基于GPON的光纤光栅通信网与传感网融合技术研究

Posted 2021-07-07 fpga&matlab

        为了便于实现光纤光栅传感网的传感信号的远程传输和通信，本文提出了利用现有通信网的成熟技术对有线光纤光栅传感信号的传输和融入通信网的方案进行了研究。该方案是一种新型的基于吉比特无源光网络GPON (Gigabit Passive Optical Network)的有线接入方案，它利用现有已铺设的通信网网络，避免了大规模铺设专用光纤传感信道的巨大代价，节约了人力和物力资源，同时也增加了传感网组网的灵活性。方案中仅用一个监控中心实现对多个传感网络的监控，不仅克服了现场监控范围有限的缺陷，而且便于实施集中统一的管理，为传感现场提供了可靠的安全保障。本文对传感网络自身的特点进行了研究，同时也分析了现有接入网的接入现状，对传感网如何接入GPON进行了具体分析。

        光纤光栅传感器是对布拉格反射波长进行编码，当光栅周围的温度、应变、应力或其它待测物理量发生变化时，光栅周期或纤芯折射率也会发生变化，从而使光栅布拉格信号的波长产生位移，通过该波长位移情况，就可推测得到待测物理量的变化情况。图2.1为波分复用/解复用技术的原理图。宽谱光源或波长可调谐光源入射到光纤的一端，经耦合器照射到光纤光栅上，经光纤光栅传感器阵列反射的信号经过滤波器解调，将多个波长复用的光信号逐一解调为单个波长信号，而其与光纤光栅阵列中的探测点是一一对应的，将解调的信号经光电探测器探测后进行数据处理，即可得到所测物理量的分布式传感信息。

       波分复用就是把不同波长的信号复用在一根光纤上传输，从而提高光纤带宽资源的利用率。由于每一个测量点即光纤光栅传感器的工作光谱空间互不重合，因此每个测量点的反射光和透射光所在的光谱范围也不同，利用这个特点就可把测量值与测量点对应起来。此种方式比较简单，可靠性较强，对光信号的检测也简便可行，信噪比较高。但传感点数受光源的带宽和光纤的通光窗口的限制，一般的LD光源可允许的传感点数为几个到十几个。

        首先，分析了光纤光栅FBG(Fiber Bragg grating)传感器原理，传感网络的性能，并对传感网的复用技术和解调技术进行了研究。

    其次，考虑传感网的固有特性和 GPON的对各种业务通用适配的特点，选取了GPON作为最佳接入网。提出了多种传感网接入GPON的方案，但因传感子网数据帧相对GPON上行帧时间资源较丰富，最终采用时分复接这一最优方案，同时各传感子网和传感子网之间采用码分复用方式接入传感子网数据帧；对FBG传感网融入GPON系统的接入处理模块进行了设计，给出了适合在通信网中传输的传感数据包、传感复用帧的结构，为远程监控中心提取有效的传感信息节省了时间；综合考虑GPON可接入的多种业务和适配方式，传感复用帧最终采用光网络单元(ONU)的快速以太网(FE)端口接入GPON进行传输。

最后，利用Matlab仿真软件，对传感子网的数据进行编码，经信道传送到远程的监控中心并将传感数据解调出来，分析了其误码率，验证了传感信息接入GPON并在远程监控中心解调具有可行性。

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