一种多参量、大容量光纤无源传感组网系统的制作方法
【专利摘要】本发明公开了一种多参量、大容量光纤无源传感组网系统，涉及光纤传感网领域，宽带光源发出传感信号、中心控制节点发出控制信号，传感信号和控制信号通过波分复用器的处理后经过工作发射端和光纤耦合器一同进入工作光纤中，经过一段传输到达传感器节点，将传感器节点所需传感信号和控制信号经过工作端连接光纤和解波分复用器送达传感器节点，其余传感信号和控制信号由光开关和光纤耦合器继续向余下N-1个传感器节点传播。本发明实现了多参量、大容量光纤无源传感网，将分立式光纤传感单元和分布式传感单元融合在无源网络中，混合多种拓扑结构，保证了光纤传感网高效、可靠运行。
【专利说明】一种多参量、大容量光纤无源传感组网系统
【技术领域】
[0001]本发明涉及光纤传感网领域，尤其涉及一种多参量、大容量光纤无源传感组网系统。
【背景技术】
[0002]光纤传感网是将大量实现不同功能的光纤传感单元和解调单元按照一定的拓扑结构有机组合在一起而形成的一种信息传感和解调网络。光纤传感单元和解调单元是光纤传感网的核心组成部分，负责实现传感信息的有效获取；拓扑结构反映的是网络的结构关系，它对于网络的性能、可靠性以及建设和管理成本等也有着十分重要的影响。
[0003]光纤无源传感网是由主干网、传感子网、中心控制节点和N个分控制节点组成。主干网由信号光源、控制光源、光纤耦合器、光开关、单模光纤等器件组成；传感子网由N个光纤传感器节点、解调接收模块、光开关等器件组成；传感子网包括多种、多个分立式传感子网和分布式传感子网，每个传感子网由分布或分立无源光纤传感单元构成；中心控制节点由节点发射模块、连续激光、中心控制芯片、光开关、PIN管等所组成；分控制节点由节点发射模块、连续激光、分控制芯片、光开关、PIN管等所组成；分立式传感子网和分布式传感子网在性能、应用等方面各有优缺点，不应试图单方替代，而应合理组合互为补充。
[0004]现有的研究报道都是分别针对分立式和分布式传感子网进行研究，而混合组网有利于发挥分立式传感单元和分布式传感单元各自的优势，实现多参量、大容量的光纤无源传感网。反过来多参量、大容量的光纤传感网也制约了网络向多种拓扑结构、融合分立式与分布式的方向发展。
【发明内容】
[0005]本发明提供了一种多参量、大容量光纤无源传感组网系统，本发明提出了分立式与分布式光纤传感混合组网，以实现多参量、大容量光纤无源传感网，将分立式光纤传感单元和分布式传感单元融合在无源网络中，混合多种拓扑结构，保证了光纤传感网高效、可靠运行，详见下文描述:
[0006]一种多参量、大容量光纤无源传感组网系统，包括:宽带光源、中心控制节点、波分复用器、光纤耦合器、光开关和N个分控制节点，
[0007]所述宽带光源发出传感信号、所述中心控制节点发出控制信号，所述传感信号和所述控制信号通过所述波分复用器的处理后经过工作发射端和所述光纤耦合器一同进入工作光纤中，
[0008]经过一段传输到达传感器节点，将所述传感器节点所需传感信号和控制信号经过工作端连接光纤和解波分复用器送达传感器节点，其余传感信号和控制信号由光开关和所述光纤耦合器继续向余下N-1个传感器节点传播。
[0009]光纤在所述中心控制节点与所述分控制节点间传输，分别由下行控制信号1450nm和上行控制信号1350nm的波长来进行传输。[0010]所述系统还包括:备用通道、备用光纤和备用连接光纤，
[0011]若所述工作发射端出现故障，将所述宽带光源和所述中心控制节点切换至所述备用通道，依次经过所述备用光纤和所述备用连接光纤进入到所述传感器节点。
[0012]本发明提供的技术方案的有益效果是:
[0013]1、各传感节点内的传感器节点所用波长不同，并且传感器节点自身可决定是否将调制信号传回接收端一同处理或者在传感节点就近处理调制信号得到被测量，该系统对于单模的光纤传感器节点没有具体的类型限制。
[0014]2、光纤在中心控制节点与分控制节点间传输，分别由下行控制信号1450nm和上行控制信号1350nm的波长来进行传输，在节点模块间是完全的无源传输，具有抗电磁干扰、体积小、低损耗等一系列突出优点。
[0015]3、以各传感器节点连线为中轴，对工作光纤和耦合器光开关等器件镜像出保护光纤及连接器件，当发生光纤断裂或者器件的损坏导致某个或几个传感器节点无法正常传感时，可自动切换至备用通道使传感与通信恢复正常。
[0016]4、当在每个子节点中发生一处故障时系统可恢复全部传感器节点的工作，恢复率可达100% ;若同一节点内有两处故障发生，考虑所有的可能发生的故障组合，以十个传感器节点为例，可对92%的故障提供完全的信号恢复。
【专利附图】
【附图说明】
[0017]图1为多参量、大容量光纤无源传感组网系统的结构示意图；
[0018]图2为光纤传感子网中传感器节点自愈保护光路示意图；
[0019]图3为任意传感器节点内工作光纤断裂的节点内示意图；
[0020]图4为将光纤传感网的N个传感器节点划分为N个区块，以此为基础分析不同数量种类的故障发生时传感网的自愈能力的传感网模型示意图。
[0021]附图中，各标号所代表的部件列表如下:
[0022]1:传感信号和控制信号； 2:工作通道发射端；
[0023]3:光纤耦合器；4:工作光纤；
[0024]5:工作端连接光纤；6:备用通道发射端；
[0025]7:备用光纤；8:备用连接光纤；
[0026]9:传感器节点；10:传感及控制信号接收端；
[0027]11:光开关。
【具体实施方式】
[0028]为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面对本发明实施方式作进一步地详细描述。
[0029]因此，研究如何将分立式光纤传感单元和分布式传感单元合理融合在同一无源网络中的问题，通过混合多种拓扑结构，建立多类型、多参量、多拓扑、大容量的光纤无源传感网组网理论和模型具有十分重要的意义。为此，本发明实施例提供了一种多参量、大容量光纤无源传感组网系统，参见图1、图2、图3和图4，详见下文描述:
[0030] 该系统包括:宽带光源(未示出)、中心控制节点(未示出)、波分复用器(未示出)、光纤耦合器3、光开关和N个分控制节点(未示出)，
[0031]宽带光源发出传感信号、中心控制节点发出控制信号，传感信号和控制信号(图1中用I表示)通过波分复用器的处理后经过工作通道发射端2和光纤耦合器3 —同进入工作光纤4中，经过一段传输到达传感器节点9，将传感器节点9所需传感信号和控制信号经过工作端连接光纤5和解波分复用器(未示出)送达传感器节点9，其余传感信号和控制信号由光开关11和光纤耦合器3继续向余下N-1个传感器节点传播。
[0032]与此同时，以各传感器节点9的连线为中轴，对工作光纤4、光纤耦合器3和光开关11等器件镜像出保护光纤及连接器件，当发生光纤断裂或者器件的损坏导致某个或几个传感器节点无法正常传感时，可自动切换至备用通道使传感与通信恢复正常。即，
[0033]若工作通道发射端2出现故障，则将宽带光源和中心控制节点切换至备用通道发射端6，依次经过备用光纤7和备用连接光纤8进入到传感器节点9。传感器节点9则根据自身需要决定是否将信号传回传感及控制信号接收端10。
[0034]参见图2，光纤自愈传感网在正常工作时，传感信号和控制信号均在工作光纤4中传输至传感器节点9，如图2中实线箭头所示。当有故障发生时，根据具体的故障种类和故障所在位置，光纤自愈传感网自动对工作光纤4和备用光纤7两端的光开关11实施切换动作，故障不影响各传感器节点9的正常运行。
[0035]下面结合【具体实施方式】详细说明本发明的多参量、大容量光纤自愈传感网的工作机制及自愈原理，详见下文描述:
[0036]该实施例结合光纤测量压力、温度、扰动定位等传感系统进行说明，光纤传感网正常工作时，可同时探测压力、温度、扰动定位等信息，三个传感系统所用波长不同，同时系统的控制波长为上行1350nm，下行1450nm，具体保护过程包括以下步骤:
[0037]传感信号和控制信号经过工作发射端2、光纤耦合器3、工作光纤4以及工作端连接光纤5传输至传感器节点9，无故障情况下各传感系统均保持正常工作状态，当有故障发生时，根据具体的故障种类(如图3所示为节点内工作光纤发生断裂)和故障所在位置，传感网自动对工作光纤4和备用光纤7的两端的保护光开关实施切换动作，如图2所示，故障不影响各传感器节点9的正常运行。
[0038]参见图4，传感及控制信号I及各传感器节点9构成了彼此串联的网络拓扑结构，据此可对故障进行分析。当系统有N个传感器节点9时，可以定性定量分析当单一传感器节点9内发生一处或两处故障，或两不同传感器节点内各发生一处故障时，针对不同的故障种类光纤传感网的自愈能力。
[0039]光纤在中心控制节点与分控制节点间传输，分别由下行控制信号1450nm和上行控制信号1350nm的波长来进行传输，在节点模块间是完全的无源传输，具有抗电磁干扰、体积小、低损耗等一系列突出优点。
[0040]各传感节点内的传感器节点9所用波长不同，并且传感器节点9自身可决定是否将调制信号传回接收端一同处理或者在传感节点就近将调制信号解调得到被测量，该系统对于单模的传感器节点没有具体的类型限制。
[0041]以N个传感器节点将传感网划分为N个子节点为例，实验证明当在每个子节点中发生一处故障时系统可恢复全部传感器节点的工作,恢复率可达100% ;若同一节点内有两处故障发生，考虑所有的可能发生的故障组合，以十个传感器节点为例，可对92%的故障提供完全的信号恢复。
[0042]光纤传感网的工作状态全部由主控制节点和各分控制节点进行控制，网络以及传感器节点的工作运行状态实时上传至上位机进行操控，操作者可根据需要对系统进行各种自愈性操作。
[0043]综上所述，与现有光纤传感网技术相比，本发明能实现多参量、大容量分立式、分布式光纤传感器的同时组网，信号传输过程实现全程无源。当网络任意位置器件发生故障时，以传感器节点组成的轴向镜像产生的保护光路自动提供自愈功能，带人工修复故障后可由上位机恢复至故障前状态。系统具有很好的稳定行和可扩展性，实现参量、大容量的光纤自愈传感网。
[0044]本发明实施例对各器件的型号除做特殊说明的以外，其他器件的型号不做限制，只要能完成上述功能的器件均可。
[0045]本领域技术人员可以理解附图只是一个优选实施例的示意图，上述本发明实施例序号仅仅为了描述，不代表实施例的优劣。
[0046]以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
【权利要求】
1.一种多参量、大容量光纤无源传感组网系统，包括:宽带光源、中心控制节点、波分复用器、光纤耦合器、光开关和N个分控制节点，其特征在于， 所述宽带光源发出传感信号、所述中心控制节点发出控制信号，所述传感信号和所述控制信号通过所述波分复用器的处理后经过工作发射端和所述光纤耦合器一同进入工作光纤中， 经过一段传输到达传感器节点，将所述传感器节点所需传感信号和控制信号经过工作端连接光纤和解波分复用器送达传感器节点，其余传感信号和控制信号由光开关和所述光纤耦合器继续向余下N-1个传感器节点传播。
2.根据权利要求1所述的一种多参量、大容量光纤无源传感组网系统，其特征在于， 光纤在所述中心控制节点与所述分控制节点间传输，分别由下行控制信号1450nm和上行控制信号1350nm的波长来进行传输。
3.根据权利要求1所述的一种多参量、大容量光纤无源传感组网系统，其特征在于，所述系统还包括:备用通道、备用光纤和备用连接光纤， 若所述工作发射端出现故障，将所述宽带光源和所述中心控制节点切换至所述备用通道，依次经过所述备用光纤和所述备用连接光纤进入到所述传感器节点。
【文档编号】G01D5/26GK103983286SQ201410213363
【公开日】2014年8月13日 申请日期:2014年5月20日 优先权日:2014年5月20日
【发明者】刘铁根, 刘琨, 葛春风, 江俊峰, 徐士博 申请人:天津大学