[发明专利]一种新型FBG传感网络的设计

说明书

针对大型结构健康监测的光纤光栅传感网络难以同时兼顾大复用容量和低维护成本的问题，本发明设计了一种蛛网形拓扑结构的传感网络。这种结构网络利用了波分复用来增加网络的复用容量，并优化了基于门控循环单元(GRU)的模型来对重叠波长进行解调。设计的新型传感网络具有较高的网络可靠性和较高的网络复用容量，我们截取了蛛网形网络的部分结构进行实验，设计了四种故障情况进行对比，证明了蛛网形网络具有较高的可靠性；通过改进解调模型的网络结构增加模型识别精度，采用训练良好的模型对不同重叠程度光谱解调，在89.9％情况下其均方根小于1pm，可以证明改进的GRU模型可以有效的对重叠光谱进行解调，大大增加了网络的复用容量。本发明设计的新型传感网络可以有效的增加网络的可靠性和复用容量。

技术领域

本发明属于光纤传感技术领域，具体涉及一种基于门控循环单元(GRU)的蛛网形光纤布拉格光栅(FBG)传感网络的设计。

背景技术

近年来，光纤布拉格光栅(Fiber Bragg Grating，FBG)传感器发展迅速。它具有抗电磁干扰、耐腐蚀、体积小、线性传感、易于网络化复用等优点，被广泛应用于各个领域的压力监测和温度监测。提高传感器网络可靠性目前有两种常用方法，一种是构建网络时节点使用光开关，另一种则是使用光耦合器来组成网络。在大型结构的健康监测中，大量的光开关不但造成成本的增加，而且控制起来也十分困难。使用光耦合器就可以避免远端控制问题，还可以提供冗余链路增强网络的可靠性和自愈性。

传统的波分复用技术中每一个FBG传感器都需要各自的独立工作区，且相互之间不允许重叠，这就大大限制了在有限的光源带宽的条件下的FBG传感的复用数量。2018年汪泽凡等人提出了一种基于光耦合器的蜂窝形光纤光栅传感网络的拓扑结构，可以有效地的提高光纤光栅传感网络的可靠性和自愈性。但是这种网络不便与网络复用技术结合起来用于增加网络的复用容量。

综合考虑到光纤光栅传感网络的可靠性与大容量的复用，本发明提出了一种基于光耦合器的蛛网形光纤光栅传感网络的拓扑结构，这种拓扑结构可以更好的与复用技术结合来大大增加网络复用容量。并且复用技术使用允许FBG传感器的中心波长新型波分复用技术，使用改进的门控循环单元(Gated circulation unit，GRU)模型对重叠的波形进行FBG中心波长的检测。

本发明设计的新型传感网络使得传感网络的可靠性和大容量复用得到了有机的结合，增加了传感网络的可靠性并且增加了网络的复用容量和精确性，更好的应用于大型结构的健康监测系统中，其具体内容如下。

发明内容

本发明的目的是设计一种基于GRU的新型FBG传感网络，可以有效的增加网络的可靠性和复用容量。

有鉴于此，本发明提供了一种基于蛛网形拓扑结构的传感网络。这种结构网络利用了波分复用来增加网络的复用容量，并优化了基于门控循环单元(GRU)的模型来对重叠波长进行解调，设计的新型传感网络具有较高的网络可靠性和较高的网络复用容量。

本发明所述蛛网形拓扑结构，其主体结构由三部分组成：

可选的，所述蛛网形拓扑结构的光纤链路上分布着FBG传感器；

可选的，所述蛛网形拓扑结构中节点(D)是一个1×n的光耦合器；

可选的，所述蛛网形拓扑结构中心局端(Center office，CO)为中央控制单元；

可选的，所述蛛网形拓扑结构中CO通过标记不同的D来区分不同的FBG传感器；

可选的，所述蛛网形拓扑结构通过Dijkstra算法，选择最短的传输路径，并将寻径结果保存为路由表。

本发明设计的传感网络的工作流程如下，

在系统启动时首先由计算机通过查找路由表判断系统是否存在故障，如果没有故障就控制光源发出入射光；