CN114726442A - 基于光纤传感的分布式通信方法、系统、装置及存储介质 - Google Patents

基于光纤传感的分布式通信方法、系统、装置及存储介质 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于光纤传感的分布式通信方法、系统、装置及存储介质，包括：控制激光设备按照预设速率向光纤发射脉冲激光；光纤上间隔分布若干个终端设备；按照预设采样频率获取脉冲激光的系列反射信号并按预设格式存储；其中，脉冲激光的系列反射信号由若干个终端设备按照预设的封装格式采用第一振动频率或第二振动频率振动光纤产生；将脉冲激光的系列反射信号从时域转换到频域，并根据频域信号中第一振动频率的振动强度及第二振动频率的振动强度确定信号传输值；根据预设的封装格式对信号传输值进行校验以确定传输信号。本发明实施例能够大幅提高光纤的通信传输容量，可广泛应用于光通信技术领域。

Description

基于光纤传感的分布式通信方法、系统、装置及存储介质
技术领域
本发明涉及光通信技术领域，尤其涉及一种基于光纤传感的分布式通信方法、系统、装置及存储介质。
背景技术
光纤传感被广泛应用，但是一般情况下，一条光纤传输一个信号，光纤传感的利用率不高；当传输信息量增加，如果通过增加光纤的铺设量增加传输信号，将大幅增加通信成本。如果能够提高单条光纤的通信传输容量，不仅可以节约成本，还可以促进光纤传感的进一步发展。
发明内容
有鉴于此，本发明实施例的目的是提供一种基于光纤传感的分布式通信方法、系统、装置及存储介质，能够大幅提高光纤的通信传输容量。
第一方面，本发明实施例提供了一种基于光纤传感的分布式通信方法，包括以下步骤：
控制激光设备按照预设速率向光纤发射脉冲激光；其中，所述光纤上间隔分布若干个终端设备；
按照预设采样频率获取脉冲激光的系列反射信号并按预设格式存储；其中，所述脉冲激光的系列反射信号由若干个所述终端设备按照预设的封装格式采用第一振动频率或第二振动频率振动所述光纤产生；
将所述脉冲激光的系列反射信号从时域转换到频域，并根据频域信号中所述第一振动频率的振动强度及所述第二振动频率的振动强度确定信号传输值；
根据所述预设的封装格式对所述信号传输值进行校验以确定传输信号。
可选地，所述预设速率通过以下方法确定：
根据所述第一振动频率及所述第二振动频率中的较大值确定第一速率；
根据所述脉冲激光在真空中的传播速度、所述光纤的长度及所述光纤的折射率确定第二速率；
在所述第一速率及所述第二速率之间取值确定所述预设速率。
可选地，所述预设采样频率通过以下方法确定：
根据所述光纤的振动范围确定第一采样频率；
根据数据量处理能力确定第二采样频率；
在所述第一采样频率及所述第二采样频率之间取值确定所述预设采样频率。
可选地，所述脉冲激光的系列反射信号的存储方式如下：
同一脉冲激光的反射信号按采样时间顺序组成一维数组；
将不同脉冲激光的反射信号按脉冲激光的发射时间组成多维数组。
可选地，所述信号传输值包括第一数值和第二数值，所述根据频域信号中所述第一振动频率的振动强度及所述第二振动频率的振动强度确定信号传输值，具体包括：
当所述频域信号中所述第一振动频率的振动强度大于所述第二振动频率的振动强度，信号传输值为第一数值；
当所述频域信号中所述第一振动频率的振动强度小于所述第二振动频率的振动强度，信号传输值为第二数值。
可选地，所述预设的封装格式包括若干个字节组成一个数据包，其中，所述数据包的最后一个字节为CRC校验值，所述根据所述预设的封装格式对所述信号传输值进行校验以确定传输信号，具体包括：
查找并验证每个数据包的帧头及CRC校验值；
当数据包的帧头及CRC校验均正确，将该数据包作为接受的传输信号。
第二方面，本发明实施例提供了一种基于光纤传感的分布式通信系统，包括：
第一模块，用于控制激光设备按照预设速率向光纤发射脉冲激光；其中，所述光纤上间隔分布若干个终端设备；
第二模块，用于按照预设采样频率获取脉冲激光的系列反射信号并按预设格式存储；其中，所述脉冲激光的系列反射信号由若干个所述终端设备按照预设的封装格式采用第一振动频率或第二振动频率振动所述光纤产生；
第三模块，用于将所述脉冲激光的系列反射信号从时域转换到频域，并根据频域信号中所述第一振动频率的振动强度及所述第二振动频率的振动强度确定信号传输值；
第四模块，用于根据所述预设的封装格式对所述信号传输值进行校验以确定传输信号。
第三方面，本发明实施例提供了一种基于光纤传感的分布式通信装置，包括：
至少一个处理器；
至少一个存储器，用于存储至少一个程序；
当所述至少一个程序被所述至少一个处理器执行，使得所述至少一个处理器实现上述的方法。
第四方面，本发明实施例提供了一种存储介质，其中存储有处理器可执行的程序，所述处理器可执行的程序在由处理器执行时用于执行上述的方法。
第五方面，本发明实施例提供了一种基于光纤传感的分布式通信系统，包括光纤、若干个终端设备、激光设备、数据采集模块及计算机设备；若干个所述终端设备间隔分布在所述光纤上，所述激光设备及所述数据采集模块设置于所述光纤的一端，所述激光设备及所述数据采集模块与所述计算机设备连接，其中，
所述终端设备，用于按照预设的封装格式采用第一振动频率或第二振动频率振动所述光纤；
所述激光设备，用于根据控制信号向光纤发射脉冲激光；
所述数据采集模块，用于按照预设采样频率采集脉冲激光的系列反射信号，并将所述脉冲激光的系列反射信号发送给所述计算机设备；
所述计算机设备包括：
至少一个处理器；
至少一个存储器，用于存储至少一个程序；
当所述至少一个程序被所述至少一个处理器执行，使得所述至少一个处理器实现上述的方法。
实施本发明实施例包括以下有益效果：本实施例中光纤上间隔分布若干个用于产生振动信号的终端设备，首先控制激光设备向光纤发射脉冲激光并通过采样获取脉冲激光的系列反射信号，然后将脉冲激光的系列反射信号从时域转换到频域，并根据频域信号中振动频率的振动强度确定信号传输值，最后对信号传输值进行校验确定传输信号；即在同一条光纤上同时传输若干个终端设备的振动信号，从而实现大幅提高光纤的通信传输容量。
附图说明
图1是本发明实施例提供的一种基于光纤传感的分布式通信系统的结构框图；
图2是本发明实施例提供的一种基于光纤传感的分布式通信方法的步骤流程示意图；
图3是本发明实施例提供的一种确定预设速率的方法的步骤流程示意图；
图4是本发明实施例提供的一种确定预设采样频率的方法的步骤流程示意图；
图5是本发明实施例提供的一种存储激光脉冲的反射信号的方法的步骤流程示意图；
图6是本发明实施例提供的一种激光脉冲的反射信号的频域图；
图7是本发明实施例提供的一种根据频域图确定信号传输值的方法的步骤流程示意图；
图8是本发明实施例提供的一种确定传输信号的方法的步骤流程示意图；
图9是本发明实施例提供的另一种基于光纤传感的分布式通信方法的步骤流程示意图；
图10是本发明实施例提供的另一种基于光纤传感的分布式通信系统的结构框图；
图11是本发明实施例提供的一种基于光纤传感的分布式通信装置的结构框图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明做进一步的详细说明。对于以下实施例中的步骤编号，其仅为了便于阐述说明而设置，对步骤之间的顺序不做任何限定，实施例中的各步骤的执行顺序均可根据本领域技术人员的理解来进行适应性调整。
如图1所示，光纤上间隔分布有终端设备1、终端设备2...终端设备n，每个终端设备都可以向光纤发送振动传输信号，激光设备、数据采集模块及计算机设备等可以设置基站内，基站位于光纤的一端。激光设备发送脉冲激光到光纤，数据采集模块采集脉冲激光在光纤中的反射信号，计算机设备用于根据反射信号确定终端设备1至终端设备n的传输信号。
如图2所示，本发明实施例提供了一种基于光纤传感的分布式通信方法，其包括的步骤S100-S400。
S100、控制激光设备按照预设速率向光纤发射脉冲激光；其中，所述光纤上间隔分布若干个终端设备。
需要说明的是，终端设备采用FSK（Frequency-shift keying，频移键控）进行对脉冲激光振动调制，一种频率对应一种传输信号值，若需要传输两种信号值，则使用第一振动频率及第二振动频率即可。例如需要传输bit0，则使用500Hz的频率振动光纤250毫秒；如果需要传输bit1，则使用800Hz的频率振动光纤250毫秒。
在一种具体的实施方式中，参阅图3，所述预设速率通过以下方法确定，具体包括步骤S110-S130。
S110、根据所述第一振动频率及所述第二振动频率中的较大值确定第一速率；
S120、根据所述脉冲激光在真空中的传播速度、所述光纤的长度及所述光纤的折射率确定第二速率；
S130、在所述第一速率及所述第二速率之间取值确定所述预设速率。
具体地，根据采样定理：振动信号的采样速率须在最高振动速率fs的两倍或以上。另外，由于激光在光纤中的传播速度是C/λ，其中，C=光在真空中传播的速度，λ为光纤的折射率；脉冲激光注入光纤后，需要时间T才能返回设备中，T=2L/(c/λ)，其中，L表示光纤长度；因此，设备的激光发射频率最大是FL=1/T，脉冲的激光速率发射范围是：2fs~FL。例如，终端设备使用500Hz振动频率传输信号值0，使用800Hz振动频率传输信号值1，则脉冲激光的发射速率需大于1600次/秒。
S200、按照预设采样频率获取脉冲激光的系列反射信号并按预设格式存储；其中，所述脉冲激光的系列反射信号由若干个所述终端设备按照预设的封装格式采用第一振动频率或第二振动频率振动所述光纤产生。
需要说明的是，终端设备和计算机设备采用相同的封装格式进行传输信号的发送和接收。每次激光设备发送一个激光脉冲，采集对应光纤上所有终端设备的反射信号强度值；连续发送n个激光脉冲，就可以得到光纤上所有终端设备的n个时刻的反射信号强度。
在一种具体的实施方式中，参阅图4，所述预设采样频率通过以下方法确定，包括步骤S210至S230。
S210、根据所述光纤的振动范围确定第一采样频率；
S220、根据数据量处理能力确定第二采样频率；
S230、在所述第一采样频率及所述第二采样频率之间取值确定所述预设采样频率。
由于终端设备只能固定光纤的一小段进行振动，振动范围只能影响光纤中被固定的两端一定距离，如10米左右。因此，采样的振动点分辨率必须在受影响距离内；如20米以内，对应最大采样周期是200纳秒，也就是最小采样频率是5MHz。另外，理论上，采样频率越大，振动点的分辨率越高，也就是越多的采样点落在振动范围内，得到的有效采样点的概率就越高。但是，采样率越高，处理的数据量越大，对应的硬件设备成本越高，因此，根据经验值，采样率设置为50MHz~200MHz之间即可。
在一种具体的实施方式中，参阅图5，所述脉冲激光的系列反射信号的存储方式如下，包括步骤S240至S250。
S240、同一脉冲激光的反射信号按采样时间顺序组成一维数组；
S250、将不同脉冲激光的反射信号按脉冲激光的发射时间组成多维数组。
需要说明的是，不同的采样点对应不同的光线距离，如采样的频率80MHz，得到数据采样点对应光纤的距离关系：一个数据点=1.25米，也就是采样点n表示光纤(n*1.25)米的激光强度。
参阅表一，采样点1至采样点n+1表示光纤上距离激光设备从今到远的激光脉冲反射强度，脉冲1至脉冲m表示不同时刻发出的激光脉冲。
需要说明的是，待处理问题是光纤上各个位置的不同时刻的强度变化。因此，每完成一次激光脉冲的反射信号的采集，需要一次数据处理。
表一
脉冲1 采样点1 采样点2 采样点3 ... 采样点n-1 采样点n 采样点n+1
脉冲2 采样点1 采样点2 采样点3 ... 采样点n-1 采样点n 采样点n+1
脉冲3 采样点1 采样点2 采样点3 ... 采样点n-1 采样点n 采样点n+1
... ... ... ... ... ... ... ...
脉冲m 采样点1 采样点2 采样点3 ... 采样点n-1 采样点n 采样点n+1
S300、将所述脉冲激光的系列反射信号从时域转换到频域，并根据频域信号中所述第一振动频率的振动强度及所述第二振动频率的振动强度确定信号传输值。
参阅图6，光纤上某个振动点的激光脉冲反射信号转换到频域中的图像，从图6中可知，此振动点500HZ振动频率的振动信号强度大于800HZ振动频率的振动信号强度，振动强度信号是相对值，无单位。
在一种具体的实施方式中，参阅图7，所述信号传输值包括第一数值和第二数值，所述根据频域信号中所述第一振动频率的振动强度及所述第二振动频率的振动强度确定信号传输值，具体包括步骤S310至S320。
S310、当所述频域信号中所述第一振动频率的振动强度大于所述第二振动频率的振动强度，信号传输值为第一数值；
S320、当所述频域信号中所述第一振动频率的振动强度小于所述第二振动频率的振动强度，信号传输值为第二数值。
需要说明的是，第一数值包括但不限于0或1，第二数值包括但不限于0或1，第一数值与第二数值不同；第一振动频率与第二振动频率不同。当终端设备采用第一振动频率调制第一数值的信号值、采用第二振动频率调制第二数值的信号值；当第一振动频率的振动强度大于第二振动频率的振动强度，信号传输值为第一数值，第二振动频率的振动强度大于第一振动频率的振动强度，信号传输值为第二数值。
S400、根据所述预设的封装格式对所述信号传输值进行校验以确定传输信号。
在一种具体的实施方式中，参阅图8，所述预设的封装格式包括若干个字节组成一个数据包，其中，所述数据包的最后一个字节为CRC校验值，所述根据所述预设的封装格式对所述信号传输值进行校验以确定传输信号，具体包括步骤S410至S420。
S410、查找并验证每个数据包的帧头及CRC校验值；
S420、当数据包的帧头及CRC校验均正确，将该数据包作为接受的传输信号。
表二
帧头 B0 B1 B2 B3 B4 B5 CRC校验
参阅表二，封装格式包括7个字节组成一个数据包，其中，帧头可以选择E7，数据包的最后一个字节为CRC校验码，中间是B0-B5信号传输值。计算机设备根据激光脉冲解调出bit流后，循环的查找符合帧头以及CRC校验的数据，如果满足这两个条件，则表示正确接收数据。
实施本发明实施例包括以下有益效果：本实施例中光纤上间隔分布若干个用于产生振动信号的终端设备，首先控制激光设备向光纤发射脉冲激光并通过采样获取脉冲激光的系列反射信号，然后将脉冲激光的系列反射信号从时域转换到频域，并根据频域信号中振动频率的振动强度确定信号传输值，最后对信号传输值进行校验确定传输信号；即在同一条光纤上同时传输若干个终端设备的振动信号，从而实现大幅提高光纤的通信传输容量。
参阅图9，在一个具体的实施例中，计算机设备加载所有振动区域的待处理数据，选取振动点的激光脉冲的128个反射信号的值，将时域的反射信号转换成频域的反射信号，选定500Hz以及800Hz频率幅度并计算各自对应的功率（对应的终端设备采用500Hz或800Hz进行调制），并将各自的功率值缓存，比较500Hz以及800Hz的功率值总和比较，根据比较结果判断当前振动点在该时刻的传输值0或1，组成最新的7byte数据包并确定是否符合帧头和CRC校验；若帧头和CRC校验均正确，输出当前振动点接收数据；若帧头或CRC校验不正确，判断振动区域点是否计算结束，若振动区域点没有结束，输出该振动点的下一批128反射信号的值；若振动区域点结束，加载下一个振动区域的待处理数据。
如图10所示，本发明实施例提供了一种基于光纤传感的分布式通信系统，包括：
第一模块，用于控制激光设备按照预设速率向光纤发射脉冲激光；其中，所述光纤上间隔分布若干个终端设备；
第二模块，用于按照预设采样频率获取脉冲激光的系列反射信号并按预设格式存储；其中，所述脉冲激光的系列反射信号由若干个所述终端设备按照预设的封装格式采用第一振动频率或第二振动频率振动所述光纤产生；
第三模块，用于将所述脉冲激光的系列反射信号从时域转换到频域，并根据频域信号中所述第一振动频率的振动强度及所述第二振动频率的振动强度确定信号传输值；
第四模块，用于根据所述预设的封装格式对所述信号传输值进行校验以确定传输信号。
可见，上述方法实施例中的内容均适用于本系统实施例中，本系统实施例所具体实现的功能与上述方法实施例相同，并且达到的有益效果与上述方法实施例所达到的有益效果也相同。
如图11所示，本发明实施例提供了一种基于光纤传感的分布式通信装置，包括：
至少一个处理器；
至少一个存储器，用于存储至少一个程序；
当所述至少一个程序被所述至少一个处理器执行，使得所述至少一个处理器实现上述的方法。
可见，上述方法实施例中的内容均适用于本装置实施例中，本装置实施例所具体实现的功能与上述方法实施例相同，并且达到的有益效果与上述方法实施例所达到的有益效果也相同。
此外，本申请实施例还公开了一种计算机程序产品或计算机程序，计算机程序产品或计算机程序存储在计算机可读存介质中。计算机设备的处理器可以从计算机可读存储介质读取该计算机程序，处理器执行该计算机程序，使得该计算机设备执行上述的方法。同样地，上述方法实施例中的内容均适用于本存储介质实施例中，本存储介质实施例所具体实现的功能与上述方法实施例相同，并且达到的有益效果与上述方法实施例所达到的有益效果也相同。
参阅图1所示，本发明实施例提供了一种基于光纤传感的分布式通信系统，包括光纤、若干个终端设备、激光设备、数据采集模块及计算机设备；若干个所述终端设备间隔分布在所述光纤上，所述激光设备及所述数据采集模块设置于所述光纤的一端，所述激光设备及所述数据采集模块与所述计算机设备连接，其中，
所述终端设备，用于按照预设的封装格式采用第一振动频率或第二振动频率振动所述光纤；
所述激光设备，用于根据控制信号向光纤发射脉冲激光；
所述数据采集模块，用于按照预设采样频率采集脉冲激光的系列反射信号，并将所述脉冲激光的系列反射信号发送给所述计算机设备；
所述计算机设备包括：
至少一个处理器；
至少一个存储器，用于存储至少一个程序和脉冲激光的系列反射信号；
当所述至少一个程序被所述至少一个处理器执行，使得所述至少一个处理器实现上述的方法。
需要说明的是，激光设备、数据采集模块及计算机设备可以设置在基站。
具体地，所述终端设备包括含有压电陶瓷振动器手持式设备：设备上有夹具，将光纤中的一小段（约10cm）固定在终端中，可以通过根据传递信息的需要，产生特定频率振动，光纤中被固定在设备中的部分跟随终端设备一起振动。对于数据采集模块，包括但不限于光电探测器。具体地，而对于所述计算机设备，其可为不同类型的电子设备，包含但不限于有台式电脑、手提电脑等终端。
可见，上述方法实施例中的内容均适用于本系统实施例中，本系统实施例所具体实现的功能与上述方法实施例相同，并且达到的有益效果与上述方法实施例所达到的有益效果也相同。
以上是对本发明的较佳实施进行了具体说明，但本发明创造并不限于所述实施例，熟悉本领域的技术人员在不违背本发明精神的前提下还可做作出种种的等同变形或替换，这些等同的变形或替换均包含在本申请权利要求所限定的范围内。

Claims (10)

1.一种基于光纤传感的分布式通信方法，其特征在于，包括：
控制激光设备按照预设速率向光纤发射脉冲激光；其中，所述光纤上间隔分布若干个终端设备；
按照预设采样频率获取脉冲激光的系列反射信号并按预设格式存储；其中，所述脉冲激光的系列反射信号由若干个所述终端设备按照预设的封装格式采用第一振动频率或第二振动频率振动所述光纤产生；
将所述脉冲激光的系列反射信号从时域转换到频域，并根据频域信号中所述第一振动频率的振动强度及所述第二振动频率的振动强度确定信号传输值；
根据所述预设的封装格式对所述信号传输值进行校验以确定传输信号。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述预设速率通过以下方法确定：
根据所述第一振动频率及所述第二振动频率中的较大值确定第一速率；
根据所述脉冲激光在真空中的传播速度、所述光纤的长度及所述光纤的折射率确定第二速率；
在所述第一速率及所述第二速率之间取值确定所述预设速率。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述预设采样频率通过以下方法确定：
根据所述光纤的振动范围确定第一采样频率；
根据数据量处理能力确定第二采样频率；
在所述第一采样频率及所述第二采样频率之间取值确定所述预设采样频率。
4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述脉冲激光的系列反射信号的存储方式如下：
同一脉冲激光的反射信号按采样时间顺序组成一维数组；
将不同脉冲激光的反射信号按脉冲激光的发射时间组成多维数组。
5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述信号传输值包括第一数值和第二数值，所述根据频域信号中所述第一振动频率的振动强度及所述第二振动频率的振动强度确定信号传输值，具体包括：
当所述频域信号中所述第一振动频率的振动强度大于所述第二振动频率的振动强度，信号传输值为第一数值；
当所述频域信号中所述第一振动频率的振动强度小于所述第二振动频率的振动强度，信号传输值为第二数值。
6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述预设的封装格式包括若干个字节组成一个数据包，其中，所述数据包的最后一个字节为CRC校验值，所述根据所述预设的封装格式对所述信号传输值进行校验以确定传输信号，具体包括：
查找并验证每个数据包的帧头及CRC校验值；
当数据包的帧头及CRC校验均正确，将该数据包作为接受的传输信号。
7.一种基于光纤传感的分布式通信系统，其特征在于，包括：
第一模块，用于控制激光设备按照预设速率向光纤发射脉冲激光；其中，所述光纤上间隔分布若干个终端设备；
第二模块，用于按照预设采样频率获取脉冲激光的系列反射信号并按预设格式存储；其中，所述脉冲激光的系列反射信号由若干个所述终端设备按照预设的封装格式采用第一振动频率或第二振动频率振动所述光纤产生；
第三模块，用于将所述脉冲激光的系列反射信号从时域转换到频域，并根据频域信号中所述第一振动频率的振动强度及所述第二振动频率的振动强度确定信号传输值；
第四模块，用于根据所述预设的封装格式对所述信号传输值进行校验以确定传输信号。
8.一种基于光纤传感的分布式通信装置，其特征在于，包括：
至少一个处理器；
至少一个存储器，用于存储至少一个程序；
当所述至少一个程序被所述至少一个处理器执行，使得所述至少一个处理器实现如权利要求1-6任一项所述的方法。
9.一种存储介质，其中存储有处理器可执行的程序，其特征在于，所述处理器可执行的程序在由处理器执行时用于执行如权利要求1-6任一项所述的方法。
10.一种基于光纤传感的分布式通信系统，其特征在于，包括光纤、若干个终端设备、激光设备、数据采集模块及计算机设备；若干个所述终端设备间隔分布在所述光纤上，所述激光设备及所述数据采集模块设置于所述光纤的一端，所述激光设备及所述数据采集模块与所述计算机设备连接，其中，
所述终端设备，用于按照预设的封装格式采用第一振动频率或第二振动频率振动所述光纤；
所述激光设备，用于根据控制信号向光纤发射脉冲激光；
所述数据采集模块，用于按照预设采样频率采集脉冲激光的系列反射信号，并将所述脉冲激光的系列反射信号发送给所述计算机设备；
所述计算机设备包括：
至少一个处理器；
至少一个存储器，用于存储至少一个程序；
当所述至少一个程序被所述至少一个处理器执行，使得所述至少一个处理器实现如权利要求1-6任一项所述的方法。
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