專利名稱：基于光延遲的可自愈的大容量光纖傳感網(wǎng)的制作方法
技術領域：
本發(fā)明設計一種光纖傳感網(wǎng)絡系統(tǒng)。特別涉及一種采用光延遲來提高傳感網(wǎng)容量 且具有自愈性的光纖傳感網(wǎng)絡系統(tǒng)，屬于光纖智能傳感技術領域。
背景技術：
從光纖技術發(fā)明以來，各種光纖器件的研究和應用層出不窮。作為新型信號處理 器件的光纖延遲線已經(jīng)從最初簡單的一段光纖，發(fā)展到現(xiàn)階段具有多種復雜結構的獨立器 件，成為光信息處理技術中的關鍵器件之一。光纖延遲線最基本的應用是作為延時單元，根 據(jù)不同應用系統(tǒng)的需求可在基本延時單元的基礎上組成不同結構形式的光纖延遲線器件， 從而實現(xiàn)多種不同的具體功能。這些應用主要有傳光型光纖傳感器、光編解碼器、光緩存 器、光相關器、光A/D轉換器以及光濾波器等。從目前的研究熱點來看，光纖延遲線最活躍 的應用研究主要集中在光纖傳感與光學測量、光纖通信、微波光子學等領域。光纖延遲線的工作原理很簡單如果不考慮色散，當光脈沖信號在光纖中以群速 度Vg傳播時，脈沖時間延遲的長短At正比于光纖的長度Ljp :At = L/vg = Lng/c式中ng為光纖的群折射率，c為光在真空中的傳播速度?？梢钥闯觯灰淖児饫w 的長度，就能實現(xiàn)不同的延遲時間。光纖傳感網(wǎng)絡是光纖傳感技術與通信技術相結合的產物。此類傳感網(wǎng)絡可以只需 一個光源和一個探測線路，集傳感與傳輸于一體，實現(xiàn)遠距離測量與監(jiān)控。由于同時獲取的 信息量大，使得單位信息所需的費用大大降低，從而獲得高的性價比。因此由光纖傳感器復 用構成的分布式傳感器是任何點式傳感器所不能比擬的。實際應用最廣泛的光纖傳感網(wǎng)是 光纖光柵復用傳感網(wǎng)。目前應用較為廣泛的光纖光柵傳感網(wǎng)是將WDM、SDM復用技術有機結合起來，從充 分利用光源和增加FBG數(shù)目來考慮，不同波長的FBG采用波分復用串聯(lián)，形成光纖光柵陣 列，然后再采用空分復用陣列并聯(lián)?？辗謴陀迷黾覨BG復用數(shù)目的同時，不會降低信噪比， 而且復用同樣數(shù)目的FBG，采用空分復用的方法可以有效地減小傳感元間的串音。這樣復用 的數(shù)目可以大大增加。這種結構存在如下缺點一是沒有自愈性，光柵陣列上的某一處連接發(fā)生故障會 使它后面串接的所有FBG的信號丟失；二是若想要監(jiān)測所有傳感器附近被測物理量的變 化，就要不停地切換開關。
發(fā)明內容本發(fā)明的目的是克服現(xiàn)有技術存在的上述不足，提供一種基于光延 遲的可自愈大容量光纖傳感網(wǎng)，以解決當前光纖傳感網(wǎng)絡可靠性差、容量低的問題。本發(fā)明提供的基于光延遲的可自愈大容量光纖傳感網(wǎng)的結構如圖1所示，該光纖 傳感網(wǎng)包括寬帶光源、耦合器、光延遲線、N個選擇節(jié)點、N層光纖傳感子網(wǎng)、光開關驅動裝 置、可調諧窄帶濾波器、光探測器、數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)和計算機；寬帶光源輸出的光經(jīng)過耦合器 后通過具有不同延時τη(τη> (N-l)T/2，T為一個通道的實時解調時間)的光延遲線和
3N個對應的選擇節(jié)點選擇一個通道，進入選擇節(jié)點后，在該層光纖傳感子網(wǎng)中接受外界傳感 量的調制，反射光再次經(jīng)過選擇節(jié)點、光延遲線和耦合器后再經(jīng)過可調諧窄帶濾波器依次 進入其后的光探測器、數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)和計算機進行解調分析。所述的選擇節(jié)點BMBranch Node)的結構如圖2所示，它包含一個耦合器和一個1 X 1光開關，耦合器的一個輸出端接一 層光纖傳感子網(wǎng)，另一個輸出端接1 X 1光開關，1 X 1光開關的輸出端和這一層光纖傳感子 網(wǎng)的另一端相連；所述的選擇節(jié)點中的1X1光開關由光開關驅動裝置進行控制。BN節(jié)點的作用是不僅給光纖傳感子網(wǎng)提供一條正常工作路徑，還有一條備用路 徑，從而使得光纖傳感子網(wǎng)具有自愈性。當這一層光纖傳感子網(wǎng)正常工作時，BN中的光開 關(OS，Optical Switch)保持斷開狀態(tài)，每個光纖傳感器的反射光譜信號在原工作路徑中 傳輸，不使用備用路徑，如圖3。當某兩個光纖傳感器之間的連接點出現(xiàn)故障，比如代 表某層光纖傳感子網(wǎng)，k代表第k個傳感器)與5」_)傳感器之間的連接點出現(xiàn)故障，此時 SJ(k+1)至S^1的傳感信號不能返回到解調系統(tǒng)中，光探測器探測到的光功率迅速減小，這一異 ?，F(xiàn)象立刻反饋到計算機，計算機發(fā)出指令給光開關的驅動電路，由驅動電路進行轉換控 制，控制選擇節(jié)點，啟動備用路徑，如圖4，那么傳感器、至的傳感信號在原路徑中傳輸 的同時，至的傳感信號就在備用路徑中傳輸。這樣，所有傳感器的傳感信號都可以 返回到解調系統(tǒng)進行解調分析，恢復該傳感子網(wǎng)正常的傳感功能。整個過程完全由計算機 統(tǒng)籌控制，無需人工操作。每個光纖傳感子網(wǎng)都可充分利用寬帶光源的譜寬，可使用數(shù)量相同或不同的光纖 傳感器，并且可并聯(lián)多個光纖傳感子網(wǎng)以增大傳感網(wǎng)的容量。當光纖傳感子網(wǎng)中的傳感器為反射光譜傳感情況時，假設、是第i個光延遲 線的處理時間，Δ是各通道的緩沖時間，所以，通道j的光延遲線的具體延遲時間為
~=|^+Δ><α-1)。當光延遲線、光開關等各種器件性能較好時，緩沖時間Δ較小。對于 /=1
利用光纖傳感器的透射光譜進行傳感的情況，其第j層傳感子網(wǎng)的光延遲線的具體延遲時
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間 g ,.+AxQ--I)由于反射型光信號在通道中往返兩次通過延遲線，所以其延遲時間 〒 2 。 是透射型的兩倍。圖5所示是一種連續(xù)可調MEOMS光延遲線的結構。該光延遲線結構包括有兩組直 角反射鏡陣列，一組直角反射鏡陣列位置固定，直角反射鏡數(shù)量為a，a = 2，3，4，...，另一 組直角反射鏡陣列設置在移動軸上，可以實現(xiàn)位置改變，直角反射鏡的數(shù)量為m-1 ；光延遲 線結構的入射端和出射端采用硅V形槽和微透鏡實現(xiàn)光信號和光纖間的高效耦合，減小耦 合損耗。輸入光信號透過微聚光準直透鏡在固定直角反射鏡陣列和移動直角反射鏡陣列之 間形成多次反射，最后經(jīng)出射端準直透鏡進入硅V形槽中的出射光纖輸出?？梢酝ㄟ^移動 軸調節(jié)兩組直角反射鏡陣列之間的距離，來實現(xiàn)對光信號延遲的連續(xù)調諧，則在這個結構 中，光信號共被反射4a-2次，實現(xiàn)的最大連續(xù)調諧光時延為t = 2(a-l)s/c(3)其中s為可移動直角反射鏡陣列的最大軸向移動距離，c為真空中的光速。另外，除了光纖延遲線，系統(tǒng)中也可以使用其它類型的光延遲器件，比如光緩存器，來實現(xiàn)傳感信號的延遲。光纖傳感網(wǎng)中的傳感器為光譜型光纖傳感器，不僅可以使用光 纖光柵，其它光譜型調制的傳感器均適用。本附圖及說明是針對光纖傳感器的反射光譜進行傳感，對于利用光纖傳感器的透 射光譜進行傳感也同樣適用。本發(fā)明的優(yōu)點和積極效果(1)本發(fā)明所述的光纖傳感網(wǎng)通過光開關運用反饋機制使其具有自愈的功能，極 大地提高了光纖傳感網(wǎng)的可靠性。(2)基于光延遲對各個傳感子網(wǎng)進行級聯(lián)，可實現(xiàn)對所有光纖傳感器的實時監(jiān)測， 避免了使用光開關時的不停切換。(3)該傳感網(wǎng)的容量大且易于擴展。將多個傳感子網(wǎng)并聯(lián)，整個系統(tǒng)可復用的傳感 器數(shù)目是非?？捎^的，并且要擴展通道數(shù)目只需要用特定長度光纖延遲線連接到系統(tǒng)中， 十分簡單。
圖1是設計的采用光延遲的具有自愈性的光纖傳感網(wǎng)結構示意圖。圖中，1是寬帶光源，2為耦合器，3是BN節(jié)點，4是可調諧窄帶濾波器，5是光開關 驅動裝置，6是光探測器，7是數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，8是計算機，S是各個光纖傳感器，L1……Llri是 各延遲時間不同的光延遲線。圖2是BN節(jié)點的結構。圖中，9是耦合器，10是1 X 1光開關。圖3為傳感子網(wǎng)正常工作時BN中光開關的狀態(tài)。圖中虛線標出此時傳感信號的傳輸路徑。圖4為傳感子網(wǎng)出現(xiàn)故障時BN中光開關的狀態(tài)。圖中虛線分別標出此時傳感信號的傳輸路徑和備用傳輸路徑。圖5是MEOMS光延遲線的結構。圖中，11固定直角反射鏡陣列，12是準直鏡，13是V型槽，14是移動直角反射鏡陣 列，15是移動軸。圖6是光開關的驅動系統(tǒng)。圖中，16是串行接口模塊，17是RS232電平轉換模塊，18是單片機驅動控制模塊， 19是光開關，20是電源供給，21是發(fā)光管顯示。圖7為光纖光柵傳感網(wǎng)正常工作時BN中光開關的狀態(tài)。圖中虛線標出此時傳感信號的傳輸路徑。圖8為光纖光柵傳感網(wǎng)的連接出現(xiàn)故障時BN中光開關的狀態(tài)。圖中虛線分別標出此時傳感信號的傳輸路徑和備用傳輸路徑。
具體實施方式實施例1 如圖1所示，為本發(fā)明基于光纖光柵傳感器構建的光延遲的可自愈大容量光纖傳 感網(wǎng)，該光纖傳感網(wǎng)包括寬帶光源1、耦合器2、光延遲線、N個選擇節(jié)點3、N層光纖傳感子網(wǎng)、光開關驅動裝置5、可調諧窄帶濾波器4、光探測器6、數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)7和計算機8 ；其中， 寬帶光源輸出的光經(jīng)過耦合器后順序通過具有不同延時的光延遲線L1……Llri和N個對應 的選擇節(jié)點選擇一個通道，進入選擇節(jié)點后，在該層光纖傳感子網(wǎng)中接受外界傳感量的調 制，反射光再次經(jīng)過選擇節(jié)點、光延遲線和耦合器后再經(jīng)過可調諧窄帶濾波器依次進入其 后的光探測器、數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)和計算機進行解調分析。所述的選擇節(jié)點BMBranch Node) 的結構如圖2所示，它包含一個耦合器9和一個1 X 1光開關10，耦合器的一個輸出端接一 層光纖傳感子網(wǎng)，另一個輸出端接1 X 1光開關，1 X 1光開關的輸出端和這一層光纖傳感子 網(wǎng)的另一端相連；所述的選擇節(jié)點中的1X1光開關由光開關驅動系統(tǒng)進行控制(見圖6)。圖5所示是一種連續(xù)可調MEOMS光延遲線的結構。該光延遲線結構包括有兩組直 角反射鏡陣列，一組直角反射鏡陣列位置固定，直角反射鏡數(shù)量為a，a = 2，3，4，...，另一 組直角反射鏡陣列設置在移動軸上，可以實現(xiàn)位置改變，直角反射鏡的數(shù)量為a-Ι ；光延遲 線結構的入射端和出射端采用硅V形槽和微透鏡實現(xiàn)光信號和光纖間的高效耦合，減小耦 合損耗。輸入光信號透過微聚光準直透鏡在固定直角反射鏡陣列和移動直角反射鏡陣列之 間形成多次反射，最后經(jīng)出射端準直透鏡進入硅V形槽中的出射光纖輸出?？梢酝ㄟ^移動 軸調節(jié)兩組直角反射鏡陣列之間的距離，來實現(xiàn)對光信號延遲的連續(xù)調諧，則在這個結構 中，光信號共被反射4a_2次，實現(xiàn)的最大連續(xù)調諧光時延為t = 2 (a-1) s/c(3)其中s為可移動直角反射鏡陣列的最大軸向移動距離，c為真空中的光速。本發(fā)明實例中采用產自上海瀚宇光纖通信技術有限公司的SLD76-HP高功率SLD 模塊作為系統(tǒng)光源，光源的3dB帶寬為51. 2nm,并將0. Snm作為不同F(xiàn)BG反射譜中心波長之 間的間隔，那么1個通道的傳感陣列可以實現(xiàn)64個FBG的級聯(lián)，整個傳感網(wǎng)可容納64XN 個FBG。但實際上，系統(tǒng)的損耗決定了傳感陣列可容納的FBG數(shù)量不可能達到上述理論值。系統(tǒng)的損耗主要表現(xiàn)在無源器件的插入損耗、FBG的反射/透射損耗與熔接損耗 以及光纖的傳輸損耗三個方面。系統(tǒng)中光纖的總長度在數(shù)千米之內，因此光纖的傳輸損耗 可忽略不計。系統(tǒng)中的無源器件主要包含光耦合器和光開關。實驗測得光信號兩次經(jīng)過耦 合器的損耗不超過7. 5dB，光信號兩次經(jīng)過光開關的損耗不超過2. 4dB。因此，在此傳感網(wǎng) 中，一個通道中所有無源器件的總損耗為(7. 5X2+2. 4) dB，即17.4dB。設1個傳感陣列中包含q個FBG，每個FBG接入光纖中有兩個熔點，每個熔點的 熔接損耗不超過0. IdB,則1個傳感陣列的熔接損耗為qXO. 4dB。設FBG的反射率不小于 90 %，則其反射損耗小于0. 5dB。設FBG的透射率不小于95 %，1個傳感陣列中最后1個 FBG的透射損耗最大，為(q-l)X0.4dB。綜上所述，F(xiàn)BG接入光纖中帶來的損耗最大值為 (qX0.8-0. l)dB。當q取4時，最大損耗約為3. ldB。實際將4個FBG級聯(lián)為1個傳感陣列 時，最大損耗可控制在3dB以內。如果在1個傳感陣列中串聯(lián)更多的FBG，將會以0. 75dB/ FBG的速率等量增大損耗。設光源的單模輸出功率為Ptl，接收機最小可探測功率為PD，無源器件的總損耗為 K，F(xiàn)BG的總損耗為R，R = 0. 75 X n，則可復用的FBG的個數(shù)η應該滿足關系式Pd 彡 P0-K-R(4)BP :n ^ (P0-PD-K/0. 75)(5)取P。= 7. 7dBm, Pd = -30dBm,由上述討論可知，K = 17. 4dB，由式(4)可解得
6q ^ 27. 1.故每個傳感器陣列可容納的FBG最多為27個。假設使用4個通道，則整個系統(tǒng) 可復用108個FBG。假設解調系統(tǒng)中數(shù)據(jù)采集設備同步Α0/ΑΙ的速率設定為105Sample/S，一次掃描 采集2X lCMsample，故系統(tǒng)掃描1次光譜的時間約為200ms。數(shù)據(jù)實時處理解調的時間大約 為200ms。1X1光開關的切換時間約為5ms。所以相鄰通道之間的延遲需大于400ms。如 果采用4個通道，則系統(tǒng)對整個應變場實時監(jiān)測的周期要大于2. Os。傳感網(wǎng)中光開關的驅動系統(tǒng)如圖6所示。對應于串口驅動控制電路，選擇了使用 MAXIM公司的MAX2321雙路RS-232接收發(fā)送器將EIA電平轉換成TTL電平。單片機驅動控 制由美國ATMEL公司的AT89C2051單片機來實現(xiàn)。在方框圖中，光開關驅動電路和計算機 的串行接口模塊由一個RS-232連接器DB9和在電路板上的DIP封裝的插針，以及一條標準 線纜組成。通過串行線纜，從計算機后面的RS-232接口將串行數(shù)據(jù)引到電路板上。從計算 機發(fā)送出來的數(shù)據(jù)TXD經(jīng)過電平轉換芯片MAX2321變成了 TTL電平，然后由單片機串行接 收端口接收，通過判斷控制數(shù)據(jù)的數(shù)值，從而從PO 口發(fā)出并行控制信息，來調整光開關的 光路配置狀態(tài)。最后通過發(fā)光二極管來實時顯示光路配置狀態(tài)。同時，由電源模塊提供整 個電路所需要的+5V直流電源。當傳感陣列正常工作時，BN中的光開關OS保持斷開狀態(tài)，每個FBG的信號就在 原路徑中傳輸，不使用備用路徑，如圖7所示；當FBG陣列中某一個連接點出現(xiàn)故障，比如 FBGlj與陣列的一個熔接點斷開，此時FBGlj至FBGln的傳感信號不能返回到解調系統(tǒng)中，此 時由計算機發(fā)出指令控制光開關驅動裝置將BN中的開關切換到閉合狀態(tài)，如圖8，那么傳 感器FBG11至FBGf1的傳感信號在原路徑中傳輸?shù)耐瑫r，F(xiàn)BGlj至FBGln的傳感信號就在備 用路徑中傳輸。這樣，所有FBG的傳感信號都可以返回到解調系統(tǒng)進行解調分析，恢復該傳 感陣列正常的傳感功能。系統(tǒng)中傳感陣列的容限與系統(tǒng)對整個應變場實時監(jiān)測的周期是互相依賴的。增大 容限必然以提高監(jiān)測周期為代價；而要想提高實時監(jiān)測的頻率就要限制傳感陣列的規(guī)模。 因此，根據(jù)實際的需要，設計適當?shù)膫鞲嘘嚵幸?guī)模是該系統(tǒng)在實際應用中的關鍵。
權利要求
一種基于光延遲的可自愈的大容量光纖傳感網(wǎng)，其特征在于該光纖傳感網(wǎng)包括寬帶光源、耦合器、光延遲線、N個選擇節(jié)點BN、N層光纖傳感子網(wǎng)、光開關驅動裝置、可調諧窄帶濾波器、光探測器、數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)和計算機；寬帶光源輸出的光經(jīng)過耦合器后通過不同延時τj的光延遲線和N個對應的選擇節(jié)點選擇一個通道，其中，τj＞(N 1)T/2，T為一個通道的實時解調時間，進入選擇節(jié)點后，在該層光纖傳感子網(wǎng)中接受外界傳感量的調制，反射光再次經(jīng)過選擇節(jié)點、通過光延遲線和耦合器后再經(jīng)過可調諧窄帶濾波器依次進入其后的光探測器、數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)和計算機進行解調分析；所述的選擇節(jié)點由一個耦合器和一個1×1光開關組成，耦合器的一個輸出端接一層光纖傳感子網(wǎng)，另一個輸出端接1×1光開關，1×1光開關的輸出端和這一層光纖傳感子網(wǎng)的另一端相連；所述的選擇節(jié)點中的1×1光開關由光開關驅動裝置進行控制。
2.根據(jù)權利要求1所述的基于光延遲的可自愈的大容量光纖傳感網(wǎng)，其特征在于當 光纖傳感子網(wǎng)中的傳感器為反射光譜傳感情況時，第j層光纖傳感子網(wǎng)的光延遲線的具體延遲時間為=|](+Δ><(7-1)，其中ti是第i個光延遲線的處理時間，Δ是各通道 /=1的緩沖時間，當光延遲線、光開關器件性能較好時，緩沖時間△較??；當光纖傳感子網(wǎng)中 的傳感器為透射光譜進行傳感的情況，其第j層傳感子網(wǎng)的光延遲線的具體延遲時間為
全文摘要
一種基于光延遲的可自愈的大容量光纖傳感網(wǎng)。包括寬帶光源、耦合器、光延遲線、選擇節(jié)點、N層光纖傳感子網(wǎng)、光開關驅動裝置、可調諧窄帶濾波器、光探測器、數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)和計算機；寬帶光源輸出的光經(jīng)耦合器后通過能夠產生不同延時的光延遲線和選擇節(jié)點選擇一個通道，在該層光纖傳感子網(wǎng)中接受外界傳感量的調制后，反射光返回再次經(jīng)過耦合器后經(jīng)可調諧窄帶濾波器依次進入其后的光探測器、數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)和計算機進行解調分析。所述的選擇節(jié)點包含一個耦合器和一個1×1光開關。本發(fā)明通過光開關運用反饋機制使其具有自愈的功能，極大地提高了光纖傳感網(wǎng)的可靠性。通過光延遲實現(xiàn)對所有光纖傳感器的實時監(jiān)測，避免了使用光開關時的不停切換。
文檔編號H04B1/74GK101917229SQ201010252680
公開日2010年12月15日 申請日期2010年8月13日 優(yōu)先權日2010年8月13日
發(fā)明者劉鐵根, 葉雯婷, 張紅霞, 溫國強, 王姝, 賈大功 申請人:天津大學