本发明涉及光电子测量与无线通信交叉技术领域，尤其指一种无线光子温度传感系统和方法。
背景技术：
温度是表征物体冷热程度的物理量，是工农业生产过程中一个很重要而普遍的测量参数。温度的测量及控制对保证产品质量、提高生产效率、节约能源、生产安全、促进国民经济的发展起到非常重要的作用。温度传感器是能感受温度，并能按照一定的规律将温度转换成可用的输出电信号的器件或装置，它是实现温度的测量与控制的核心部件，被广泛应用于各种工业环境，涉及航空航天、军工、石化、油井、电力、船舶、机床、管道等众多行业。
在大多数情况下，温度传感器是采用布线方式将采集到的温度信号进行传输，但在通信距离远、环境较为恶劣的情况下，温度传感器则采用无线通讯的方式传输信号，当前的无线温度传感器是将温度信息转变为近直流附近的基带信号，然后再将该信号调制至适合无线传输的载波上去，最后传送至中心站进行处理，此种传感方式的缺陷在于：温度信息被转换成电信号的过程是在近直流端完成，对于电子系统而言，近直流端的噪声成份复杂、且远大于高频端的噪声，当温度传感信号微弱时，容易被系统噪声淹没，这严重限制了传感器的灵敏度。
技术实现要素：
本发明所要解决的技术问题是提供一种无线光子温度传感系统和方法，前述无线光子温度传感系统可解决传统无线温度传感系统其灵敏度受限的问题，其整个传感过程在高频端完成，能很好的克服噪声对传感信号的干扰，提高传感系统的灵敏度。
为了解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案：一种无线光子温度传感系统，包括多个基站和一个中心站，各基站用于将各自采集到的温度信息转变为微波功率增益并通过无线电技术向空气信道发射带温度信息的传感信号，所述中心站用于发送振荡信号给各基站、接收来自各基站的传感信号并通过信号处理、校准与计算还原成温度值，所述中心站采用频分复用技术与各基站之间进行温度无线传感。
进一步地，所述基站包括温度感应器、1号放大器、2号放大器、1号滤波器、2号滤波器、3号滤波器、1号环形器以及收发无线电磁波的1号天线；所述温度感应器的输入端与2号放大器的输入端连接，所述2号放大器的输出端与3号滤波器的输入端连接，所述3号滤波器的输出端与1号环形器连接，所述1号放大器的输入端也与1号环形器连接，所述1号放大器的输出端与2号滤波器的输入端连接，所述2号滤波器的输出端与温度感应器的输入端连接，所述1号滤波器分别与1号环形器、1号天线连接；所述温度感应器用于将温度信息转变为微波功率增益。
更进一步地，所述中心站包括计算机、振荡器、3号放大器、4号滤波器、5号滤波器、2号环形器、功率计以及收发无线电磁波的2号天线；所述计算机通过控制线控制振荡器产生振荡信号，所述振荡器的输出端与2号环形器电连接，所述3号放大器的输入端也与2号环形器连接，所述3号放大器的输出端与5号滤波器的输入端连接，所述5号滤波器的输出端与功率计的输入端连接，所述功率计的输出端与计算机连接，所述4号滤波器分别与2号环形器、2号天线连接。
更进一步地，所述温度感应器包括温度传感器、偏置器、激光器、电光相位调制器、光电探测器、1号耦合器、2号耦合器、1号光纤和2号光纤，所述温度传感器与偏置器的直流输入端连接，所述偏置器的输出端与电光相位调制器的偏置电压输入端连接，所述激光器与1号耦合器的输入端连接，所述1号耦合器的输出端分别与1号光纤的一端及电光相位调制器的光输入端连接，所述1号光纤的另一端、电光相位调制器的光输出端均与2号耦合器的输入端连接，所述2号耦合器的输出端与2号光纤的一端连接，所述2号光纤的另一端与光电探测器的光输入端连接，所述偏置器的交流输入端作为微波输入端，所述光电探测器的电输出端作为微波输出端。
更进一步地，所述温度传感器与偏置器之间电连接有放大并调整温度传感器输出信号的适配电路。
更进一步地，所述温度传感器采用热电偶。
优选地，所述激光器与1号耦合器之间还电连接有一个改变注入电光相位调制器光功率的可调光衰减器。
基于与上述无线光子温度传感系统同样的发明构思，本发明还提供一种无线光子温度传感方法，包括：构建马赫-增德尔型干涉仪，激光器发射光信号通过耦合器分成上下两支路，上支路光信号通过光纤与下支路通过电光相位调制器的光信号进入耦合器进行干涉；中心站的振荡器通过计算机控制产生微波振荡信号，该信号通过无线通信被基站接收，作为基站的微波输入信号源；构建微波光子链路式的温度感应器，热电偶探测的温度信号和接收到的中心站振荡器产生的振荡微波信号分别作为马赫-增德尔干涉仪的直流偏置电压与微波输入信号，实现该微波输入信号对光信号的强度调制，并通过温度变化来控制直流偏置电压的大小，进而影响微波信号的功率增益，从而实现温度-微波功率增益的转变；最后通过无线电技术将传感信号传输至中心站，在中心站读取该信号的功率值并进行校准与计算，转换成温度值，实现温度传感。
进一步地，结合上面所述的无线光子温度传感系统，本发明所涉无线光子温度传感方法具体包括以下步骤：
1)产生并传送振荡信号：
中心站的计算机通过控制线对振荡器下指令使其产生振荡信号，该振荡信号通过2号环形器传送至4号滤波器实现噪声与杂散抑制，然后通过2号天线发送至基站的1号天线，通过1号天线接收后再经过1号滤波器进行滤波到达1号环形器，1号环形器引导信号入射至1号放大器，放大信号通过2号滤波器入射至温度感应器的偏置器的交流输入端；
2)温度信息-微波功率增益的转变：
在温度感应器中，激光器发射光信号通过1号耦合器分成上下两支路，上支路光信号通过1号光纤与下支路通过电光相位调制器的光信号进入2号耦合器进行干涉，构成马赫-增德尔型干涉仪；热电偶探测温度信号并转换为其两端的电压信号，该电压信号通过适配电路的放大与调整后从偏置器的直流输入端输入至偏置器中，此时，偏置器直流输入端的信号和交流输入端的信号在偏置器内进行叠加处理后输出，作为电光相位调制器的偏置电压，电光相位调制器在偏置电压的作用下对光信号进行相位调制，2号耦合器将下支路已调相的光信号与上支路光信号进行干涉叠加，最终实现强度调制后通过2号光纤延时后进入光电探测器还原成电信号，最终实现微波输出。在该温度感应器中，链路增益与直流偏置电压相关，即与热电偶感应的温度信号相关，热电偶两端电压与温度的关系为：
ut＝f(t)
其中，t为环境温度，热电偶两端电压与温度的关系比值依热电偶的具体型号而定；
通过偏置器加载在电光相位调制器的直流偏置电压为：
vd(t)＝(ut-u0)g
其中，u0为热电偶传感的最小电压，g为适配电路增益，uo与g的取值应使得0≤vd(t)≤0.5vπ，vπ为电光相位调制器的半波电压，该取值由具体型号的电光相位调制器决定；
温度感应器的输入-输出微波功率增益为：
其中，β为2号光纤的传输损耗，ρ为光电探测器的响应度，pin为温度感应器中输入的光功率，zl与zin分别为链路负载阻抗与输入阻抗，均为50ω；
3)信号处理与计算：
从温度感应器输出的微波信号通过2号放大器与3号滤波器到达1号环形器，1号环形器引导信号经过1号滤波器后通过1号天线发射至2号天线，中心站通过2号天线接收基站信号，然后通过4号滤波器4、2号环形器到达3号放大器，信号放大后通过5号滤波器到达功率计实现功率探测，最终将功率数据传送至计算机，计算机通过分析振荡器的输出功率pe与功率计的接收功率pr来计算整个链路的增益g＝pr/pe，不计温度感应器，整个通信链路中其它器件所产生的总体增益为ge,则有g＝goge，即有：
其中，ge可通过系统校准获取，基于上式中链路增益g与vd(t)的关系即可求解vd(t)的值，然后求解感应温度t的值，从而实现温度传感。
本发明基于无线光子技术构建微波光子链路，将温度信息转变为微波功率增益，在高频端实现温度传感，有效避免了传感系统近直流噪声的负面影响，提高了传感系统的灵敏性。具体来说，本发明先采用振荡器为温度感应器提供振荡微波信号，再采用温度感应器实现温度-微波功率增益的转换，后通过无线电技术将携带温度信息的传感信号传送至中心站，进行信号处理、计算得出传感信号的温度值，从而实现温度传感，突破了传统温度传感系统的局限性。另外，本发明的无线光子温度传感系统采用频分复用技术实现中心站到多个传感信号基站的通信，有利于传感网络的全方位覆盖。
附图说明
图1为本发明中的无线光子温度传感系统的网络结构示意图；
图2为本发明中的无线光子温度传感系统的整体结构示意图；
图3为本发明中的温度感应器的结构示意图；
图4为使用本发明测量得到的温度感应器的直流偏置电压与微波功率增益的关系图。
具体实施方式
为了便于本领域技术人员的理解，下面结合实施例与附图对本发明作进一步的说明，实施方式提及的内容并非对本发明的限定。
本发明主要基于以下技术思路：先构建马赫-增德尔型干涉仪，激光器发射光信号通过耦合器分成上下两支路，上支路光信号通过光纤与下支路通过电光相位调制器的光信号进入耦合器进行干涉；中心站的振荡器通过计算机控制产生微波振荡信号，该信号通过无线通信被基站接收，作为基站的微波输入信号源；再构建微波光子链路式的温度感应器，热电偶探测的温度信号和接收到的中心站振荡器产生的振荡微波信号分别作为马赫-增德尔干涉仪的直流偏置电压与微波输入信号，实现该微波输入信号对光信号的强度调制，并通过温度变化来控制直流偏置电压的大小，进而影响微波信号的功率增益，从而实现温度-微波功率增益的转变；最后通过无线电技术将传感信号传输至中心站，在中心站读取该信号的功率值并进行校准与计算，转换成温度值，实现温度传感。
图1示出了一种无线光子温度传感系统的网络结构示意图，该传感系统包括n个基站和一个中心站，采用频分复用技术实现n个基站到中心站的温度无线传感，中心站与各个基站之间的通信频率分别对应为f1、f2、f3...fn。
图2和图3具体示出了无线光子温度传感系统中的中心站与单个基站的整体结构图，基站包括温度感应器、1号放大器、2号放大器、1号滤波器、2号滤波器、3号滤波器、1号环形器以及1号天线，温度感应器包括热电偶、适配电路、偏置器、激光器、电光相位调制器、光电探测器、1号耦合器、2号耦合器、1号光纤和2号光纤；中心站包括计算机、振荡器、3号放大器、4号滤波器、5号滤波器、2号环形器、功率计以及2号天线；热电偶与适配电路的输入端连接，适配电路的输出端与偏置器的直流输入端连接，偏置器的输出端与电光相位调制器的偏置电压输入端连接，激光器与1号耦合器的输入端连接，1号耦合器的输出端分别与1号光纤的一端、电光相位调制器的光输入端连接，1号光纤的另一端、电光相位调制器的光输出端均与2号耦合器的输入端连接，2号耦合器的输出端与2号光纤的一端连接，2号光纤的另一端与光电探测器的光输入端连接，光电探测器的电输出端与2号放大器的输入端连接，2号放大器的输出端与3号滤波器的输入端连接，3号滤波器的输出端与1号环形器连接，1号放大器的输入端也与1号环形器连接，1号放大器的输出端与2号滤波器的输入端连接，2号滤波器的输出端与偏置器的交流输入端连接，1号滤波器与1号环形器、1号天线连接，1号滤波器设于1号环形器与1号天线之间；计算机通过控制线控制振荡器产生振荡信号，振荡器的输出端与2号环形器连接，3号放大器的输入端也与2号环形器连接，3号放大器的输出端与5号滤波器的输入端连接，5号滤波器的输出端与功率计的输入端连接，功率计的输出端与计算机连接，4号滤波器分别与2号环形器、2号天线连接，4号滤波器设于2号环形器与2号天线之间；1号天线与2号天线均可收发无线电磁波，两者用于实现基站与中心站之间进行无线通信。
基于上述实施方式的无线光子温度传感系统进行温度传感，其具体步骤及数据分析如下：
1)产生并传送振荡信号：
中心站的计算机通过控制线对振荡器下指令使其产生振荡信号，该振荡信号通过2号环形器传送至4号滤波器实现噪声与杂散抑制，然后通过2号天线发送至基站的1号天线，通过1号天线接收后再经过1号滤波器进行滤波到达1号环形器，1号环形器引导信号入射至1号放大器，放大信号通过2号滤波器入射至温度感应器的偏置器的交流输入端；
2)温度信息-微波功率增益的转变：
在温度感应器中，激光器发射光信号通过1号耦合器分成上下两支路，上支路光信号通过1号光纤与下支路通过电光相位调制器的光信号进入2号耦合器进行干涉，构成马赫-增德尔型干涉仪；热电偶探测温度信号并转换为其两端的电压信号，该电压信号通过适配电路的放大与调整后从偏置器的直流输入端输入至偏置器中，此时，偏置器直流输入端的信号和交流输入端的信号在偏置器内进行叠加处理后输出，作为电光相位调制器的偏置电压，电光相位调制器在偏置电压的作用下对光信号进行相位调制，2号耦合器将下支路已调相的光信号与上支路光信号进行干涉叠加，最终实现强度调制后通过2号光纤延时后进入光电探测器还原成电信号，最终实现微波输出。在该温度感应器中，链路增益与直流偏置电压相关，即与热电偶感应的温度信号相关，热电偶两端电压与温度的关系为：
ut＝f(t)(1)
其中，t为环境温度，热电偶两端电压与温度的关系比值依热电偶的具体型号而定，可通过查阅使用手册得知，适配电路旨在通过电压的调整与放大使得直流偏置电压的取值范围为0-0.5vπ，vπ为调制器的半波电压，其取值由对应的调制器决定，通过偏置器加载在相位调制器的直流偏置电压为：
vd(t)＝(ut-u0)g(2)
其中，uo为热电偶传感的最小电压，g为适配电路增益，uo与g的取值应使得0≤vd(t)≤0.5vπ，vπ为电光相位调制器的半波电压，该取值由具体型号的电光相位调制器决定。
如图3所示的温度感应器，即前述的马赫-增德尔干涉结构，该结构的上臂不加任何电信号，下臂通过偏置器加电信号，该电信号由直流电压信号与交流电压信号两部分组成，设输入光载波为：
ein＝e0cosωct(3)
其中，eo为光载波的幅值，ωc为角频率，t为时间，则两光信号通过波导后可表示为：
其中，vmw为交流电压信号,vπ为电光相位调制器的半波电压，通过2号耦合器后两光干涉，可表示为：
转换成光功率可得相干后的输出光功率为：
其中，pout与pin分别为输出与输入的光功率；输入的电信号由直流电压信号与交流电压信号两部分组成。由上式不难看出，输出光功率与输入电信号程正弦函数的关系，即完成了电信号对光载波的强度调制。
基于上述结构和方法实现了电信号对光载波的强度调制，实现了电光强度调制器的功能，已调制光信号在2号光纤中传输后在光电探测器输出端还原成电信号。设微波光子链路的输入信号的交流电压信号为：
vmw＝v0cosωt
(9)
该信号通过强度调制器对光强进行调制，并在光电探测器输出端最终被还原成微波信号。设2号光纤的传输损耗为β，探测器的响应度为ρ，则最终输出的微波信号为：
将上式进行第一类贝塞尔函数展开，基于电学基本知识-功率p与电压v的关系式p＝v2/r，其中r为阻抗值，可得输出交流电信号功率与输入信号功率比，即温度感应器的输入-输出微波功率增益为：
其中，zl与zin分别为链路负载阻抗与输入阻抗，均为50ω。
3)信号处理与计算：
从温度感应器输出的微波信号通过2号放大器与3号滤波器到达1号环形器，1号环形器引导信号经过1号滤波器后通过1号天线发射至2号天线，中心站通过2号天线接收基站信号，然后通过4号滤波器4、2号环形器到达3号放大器，信号放大后通过5号滤波器到达功率计实现功率探测，最终将功率数据传送至计算机，计算机通过分析振荡器的输出功率pe与功率计的接收功率pr来计算整个链路的增益g＝pr/pe，不计温度感应器，整个通信链路中其它器件所产生的总体增益为ge,则有g＝goge，即有：
其中，ge可通过系统校准获取，基于公式(1)、(2)、(12)，通过计算机最终求解出感应温度t的值，从而实现温度传感。
更进一步，为深入了解温度信息能够对温度感应器的功率增益进行控制转换，阐述温度感应器的直流偏置电压与微波功率增益的关系，基于图3构建温度感应器的测试平台。具体的，该温度传感系统中，激光器采用型号为1772的分布反馈型半导体激光器，鉴于激光器的高功率输出对应低的相对强度噪声的考虑，测试中让激光器工作在饱和输出功率下，后接一个可调光衰减器(图3中未示出)来改变注入调制器端的光功率，电光相位调制器采用型号为mpx-ln的相位调制器，该相位调制器的带宽为40ghz，光电探测器采用型号为dsc40的高线性光电探测器，1号放大器、2号放大器、3号放大器均采用型号为hmc406的低噪声微波放大器，1号光纤、2号光纤均采用型号为smf-28的通信光纤延时线，振荡器采用型号为n5183b的模拟信号发生器，该模拟信号发生器的振荡信号频率为10ghz，其他无源器件均采用常用型号，按照前述步骤1)、2)、3)进行测试，得出如图4所示的测试结果，测量数据与理论数据能够较好地吻合，当直流偏置电压vd(t)从0到0.5vπ逐渐增加时，温度感应器对应的功率增益呈一一对应的关系且随着vd(t)的增加而逐渐增加，上述测试效果进一步验证了本发明所涉方案的正确性。
上述实施例为本发明较佳的实现方案，除此之外，本发明还可以其它方式实现，在不脱离本技术方案构思的前提下任何显而易见的替换均在本发明的保护范围之内。
为了让本领域普通技术人员更方便地理解本发明相对于现有技术的改进之处，本发明的一些附图和描述已经被简化，并且为了清楚起见，本申请文件还省略了一些其它元素，本领域普通技术人员应该意识到这些省略的元素也可构成本发明的内容。