专利名称：高可靠性可扩展的三角形光纤传感网设计方法
技术领域：
本发明属于光纤智能传感技术领域，具体涉及一种高可靠性可扩展的三角形光纤传感网，可实现大规模的光纤传感网并且具有自愈功能。
背景技术：
近年来，光纤传感网受到了越来越多的关注。光纤传感网将许多个无源光纤传感器利用复用技术组成一个传感网络，集传感和传输于一体。它具有其它类型的传感器网络无可比拟的优势，如抗电磁干扰、耐恶劣环境、灵敏度高、可实现多参数测量等优点，已经广泛应用于环境监测、灾害预警、智能材料与结构健康监测等方面。随着应用的普及，人们对光纤传感网的要求也越来越高，如希望传感网的规模足够大以适用于桥梁、隧道或者大厦这类大型结构安全的监测，同时也要求传感网的可靠性高，以至出现故障或遭受恶意破坏时，传感网能在一定程度上继续工作。专利CN200610130121.3提出的“光纤光栅传感系统”提供了一种多级、网络式光纤光栅传感系统，该系统能够同时测量环境温度和监测物体的应变情况，具有实时监测、测试范围大的优点，适合大规模测量的场合。但是该系统不具有自愈功能，可靠性低。专利 CN200710019914.2提出的“具有生存性保证的光纤光栅传感网络”采用扇形子网级模型，能保证网络在一处或多处链路发生失效的时候，网络中的传感器可以正常工作，并且可以将多个扇形子网级联起来构成大规模的传感网络模型，但是该网络中的节点个数多，节点结构比较复杂。
发明内容
本发明目的是解决现有大规模传感网不具有自愈功能、可靠性低或存在网络中的节点个数多、节点结构比较复杂的问题，提供一种高可靠性可扩展的三角形光纤传感网设计方法。本发明设计了一种三角形的光纤传感网，利用光开关及结构本身的特点使光纤传感网具有自愈功能，提高了网络的可靠性。并且这种结构很容易实现扩展，使之更加适合于实际中大规模、多点的测量。本发明提供的高可靠性可扩展的三角形光纤传感网设计方法的设计步骤如下 第1、三角形光纤传感网的中心三角形设计
首先设计一个等边三角形，在三角形的每一条边上都至少串联1个光纤传感器，在三角形亦即最外层三角形中的一个顶点处连接一个2X2的光开关，称为主开关，用于传递光源、传感器和解调系统之间的光信号以及实现光纤传感网的自愈功能，定义该结构是扩展度为1的三角形光纤传感网；
第2、三角形光纤传感网的第1次扩展
作第1步设计的中心三角形的外接三角形，使原三角形的三个顶点分别位于外接三角形三条边的中点，这样得到另外3个与中心三角形全等的三角形，构成内外两层三角形，新扩展的3个三角形分别与原三角形共用一条边，另两条边上每条边至少串联1个光纤传感器，外接大三角形亦即最外层三角形的其中一个顶点上连接一个2X2的光开关，称为主开关，内层三角形的每个顶点上各连接一个2X2的光开关，为了区分，称为从开关，主要用于实现三角形光纤传感网的自愈功能，并定义该结构是扩展度为2的三角形光纤传感网； 第3、三角形光纤传感网的第i-Ι次扩展按照第2步的扩展方法，逐次进行扩展；
当对三角形光纤传感网进行第i-Ι次扩展时，得到内外共计i层三角形，其中i>2，各层中的每个三角形的每条边至少串联1个光纤传感器，最外层三角形的其中一个顶点上连接一个2X2的光开关，称为主开关，各内层三角形的每个顶点上也各连接一个2X2的光开关，为了区分，称为从开关，主要用于实现三角形光纤传感网的自愈功能，并定义该结构是扩展度为i的三角形光纤传感网。为了使三角形光纤传感网对称以简化结构，第1步设计的中心三角形的各边上串联1个光纤传感器；第2步设计的扩展度为2的三角形光纤传感网的第2层三角形每条边上各有2个光纤传感器；第3步设计的扩展度为i的三角形光纤传感网中共有i层三角形，
第i层三角形每条边上各有214个光纤传感器，整个三角形光纤传感网共有 2 s4个传
感器；内层三角形中，每层三角形的每个顶点处都有1个从开关，共有3(i-Ij个从开关；在最外层三角形其中一个顶点处有一个主开关。所述的2 X 2的光开关有两种状态交叉态和平行态，根据各2 X 2的光开关所在位置及光路的需要决定光开关状态；各2X2光开关状态由人工控制。
本发明的优点和积极效果
(1)本发明提出的三角形光纤传感网方案结构简单，扩展性能好，扩展后结构保持自相似性，能简化光信号的问询过程和解调过程。(2)基于光开关状态的切换可以实现自愈功能，即使在多个故障点发生的情况下能够保持网络正常工作，网络可靠性高。(3)该网络扩展后规模大，且相对于数量较多的光纤传感器来说，所需要的光开关较少，因此成本较低。
图1是扩展度为1的三角形光纤传感网结构示意图， 图中，1是主开关(2X2光开关)，2、3、4都是光纤传感器。图2是扩展度为2的三角形光纤传感网结构示意图，
图中，1是主开关(2X2光开关)，2 10都是光纤传感器，11、12、13都是从开关(2X2光开关)。图3是扩展度为3的三角形光纤传感网结构示意图，
图中1是主开关(2X2光开关)，11 16都是从开关(2X2光开关)，2 10、17 28都是光纤传感器。图4是2X2光开关的两种状态，其中(a)为交叉态，(b)为平行态。
图5是网络中有一个连接点故障时自愈性的示意图，其中(a)为网络中没有故障点时所有开关的状态及信号传输路径示意图，(b)为网络中出现故障点后二次采集信号时所有开关的状态及信号传输路径示意图，图中已经画出各个光开关的状态以及相应的传输路径。图6是网络中有两个连接点故障时自愈性的示意图，其中(a)为网络中没有故障点时所有开关的状态及信号传输路径示意图，(b)为网络中出现故障点后二次采集信号时所有开关的状态及信号传输路径示意图，(c)为网络中出现故障点后三次采集信号时所有开关的状态及信号传输路径示意图，(d)为网络中出现故障点后四次采集信号时所有开关的状态及信号传输路径示意图，图中已经画出各个光开关的状态以及相应的传输路径。
具体实施例方式本发明提供的高可靠性可扩展的三角形光纤传感网设计方法的设计步骤如下 第1、三角形光纤传感网的中心三角形设计
如图1所示，为一个等边三角形，我们在其每一条边上都串联一个光纤传感器，并且在三角形其中的一个顶点处连接有一个2X2的光开关，我们称为其主开关，用于传递光源、 传感器和解调系统之间的光信号以及实现该方案的自愈功能。设该结构为扩展度i=l的三角形光纤传感网。第2、三角形光纤传感网的第1次扩展
作上述中心三角形的外接三角形使原三角形的三个顶点分别位于外接三角形三条边的中点，这样我们得到另外3个与原图1全等的三角形，构成内外两层三角形，如图2所示。 这新扩展的3个三角形分别与原三角形共用一条边，另两条边上每条边至少串联1个光纤传感器，但为了对称以简化结构，我们串联与原三角形每边相等的个数即1个传感器。外接大三角形的其中一个顶点上有一个2X2的光开关，称为主开关，原图1中的主开关撤掉。内层三角形的每个顶点上各连接一个2X2的光开关，为了区分，我们称为从开关，主要用于实现自愈功能。这样我们得到扩展度i=2的三角形光纤传感网。容易看出，i=2时，从整体上看共有两层三角形，内层三角形每条边上有1个光纤传感器，外层外接三角形每条边上有2个光纤传感器，一共有9个传感器，3个从开关，1个主开关。第3、三角形光纤传感网的第1 1次扩展
按照第2步的扩展方法，逐次进行扩展，理论上可以无限次扩展； 在图2的基础上以第2步同样的方法再做一个外接三角形，我们就得到新的3个与图 2全等的三角形，内外共计3层三角形，如图3所示。这3个新扩展的三角形分别与图2的三角形共用一条边，另两条边上每条边至少串联1个光纤传感器，但为了对称以简化结构， 我们串联与图2三角形每边相等的个数即2个传感器。在最外层三角形的其中一个顶点上有一个2X2的光开关，称为主开关，内层各三角形的每个顶点上各有一个2X2的从开关， 且图2中的主开关被撤掉。这样我们得到i=3的三角形传感网。此时，从整体上看共有三层三角形，最外层三角形每条边上有4个光纤传感器，中间层每条边上有2个传感器，最内层为1个，整个结构共有21个传感器，6个从开关，1个主开关。
由此可推得，扩展度为i (第i -1次扩展)的三角形传感网络共有i层三角形，最外层三角形每条边上有2i-1个光纤传感器，共有
权利要求
1.一种高可靠性可扩展的三角形光纤传感网设计方法，其特征在于该方法的设计步骤如下第1、三角形光纤传感网的中心三角形设计首先设计一个等边三角形，在三角形的每一条边上都至少串联1个光纤传感器，在三角形亦即最外层三角形中的一个顶点处连接一个2X2的光开关，称为主开关，用于传递光源、传感器和解调系统之间的光信号以及实现光纤传感网的自愈功能，定义该结构是扩展度为1的三角形光纤传感网；第2、三角形光纤传感网的第1次扩展作第1步设计的中心三角形的外接三角形，使原三角形的三个顶点分别位于外接三角形三条边的中点，这样得到另外3个与中心三角形全等的三角形，构成内外两层三角形，新扩展的3个三角形分别与原三角形共用一条边，另两条边上每条边至少串联1个光纤传感器，外接大三角形亦即最外层三角形的其中一个顶点上连接一个2X2的光开关，称为主开关，内层三角形的每个顶点上各连接一个2X2的光开关，为了区分，称为从开关，主要用于实现三角形光纤传感网的自愈功能，并定义该结构是扩展度为2的三角形光纤传感网； 第3、三角形光纤传感网的第i-Ι次扩展按照第2步的扩展方法，逐次进行扩展；当对三角形光纤传感网进行第i4次扩展时，得到内外共计i层三角形，其中i>2，各层中的每个三角形的每条边至少串联1个光纤传感器，最外层三角形的其中一个顶点上连接一个2X2的光开关，称为主开关，各内层三角形的每个顶点上也各连接一个2X2的光开关，为了区分，称为从开关，主要用于实现三角形光纤传感网的自愈功能，并定义该结构是扩展度为i的三角形光纤传感网。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于为了使三角形光纤传感网对称以简化结构，第1步设计的中心三角形的各边上串联1个光纤传感器；第2步设计的扩展度为2的三角形光纤传感网的第2层三角形每条边上各有2个光纤传感器；第3步设计的扩展度为i的三角形光纤传感网中共有i层三角形，第i层三角形每条边上各有21—1个光纤传感器，整i个三角形光纤传感网共有Σ 2s4个传感器；内层三角形中，每层三角形的每个顶点处都s; I有1个从开关，共有3(i -1)个从开关；在最外层三角形其中一个顶点处有一个主开关。
3.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于所述的2X2的光开关有两种状态交叉态和平行态，根据各2 X 2的光开关所在位置及光路的需要决定光开关状态；各2 X 2光开关状态由人工控制。
全文摘要
一种高可靠性可扩展的三角形光纤传感网设计方法。包括三角形光纤传感网的中心三角形设计，传感网的第1次扩展及第次扩展，经第次扩展后，得到内外层三角形，扩展度为的三角形光纤传感网。为了使三角形光纤传感网对称以简化结构，第层三角形每条边上各有个光纤传感器，整个传感网共有个光纤传感器；内层三角形中，每层三角形的每个顶点处都有1个从开关，共有个从开关；在最外层三角形其中一个顶点处有一个主开关。本发明提出的三角形光纤传感网方案结构简单，扩展性能好，扩展后规模大，所需要的光开关较少，扩展后结构保持自相似性，能简化光信号的问询过程和解调过程。自愈功能强，即使发生多个故障点仍能保持网络正常工作，网络可靠性高。
文档编号G01D5/26GK102291180SQ20111017426
公开日2011年12月21日 申请日期2011年6月27日 优先权日2011年6月27日
发明者刘铁根, 张以谟, 张红霞, 王姝, 贾大功 申请人:天津大学