專利名稱：高可靠性可擴(kuò)展的三角形光纖傳感網(wǎng)設(shè)計(jì)方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于光纖智能傳感技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種高可靠性可擴(kuò)展的三角形光纖傳感網(wǎng)，可實(shí)現(xiàn)大規(guī)模的光纖傳感網(wǎng)并且具有自愈功能。
背景技術(shù)：
近年來(lái)，光纖傳感網(wǎng)受到了越來(lái)越多的關(guān)注。光纖傳感網(wǎng)將許多個(gè)無(wú)源光纖傳感器利用復(fù)用技術(shù)組成一個(gè)傳感網(wǎng)絡(luò)，集傳感和傳輸于一體。它具有其它類型的傳感器網(wǎng)絡(luò)無(wú)可比擬的優(yōu)勢(shì)，如抗電磁干擾、耐惡劣環(huán)境、靈敏度高、可實(shí)現(xiàn)多參數(shù)測(cè)量等優(yōu)點(diǎn)，已經(jīng)廣泛應(yīng)用于環(huán)境監(jiān)測(cè)、災(zāi)害預(yù)警、智能材料與結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)等方面。隨著應(yīng)用的普及，人們對(duì)光纖傳感網(wǎng)的要求也越來(lái)越高，如希望傳感網(wǎng)的規(guī)模足夠大以適用于橋梁、隧道或者大廈這類大型結(jié)構(gòu)安全的監(jiān)測(cè)，同時(shí)也要求傳感網(wǎng)的可靠性高，以至出現(xiàn)故障或遭受惡意破壞時(shí)，傳感網(wǎng)能在一定程度上繼續(xù)工作。專利CN200610130121.3提出的“光纖光柵傳感系統(tǒng)”提供了一種多級(jí)、網(wǎng)絡(luò)式光纖光柵傳感系統(tǒng)，該系統(tǒng)能夠同時(shí)測(cè)量環(huán)境溫度和監(jiān)測(cè)物體的應(yīng)變情況，具有實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)、測(cè)試范圍大的優(yōu)點(diǎn)，適合大規(guī)模測(cè)量的場(chǎng)合。但是該系統(tǒng)不具有自愈功能，可靠性低。專利 CN200710019914.2提出的“具有生存性保證的光纖光柵傳感網(wǎng)絡(luò)”采用扇形子網(wǎng)級(jí)模型，能保證網(wǎng)絡(luò)在一處或多處鏈路發(fā)生失效的時(shí)候，網(wǎng)絡(luò)中的傳感器可以正常工作，并且可以將多個(gè)扇形子網(wǎng)級(jí)聯(lián)起來(lái)構(gòu)成大規(guī)模的傳感網(wǎng)絡(luò)模型，但是該網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點(diǎn)個(gè)數(shù)多，節(jié)點(diǎn)結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明目的是解決現(xiàn)有大規(guī)模傳感網(wǎng)不具有自愈功能、可靠性低或存在網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點(diǎn)個(gè)數(shù)多、節(jié)點(diǎn)結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜的問題，提供一種高可靠性可擴(kuò)展的三角形光纖傳感網(wǎng)設(shè)計(jì)方法。本發(fā)明設(shè)計(jì)了一種三角形的光纖傳感網(wǎng)，利用光開關(guān)及結(jié)構(gòu)本身的特點(diǎn)使光纖傳感網(wǎng)具有自愈功能，提高了網(wǎng)絡(luò)的可靠性。并且這種結(jié)構(gòu)很容易實(shí)現(xiàn)擴(kuò)展，使之更加適合于實(shí)際中大規(guī)模、多點(diǎn)的測(cè)量。本發(fā)明提供的高可靠性可擴(kuò)展的三角形光纖傳感網(wǎng)設(shè)計(jì)方法的設(shè)計(jì)步驟如下 第1、三角形光纖傳感網(wǎng)的中心三角形設(shè)計(jì)
首先設(shè)計(jì)一個(gè)等邊三角形，在三角形的每一條邊上都至少串聯(lián)1個(gè)光纖傳感器，在三角形亦即最外層三角形中的一個(gè)頂點(diǎn)處連接一個(gè)2X2的光開關(guān)，稱為主開關(guān)，用于傳遞光源、傳感器和解調(diào)系統(tǒng)之間的光信號(hào)以及實(shí)現(xiàn)光纖傳感網(wǎng)的自愈功能，定義該結(jié)構(gòu)是擴(kuò)展度為1的三角形光纖傳感網(wǎng)；
第2、三角形光纖傳感網(wǎng)的第1次擴(kuò)展
作第1步設(shè)計(jì)的中心三角形的外接三角形，使原三角形的三個(gè)頂點(diǎn)分別位于外接三角形三條邊的中點(diǎn)，這樣得到另外3個(gè)與中心三角形全等的三角形，構(gòu)成內(nèi)外兩層三角形，新擴(kuò)展的3個(gè)三角形分別與原三角形共用一條邊，另兩條邊上每條邊至少串聯(lián)1個(gè)光纖傳感器，外接大三角形亦即最外層三角形的其中一個(gè)頂點(diǎn)上連接一個(gè)2X2的光開關(guān)，稱為主開關(guān)，內(nèi)層三角形的每個(gè)頂點(diǎn)上各連接一個(gè)2X2的光開關(guān)，為了區(qū)分，稱為從開關(guān)，主要用于實(shí)現(xiàn)三角形光纖傳感網(wǎng)的自愈功能，并定義該結(jié)構(gòu)是擴(kuò)展度為2的三角形光纖傳感網(wǎng)； 第3、三角形光纖傳感網(wǎng)的第i-Ι次擴(kuò)展按照第2步的擴(kuò)展方法，逐次進(jìn)行擴(kuò)展；
當(dāng)對(duì)三角形光纖傳感網(wǎng)進(jìn)行第i-Ι次擴(kuò)展時(shí)，得到內(nèi)外共計(jì)i層三角形，其中i>2，各層中的每個(gè)三角形的每條邊至少串聯(lián)1個(gè)光纖傳感器，最外層三角形的其中一個(gè)頂點(diǎn)上連接一個(gè)2X2的光開關(guān)，稱為主開關(guān)，各內(nèi)層三角形的每個(gè)頂點(diǎn)上也各連接一個(gè)2X2的光開關(guān)，為了區(qū)分，稱為從開關(guān)，主要用于實(shí)現(xiàn)三角形光纖傳感網(wǎng)的自愈功能，并定義該結(jié)構(gòu)是擴(kuò)展度為i的三角形光纖傳感網(wǎng)。為了使三角形光纖傳感網(wǎng)對(duì)稱以簡(jiǎn)化結(jié)構(gòu)，第1步設(shè)計(jì)的中心三角形的各邊上串聯(lián)1個(gè)光纖傳感器；第2步設(shè)計(jì)的擴(kuò)展度為2的三角形光纖傳感網(wǎng)的第2層三角形每條邊上各有2個(gè)光纖傳感器；第3步設(shè)計(jì)的擴(kuò)展度為i的三角形光纖傳感網(wǎng)中共有i層三角形，
第i層三角形每條邊上各有214個(gè)光纖傳感器，整個(gè)三角形光纖傳感網(wǎng)共有 2 s4個(gè)傳
感器；內(nèi)層三角形中，每層三角形的每個(gè)頂點(diǎn)處都有1個(gè)從開關(guān)，共有3(i-Ij個(gè)從開關(guān)；在最外層三角形其中一個(gè)頂點(diǎn)處有一個(gè)主開關(guān)。所述的2 X 2的光開關(guān)有兩種狀態(tài)交叉態(tài)和平行態(tài)，根據(jù)各2 X 2的光開關(guān)所在位置及光路的需要決定光開關(guān)狀態(tài)；各2X2光開關(guān)狀態(tài)由人工控制。
本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)和積極效果
(1)本發(fā)明提出的三角形光纖傳感網(wǎng)方案結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，擴(kuò)展性能好，擴(kuò)展后結(jié)構(gòu)保持自相似性，能簡(jiǎn)化光信號(hào)的問詢過程和解調(diào)過程。(2)基于光開關(guān)狀態(tài)的切換可以實(shí)現(xiàn)自愈功能，即使在多個(gè)故障點(diǎn)發(fā)生的情況下能夠保持網(wǎng)絡(luò)正常工作，網(wǎng)絡(luò)可靠性高。(3)該網(wǎng)絡(luò)擴(kuò)展后規(guī)模大，且相對(duì)于數(shù)量較多的光纖傳感器來(lái)說，所需要的光開關(guān)較少，因此成本較低。


圖1是擴(kuò)展度為1的三角形光纖傳感網(wǎng)結(jié)構(gòu)示意圖， 圖中，1是主開關(guān)(2X2光開關(guān))，2、3、4都是光纖傳感器。圖2是擴(kuò)展度為2的三角形光纖傳感網(wǎng)結(jié)構(gòu)示意圖，
圖中，1是主開關(guān)(2X2光開關(guān))，2 10都是光纖傳感器，11、12、13都是從開關(guān)(2X2光開關(guān))。圖3是擴(kuò)展度為3的三角形光纖傳感網(wǎng)結(jié)構(gòu)示意圖，
圖中1是主開關(guān)(2X2光開關(guān))，11 16都是從開關(guān)(2X2光開關(guān))，2 10、17 28都是光纖傳感器。圖4是2X2光開關(guān)的兩種狀態(tài)，其中(a)為交叉態(tài)，(b)為平行態(tài)。
圖5是網(wǎng)絡(luò)中有一個(gè)連接點(diǎn)故障時(shí)自愈性的示意圖，其中(a)為網(wǎng)絡(luò)中沒有故障點(diǎn)時(shí)所有開關(guān)的狀態(tài)及信號(hào)傳輸路徑示意圖，(b)為網(wǎng)絡(luò)中出現(xiàn)故障點(diǎn)后二次采集信號(hào)時(shí)所有開關(guān)的狀態(tài)及信號(hào)傳輸路徑示意圖，圖中已經(jīng)畫出各個(gè)光開關(guān)的狀態(tài)以及相應(yīng)的傳輸路徑。圖6是網(wǎng)絡(luò)中有兩個(gè)連接點(diǎn)故障時(shí)自愈性的示意圖，其中(a)為網(wǎng)絡(luò)中沒有故障點(diǎn)時(shí)所有開關(guān)的狀態(tài)及信號(hào)傳輸路徑示意圖，(b)為網(wǎng)絡(luò)中出現(xiàn)故障點(diǎn)后二次采集信號(hào)時(shí)所有開關(guān)的狀態(tài)及信號(hào)傳輸路徑示意圖，(c)為網(wǎng)絡(luò)中出現(xiàn)故障點(diǎn)后三次采集信號(hào)時(shí)所有開關(guān)的狀態(tài)及信號(hào)傳輸路徑示意圖，(d)為網(wǎng)絡(luò)中出現(xiàn)故障點(diǎn)后四次采集信號(hào)時(shí)所有開關(guān)的狀態(tài)及信號(hào)傳輸路徑示意圖，圖中已經(jīng)畫出各個(gè)光開關(guān)的狀態(tài)以及相應(yīng)的傳輸路徑。
具體實(shí)施例方式本發(fā)明提供的高可靠性可擴(kuò)展的三角形光纖傳感網(wǎng)設(shè)計(jì)方法的設(shè)計(jì)步驟如下 第1、三角形光纖傳感網(wǎng)的中心三角形設(shè)計(jì)
如圖1所示，為一個(gè)等邊三角形，我們?cè)谄涿恳粭l邊上都串聯(lián)一個(gè)光纖傳感器，并且在三角形其中的一個(gè)頂點(diǎn)處連接有一個(gè)2X2的光開關(guān)，我們稱為其主開關(guān)，用于傳遞光源、 傳感器和解調(diào)系統(tǒng)之間的光信號(hào)以及實(shí)現(xiàn)該方案的自愈功能。設(shè)該結(jié)構(gòu)為擴(kuò)展度i=l的三角形光纖傳感網(wǎng)。第2、三角形光纖傳感網(wǎng)的第1次擴(kuò)展
作上述中心三角形的外接三角形使原三角形的三個(gè)頂點(diǎn)分別位于外接三角形三條邊的中點(diǎn)，這樣我們得到另外3個(gè)與原圖1全等的三角形，構(gòu)成內(nèi)外兩層三角形，如圖2所示。 這新擴(kuò)展的3個(gè)三角形分別與原三角形共用一條邊，另兩條邊上每條邊至少串聯(lián)1個(gè)光纖傳感器，但為了對(duì)稱以簡(jiǎn)化結(jié)構(gòu)，我們串聯(lián)與原三角形每邊相等的個(gè)數(shù)即1個(gè)傳感器。外接大三角形的其中一個(gè)頂點(diǎn)上有一個(gè)2X2的光開關(guān)，稱為主開關(guān)，原圖1中的主開關(guān)撤掉。內(nèi)層三角形的每個(gè)頂點(diǎn)上各連接一個(gè)2X2的光開關(guān)，為了區(qū)分，我們稱為從開關(guān)，主要用于實(shí)現(xiàn)自愈功能。這樣我們得到擴(kuò)展度i=2的三角形光纖傳感網(wǎng)。容易看出，i=2時(shí)，從整體上看共有兩層三角形，內(nèi)層三角形每條邊上有1個(gè)光纖傳感器，外層外接三角形每條邊上有2個(gè)光纖傳感器，一共有9個(gè)傳感器，3個(gè)從開關(guān)，1個(gè)主開關(guān)。第3、三角形光纖傳感網(wǎng)的第1 1次擴(kuò)展
按照第2步的擴(kuò)展方法，逐次進(jìn)行擴(kuò)展，理論上可以無(wú)限次擴(kuò)展； 在圖2的基礎(chǔ)上以第2步同樣的方法再做一個(gè)外接三角形，我們就得到新的3個(gè)與圖 2全等的三角形，內(nèi)外共計(jì)3層三角形，如圖3所示。這3個(gè)新擴(kuò)展的三角形分別與圖2的三角形共用一條邊，另兩條邊上每條邊至少串聯(lián)1個(gè)光纖傳感器，但為了對(duì)稱以簡(jiǎn)化結(jié)構(gòu)， 我們串聯(lián)與圖2三角形每邊相等的個(gè)數(shù)即2個(gè)傳感器。在最外層三角形的其中一個(gè)頂點(diǎn)上有一個(gè)2X2的光開關(guān)，稱為主開關(guān)，內(nèi)層各三角形的每個(gè)頂點(diǎn)上各有一個(gè)2X2的從開關(guān)， 且圖2中的主開關(guān)被撤掉。這樣我們得到i=3的三角形傳感網(wǎng)。此時(shí)，從整體上看共有三層三角形，最外層三角形每條邊上有4個(gè)光纖傳感器，中間層每條邊上有2個(gè)傳感器，最內(nèi)層為1個(gè)，整個(gè)結(jié)構(gòu)共有21個(gè)傳感器，6個(gè)從開關(guān)，1個(gè)主開關(guān)。
由此可推得，擴(kuò)展度為i (第i -1次擴(kuò)展)的三角形傳感網(wǎng)絡(luò)共有i層三角形，最外層三角形每條邊上有2i-1個(gè)光纖傳感器，共有
權(quán)利要求
1.一種高可靠性可擴(kuò)展的三角形光纖傳感網(wǎng)設(shè)計(jì)方法，其特征在于該方法的設(shè)計(jì)步驟如下第1、三角形光纖傳感網(wǎng)的中心三角形設(shè)計(jì)首先設(shè)計(jì)一個(gè)等邊三角形，在三角形的每一條邊上都至少串聯(lián)1個(gè)光纖傳感器，在三角形亦即最外層三角形中的一個(gè)頂點(diǎn)處連接一個(gè)2X2的光開關(guān)，稱為主開關(guān)，用于傳遞光源、傳感器和解調(diào)系統(tǒng)之間的光信號(hào)以及實(shí)現(xiàn)光纖傳感網(wǎng)的自愈功能，定義該結(jié)構(gòu)是擴(kuò)展度為1的三角形光纖傳感網(wǎng)；第2、三角形光纖傳感網(wǎng)的第1次擴(kuò)展作第1步設(shè)計(jì)的中心三角形的外接三角形，使原三角形的三個(gè)頂點(diǎn)分別位于外接三角形三條邊的中點(diǎn)，這樣得到另外3個(gè)與中心三角形全等的三角形，構(gòu)成內(nèi)外兩層三角形，新擴(kuò)展的3個(gè)三角形分別與原三角形共用一條邊，另兩條邊上每條邊至少串聯(lián)1個(gè)光纖傳感器，外接大三角形亦即最外層三角形的其中一個(gè)頂點(diǎn)上連接一個(gè)2X2的光開關(guān)，稱為主開關(guān)，內(nèi)層三角形的每個(gè)頂點(diǎn)上各連接一個(gè)2X2的光開關(guān)，為了區(qū)分，稱為從開關(guān)，主要用于實(shí)現(xiàn)三角形光纖傳感網(wǎng)的自愈功能，并定義該結(jié)構(gòu)是擴(kuò)展度為2的三角形光纖傳感網(wǎng)； 第3、三角形光纖傳感網(wǎng)的第i-Ι次擴(kuò)展按照第2步的擴(kuò)展方法，逐次進(jìn)行擴(kuò)展；當(dāng)對(duì)三角形光纖傳感網(wǎng)進(jìn)行第i4次擴(kuò)展時(shí)，得到內(nèi)外共計(jì)i層三角形，其中i>2，各層中的每個(gè)三角形的每條邊至少串聯(lián)1個(gè)光纖傳感器，最外層三角形的其中一個(gè)頂點(diǎn)上連接一個(gè)2X2的光開關(guān)，稱為主開關(guān)，各內(nèi)層三角形的每個(gè)頂點(diǎn)上也各連接一個(gè)2X2的光開關(guān)，為了區(qū)分，稱為從開關(guān)，主要用于實(shí)現(xiàn)三角形光纖傳感網(wǎng)的自愈功能，并定義該結(jié)構(gòu)是擴(kuò)展度為i的三角形光纖傳感網(wǎng)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于為了使三角形光纖傳感網(wǎng)對(duì)稱以簡(jiǎn)化結(jié)構(gòu)，第1步設(shè)計(jì)的中心三角形的各邊上串聯(lián)1個(gè)光纖傳感器；第2步設(shè)計(jì)的擴(kuò)展度為2的三角形光纖傳感網(wǎng)的第2層三角形每條邊上各有2個(gè)光纖傳感器；第3步設(shè)計(jì)的擴(kuò)展度為i的三角形光纖傳感網(wǎng)中共有i層三角形，第i層三角形每條邊上各有21—1個(gè)光纖傳感器，整i個(gè)三角形光纖傳感網(wǎng)共有Σ 2s4個(gè)傳感器；內(nèi)層三角形中，每層三角形的每個(gè)頂點(diǎn)處都s; I有1個(gè)從開關(guān)，共有3(i -1)個(gè)從開關(guān)；在最外層三角形其中一個(gè)頂點(diǎn)處有一個(gè)主開關(guān)。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的方法，其特征在于所述的2X2的光開關(guān)有兩種狀態(tài)交叉態(tài)和平行態(tài)，根據(jù)各2 X 2的光開關(guān)所在位置及光路的需要決定光開關(guān)狀態(tài)；各2 X 2光開關(guān)狀態(tài)由人工控制。
全文摘要
一種高可靠性可擴(kuò)展的三角形光纖傳感網(wǎng)設(shè)計(jì)方法。包括三角形光纖傳感網(wǎng)的中心三角形設(shè)計(jì)，傳感網(wǎng)的第1次擴(kuò)展及第次擴(kuò)展，經(jīng)第次擴(kuò)展后，得到內(nèi)外層三角形，擴(kuò)展度為的三角形光纖傳感網(wǎng)。為了使三角形光纖傳感網(wǎng)對(duì)稱以簡(jiǎn)化結(jié)構(gòu)，第層三角形每條邊上各有個(gè)光纖傳感器，整個(gè)傳感網(wǎng)共有個(gè)光纖傳感器；內(nèi)層三角形中，每層三角形的每個(gè)頂點(diǎn)處都有1個(gè)從開關(guān)，共有個(gè)從開關(guān)；在最外層三角形其中一個(gè)頂點(diǎn)處有一個(gè)主開關(guān)。本發(fā)明提出的三角形光纖傳感網(wǎng)方案結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，擴(kuò)展性能好，擴(kuò)展后規(guī)模大，所需要的光開關(guān)較少，擴(kuò)展后結(jié)構(gòu)保持自相似性，能簡(jiǎn)化光信號(hào)的問詢過程和解調(diào)過程。自愈功能強(qiáng)，即使發(fā)生多個(gè)故障點(diǎn)仍能保持網(wǎng)絡(luò)正常工作，網(wǎng)絡(luò)可靠性高。
文檔編號(hào)G01D5/26GK102291180SQ20111017426
公開日2011年12月21日 申請(qǐng)日期2011年6月27日 優(yōu)先權(quán)日2011年6月27日
發(fā)明者劉鐵根, 張以謨, 張紅霞, 王姝, 賈大功 申請(qǐng)人:天津大學(xué)