基于编码式光纤光栅传感的感知网络定位寻址系统及方法
【专利摘要】本发明公开了一种基于编码式光纤光栅传感的感知网络定位寻址系统及方法，它分为三级智能处理过程，第一级采用条件约束下的循环匹配，保证唯一正确的匹配结果。第一级未能寻址的波长信息，通过第二级二次过滤，进一步精确处理。第二级仍未能完全匹配的波长信号，进入第三级使用基于决策矩阵的辅助决策方式，做到有据可依，并与第二级交互处理，直到获得高精度的定位寻址结果。与传统的编码式光纤光栅感知网络寻址定位方法相比，由于采用多级处理方式，严格控制匹配条件与匹配结果，避免了传统方法在感知变化量重合时失效的问题，做到高精度寻址定位。本发明对基于编码式光纤光栅传感的感知网络进行定位寻址，具有很高的精确性和可靠性。
【专利说明】基于编码式光纤光栅传感的感知网络定位寻址系统及方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及传感技术、信息处理和网络通信【技术领域】，具体地指一种基于编码式光纤光栅传感的感知网络定位寻址系统及方法。
【背景技术】
[0002]随着现代工业技术的快速发展，大型工程和重大装备运行过程中的安全监测一直是国际上研究的热点，并已成为诸多国家经济、安全和国防的重要战略问题。传统电测传感器具有抗干扰能力差、无法大规模分布式感知、环境适应性弱、体积质量大、关键部位难以部署等缺点，无法满足长期准确安全监测的需要。特别是对于经常处于多场耦合、环境复杂、状态多变等极端环境下的大型工程或重大装备的状态长期智能感知与监测，电测传感器是无法实施的。而往往对于这些工程和装备运行状态的监测却具有更加重要的意义。随着物联网概念的逐步深入，以光纤光栅为传感源所构成的智能感知网络以其非电传感、本质安全、无电传输、抗电磁干扰、一纤多点、动态多场、分布式组网、易于复用、柔性安装、材料智能、尺寸小、寿命长等优点，在航空航天、核电、石油化工、土木工程、矿井和制造机械等大型工程和重大装备领域的状态智能感知与监测方面的应用具有独有的优势和重大意义，这对于物联网技术在大型工程和重大装备安全监测中的应用也是有益的支持和扩展。
[0003]光纤光栅智能感知网络是集信号传感和网络传输双重作用于一体的网络结构形式，由多个传感器按照一定的网络拓扑结构组合在一起，安装部署在被测部件、结构和装备上，实现多点状态智能感知、信息识别和寻址定位的功能；同时以网络异构融合的方式接入各类通信网络，达到广域环境下的感知信息分布式存储处理、实时状态监测、资源服务提供的目的。
[0004]光纤光栅智能感知网络的实现首先取决于传感节点大规模复用的组网方式与定位寻址方法。为达到大量节点部署与智能高精度定位的目的，许多学者对此也展开了石开究，如参考文献 Pingchuan Li, Xuezeng Zha0.1ncreasing the number of seriesFBG sensors in WDM network using a genetic algorithm.WCICI2008.公开的基于WDM(Wavelength Division Multiplexing,波分复用)技术的感知网络,它是在同一根光纤上布置多个中心反射波长不同的光纤光栅，通过检测光栅反射峰在其波长区间内的波长量来寻址定位。如参考文献 Yunmiao Wang, Jianmin Gong, Wang, D.Y.A Quas1-DistributedSensing network with time-division-multiplexed fiber Bragg gratings.Photonics Technology Letters, IEEE.2011 (2):70-72.公开的基于 TDM (Time DivisionMultiplexing,时分复用)技术的感知网络是根据相邻传感器返回FBG (Fiber BraggGrating,光纤布拉格光栅)信号时间间隔的不同进行定位寻址。如参考文献HongchaoFan, Jinwu Qian, Yanan Zhang.Dynamical Surface Vibration Measurement Based onFBG Sensors and Visualization.Mechatronics and Automation, 2006(7):233-237。基于SDM (SpaceDivisionMultiplexing,空分复用)技术的感知网络利用光路开关实现各个光栅的独立通道连接，根据空间的分离寻址定位。如参考文献Shinoda, Y, Sasaki Yu, NagaiK, Ogura I and Higo T.Real-time Measurement of Multi—pointStrain by Fiber BraggGratings using Optical Frequency Sweeping.1CCAS-SICE, 2009。基于 FDM (FrequencyDivision Multiplexing,频分多路复用)技术的感知网络采用连续波频率调制的方式对FBG进行寻址,实现频域的分离。如参考文献基于CDMA (Code Division Multiple Access,码分多址)技术的感知网络利用伪随机序列调制出的脉宽不等的脉冲作为光源，利用独立相关算法寻址定位。
[0005]上述方案虽然在一定程度上增大了网络容量，但由于复用原理的限制，在系统复杂性与定位难度加大的同时，依然很大程度上难以达到智能感知网络大规模复用的要求。
[0006]编码式光纤光栅是在光纤同一位置刻入两个或两个以上不同中心波长的光栅而形成的新型传感源。编码式光纤光栅所构成的智能感知网络，通过同一位置不同光栅共同对光纤中传输的光信号产生作用，以各个光栅中心波长的不同进行多维复用编码，以同一温度或应变下同一节点编码光栅的变化值近似相等为定位寻址依据。基于编码式光纤光栅智能感知网络具有组网结构简单，网络容量大，节点定位寻址速度快、精度高等优势，大大提高了感知网络的实际应用价值。编码式光纤光栅感知网络还可以与TDM、SDM等传统复用方式混合组网。把编码式光纤光栅传感网作为时分复用网络的一个时间单元子网或空分复用网络的空间通道子网，进一步提高网络容量，满足实际需要。
[0007]基于编码式光纤光栅感知网络是通过WDM方式解调出不同窗口的波长后，依靠上位机算法完成最终的定位寻址。随着智能感知网络规模的扩大，传感节点的精确定位寻址方法起着重要作用，关系到感知网络的实用性和准确性。传统的编码式光栅传感网络寻址定位通过循环比较直接匹配波长近似相等的变化量来实现。在感知节点变化量大量重合时，由于算法的二义性会引起一些列的定位混乱和匹配节点缺失，无法得到准确的定位信息。因此，随着感知节点数量的不断增大，需要一种能够满足大规模感知节点下的高精度智能性定位寻址方法。
[0008]参考文献:C.A.R.Hoare: Quicksort.Computer Journal, Vol.5, I, 10-15 (1962)，该文献记载了快速排序(Quicksort)算法，它是对冒泡排序算法的一种改进。
【发明内容】
[0009]本发明的目的就是要提供一种基于编码式光纤光栅传感的感知网络定位寻址系统及方法，该系统和方法具有较高的寻址定位准确性和实时性。
[0010]为实现此目的，本发明所设计的基于编码式光纤光栅传感的网络定位寻址系统，其特征在于:所述系统包括第一光源、第二光源、第一光纤光栅解调仪、第二光纤光栅解调仪、第一稱合器、第二稱合器、第一光延时器、第二光延时器、数据处理系统、感知信号分析与状态监测系统、串联的多个编码式光纤光栅，其中，第一光源连接第一耦合器的第一接口、第一耦合器的第二接口通过第一光延时器连接串联的多个编码式光纤光栅一端，第一耦合器的第三接口通过第一光纤光栅解调仪连接数据处理系统的信号输入端，第二光源连接第二耦合器的第一接口、第二耦合器的第二接口通过第二光延时器连接串联的多个编码式光纤光栅另一端，第二耦合器的第三接口通过第二光纤光栅解调仪连接数据处理系统的信号输入端，数据处理系统的信号输出端连接感知信号分析与状态监测系统。
[0011]一种基于编码式光纤光栅传感的网络定位寻址系统的网络定位寻址方法，其特征在于，它包括如下步骤:
[0012]步骤1:两个光纤光栅解调仪接收到多个光纤光栅传感器发出的多路感应信号，两个光纤光栅解调仪分别对各自接收到的每路感应信号进行解调，每个光纤光栅解调仪将各自解调后的感应信号的波长信息发送到上位机，即数据处理系统，上位机通过感应信号波长的快速排序算法，分别对同一个光纤光栅解调仪解调的所有感应信号进行排序，并将中心波长相等的感应信号分为一类，两个光纤光栅解调仪对应各自解调的两组感应信号，每组感应信号中中心波长相等的感应信号分为一类；
[0013]步骤2:在上位机内对接收到的所有感应信号的中心波长进行编号，相同中心波长的感应信号获得同样的编号，然后在上位机内对接收到的所有感应信号按照中心波长的编号进行编码，编码格式为两位，第一位为中心波长编号，第二位为波长变化量，所述波长变化量为所述第一位的中心波长编号对应的感应信号波长量减去所述第一位的中心波长量，得到上述两个光纤光栅解调仪解调的感应信号编码矩阵如下；
【权利要求】
1.一种基于编码式光纤光栅传感的网络定位寻址系统，其特征在于:所述系统包括第一光源、第二光源、第一光纤光栅解调仪、第二光纤光栅解调仪、第一稱合器、第二稱合器、第一光延时器、第二光延时器、数据处理系统、感知信号分析与状态监测系统、串联的多个编码式光纤光栅，其中，第一光源连接第一稱合器的第一接口、第一稱合器的第二接口通过第一光延时器连接串联的多个编码式光纤光栅一端，第一耦合器的第三接口通过第一光纤光栅解调仪连接数据处理系统的信号输入端，第二光源连接第二耦合器的第一接口、第二耦合器的第二接口通过第二光延时器连接串联的多个编码式光纤光栅另一端，第二耦合器的第三接口通过第二光纤光栅解调仪连接数据处理系统的信号输入端，数据处理系统的信号输出端连接感知信号分析与状态监测系统。
2.根据权利要求1所述的基于编码式光纤光栅传感的网络定位寻址系统，所述系统的网络定位寻址方法包括如下步骤: 步骤1:两个光纤光栅解调仪接收到多个光纤光栅传感器发出的多路感应信号，两个光纤光栅解调仪分别对各自接收到的每路感应信号进行解调，每个光纤光栅解调仪将各自解调后的感应信号的波长信息发送到上位机，即数据处理系统，上位机通过感应信号波长的快速排序算法，分别对同一个光纤光栅解调仪解调的所有感应信号进行排序，并将中心波长相等的感应信号分为一类，两个光纤光栅解调仪对应各自解调的两组感应信号，每组感应信号中中心波长相等的感应信号分为一类； 步骤2:在上位机内对接收到的所有感应信号的中心波长进行编号，相同中心波长的感应信号获得同样的编号，然后在上 位机内对接收到的所有感应信号按照中心波长的编号进行编码，编码格式为两位，第一位为中心波长编号，第二位为波长变化量，所述波长变化量为所述第一位的中心波长编号对应的感应信号波长量减去所述第一位的中心波长量，得到上述两个光纤光栅解调仪解调的感应信号编码矩阵如下；
3.根据权利要求2所述的网络定位寻址方法，其特征在于:所述步骤I?8的处理过程均在数据处理系统中进行，数据处理系统最终得到的感知网络定位寻址结果矩阵传输给感知信号分析与状态监测系统。
【文档编号】H04W64/00GK103428849SQ201310326070
【公开日】2013年12月4日 申请日期:2013年7月30日 优先权日:2013年7月30日
【发明者】周祖德, 张帆, 刘泉, 徐文君 申请人:武汉理工大学