基於光譜型光纖傳感器的大容量可自愈光纖傳感網的實現裝置及實現方法
2023-07-09 00:17:01 2
專利名稱：基於光譜型光纖傳感器的大容量可自愈光纖傳感網的實現裝置及實現方法
基於光譜型光纖傳感器的大容量可自愈光纖傳感網的實現
裝置及實現方法
技術領域：
本發明屬於一種光纖傳感網絡技術領域，尤其涉及一種基於光纖傳感器的光譜特 性的具有大容量可自愈且可同時測量多個參量的傳感器網絡系統。
背景技術：
傳感技術是信息產業的三大支柱之一。光纖傳感技術一直處於傳感技術發展的前沿。光纖傳感器按傳感原理可分為功能型和非功能型。前者把光纖作為敏感元件， 後者把光纖僅作為傳輸介質。在功能型光纖傳感器中，根據外界因素改變光纖中光的強 度(振幅)、相位、偏振態和波長(頻率)，而分為強度型、相位型、偏振型和光譜型光纖 傳感器。目前精度較高的光纖傳感器大多使用其光譜特性，例如生物傳感器，利用光譜 的透射反射特性。常用的光纖Bragg光柵傳感器利用Bragg中心波長的移動進行傳感。 Raman傳感器利用光纖兩側Raman光譜的峰值差進行傳感。布裡淵傳感器利用布裡淵波 長的變化進行傳感。光譜型光纖傳感器利用波長信息進行傳感，則可利用波分復用技術 WDM (Wavelength-division Multiplexing)構建傳感網絡。光纖傳感網目前仍停留在較為簡單的光纖傳感器串聯連接及在此基礎上的並聯 擴展階段，無論從其所使用的傳感器數量，還是從其網絡拓撲方面考慮，都有待進一步的改 進，即大規模的智能光纖傳感網還沒有形成。許多科研機構已經提出多種方法，用以提高光 纖傳感網的容量。如申請號為200710019914. 2的發明專利「具有生存性保證的光纖光柵傳 感器網絡」，該專利申請中提到採用至少包含兩級的扇形子網結構的網絡拓撲，兩級子網均 採用子網模塊。每級子網模塊，都包含主節點，從節點，傳輸支路，傳感支路，各級子網通過 光開關對其進行控制。扇形子網結構的網絡拓撲比較新穎，此法大大提高了光纖傳感網的 生存性保證，復用的傳感器數目也有所增加，但傳感網的容量沒有在大的程度上得到擴展。 美國專利『『Large scale high speed multiplexed optical fiber sensor network，，，專利 號為US 6492636，申請書中提到使用空分復用和波分復用的方法擴大傳感網的容量，提高 傳感網的傳感速度。但此種方法會大大增加傳感系統的成本。
發明內容本發明的目的是解決光纖傳感網絡中傳感器件數目受限問題，提出一種基於光譜 型光纖傳感器的大容量可自愈光纖傳感網的實現裝置和實現方法。本發明能夠充分利用傳 感系統的光譜資源。本發明提供的基於光譜型光纖傳感器的大容量可自愈光纖傳感網的實現裝置，包 括光源，從光源發出的光經耦合器分別與n (Maxn =光源的總能量/每層傳感子網所需的能 量)層傳感子網連接，每個傳感子網輸出的多個波長信息通過多波長變換器轉換後，經過 工作光纖輸入到波分復用器中，經波長復用後在一個光纖中傳輸，最後經過接收解調器輸入到計算機。在與每個傳感子網連接的多波長變換器和波分復用器之間各加設有一個備用光 纖。在相鄰的兩個傳感子網之間各加設一個交叉連接器。當某層傳感子網的工作光纖發生故障時，可通過多波長變換器把該傳感子網的傳 感信號交換到備用光纖中進行傳輸。如果工作光纖和備用光纖都發生故障，則該傳感子網 的傳感信號可以通過與該傳感層相鄰的傳感層之間的交叉連接器接入相鄰的光纖傳感子 網中進行傳輸，這樣就保證了傳感網絡的正常工作，使得網絡具有生存性保證，擁有可自愈 性。其中，光源是寬光譜可調諧光源。所述的各傳感子網是由一組光纖傳感器構成，不同的傳感子網的拓撲結構相互獨 立。各傳感子網的結構可以是環形、星形、樹形或總線型；所述的光纖傳感器可以是光譜型 光纖傳感器、光纖光柵傳感器、Raman光纖傳感器、布裡淵光纖傳感器、光子晶體光纖傳感 器或生物化學傳感器，被測對象可以是溫度、應力、振動、位移、轉動、電磁場、化學量或生物量。本發明同時提供了一種基於光譜型光纖傳感器的大容量可自愈光纖傳感網的實 現方法，該方法採用以上所述的基於光譜型光纖傳感器的大容量可自愈光纖傳感網的實現 裝置進行檢測，該方法至少包含以下步驟(1)將光纖傳感網布置於被監測目標上，系統採用寬光譜可調諧光源，並且把光譜 分成m段，MaXm=光源的總譜寬/掃描解析度，m段同時掃描，光源發出的光束經耦合器後， 被均分到各傳感子網；(2)獲取被測信號光纖傳感器實時的感知外界環境的變化，實現對被監測目標 的監測，獲得被監測目標的實時信號(3)第2步獲得的信號是以波分復用的形式進行傳輸的，將該波分復用信號經光 纖傳輸至波長轉換器進行波長變換，從而進行時分復用，得到時分復用信號；(4)將第3步波長變換後的不同層的時分復用信號經工作光纖傳輸至波分復用 器，進行波分復用；當工作光纖發生故障時，啟用備用光纖傳輸所述的時分復用信號，當工 作光纖和備用光纖同時發生故障時啟用光交叉連接器，將所述的時分復用信號交換到相鄰 的傳感子網中，使用相鄰傳感子網的光纖進行傳輸，因此具有生存性保證；(5)將第4步波分復用後的信號傳輸至接收解調裝置後進行解調，並且把該信號 轉化為數位訊號；(6)將第5步轉化後的數位訊號經光纖傳輸至計算機進行分析計算，並將結果顯 示出來或以聲音報警的方式告知監測者，以便監測者採取措施解決當前出現的問題；或者 計算機根據當前被監測目標的狀態，發出控制指令。本發明的優點和積極效果(1)採用本發明所述的光纖傳感器網實現方法，每層傳感子網都可以充分利用光 源的全部帶寬，傳感網包含n層傳感子網，就能夠把傳感網中的傳感器數量擴大到n倍，因 此極大地擴展了光纖傳感網中可容納的光纖傳感器數目，實現了大容量的光纖傳感網，而 且傳感網只用了一個光源和一個接收解調裝置，系統的成本沒有增加。(2)每層光纖傳感子網中的傳感器可採用光纖光柵傳感器、Raman光纖傳感器、布裡淵光纖傳感器、光子晶體光纖傳感器、生物化學傳感器等各種類型，可以全部是某一種光 纖傳感器，也可以是多種傳感器類型的組合，只要這些傳感器是利用光譜特性進行傳感就 可以，因此光纖傳感網具有異構特性。(3)在此光纖傳感網中增加了工作光纖，備用光纖以及每層之間的交叉連接器，保 證了在光纖鏈路發生故障時，光纖傳感網還能夠正常工作，使得網絡具有可存活性，具有自 愈性。(4)光源是寬光譜可調諧光源。寬帶光源的光譜分成m段，且這m段同時掃描，就 可以把掃描時間縮短為原來的1/m，這將極大的提高傳感網的傳感速度。
圖1是本發明總體結構框圖；其中，1是光源；2耦合器；3a，3b，…，3j，…，3n傳感子網；4交叉連接器；5多波 長變換器；6a工作光纖，6b備用光纖；7波分復用器(WDM) ；8接收解調器；9計算機；圖2是C+L波段掃描光源的光譜分成3段後，3段同時掃描示意圖；圖3是每層傳感子網結構示意圖；每層傳感網由25個中心波長不同的光纖Bragg光柵傳感器組成，以總線型拓撲結 構連接，反射光譜通過多波長變換器件進行轉換。25個光纖光柵傳感器的光譜覆蓋了整個 C+L波段；圖4是具體實施例光纖傳感網的結構示意圖；圖中，包括C+L波段的光源，由光纖Bragg光柵構成的8層總線型傳感子網，多波 長變換器，光交叉連接設備，波分復用器，傳輸光纖，備用光纖，接收解調器和計算機組成；圖5波長信息轉時間信息示意圖；其中圖5a是波分復用示意圖，圖5b是時分復用 示意圖；圖6波長信息轉換為時間信息的具體實施示意圖，圖6a是透射光譜圖，圖6b是反 射光譜圖；表示特定波長的波只在周期T的特定時間內進行波長變換。
具體實施方式實施例1 如圖1所示，本發明所述的光纖傳感網的實現裝置由光源，耦合器，n層傳感子網 (Maxn =光源的總能量/每層傳感子網所需的能量)，交叉連接器，多波長轉換器，波分復用 器，接收解調裝置和計算機組成。從光源1發出的光經過耦合器2分給n層(Maxn =光源 的總能量/每層傳感子網所需的能量)傳感子網3，每層傳感子網都可充分利用光源的全部 譜寬資源。傳感子網之間通過交叉連接器4進行連接。每個傳感子網輸出的多個波長信息 通過多波長變換器5轉換到某一個特定波長中進行傳輸，波長信息轉換為不同時刻的強度 信息。n(Maxn =光源的總能量/每層傳感子網所需的能量)個不同的波長信息經過工作光 纖6a連接輸入波分復用器(WDM)7中，經波長復用後在一個光纖中傳輸，經過接收解調器8 輸入到計算機9中，計算機經過分析計算。就可以知道整個傳感網絡中每個傳感器所傳感 的信息。其總體結構圖，如圖1所示。每層傳感子網的結構是相互獨立的，是由多個光纖傳感器以環形、星形、樹形、總線型或者更複雜的網絡結構連接在一起。光纖傳感器可採用光譜型光纖傳感器，這樣就利 用每個傳感器的光譜特性進行傳感，當然也可採用光纖光柵傳感器、Raman光纖傳感器、布 裡淵光纖傳感器、光子晶體光纖傳感器、生物化學傳感器等，可監測溫度、應力、振動、位移、 轉動、電磁場、化學量和生物量等。n層傳感子網中每層的網絡拓撲結構都可以不一樣，傳感 器的類型和數量也可不一樣。每層傳感子網可利用的光譜資源是光源的全部譜寬。在本發明的施例中，首先把光纖傳感網布置於被監測目標上。系統光源採用寬光 譜可調諧光源，譜寬覆蓋C+L(1530nm 1620nm)波段。我們可以把C+L波段分成3段(此 時 m = 3) 1530nm 1560nm，1560nm 1590nm，1590 1620nm)，這 3 段可以在一個周期 T 內同時進行掃描，如圖2所示。這樣就可以把掃描時間縮短為原來的1/3，相應的在其他條 件理想的情況下，傳感網的傳感速度變為原來的3倍。耦合器採用1X8均分的耦合器。從 光源發出的光束，由耦合器均分到8個傳感子網中(此處n = 8)。傳感子網中的傳感器都 採用光纖光柵FBG傳感器，都是利用傳感器的反射光波的中心波長變化進行應變和溫度的 傳感。應變靈敏度為-1.2pm/ii ￡，溫度靈敏度為_13pm/°C，要檢測區域的2000 ii e的應 變變化和100°C的溫度變化，則每個應變傳感器的中心波長的變化為2. 4nm，再加上每邊各 0. 8nm的隔離帶，每個應變傳感器需要佔據4nm的帶寬。每個溫度傳感器的中心波長的變化 為1. 3nm，再加上每邊各0. 35nm的隔離帶，每個溫度傳感器需要佔據2nm的帶寬。因此每層 傳感子網中包含了 20個應變傳感器和5個溫度傳感器。每層傳感子網都採用總線拓撲結 構將25個光纖布拉格光柵(FBG)傳感器連接起來，利用光纖光柵的反射光譜進行傳感，每 一子層的結構都相同，其結構如圖3所示。光纖傳感網包括8個傳感子網，每個傳感子網的結構都和第一個傳感子網的光纖 傳感器的類型和數量相同，則整個光纖傳感網共有200個光纖光柵傳感器(其中160個應 變傳感器，40個溫度傳感器)，光纖傳感網的具體實施圖如圖4所示。假設每層傳感子網的第一個FBG傳感器的中心波長為、，第2個FBG傳感器的中 心波長為入2，第25個FBG傳感器的中心波長為入25，一共25個，前20個用於測應變，後5 個用於測溫度。每層光纖傳感器反射的光信號因為反射中心波長的不一致而在一根光纖中以波 分復用的形式進行傳輸，經過波長轉化後進行時分復用。特定波長的波只在周期T的特定 時刻進行波長變換，橫軸由波長信息變為時間信息，如圖5所示。波長變換後的不同層的時 分復用信號經工作光纖傳輸至波分復用器，進行波分復用。當工作光纖發生故障時，啟用備 用光纖傳輸所述的時分復用信號，當工作光纖和備用光纖同時發生故障時啟用光交叉連接 器，將所述的時分復用信號交換到相鄰的傳感子網中，信號通過相鄰的傳感子網的工作光 纖進行傳輸。然後，波分復用信號經光纖傳輸至接收解調裝置，進行接收解調，並且把信號 轉化為數位訊號，以便計算機進行數據分析。計算機根據所分析的數據，顯示結果或決定是 否報警和發送控制命令。外界被測量發生變化時，會引起光纖光柵傳感器的中心波長發生變化。如第一維 的第一個FBG的中心波長本來為、，但當外界因素發生變化時(應變)，該中心波長會從 、變為X1+A。通過波長轉換，其波長變為入/。光譜儀上觀察到W的波譜發生變 化，從而確定是第一維的傳感器，感受應變發生變化。但具體到是第一維的哪一個傳感器我 們通過如下的方法加以確定。
第一維有25個傳感器，每個傳感器的中心波長分別為入，入2，......入25。因此
我們把光源(C+L波段)的波譜對應到時間軸t上，一個周期T內的不同時刻對應不同的25 個波長，如圖6所示。、的波長轉化僅發生在0 T/25時間內，、的波長轉化僅發生在 T/25 2T/25時間內，依此類推，A 25的變化僅發生在24T/25 T時間內，T為掃描光源一 次掃描所需要的時間。通過分析入工的變化發生在周期T的什麼時刻，從而確定出第一層 的哪個傳感器感受外界被測量，中心波長發生了改變。從光譜儀上我們可以觀察到得 大小，又因為A 『與A有一一對應的線性關係。我們通過分析A 『的大小，從而可以知道 A的大小，進而可以精確的計算出外界被測量具體的變化數值，實現檢測的功能。同理，第n(n = 1，2，3，4，5，6，7，8，)層中的傳感器我們可以通過多波長變換器把 中心波長變換為Xn(n= 1，2，3，4，5，6，7，8，)。從光譜儀上看到入 發生變化時，可以確定 出是第n(n= 1，2，3，4，5，6，7，8，)層的傳感器傳來的信號。再通過上一段所述的方法精確 定位，分析計算變化量的大小。
權利要求
一種基於光譜型光纖傳感器的大容量可自愈光纖傳感網的實現裝置，其特徵在於該裝置包括光源，從光源發出的光經耦合器分別與n層傳感子網相連接，Maxn＝光源的總能量/每層傳感子網所需的能量，每層傳感子網由k個傳感器構成，Maxk＝光源的總譜寬/掃描解析度；每層傳感子網輸出的多個波長的信息通過多波長變換器轉換後，經過工作光纖輸入到波分復用器中，經波分復用後在同一個光纖中傳輸，最後經過接收解調器輸入到計算機。
2.根據權利要求1所述的裝置，其特徵在於與每層傳感子網連接的多波長變換器和波 分復用器之間各加設有一根備用光纖。
3.根據權利要求2所述的裝置，其特徵在於相鄰的兩個傳感子網之間各加設一個交叉 連接器。
4.根據權利要求1至3中任一項所述的裝置，其特徵在於所述光纖傳感網由n層傳感 子網構成，Maxn =光源的總能量/每層傳感子網所需的能量，每層傳感子網可以以不同的 拓撲結構復用數目不同的傳感器，若每層傳感器數目都為k，Maxk=光源的總譜寬/掃描分 辨率，則整個網絡傳感器的數目為n*k，這就極大的擴展了傳感網的容量。
5.根據權利要求1至4中任一項所述的裝置，其特徵在於所述的各傳感子網是由一組 結構獨立的光纖傳感器所構成，傳感子網可以是環形、星形、樹形或總線型；所述的光纖傳 感器可以是光譜型光纖傳感器、光纖光柵傳感器、Raman光纖傳感器、布裡淵光纖傳感器、光 子晶體光纖傳感器或生物化學傳感器，被測對象可以是溫度、應力、振動、位移、轉動、電磁 場、化學量或生物量。
6.一種基於光譜型光纖傳感器的大容量可自愈光纖傳感網的實現方法，採用權利要求 1所述的基於光譜型光纖傳感器的大容量可自愈光纖傳感網的實現裝置進行檢測，其特徵 在於該方法至少包含以下步驟(1)將光纖傳感網布置於被監測目標上，系統採用寬光譜可調諧光源，並且把光譜分成 m段，MaXm=光源的總譜寬/掃描解析度，m段同時掃描，光源發出的光束經耦合器後，被均 分到各傳感子網；(2)獲取被測信號光纖傳感器實時的感知外界環境的變化，實現對被監測目標的監 測，獲得被監測目標的實時信號；(3)第2步獲得的信號是以波分復用的形式進行傳輸的，將該波分復用信號經光纖傳 輸至波長轉換器進行波長變換，從而進行時分復用，得到時分復用信號；(4)將第3步波長變換後的不同層的時分復用信號經工作光纖傳輸至波分復用器，進 行波分復用；當工作光纖發生故障時，啟用備用光纖傳輸所述的時分復用信號，當工作光纖 和備用光纖同時發生故障時啟用光交叉連接器，將所述的時分復用信號交換到相鄰的傳感 子網中，使用相鄰傳感子網的光纖進行傳輸，因此具有生存性保證；(5)將第4步波分復用後的信號傳輸至接收解調裝置後進行解調，並且把該信號轉化 為數位訊號；(6)將第5步轉化後的數位訊號經光纖傳輸至計算機進行分析計算，並將結果顯示出 來或以聲音報警的方式告知監測者，以便監測者採取措施解決當前出現的問題；或者計算 機根據當前被監測目標的狀態，發出控制指令。
全文摘要
一種基於光譜型光纖傳感器的大容量可自愈光纖傳感網的實現裝置和實現方法，該裝置包括光源，從光源發出的光依次經耦合器，n層傳感子網，Maxn＝光源的總能量/每層傳感子網所需的能量，波長變換器，工作光纖，波分復用器，光纖，接收解調器，計算機。本發明在網絡中增加了備用光纖和交叉連接器，保證了在光纖鏈路發生故障時，光纖傳感網還能正常工作，使得網絡具有可存活性。該傳感網復用的傳感器數目為各層傳感器數目之和，若每層有k個傳感器，則總共有k＊n個。Maxk＝光源的總譜寬/掃描解析度，極大的擴展了傳感網的容量。寬帶光源的光譜分成m段，Maxm＝光源的總譜寬/掃描解析度，且m段同時掃描，可以把掃描時間縮短為原來的1/m，就可以提高傳感網的傳感速度。
文檔編號H04B10/20GK101867506SQ20101016351
公開日2010年10月20日 申請日期2010年5月6日 優先權日2010年5月6日
發明者劉鐵根, 葉雯婷, 張以謨, 張紅霞, 溫國強, 賈大功 申請人:天津大學