后的比特数据；并将其还原成所述环境信息。
进一步地，所述步骤S2包括：所述信号接收端的光电转换模块将所述高频编码信号转换为电信号，所述信号接收端的FPGA信号解调分析模块对所述电信号进行解调与还原，计算所述电信号的频域能量峰平系数，获取相邻传感器终端对应的频域能量峰平系数中值矩阵，结合时域/频域的单域解调方式；或者频域特征解调方式；或者信号数据多域特征的联合解调方式；得到解调后的比特数据；并将其还原成所述环境信息。
进一步地，所述步骤S3包括：所述信号展示与通信端的处理单元和/或所述用户端将所述环境信息以波形和/或数字的形式显示，所述用户端包括手机APP和/或WEB端。
进一步地，步骤S1前还包括以下步骤：通过所述信号展示与通信端的4G和/或网口与后台服务器联网上线后，发射激光信号，所述激光信号为1550nm波长光信号。
以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限定本发明的保护范围。在不脱离本发明之精神和范围内，所做的任何修改、等同替换、改进等，同样属于本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种用于光纤传感的基站系统，其特征在于，包括信号发射端、信号接收端、业务光纤传输端、信号展示与通信端、用户端；所述信号发射端包括光源模块、调制驱动器模块、信号调制模块和信号放大模块；所述光源模块发射连续的特定波长的激光信号，所述激光信号输入信号调制模块后，所述用户端下发启动指令，指示所述信号展示与通信端控制调制驱动器模块发出脉冲调制信号，从而驱动所述信号调制模块将连续的激光信号转变成脉冲激光信号，将所述脉冲激光信号输入所述信号放大模块，生成激光脉冲发射信号；通过业务光纤传输端将所述激光脉冲发射信号发送至待测光纤，以获取传感器终端检测到的环境信息；所述传感器终端设置在待测光纤沿线；所述传感器终端将检测到的环境信号耦合到所述激光脉冲发射信号上，生成高频编码信号；所述信号接收端，用于接收、解调及还原由所述待测光纤反射回来的高频编码信号；所述信号展示与通信端，用于展示还原得到的环境信息，并发送至用户端；
所述信号接收端包括光电转换模块和FPGA信号解调分析模块，所述光电转换模块将所述高频编码信号转换为电信号，所述FPGA信号解调分析模块对所述电信号进行解调与还原，计算所述电信号的频域能量峰平系数，获取相邻传感器终端对应的频域能量峰平系数中值矩阵，结合机器学习模型、时域/频域的单域解调方式、频域特征解调方式或者信号数据多域特征的联合解调方式，得到解调后的比特数据；并将其还原成所述环境信息。
2.一种根据权利要求1所述的基站系统，其特征在于，所述信号展示与通信端包括处理单元，所述处理单元和/或所述用户端将所述环境信息以波形和/或数字的形式显示，所述用户端包括手机APP和/或WEB端。
3.一种根据权利要求1-2任一项所述的基站系统，其特征在于，所述信号展示与通信端还包括4G和/或网口；通过所述4G和/或网口与后台服务器联网上线后，发射激光信号，所述激光信号为1550nm波长光信号。
4.一种用于光纤传感的基站系统实现方法，其特征在于：包括以下步骤：
S1、光源模块发射连续的特定波长的激光信号，所述激光信号输入信号调制模块后，用户端下发启动指令，指示信号展示与通信端控制调制驱动器模块发出脉冲调制信号，从而驱动所述信号调制模块将连续的激光信号转变成脉冲激光信号，将所述脉冲激光信号输入信号放大模块，生成激光脉冲发射信号；通过业务光纤传输端将所述激光脉冲发射信号发送至待测光纤，以获取传感器终端检测到的环境信息；所述传感器终端设置在待测光纤沿线；所述传感器终端将检测到的环境信号耦合到所述激光脉冲发射信号上，生成高频编码信号；
S2、信号接收端接收、解调及还原由所述待测光纤反射回来的高频编码信号；
S3、信号展示与通信端展示还原得到的环境信息，并发送至用户端；
所述步骤S2包括：所述信号接收端的光电转换模块将所述高频编码信号转换为电信号，所述信号接收端的FPGA信号解调分析模块对所述电信号进行解调与还原，计算所述电信号的频域能量峰平系数，获取相邻传感器终端对应的频域能量峰平系数中值矩阵，结合机器学习模型、时域/频域的单域解调方式、频域特征解调方式或者信号数据多域特征的联合解调方式，得到解调后的比特数据；并将其还原成所述环境信息。
5.一种根据权利要求4所述的实现方法，其特征在于：所述步骤S3包括：所述信号展示与通信端的处理单元和/或所述用户端将所述环境信息以波形和/或数字的形式显示，所述用户端包括手机APP和/或WEB端。
6.一种根据权利要求4-5任一项所述的实现方法，其特征在于，步骤S1前还包括以下步骤：通过所述信号展示与通信端的4G和/或网口与后台服务器联网上线后，发射激光信号，所述激光信号为1550nm波长光信号。
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