一種具有自愈功能的無源光纖星環網的製作方法
2023-05-20 09:56:16
一種具有自愈功能的無源光纖星環網的製作方法
【專利摘要】本發明公開了一種具有自愈功能的無源光纖星環網，包括作為上層網絡的星形網絡和作為下層網絡的環形網絡，還包括一個中心節點，其上設置有光源；光源發出的入射光信號被設置於中心節點上的一個2×N耦合器分為N路光信號，該N路光信號被送至與2×N耦合器相連的N個1×2耦合器上，構成星形網絡；所有1×2耦合器的各支路都相鄰連接設置一FBG傳感器，構成環形網絡；環形網絡中每個FBG傳感器，當其中有一個支路的光纖發生斷裂，其他支路上行光信號仍可傳輸到該FBG傳感器中，使得其始終有傳感信號發射，環形網絡上所有FBG傳感器保持正常工作狀態，實現自愈功能。本發明能在嚴重電磁幹擾的環境下實現傳感網的自愈；具有廣泛的社會效益和經濟效益。
【專利說明】—種具有自愈功能的無源光纖星環網
【技術領域】
[0001]本發明專利涉及一種具有自愈能力的無源光纖傳感網，是物聯網技術中的一種，
【背景技術】
[0002]物聯網技術的出現為信息技術的發展帶來了新的革命。物聯網是一個物與物、人與物之間聯繫的信息互動，是傳感網的延伸。傳感網由傳感器節點組成的網絡，是實現物聯網的基礎。目前，傳感網主要有兩種模式，一種是光纖傳感網，另一種是無線傳感網，二者的應用範圍和程度有一定的交疊，但是在一些區域內如強電場中，只能單獨使用。隨著傳感網內傳感節點數量的增加，傳感網的可靠性就顯得尤為重要。特別是連接光纖發生斷裂，將會使大量傳感器失效，嚴重影響傳感網的性能。因此具有自愈功能的光纖傳感網將是解決光纖發生斷裂引起的傳感器失效的有效手段之一。
[0003]目前，傳感網的自愈性研究多集中在無線傳感網領域內，光纖傳感網的自愈研究還比較少，這和光纖傳感網的研究起步晚有關。光纖傳感網憑藉其抗電磁幹擾、質量輕、耐腐蝕、易於組網等優點，廣泛用於安防、建築物結構監測等領域。相關的研究多採用有源器件來實現，如文獻 Peng-ChunPeng 等，Ahybridstar-ring architectureforfiberBragggratingsensorsystem提出利用光開關實現基於FBG傳感器的網絡，該方法增加的傳感網的實現成本，對於原本成本就較高的光纖傳感網帶來的巨大的負擔。在國內，專利號為200910028386.6的專利《一種光纖分布式傳感器網絡自修復系統及自修複方法》中提出一種具有自修復系統的光線傳感網，主要採用一個自修復控制器修復網絡損傷。該方法可以實現網絡自愈，但是在實現過程中受制於計算機進行計算網絡的粒度的影響，使得自愈功能的實現和自愈的時間受到限制。專利號為201010252698.8的專利《一種大容量的可自愈光纖傳感網》也提到一種大容量的自愈光線傳感網，其使用有源器件光開關實現網絡自愈，由於採用有源器件，在一定場合中(如強電場內)網絡的自愈功能將受到外界環境的幹擾，影響傳感網的性能。可以看到，當前光纖傳感網自愈的研究主要是利用有源器件在實現，還沒有基於無源器件具有自愈功能的光纖傳感網。
【發明內容】
[0004]為了克服上述現有技術存在的問題，本發明提出一種具有自愈功能的無源光纖星環網，利用光纖耦合器將FBG傳感器連接起來，組成一個星環網，傳感網的上層是星形網絡，下層是環形網絡，從而實現傳感網的自愈功能，使該網絡可以工作在特殊電磁環境中。
[0005]本發明提出的一種具有自愈功能的無源光纖星環網，是由無源光器件組成的光纖傳感網，所述光纖傳感網包括兩層網絡，即作為上層網絡的星形網絡和作為下層網絡的環形網絡，還包括一個中心節點，所述中心節點處設置有光源，實現光信號的輸出和輸入；其中:
[0006]光源發出的入射光信號被設置於中心節點上的一個2 X NI禹合器分為N路光信號，該N路光信號被送至與2XN耦合器相連的N個I X 2耦合器上，從而構成星形網絡；[0007]上述所有1 X 2耦合器的各支路都相鄰連接設置有一個FBG傳感器，從而構成環形網絡；
[0008] 在所述星形網絡中，輸入光信號都是寬帶信號，FBG傳感器作為傳輸器，其中與FBG傳感器工作波長相匹配的光信號被反射回去成為上行光信號，其他未被反射的光信號成為下行光信號；
[0009]在所述環形網絡中，對於每個FBG傳感器，當其中有一個支路的連接光纖發生斷裂，除這一支路以外的其他支路的上行光信號仍傳輸到該支路的FBG傳感器，使得該FBG傳感器始終有傳感信號發射，此時環形網絡上所有FBG傳感器保持正常工作狀態，即實現了自愈功能。
[0010]所述中心節點處還設置有信號解調系統，用於檢測FBG傳感器接收到的上行光信號，當上行光信號保持在噪聲界限以上時，光纖傳感網具備自愈功能。
[0011]每個所述1X2耦合器都分別具有兩個輸入分支和一個輸出分支。
[0012]所述其他未被反射的光信號，通過連接光纖和耦合器到達下一個FBG傳感器，這樣每個FBG傳感器接收到的光信號為N路光信號的和。
[0013]與現有技術相比，本發明的光纖傳感網具有很好的自愈功能，能夠在嚴重電磁幹擾的環境下實現傳感網的自愈。因此本發明專利具有良好的優點和技術轉化基礎，具有廣泛的社會效益和經濟效益。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0014]圖1為無源光纖星環網結構原理圖；
[0015]1、第一傳感器；2、第一 1X2稱合器；3、第二傳感器；4、第二 1X2稱合器；5、第三傳感器；6、第三1X2耦合器；7、環形網連接光纖；8、2XN耦合器；9、星形網連接光纖；10、中心節點；11、上行光信號；12、下行光信號；13、連接光纖斷裂處；
[0016]圖2為1X2耦合器的輸出、輸出分布圖；
[0017]21、第一輸入分支；22、第二輸入分支；23、1X2耦合器；24、第三輸出分支。
【具體實施方式】
[0018]下面將結合附圖對本發明實施方式作進一步地詳細描述。
[0019]如圖1所示，該星環網中包含N個傳感器(1，2…N)，所有的傳感器都分布在環形網上，傳感器之間依靠連接光纖7和1X2稱合器1、1X2稱合器2、…1X2稱合器N的輸入分支2和輸出分支3連接成環網。星形網的一端是2XN耦合器8的輸出端，另一端由N個1X2耦合器的輸入端分支I構成。在星形網上不布置傳感器。整個星環網上層星環網有N條連接光纖，下層環形網2N條連接光纖。當中心節點10中光源發射一束光信號，經過2XN耦合器8後，光束分成N路光信號，經由星形網連接光纖9構成的上層星形網傳輸到下層環形網。星環網中的傳輸器是FBG傳感器，工作波長分別為X1, λ2...λΝ。從上層星形網中輸入的光信號都是寬帶信號，只有與FBG傳感器工作波長相匹配的光信號才會被反射回去(如上行信號11所示)，其他未被反射的光信號(如下行信號12所示)，通過連接光纖和耦合器到達下一個FBG傳感器，這樣每個FBG傳感器接收到的光信號為N路光信號的和，也可以說對於每個傳感器，有多條冗餘路徑。假設環形網中某一條連接光纖斷裂(圖1中斷裂處13所示)，其他支路仍然保持完好，此時，環形網上所有的傳感器(I，2…N)將保持正常工作狀態，只是傳感器接收的光信號能量下降(接收的光信號能量在傳感器噪聲之上)，因此當網絡出現幹擾和故障時，傳感器能夠仍然能夠正常工作，不會造成因網絡支路失效而使傳感器不能探測外界信號。因此本專利提出的無源星環網具有很強的自愈功能，能夠保證光纖傳感網可靠地工作。
[0020]對於無源光纖星環網，由於FBG上的反射波長不同，經過FBG傳感器後，還有一部分光信號在環形網絡中傳輸，這樣就能保證每個FBG傳感器可以接收到所有星形網支路中傳輸的光信號，有效地保證每個傳感器接收N路信號。當其中有一個支路的光纖發生斷裂，這一路的信號將不能被傳輸到傳感器中，但是其他支路的光信號仍然可以傳輸到該傳感器中，可以使得該傳感器始終有傳感信號發射，有效避免了支路斷裂造成的影響，因此該傳感網具有自愈功能。當兩個及以上支路發生斷裂(根據研究，連接光纖斷裂的概率較大，因此本專利中主要針對連接光纖失效的形式)時，傳感器接收的光信號的強度將下降，由於該傳感器的SNR較大，所以光信號下降到噪聲界限以上時，均可被解調儀檢測，此時光纖傳感網都具有自愈性能。但是當光信號下降到噪聲界限以下時，光信號被噪聲淹沒，無法檢測到有效信號，此時傳感網不具備自愈功能。[0021]儘管上面結合圖對本發明進行了描述，但是本發明並不局限於上述的【具體實施方式】，上述的【具體實施方式】僅僅是示意性的，而不是限制性的，本領域的普通技術人員在本發明的啟示下，在不脫離本發明宗旨的情況下，還可以做出很多變形，這些均屬於本發明的保護之內。
【權利要求】
1.一種具有自愈功能的無源光纖星環網，是由無源光器件組成的光纖傳感網，其特徵在於，所述光纖傳感網包括兩層網絡，即作為上層網絡的星形網絡和作為下層網絡的環形網絡；還包括一個中心節點，所述中心節點處設置有光源，實現光信號的輸出和輸入；其中: 光源發出的入射光信號被與所述中心節點連接的一個2XN耦合器分為N路光信號，該N路光信號被送至與2XN耦合器相連的N個1X2耦合器上，從而構成星形網絡； 上述所有I X 2耦合器的各支路都相鄰連接設置有一個FBG傳感器，從而構成環形網絡； 在所述星形網絡中，輸入光信號都是寬帶信號，FBG傳感器作為傳輸器，其中與FBG傳感器工作波長相匹配的光信號被反射回去成為上行光信號，其他未被反射的光信號成為下行光信號； 在所述環形網絡中，對於每個FBG傳感器，當其中有一個支路的連接光纖發生斷裂，除這一支路以外的其他支路的上行光信號仍傳輸到該支路的FBG傳感器，使得該FBG傳感器始終有傳感信號發射，此時環形網絡上所有FBG傳感器保持正常工作狀態，即實現了自愈功能。
2.如權利要求1所述的具有自愈功能的無源光纖星環網，其特徵在於，所述中心節點處還設置有信號解調系統，用於檢測FBG傳感器接收到的上行光信號，當上行光信號保持在噪聲界限以上時，光纖傳感網具備自愈功能。
3.如權利要求1所述的具有自愈功能的無源光纖星環網，其特徵在於，每個所述IX 2率禹合器都分別具有兩個輸入分支和一個輸出分支。
4.如權利要求1所述的具有自愈功能的無源光纖星環網，其特徵在於，所述其他未被反射的光信號，通過連接光纖和耦合器到達下一個FBG傳感器，這樣每個FBG傳感器接收到的光信號為N路光信號的和。
【文檔編號】H04B10/25GK103944639SQ201410127736
【公開日】2014年7月23日 申請日期:2014年3月31日 優先權日:2014年3月31日
【發明者】賈大功, 張玉龍, 張紅霞, 劉鐵根, 張以謨 申請人:天津大學