1、Comment z1: 说清什么是光纤传感网的组网？2 光纤传感网的组网及拓扑结构在此处应该就本章内容写几句。2.1 光纤传感网的组网方法2.1.1 近年来，随着光纤传感技术中关键器件的发展及相关传感技术的日臻成熟，对光纤传感网络的研究日益深入和实用化，其中，光纤传感网络的组网技术就是其中的一个研究方向。2.1.1 光纤传感网组网时的简单结构光纤传感器在组网时，特别是光纤光栅传感器在组网连接时，传感器间既可以采用串联方式连接，也可以采用并联方式连接1。根据波分复用的原理，光纤光栅传感器在组网时可以将多只传感器串联存一起通过一根光纤将整串传感器信号传递给光纤光栅解调仪，如下图2-1(a)所示。光
2、纤光棚传感器串联的优势在于节省光缆，布线施工简单，避免过多的线缆影响原有结构体的力学性能。但是，大量传感器串联的缺点也是显而易见的，当某一处传感器或光缆出现故障时，会直接影响到后续传感器的正常通讯。为了避免此类问题，我们采用双端引出的方式，当有一点出现故障时，可将原来的一部分成两串进行测量，如下图2-1（b）。按照图2-1(b)的施工方式基本可以解决光纤传感器串联中出现一个故障点的问题，大大提高了光纤传感器施工的成活率。光纤光栅解调仪F B G 1F B G 2 F B G 3（ a ）光纤光栅解调仪F B G 1 F B G 2 F B G 3( b )图 2-1(a) 光纤光栅传感器串联结
3、构示意图图 2-1（b）改进型光纤光栅传感器串联结构示意图光纤光栅传感器除了可以采用串联方式外，还可以采用光纤分线器将多组传感器进行并联连接，甚至可以进行串联并联的混合连接。光纤传感器的这种灵活的连接方式大大方便了现场的施工布线，使光纤传感网的组网个更容易实施。图 2-2 为串并联混合式结构。光纤分线器光纤光栅解调仪F B GF B GF B GF B G图 2-2 光纤光栅串并联混合式结构在进行光纤传感网组网时，传感器的分布形式并不仅仅限于串联和并联结构，而是会用到多种不同的拓扑形式。具体的光纤传感网拓扑结构见本章下一节。2.1.2 光纤传感网络组网时的复用技术在大多数的实际应用场合，光纤传
4、感技术都要借助于波分复用(WDM: wavelength Division Multiplexing)技术、时分复用(TDM: Times Division Multiplexing)技术、空分复用(SDM：Space Division Multiplexing )技术、频分复用技术和码分复用或者是这些技术的组合来实现准分布式传感技术或者传感网络技术。1）时分复用（TDM）光时分复用(OTDM) 机理是从提高每个波道所能携带的信息量入手来增加传输容量，其工作原理是让各路信号在信道上占用不同的时间间隔，也就是把时间分成均匀的间隔，将各路信号的传输时间分配在不同的时间间隔内进行传输，从而达到互相分
5、开、互不干扰的目的2。光纤光栅时分复用是在 OTDM 基础上发展起来，通过 FBGS 反射波信号到达解调系统的时间间隔不同分离出 FBG。光源系统产生调制型脉冲光信号，各个 FBG 反射回特定波长的脉冲信号，解调系统接受到反射信号的时间是不同的，通过不同的返回时间寻址各 FBG，实现时分复用。图 2-3 为基于光纤光栅时分复用的原理图。解调系统光源信号 光源不同时间间隔的 F B G反射光信号时间光强光强时间图 2-3 时分复用机理早期的 TDM 方案受解调技术的制约，整个传感系统的波长分辨率不高，光栅的高反射率也使得复用容量非常有限，这导致光纤光栅 TDM 系统一直停留在理论研究阶段。经过多
6、年的发展，已经开发出由脉冲光源、延时光纤和解调系统等组成的 典型的 TDM 工程结构（见图 2-4） 。图 2-4 典型时分复用传感系统结构在图 2-5 所示的结构中，脉冲光源由解调系统控制，产生周期性的脉冲光信号，在一个周期内，传感器 FBG1，FBG2，FBGn 分别反射回一个脉冲光信号。延时光纤实现各反射脉冲信号的时间分离，各 FBGS 到达解调系统的时间分别为 ，2，n 。解调系统将不同的时间间隔与各 FBGS 对应起来，从而实现时分复用。图 2-6 显示了一个周期内光源和 FBG 传感器的脉冲信号。图 2-5 TMD 系统脉冲信号TDM 的性能与讨论（1）理论模型。脉冲光源发出带宽为
7、 B、功率为 P 的脉冲波；在 TDM 方案中，个传感器采用相同布拉格波长 B 的 FBG，波长变化为 ；传感器FBG1， FBG2，FBG n 通过延时光纤分别延时 ，2， （n-1），从而在不同的时刻内反射回脉冲波。从 FBG1 反射脉冲波到达波长检测系统开始记时，设第 i 个传感器 FBGi 到达解调系统的时间为 TFBGi，则：（2-(1),iFBGTni1）由式（2-1 ）可知：T FBGi 是唯一的，每个 FBGi 对应一个唯一的 TFBGi;因此通过 TFBGi 可以实现 TDM。（2-/B2）式中：B 为光源带宽利用率； 为波长变化量；B 为脉冲光源发出带宽。从式(2-2)可知
8、：B 与布拉格波长变化范围和带宽有关，在波长变化范围一定的条件下，光源带宽越窄，光源带宽利用率越高。（2-1/NpfiiP3）式中：p 为功率利用率；P fi 为 FBGi 的反射波功率；P 为脉冲波的功率。从式(2-3)可知：p 与 FBG 反射波功率、光源功率和 FBG 的数量规模有关，在光源功率和 FBG 反射波功率一定的条件下，光源功率利用率随着 FBG 数目 N 的增加而提高。（2）复用容量。由式（2-1）（2-3）可知：TDM 既有的时域编码特性不受光源带宽 B 限制，仅受光源功率 P 和 FBGi 反射功率 Pfi 的影响，令复用容量为 C，FBG i 平均反射功率为 Pfi，则
9、（2-/fiP4）由式（2-4 ）可知；若采用高功率光源和低反射率 FBG，复用的传感器数目将非常可观。在实际应用中，FBG 的反射率一般大于-20dB，他们之间存在着较大的串扰，影响了传感器复用的数目；伴随着 FBG 数量规模的增加，最后一个 FBGn发射回信息的时间(n-1) 也会增加，系统的实时性将伴随复用规模的扩大而逐步变差。南京大学的最新研究使用时分复用的实现高精度定位的光纤连接的超宽带传感网络3。该网络将传统超宽带定位系统中的超宽带传感器用超宽带天线和电光转换模块代替。为了使用光时分复用技术，在每两个电光转换模块间放置一段单模光纤来引入适当的时间延迟，从而将不同超宽带天线接收到的超
10、宽带脉冲分到不同的时间带隙。这样，中心站点能够识别从不同传感节点接收到的超宽带脉冲。通过光时分复用技术的引入，将每个传感节点都需要进行信号处理简化为只在中央站点进行信号处理，不仅简化了传感网络的结构，而且由于中央站点剧有更多的资源，从而可以实现较为复杂的算法获得更高的精度。图 2-6 为该时分复用传感网络的示意图。图 2-6 利用时分复用的光纤连接的超宽带传感网络EA：电放大器；EOM：电光转换模块：PD 光电探测器；LD ：激光二极管；SMF：单模光纤2） 波分复用WDM 技术在光纤通信领域是一种非常成熟的技术，是实现未来超大容量的全光通信的技术手段之一。在传感网络中借用了 WDM 这一技术
11、，通过光纤总线上各传感光纤光栅的波长信号来寻址，每个波长信号携带不同测量点、不同参量( 可以是同一测量点的信息)的信息，从而实现光纤光栅传感大容量寻址的目的。4宽带光源入射到一根光纤中具有不同布拉格波长的多个光栅传感器，各传感光栅反射回不同波长的光波，通过 FBGS 占据的波长范围来判断传感器的地址，实现 WDM 方案。具体见图 2-7。图 2-7 波分复用机理WDM 的典型结构随着光纤光栅波分复用技术的逐渐成熟，形成了一种典型的物理结构，见图 2-8。宽带光源解调系统F B G 1 F B G 2 F B G 3 F B G n 1 2 3 n图 2-8 典型波分复用传感系统结构图宽带光源照
12、射进光纤光栅传感器序列，在宽带光源波长范围 H 内，每一个布拉格波长由对应波长的 FBGS 反射回来；当外界环境导致温度或应变变化时，各反射波在各自波长范围内变化(见图 2-9)；通过解调系统检测波长变化值可以实现温度或应变等物理参数的感知；同时可根据 FBG 的波长范围寻址对应的 FBGS 位置。图 2-9 光源入射光谱与 FBG 反射光谱对照本方案中，FBGS 的采样速率不受传感器复用规模的影响，但传感器复用容量会受到光源带宽和 FBG 对应反射波长线宽的限制。WDM 的性能与讨论（1）理论模型。若宽带光源带宽为 B，功率为 P，FBG 1，FBG 2， ，FBG N 的布拉格波长分别为
13、B1， B2， Bn，在感知温度、应变和压力等参数变化的情况下，各传感器的波长变化量分别为 1， 2， n。令第 i 个传感器 FBGi 的波长变化范围为 RangeFBGi，则（2-/iBiiRangeFG5）若 B1 B2 Bn，选择合适的布拉格波长 B1， B2， Bn，当（2-12(/)(/).(/2)BBBn6）和（2-1(/2)()(/2)BBn7）同时成立，则 RangeFBGi是唯一的。Comment z2: ？因此，WDM 只需选择合适的布拉格波长，使式(2-2)和式(2-3) 同时满足，通过 RangeFBGi就可实现任一传感器 FBGi的位置寻址。若（2-1223.BBn
14、8）成立，则（2-10%B9）式中： B为光源带宽利用率。实际上，B 不可能达到 100%，式(2-8)当然也不可能成立，但为了充分利用光源带宽和尽量多地复用 FBGS，工程实践中将尽可能地降低传感器带宽间隔，使 B尽可能地接近于 100%。因此，WDM 的光源带宽利用率要求尽可能地趋高。令光源功率利用率为 p，FBG i的反射功率为 Pfi，则（2-1/NpfiP10）由式(2-10)可知：p 与 FBGi的反射功率 Pfi和 FBGi数量规 N有关，当 Pfi一定时，p 会随着 FBG 数量规模 N 的增加而变大。（2）复用容量WDM采用波长范围寻址，检波算法采用峰值检测法（Convent
15、ional peak detection，CPD） 。CPD 要求 RangeFBGi之间互不重叠。若传感网络复用容量为 C， FBG 的平均变化范围为 ，当 RangeFBGi恰好互不重叠，即 B=100%，则有（2-/B11）由式(7)可知：对于 4050 nm 的光源带宽，当有2 nm 的波长变化范围时，FBGS 的数量规模一般不会超过 30 个点。波分复用技术不仅仅能在分立式光纤传感器件中使用，还可以用在分布式光纤传感系统中。下面介绍使用波分复用技术的分布式光纤拉曼放大传感网络。如图 2-10 所示。图 2-10 波分复用光纤拉曼放大传感总线结构示意图在总线上干路上包含了许多定向耦合器
16、，将信号引导至传感元件，后端是光纤布拉格光栅。在每个耦合器间的单模光纤长度在 5km 以上，但实际上长度并没有限制。针对环境影响，传感器对信号的幅度、相位和偏振进行调制，最后光纤光栅将入社信号反射回。该总线结构实现了 20km 以上的传感。该方案中的总线结构布线简单，且能够嵌入不同类型的传感器。3） 空分复用（SDM）传感网络中，各光纤通路按照空间位置进行编码，SDM 技术将光源发出的光信号通过选通光开关切换到所需要询址的光纤通路，因此该光纤通路上的光纤光栅受到被测场的调制，从而把被测场的信息反馈到波长解调设备，如图 11所示，实际应用中，光开关可以根据需要合理地布置在相应的位置。这种技术允许
17、各光纤通路上的光纤光栅具有相同特征，从而有效地利用光源的频带资源。另外，该技术在航空航天和安全监测方面愈加显示出网络的灵活性和安全性，在某一光纤线路出现故障时，可以安全、及时地切换到另外一路具有相同功能的光纤线路，从而保证传感网络正常工作。光源F B G S解调系统光源信号F B G 反射信号光通道 1光通道 2光通道 n.图 2-11 空分复用机理（1） 空分复用（SDM）的典型结构光纤光栅结构较为统一，一般由宽带光源、解调系统、光开关盒并联 FBG阵列组成，典型结构图见图 2-12 所示。宽带光源解调系统1 N光开关F B G 1F B G 2F B G 3F B G n.图 2-12 典
18、型空分复用传感系统结构宽带光源进入并行 FBG 阵列，个布拉格波长相同或不同的FBG1， FBG2，FBG N 的反射波通过高速切换光开关依次选通，分别占据一个光通道，再通过解调系统依次检测相应变化波长，实现 FBG 传感与复用。（2） SDM 性能分析a） 理论模型宽带光源发出带宽为 B，功率为 P 的光波，在 1N 光开关的扫描周期内，产生了 N 个光通道，分别为 C1，C 2，C 3，C N。令第 i 个 FBG 所占据的通道为 CFBGi，在光开关的作用下，有（2-,12,3.iFBGi N12）由式（2-12 ）可知：FBG 的 CFBGi 是唯一的，每个 FBG 对应一个 CFBG
19、i，因此，通过 CFBGi 可实现 SDM 方案。（2-/B13）式中： B 为光源带宽利用率；B 为宽带光源发出带宽； 为波长变化量。由式（2-13 ）可知：光源带宽利用率 B 仅与 FBG 反射波长变化范围和光源带宽有关。一般地，反射波长变化范围为 1 nm，宽带光源带宽为 40 nm，光源宽带利用率只有 1/40 左右，因此，SDM 的光源带宽利用率较低。（2-max/pfiP14）式中： B 为功率利用率；P fi 为 FBGi 的反射功率。由式(2-14)可知：光源功率利用率 p仅与光源功率和 FBG 最大反射功率有关，光源功率一般远远大于 FBG 反射功率，因此， SDM 方案的光
20、源功率利用率也很低。b）复用容量由（2-12 ）（2-14）可知： SDM 的复用容量不受光源带宽 B 和光源功率 P 的限制。在不考虑系统实时性的前提下，可以复用的传感器非常可观。但是随着通道数 N 值的增大，光开关扫描周期会变长，整个系统的采样速率也随着下降。因此，在保持传感监测实时性(保持一定采样速率)的前提下，SDM 可复用的传感器数目非常有限，一般不超过 32 个。4）频分复用频分复用多频光的产生可以有多种方式，在通信上常使用多个激光器或光学频率梳，其中，利用相位调制来实现光频分复用目前在通信领域使用较为广泛。下面介绍频分复用用于 F-P 传感器的复用原理。当由低反射率反射镜制成的外
21、腔 F-P 干涉仪被单色光源照射时，响应是类似双光束干涉的周期性函数5：（2-2d/l(v)21124cos()cIEeEv15）其中：E1 和 E2 分别为在两光纤端部反射的电场的幅度，d 是 FP 传感器的空气腔长，c 为真空中的光束， v 为光频率，l c 为相干长度。腔长固定，光频在v1 到 v2 范围内扫描时，干涉图样是一个关于光频率的正弦干涉信号。干涉信号的频率 f 表示为：（2-2dc16）因此 M 个低精细度的 FP 传感器的光强被同一个探测器探测时，在频率 v处总的光强度为（2-2/(v)221, 1,2,4()() ()cosicdl iii iii dIvEveEvv 1
22、7）若 FP 传感器的腔长是独立的，她们的据对峙能够从干涉图样对应的频率中唯一测得，如下式所示：（2-, 12,21()()iFTii iFTcfdfv18）式中， 是快速傅里叶变换频率， 和 分别是光谱的起始频率和,iFTf 12终止频率。图 2-13 给出了利用频分复用的低精细度光纤 F-P 传感系统的示意图。图 2-13 基于频分复用的 F-P 传感器系统5）码分复用光码分复用技术（OCDMA）在原理上与电码分复用技术相似6。OCDMA 系统给每个用户分配一个唯一的光正交码的码字作为该用户的地址码。在发送端,对要发送的数据该地址码进行正交编码,然后进行信道复用。在接收端,用与发送端相同的
23、地址码进行光正交解码。OCDMA 通过光编码和光解码实现光信道的复用、解复用及信号交换,在光纤传感网络中具有极大的应用前景。它的技术优势在于：（1）提高了网络的容量(2)提高了信噪比，改善了系统的性能（3）增强了网络的灵活性（4）降低了系统对同步的要求。OCDMA 的典型原理如图 2-14 所示。图 2-14 OCDMA 典型系统框图下面重点介绍一下光码分复用的编/解码技术（光码分复用关键技术及可调谐光脉冲生成技术研究）（1） 时域编/解码OCDMS 时域分割编码，即对信号在时域上按照地址码分割为一组码片，光延迟线编/解码器是典型的属于光编/解码器，其结构如图 2-15 所示。光延迟线 1光延
24、迟线 2光延迟线 W输入窄光脉冲（ 数据 ）数据编码输出1 W 光分束器W 1 光和束器图 2-15 光纤延迟线编/解码器示意图光纤延迟线编码器是由并行的几束不同长度的光纤和一个 1w 分束器及 w1 合束器构成的，作用是将输入的一个短光脉冲分成几份，根据地址码进行不同的延时，在输出端得到由这些不同延迟的短光脉冲合成的脉冲序列。在接收端，解码器结构与编码器完全一样，其功能是把输入信号与解码器包含的标志序列作相关运算，进行相关识别，直接探测，通过阈值判断，从而在混有众多用户信号的接收信号中识别并拣出某用户的数据。（2） 频域编/解码器频域编/解码是对信号在频域上分割编码实现编/解码的一种方法，由
25、于这种编码使得信号在时域扩展，所以通常称为扩时 OCDMA 编码。光纤光栅-环形器编/ 解码技术就是其中的一种。全光纤光谱编解码方法是基于利用 Bragg 光纤光栅（FBGs）瞬态色散和重组思想设计的。图 2-16 显示了一个基于步进啁啾 Bragg 光纤光栅对全光纤结构编/解码器示意图。该装置既可做编码器，亦可做解码器，包括一对顺序排列的步进啁啾 Bragg 光纤光栅（FBGs ） 。步进啁啾光栅，也就是光栅包括空间毗连的子光栅，每个子光栅对应的空间周期为常数，但毗连的子光栅之间的空间周期是逐级递增的。当一脉冲信号入射到第一个周期光栅，波长成份色散，反射脉冲在时域展宽，当这个展宽的脉冲从第二
26、个具有与第一个光栅相反的色散梯度的 FBGs 反射后，波长成分重新同步，脉冲重新组合成初始脉冲形状。然而，如果第二光栅沿长度方向根据地址码加入相移成分，则信号携带相移信息成分输出。同样地，通过改变子光栅的反射率可进行幅度编码。虽然光纤光栅-环形器结构具有结构紧凑，易与其它光通信设备兼容的优点，但相对于传统的光栅-掩模板方法，光纤光栅-环形器结构很难具有地址码实时可调谐性。输出编码图 2-16 基于步进啁啾 Bragg 光纤光栅对全光纤结构光谱编/解码器示意图在实际的光纤传感网组网的时候，常常用到不只一种复用技术。下面介绍不同复用技术结合来进行光纤传感网组网的例子。6）混合复用技术用于光纤传感组
27、网作为独立的组网方式，波分复用、时分复用、空分复用、频分复用和码分复用都有各自的优势。但用于但规模的光纤传感网组网时，其往往达不到要求。因为大规模的光纤传感网往往会有成千上万个传感点。这就要求各种复用技术混合使用，相互补充，达到大规模网络扩容的目的。（1）波分复用/时分复用混合网络波分复用方法能够保证较高的精度但是由于机械器件的使用（一般为可调谐光纤法珀滤波器）造成低的解复用速率和较低的可靠性，而以时分复用为基础的光纤传感网络能够提供较高的检测速率但传感节点间相同的布拉格波长和不同的反射率造成的串扰使得信噪比降低，因此精度受到限制。传统的光纤布拉格光栅（FBG）的传感器网络或是基于波分复用技术
28、或是基于时分复用技术，但都可能由于机械零件造成低的寻址速度或是具有相同布拉格波长的节点间的串扰。下面的使用光纤布拉格光栅的光纤传感网络中，同时用了时分复用（TDM）是波分复用技术（WDM） ，每个传感节点得到了400kHz的采样速率并且空间分辨率为5m。图 2-17 时分复用/波分复用混合传感网络示意7在图2-17 所示的原理示意图中，用超辐射二极管（SLED）做光源，SLED通过直接调制的方式产生200MHz的脉冲信号用于时分复用结构，为了同时使用波分复用与时分复用技术，图中使用了两串FBG传感器，也就是传感列（FBG11，FBG12，FBG1N）和参考列（FBG21，FBG22，FBG2N
29、）。由于光线环形器的使用，调制信号逐个通过两串FBG传感列。之后紧接着就是功率探测和电信号处理。在传感列中的每个FBG都有不同的布拉格波长（这是典型的波分复用结构），参考列上的FBG的布拉格波长与传感列上对应的FBG布拉格波长相同。这种结构有如下好处：（1）因为参考序列上的FBG与传感序列上的FBG匹配，可以使用简单的高速功率探测器在时域上解调，而无需使用复杂的波长解调方案。（2）因为每个FBG列中所有的FBG都有不同的反射波长，因此所有的FBG都能够设计成高的反射率来增强探测信号的信噪比并消除传统时分复用方案中的串扰问题（传统方案中为相同的波长不同的反射率）。（3）如果传感FBG列与参考FB
30、G列位于在相同的环境下，那么独立于温度外的参数（如应力）能够被测量，因为参考与传感光纤光栅列经历相同的温度抖动效应。（2）空分复用/波分复用混合传感网络空分复用（SDM）和波分复用（ WDM）相结合就构成了SDM/WDM混合传感网络。SDM/WDM混合FBG 网络具有M路光纤上的 FBG各自独立工作、互不干扰的优点，故可以避免由于光纤断裂等意外事故而导致整个网络瘫痪，同Comment z3: 这一小节的分类和前面 3小节的分类不一致时，由于结合了WDM的优点,网络规模要比纯粹的SDM网络大得多。若采用合适的波长解码系统，则还可使波长分辨率和取样速率分别达到pm 量级和几个kHz，因此， SDM
31、/WDM混合FBG网络是构成大型 FBG网络的最实用的技术之一。SDM/WDM混合FBG网络的波长分辨率和取样速率取决于所采用的波长探测和解码技术8图2-18 是一个典型的SDM/WDM混合FBG网络。宽带光谱的光经星形耦合器分成M 路光路,每路有不同反射波长的N个FBG,FBG 的反射信号经12耦合器进入下行光纤,并被送到探测系统。探测系统是集成二维光纤光谱仪,2DC MOS随机存取图像传感器放置在光谱仪的输出口，下行光纤的端口按CMOS的Y方向(垂直于纸面 )一字排列，放置在光谱仪的输入口，图像传感器的放置使象素列(Y轴 )平行于二维光栅的槽和光纤端口排列线。CMOS的数字输出信号送至PC
32、机处理。图像系统把不同光纤的光隔离开来，沿象素列即Y 方向分布,由于光栅的衍射效应,每路光纤上不同波长的光将被衍射到不同的位置(X轴方向)，从而在图像传感器的象素行上的不同位置形成亮点。从而，因为系统有M条光纤，每纤上有N个FBG传感器，因此，图像处理器阵列将有MN的离散点矩阵。矩阵的列代表不同光纤上的同一波长或相近波长的FBG，矩阵的行代表沿同一光纤的不同FBG。换句话说，光纤中每一个FBG 的位置被编码成沿图像传感器的Y轴的位置,而FBG的波长被编码或X轴的位置。因此 ,FBG传感器的精确的中心波长，可通过沿图像传感器象素阵列的X轴相应点的精确位置来确定。图2-18 典型的SDM/WDM混
33、合光纤光栅传感网络2.1.3 光纤传感系统的小型化组网针对光纤传感器解调系统通常使用较大的机箱或是利用专用电脑，小型化的光纤传感系统被提出，而且更便于光纤传感网的组网。其中，嵌入式光纤传感网络就是典型的例子。针对光纤系统的小型化、网络化和智能化的需求，开Comment z4: 这个定义有待商榷？发的基于数字信号处理器（DSP）的嵌入式 CAN总线智能光纤传感器，并可以与测量不同物理量的光纤探头结合，组成一个测量多种物理量的 CAN主线光纤传感网络9。图 2-19 CAN总线嵌入式智能光纤传感网络一个典型的嵌入式光纤传感器原理如图20。载波发生器产生的载波通过驱动器驱动光源发出交流调制光，经发射
34、光纤照射到被测体上。随着测量变化的两路传感光信号（或一路传感光信号和一路参考光信号）经各自的接收光纤被两个光探测器变为微弱电压信号，经电容隔直和交流放大，在各自的锁定放大器中相敏检波（PSD）和低通滤波后，一起通过一个除法器。两路解调信号的比值结果是传感器的输出信号。图 2-20 嵌入式光纤传感器原理该信号调理电路具有如下特点：采用载波调制解调放大系统，有效地消除了直流漂移和环境杂散光的干扰。通过双路接受信号的参比，消除了光源光强波动的干扰。2.1.4 有源光纤传感组网技术一般的光纤传感网络都是由无源器件构成的，利用光纤环形内腔激光技术可以构成有源传感网络。光纤环形内腔激光技术的主要特点是无需
35、引入附加光源，通过腔内的掺杂光纤作为激光增益介质，区别于一般激光器的直线腔，该激光器的谐振腔为环形腔。下面介绍两种利用环形激光器的两种有源组网方法。一、 基于光纤光栅的有源传感网络10 图2-21 基于光纤光栅的有源传感网络图 2-21 中，受 1480nm 激光激发，掺铒光纤( EDF) 铒原子中的电子在不同能级间跃迁, 释放波长在 1550 nm 附近的光子, 形成带宽约几十个纳米的自发辐射。FBG 作为环形腔端镜时 , 辐射光经布喇格反射后借助耦合器 , 通过 F-P 滤波器和隔离器后经 EDF 放大至 WDM 耦合器 , 形成闭合回路。这样辐射光的每一次循环, 其能量均得到加强。受压电
36、陶瓷驱动, F-P 腔中内置的可旋转平行介质板的倾角发生变化, 从而改变滤波器透过波长。波分复用光栅串作端镜, 当滤波器透过波长与某一传感光栅的布喇格波长一致时, 只要抽运光强度超过阈值, 对应腔中便建立相应的“ 环形振荡”, 以至产生布喇格波长的激光输出。改变控制电压就可通过波长调节对传感光栅进行地址查询。用 1 N 光开关将信号在 N 个匹配光栅串间切换, 则系统可查询光栅的数目将增至 N 倍, 并成为空、波分复合复用传感系统。应变通过对光栅常数的影响和弹光效应引起FBG 反射波长 Bij发生漂移(Bij ) ，对应的激光输出若用作非平衡扫描Michelson 干涉仪的光源, 则波长漂移引
37、起干涉仪输出的附加相移可表示成：(2-19)4(1)eij ijBijnLP其中 为作用于第i行，j列光栅上的待测应变，P e为光纤介质的有效弹光系数，L 臂长差，n为折射率。因此观测相移值便可判断待测应变的大小，实现对传感信号的解调。二、基于光纤锁模激光器的的有源复用技术11利用锁模激光器对腔长敏感的特性,提出一种用于光纤环形内腔激光气体网络系统复用的方法。图2-22给出了一个利用锁模光纤激光器进行多点光纤内腔激光气体传感测量的实验原理图。其中,实验中用两个传感器,构成了两个腔。由于LiNbO 3强度调制器是一个偏振相关的器件,因此在每个传感器前面加上了光纤偏振控制器,使得信号偏振态与调制器
38、相匹配。图2-22 锁模光纤激光器复用的光纤气体内腔激光传感网络系统脉冲发生器产生频率为f i的较窄的方波脉冲（2-iicNnL20）式中，L i为为某个传感器所在通道的腔长 ，c/n为光在光纤中的传播速度， Ni为调制纵模的谐波数，一般用基频, Ni = 1。当某个频率与对应腔长互相匹配时， 就会起振产生激光，而通过别的通道过来的光由于强度调制器的作用被衰减， 使得输出信号中只有此通道的传感器信息。输出信号的大小与传感器中气体吸收关。光纤传感系统的智能化组网随着光纤传感网的不断增大，对组网的要求要来越高，其中智能化的组网是主要的方向。对于分立式和连续分布式光纤智能传感网，其关键的技术包括光源
39、的光谱数字化技术、多种传感器的光谱取样与高速解调技术、波分复用及时分复用组网技术和信息智能传输技术等。智能化的光纤传感网络，能够分配网络专用的开销波段，对整个传感网进行实时自寻径、自检、自诊断；通过波长变换原理实现自愈；按照传感需求实现光谱波段的实时动态分配；并通过智能网的评估系统实现联动报警。国家 973 计划“ 新一代光纤智能传感网与关键器件基础研究” 的部分研究实现了基于 SCADA（Supervisory Control And Data Acquisition）系统模型、采用TCP/IP 技术的光纤传感系统智能组网功能。整个系统包括两个核心进程：监控服务器进程、管理控制台进程，以及一
40、系列子系统和服务组件。整体结构图如图 2-23 所示。图 2-23 智能传感系统网络结构对于大规模的组网应用，一个明确的网络标准是非常必要的。它通过对网络接口，频谱划分、功率均衡、线路备份、器件和设备质量标准进行规范，可以保证各厂家产品的质量、互换性和工程的可靠性。目前还缺乏这样的网络规范，在实际工程中，各厂家产品的互通没有依据。解决这个问题可以加速光纤传感网络的大规模推广应用以及各传感网络之间的连接组网。但是在现阶段，为了确保工程质量，在同一个工程中选择一家厂商进行网络设计并提供所有的设备是非常必要的。122.2 光纤传感网的拓扑结构拓扑是英文 Topology 的音译，而拓扑学是数学中一个
41、重要的、基础的分支学科，起初它是几何学的一个分支，研究几何图形在连续变形下保持不变的性质，后来发展为研究连续性现象的数学分支。目前，拓扑学的概念、理论和方法已经广泛地渗透到现代数学以及临近学科的许多领域中，并且有了日益重要的应用，特别是在光纤传感网的应用过程中，有着更为突出的作用 1。 对于光纤传感网的拓扑结构，则是借鉴了拓扑学中研究与大小，形状无关的点、线关系的方法，把光纤传感网中的传感元件抽象为一个点，把光纤抽象为一条线，由点和线组成的几何图形就是光纤传感网的拓扑结构。网络的拓扑结构反映出网中各实体的结构关系，是建设光纤传感网的第一步，是实现各种网络协议的基础，它对光纤传感网的性能，可靠性
42、有着重大的影响。根据光纤传感网的形式，其拓扑结构主要分为以下几类 2：（1）星型结构（2）环形结构（3）总线型结构（4）分布式结构（5）网状结构 2.2.1 星型结构2.2.1.1 星型结构的含义星型拓扑结构是用一个节点作为中心节点，其他节点直接与中心节点相连构成的网络，如图 2-24 所示。中心节点一般为数据处理终端。常见的中心节点为集线器。星型拓扑结构的网络属于集中控制型光纤传感网，整个网络由中心节点执行集中式通行控制管理。每一个传感器的节点都将要发送的数据发送中心节点，再由中心节点根据数据处理的反馈结果控制其他的传感器。因此，中心节点相当复杂，是光纤传感网的控制中枢，而对其他边缘传感器的
43、数据传输要求则不高。图 2-24 星形拓扑结构2.2.1.2 星型结构的特点优点：（1）控制简单。任何一边缘传感器只和中央节点相连接，因而中央节点对边缘节点的控制方法简单，致使访问协议也十分简单。易于传感网络监控、反馈和管理。（2）故障诊断和隔离容易。中央节点对连接光路可以逐一隔离进行故障检测和定位，单个连接点的故障只影响一个传感器设备，不会影响全网。（3）方便服务。中央节点可以方便地对各个边缘传感器提供服务和网络反馈控置。缺点：（1）需要耗费大量的光缆，安装、维护的工作量也骤增。（2）中央节点负担重，形成“瓶颈” ，一旦发生故障，则全网受影响。（3）各站点的分布处理能力较低。总的来说星型拓扑
44、结构相对简单，便于管理，建网容易。采用星型拓扑结构的局域网，一般使用双绞线或光纤作为传输介质，符合综合布线标准，能够满足多种宽带需求。尽管物理星型拓扑的实施费用高于物理总线拓扑，然而星型拓扑的优势却使其物超所值。每台设备通过各自的线缆连接到中心设备，因此某根光缆出现问题时只会影响到那一个对应的传感器，而网络的其他组件依然可正常运行。2.2.1.3 星型结构的实例分析油库检测管理自动化的时分光纤传感网络 1一、时分光纤传感网的总体结构时分光纤传感网的总体结构如图2-25所示，包括光纤传感器组，时分光纤分配网，光脉冲发收及解复用，子网控制，接口，总网控制等部分。各部分的作用是：光纤传感器组由液位和
45、温度传感器组成，二者都是码盘式光纤传感器，采集每个油罐的液位和温度数据。总网控制及显示接口子网控制及存储 光脉冲收发及解复用时分光纤分配网温度温度光纤传感器图2-25 时分光纤传感网的总体结构时分光纤分配网：探测光脉冲经过分路并延时，送到各个光纤传感头载运上采集的数据，再经合路器形成光时分序列，实现时分采集光脉冲发收及解复用：（1）发射一定周期且占空比很小的探测光脉冲，接收合路形成的时分光脉冲序列，经探测器变成电信号；（2）从整形后的时分序列中分离出各个传感头采集的脉冲；（3）负责网同步（4）稳定光源输出。子网控制及存贮：负责信号处理，检测并计算传感量的大小；定时存贮各传感器的数据；接收主控机
46、的指令，随时送出所需的数据。接口：负责主控机和子网之问按规定协议的通信；执行各种要求的指令。总网控：（1）控制全网，按用户要求发出采集数据指令（2）显出子网状（3）数据输出、打印并制表（4）报警。二、时分光纤网原理及设计时分光纤分配网是实现时分传感采集数据的关键，网的结构如图2(a)，由1N和 N1光纤合、分路器，光纤延时线，光纤传感器，光源及检测器等组成。图中光纤延时线是并联的，因此叫并联星结构。另一种延时线是串联的，如2(b)，叫串联星结构。比较两种结构，并联星有许多优点：（1）并联星结构的光纤耦合器的分光比是相等的，串联星的是不相等的；（2）在相同入纤功率下，并联星能容纳更多的传感器；（
47、3）并联星中每一支路的延时线是独立的，延时量是整数倍关系，串联星的一个支路延时线的延时量和其他支路有关；（4）并联星的运行可靠性高于串联星。在串联星中第一个延时线的故障影响全网，第二个影响N一1个传感器，第n个影响Nn个(N为网中传感器数，n为故障的延时线号数)。相反在并联星中，任一支路的故障只影响支路本身，不影响其他支路。为此，我们的试验网用并联星。液位图2-26 串联星与并联星结构2.2.2 网中的液位和温度传感器都是码盘式的物理量的变化引起码盘转动，码盘的齿和隙遮光和通光而调制输入光，读出转过的齿数就得到物理的变化 码盘工作时参考光和信号光变化差14的齿周期，根据二者间相位导先与迟后的差
48、别，计算传感器的加或差，待测物理量是升还是降。通常输入码盘的光是直流光，码盘转动，齿、隙不断遮、通输入光，调制直流光成为低频脉冲光，检测并计数光脉冲数，即得物理的变化。在时分光网中，输入码盘的是占空比很小的光脉冲。为了准确测量，要求在转过一个隙的时间内通过上千个光脉冲，形成的脉冲群的包络和直流光通过时的低频光脉冲形状一致。分析得到，包络内的脉冲数越多，对测量的准确性影响越小。设计的时分网应满足这个条件。2.2.2 设计的实验时分传感网包含三个光纤液位传感器和三个光纤温度传感器。网用两级管理主机386执行全网控制、数据采集 显示及输出打印等：操作程序模块化。子网管理由单片机负责现场实时数据采集，
49、向主机提供当时数据，并存贮数据。子网既可以独立运行，亦可受控运行实时采集数据。即使主机停机予刚仍正常运行子网分液位和温度二个，相互间是独立的：剐的同步是通过内部自同步来实现的，即发射机发出采集脉冲同时，时钟信号通过适当延时送到接收机进行同步。主子网的接口连接逻辑如图4，主机通过串口与多个并联从机(单片机)串口连接，组成一机对多机通信网。主从机问可以双工工作，从机间不能进行通信。在通信协议中为每一个从机规定一个地址码，主机发送的指令及数据中都带有地址码，从机接收后，判别地址码确认是否接收指令并执行。主网和子网间通信速率采用主机控制方法，即主机指令，单片机自动将通信端口速率设置在规定的速率上。2.2.2 实验网建立后对网的运行性能进行了测试 对于液位子网，
