光纖技術(shù)在物聯(lián)網(wǎng)中的應(yīng)用
來源：網(wǎng)絡(luò)電信
陳炳炎 江蘇南方通信科技有限公司
摘要： 本文提出一種以光纖在線（in line）傳感、光纖傳輸以及與以光纖為高速信道的互聯(lián)網(wǎng)的結(jié)合、而形成的“三纖合一”的物感網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，構(gòu)成“光纖物感網(wǎng)” 即“光纖(有線)物聯(lián)網(wǎng)”。
Abstract：
Key words :
摘要：本文提出一種以光纖在線（in line）傳感、光纖傳輸以及與以光纖為高速信道的互聯(lián)網(wǎng)的結(jié)合、而形成的“三纖合一”的物感網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，構(gòu)成“光纖物感網(wǎng)” 即“光纖(有線)物聯(lián)網(wǎng)”。它與無線物聯(lián)網(wǎng)組合在一起，實現(xiàn)人類社會物理系統(tǒng)與互聯(lián)網(wǎng)虛擬世界的完整整合，構(gòu)造一個覆蓋世界上萬事萬物的“Internet of Things”。
（一）光纖技術(shù)的歷史回顧
瑞典皇家科學(xué)院2009年10月6日宣布，將2009年諾貝爾物理學(xué)獎授予包括英國華裔科學(xué)家高錕在內(nèi)的3位科學(xué)家。
高錕先生，1933年生于中國上海，1957年和1965年分別取得英國倫敦大學(xué)電機(jī)工程學(xué)士和博士學(xué)位，曾任香港中文大學(xué)校長。世稱“光纖之父”。
信息傳輸自古至今都是人們生活不可或缺的一部分，從古代社會的烽火臺到郵驛，再到19世紀(jì)人們發(fā)明了電報、電話等通過電子媒介進(jìn)行信息傳輸；隨著人們對信息需求的不斷提高，人們越來越迫切需要尋找到一種高速、便捷、傳輸距離長同時還要兼具制造成本低廉的信息傳輸媒介。1935年在美國紐約和費城之間敷設(shè)了第一根用于長途通信的同軸電纜。在上世紀(jì)50 ~ 60年代期間，為了進(jìn)一步探索未來大容量通信的傳輸線路，業(yè)界曾致力于毫米波H01 型模的金屬園波導(dǎo)管及超導(dǎo)同軸電纜的探索與開發(fā)，但均未獲得突破。
1966年，在英國ITT標(biāo)準(zhǔn)電信實驗室（此為ITT在歐洲的核心研究機(jī)構(gòu)）工作期間，高錕發(fā)表了一篇題為《光頻率介質(zhì)纖維表面波導(dǎo)》的論文，開創(chuàng)性地提出光導(dǎo)纖維在通信上應(yīng)用的基本原理，描述了長途及高信息量光通信所需介質(zhì)纖維的結(jié)構(gòu)和材料特性。當(dāng)時， 主流學(xué)者的共識是；玻璃中光損耗太高，光纖雖然可用在短短的胃鏡導(dǎo)管上，但用于長距離通信根本不可能。高錕先生卻不信其邪。他對通信系統(tǒng)詳細(xì)分析后指出；當(dāng)光損耗下降到20dB/Km時，玻璃纖維就有實用價值。他通過對光在玻璃纖維中吸收、散射和彎曲損耗機(jī)理的深入分析后得出結(jié)論：只要解決好玻璃純度和成分等問題，用熔石英制作的光學(xué)纖維可以成為實用的光通信傳輸媒質(zhì)。這一設(shè)想提出之后，有人稱之為匪夷所思，也有人對此大加褒揚(yáng)。但在爭論中，高錕的原創(chuàng)性工作在全世界掀起了一場光纖通信的革命。
在高錕原創(chuàng)性理論的推動下，4年后，美國康寧公司的工程天才Robert D. Maurer于1970年設(shè)計和制成世界上第一根低損耗石英光纖（損耗為20dB/Km，波長為0.63 μm）。他采用的方法，是在一根芯棒上氣相沉積石英玻璃，隨后抽去芯棒，將玻璃管燒縮成光棒后拉成光纖。氣相沉積時通過改變玻璃組分，形成高折射率的纖芯和低折射率的包層的光纖波導(dǎo)結(jié)構(gòu)，此光纖波導(dǎo)結(jié)構(gòu)被一直沿用至今。
1974年美國貝爾實驗室的John MacChesney 開發(fā)出MCVD（改良的化學(xué)氣相沉積）工藝，成為世界上第一個商用制棒技術(shù)，迅速被世界各國采用，及時地推動了光纖通信的實用化。
鑒于高錕、Robert D. Maurer和John MacChesney在光纖技術(shù)的奠基性工作和巨大成就，1999年他們?nèi)顺蔀楣こ探缱罡擢勴椀腘AE Charles Stark Draper獎的共同得主。
光纖制造技術(shù)在上世紀(jì)七十年代得到長足的發(fā)展，繼美國貝爾實驗室的MCVD制棒技術(shù)后， 美國康寧公司的OVD（管外氣相沉積）、日本NTT公司的VAD（軸向氣相沉積）以及荷蘭菲利浦公司的PCVD（等離子化學(xué)氣相沉積）制棒技術(shù)相繼開發(fā)成功。光纖損耗在1979年已降低到0.2dB/Km(波長為1550nm時)，這已接近由瑞利散射損耗所決定的極限值了。
隨著光纖制造技術(shù)發(fā)展，光纖波導(dǎo)傳輸理論在上世紀(jì)七十年代也得到長足的發(fā)展，從而為光纖技術(shù)的發(fā)展和實用化奠定了理論基礎(chǔ)。光纖波導(dǎo)理論源起于上世紀(jì)20年代初Debye（1910）的介質(zhì)波導(dǎo)理論，但由于光在光纖中的損耗機(jī)理、光纖波導(dǎo)的弱導(dǎo)性、微小的光纖截面尺寸以及其它傳輸特性均與微波介質(zhì)波導(dǎo)不相同，故光纖波導(dǎo)理論是一門獨立的理論。一大批學(xué)者為此作出了原創(chuàng)性的貢獻(xiàn)， 有關(guān)文獻(xiàn)浩如煙海。這里僅擷數(shù)例，以窺一斑：如Snyder A.W. （1969）和Gloge，D.（1971） 基于光纖波導(dǎo)的弱導(dǎo)性，即（n1-n2）<< n1 (n1和n2分別為光纖纖芯和包層的折射率)， 將經(jīng)典的模式（兩重和四重）簡并為線性偏振 (LP) 模， 從而大大簡化了光纖波導(dǎo)的理論分析；Keck，D.B.， Olshansky ，R. 和Petermann，K.等學(xué)者對光在光纖中各種損耗機(jī)理的理論研究為低損耗光纖制造提供了理論依據(jù)；Jeunhomme，L.，Marcuse，D. 和 Gambling W.A. 等學(xué)者對光纖波導(dǎo)的色散性能的研究則為G.655， G.656等色散位移光纖的開發(fā)奠定了理論基礎(chǔ)。
在華盛頓和波士頓之間的世界上第一條商用光纖通信系統(tǒng)于1981年建成。短短幾十年間，光纖網(wǎng)絡(luò)已遍布全球，至今已在全球敷設(shè)了數(shù)億公里的光纖，成為互聯(lián)網(wǎng)、全球信息通信的基礎(chǔ)。光纖的發(fā)明不但解決了信息長距離傳輸?shù)膯栴}，而且極大地提高了效率并降低了成本。今天，二氧化硅光纖已成為通信系統(tǒng)的基石，就如同硅集成電路是計算機(jī)的基石一樣。
今因光纖技術(shù)而催生的產(chǎn)業(yè)龐大得無法估計；從光纖光纜的制造，到光纖網(wǎng)絡(luò)通信系統(tǒng)；從通信網(wǎng)、電視網(wǎng)到互聯(lián)網(wǎng)；從打網(wǎng)絡(luò)游戲到看高清電視，光纖已成為整個人類信息社會的基礎(chǔ)。諾貝爾獎評委會是如此描述神奇的光纖：“光波流動在纖細(xì)的光纖中，它攜帶著各種信息數(shù)據(jù)傳遞向每一個方向，文本、音樂、圖 片和視頻因此能在瞬間傳遍全球。”
與傳統(tǒng)的導(dǎo)電材料銅不同，銅是不可再生資源，再過幾十年，地球上銅礦必將開采殆盡。自從西門子公司開發(fā)出第一根銅質(zhì)通信電纜至今，已逾一百年。再也沒有另外一百年的銅資源可資利用了。而光纖的材料，二氧化硅及其摻雜材料均是地球上取之不盡，用之不竭的物質(zhì)，是大自然恩賜于人類的無窮的財富。光纖的價格之低廉也是任何其他傳輸媒質(zhì)無法比擬的。每公里G.652光纖價格已從初期的上千元下降到目前的七十多元人民幣。今天，應(yīng)用最廣泛的G.652光纖，其結(jié)構(gòu)(階躍型折射率剖面) 之簡單，其性能之優(yōu)越，價格之低廉已無有能望其項背者。G.657光纖的出現(xiàn)，也將原先人們對光纖“脆弱易折”的觀感一掃而空。光纖到戶（FTTH）時代的來臨，已指日可待。
?。ǘ┕饫w通信與光纖傳感
光纖技術(shù)正在向兩個方向發(fā)展；第一波是光纖通信技術(shù)，第二波則是隨之而來的光纖傳感技術(shù)。光纖通信技術(shù)歷經(jīng)30余年的發(fā)展，日臻成熟；光纖傳感技術(shù)則是方興未艾。后者也正在借助光纖通信技術(shù)的成果處于迅速發(fā)展中。
進(jìn)入二十世紀(jì)90年代后，由于光纖放大器及光纖波分復(fù)用技術(shù)的迅速發(fā)展，使光纖通信的通信距離和通信容量的拓展發(fā)揮到極致。G.653光纖迅速被G.655，G.656光纖趕出歷史舞臺。目前，單一波長的傳輸容量已從2.5Gbit/s，10 Gbit/s發(fā)展到40 Gbit/s.，并已開始160 Gbit/s的研究。DWDM的波長間隔已從1.6nm，0.8nm減小到0.4nm(50GHz)。全波光纖的技術(shù)突破，使1385nm波長的水峰損耗消失，遂令第五波段（1360nm-1530nm）“天塹變通途”，使單模光纖的有效使用波段擴(kuò)展為從1280nm-1625nm的石英光纖低損耗區(qū)的全部波段?？梢韵胍?，在一根光纖上同時傳送千萬路電話已不再是人類的夢想的了。
光纖傳感技術(shù)是與光纖通信技術(shù)相伴而生的光纖技術(shù)發(fā)展的又一方向。它已由零星研究走向集中開發(fā)、由軍用催生民用、由單點監(jiān)測技術(shù)發(fā)展到分布式網(wǎng)絡(luò)監(jiān)測技術(shù)，其應(yīng)用領(lǐng)域之廣、其市場潛力之大、其發(fā)展勢頭之猛已令萬眾矚目。與傳統(tǒng)的傳感技術(shù)相比，光纖傳感器的優(yōu)勢是本身的物性特性而不是功能特性。光波在光纖中傳播時，在外界因素，如溫度、壓力、位移、電場、磁場、轉(zhuǎn)動等的作用下，通過光的反射、折射和吸收效應(yīng)，光學(xué)多普勒效應(yīng)、聲光、電光、磁光、彈光效應(yīng)，Sagnac效應(yīng)和光聲效應(yīng)等原理，使表征光波的特征參量：振幅、相位、偏振態(tài)、波長等，直接或間接地發(fā)生變化，因而可將光纖用作敏感元件來探測各種物理量，此即光纖傳感器的基本原理。此外，光纖還有各種衍生的傳感功能，例如，光纖光柵周圍化學(xué)物質(zhì)濃度的變化通過倏逝場影響光柵的布拉格波長，利用這種特性，通過對光纖光柵進(jìn)行特殊處理，可制成探測各種化學(xué)物質(zhì)的光纖光柵化學(xué)和生物化學(xué)傳感器。與普通光纖光柵相比，長周期光柵對光纖包層外材料的折射率變化更敏感，因為長周期光柵將正向?qū)ｑ詈系綆讉€正向包層模，圍繞包層的材料折射率的任何變化都會改變透射光波的性質(zhì)。將光纖光柵涂上特殊的活性涂覆層，可測量低濃度（10-9級）的目標(biāo)分子。此類光纖傳感器可用于航天器的氫氣漏泄檢測，油氣管道的碳?xì)浠衔锏穆┬箼z測，煤礦中的瓦斯檢測等等。
而光纖本身又是光波的傳輸媒質(zhì)，這種“傳”、“感”合一的特征所帶來的優(yōu)勢，堪稱無可匹敵?；谌鹄⑸洹⒉祭餃Y散射和拉曼散射原理的OTDR， BOTDR及ROTDR一類的分布式光纖傳感器以及基于雙光束干涉的光纖傳感干涉儀，如馬赫-曾德爾（Mach-Zehnder）干涉儀、邁克爾孫（Michelson）干涉儀、薩格奈克(Sagnac)干涉儀等， 其光纖傳感臂上的每一點既是敏感點又是傳輸介質(zhì)。即使對于基于多光束干涉的準(zhǔn)分布式光纖法布里-珀羅（Fabry-Perot）傳感器， 以及近年來發(fā)展最為迅速的光纖光柵傳感器而言， 前者的工作原理是通過兩個光纖端面作為反射面之間的距離變化來測量被測量的變化， 后者則是利用光纖材料的光敏性，即外界入射光子和光纖纖芯內(nèi)鍺離子相互作用引起折射率的永久性變化，從而在光纖纖芯內(nèi)形成空間相位光柵所構(gòu)成， 因此光纖光柵是在光纖纖芯中形成。兩者均是光纖本身的一個集成部份。與光纖的可熔接形成低插入損耗的聯(lián)接，此類光纖傳感器的在線（in line）特征，使其與光纖傳輸有天然的兼容性，可以替代傳統(tǒng)的分立和薄膜型光無源器件，從而為全光通信系統(tǒng)和光纖傳感網(wǎng)絡(luò)提供巨大的設(shè)計靈活性。
以互聯(lián)網(wǎng)為代表的計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)是二十世紀(jì)計算機(jī)科學(xué)的一項偉大成果，它給人們的生活帶來了深刻的變化，然而在目前，網(wǎng)絡(luò)功能再強(qiáng)大，網(wǎng)絡(luò)世界再豐富，也終究是虛擬的，它與人們所生活的現(xiàn)實世界還是相隔的，在網(wǎng)絡(luò)世界中，很難感知現(xiàn)實世界，很多事情還是不可能的，時代呼喚著新的網(wǎng)絡(luò)技術(shù)。光纖的這種神奇的、在線的傳感、傳輸特性以及與以光纖為高速信道的互聯(lián)網(wǎng)的結(jié)合，正迎合時代的需求，可以構(gòu)成全新的物感網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，筆者敢于斷言：在不久的將來，這種三纖合一的、新的光纖傳感網(wǎng)絡(luò)將給人們的生活方式帶來革命性的變化，從而使光纖技術(shù)的發(fā)展再一次邁向新的高峰。
(三) 從互聯(lián)網(wǎng)時代到“物聯(lián)網(wǎng)”時代
傳統(tǒng)的物聯(lián)網(wǎng)（The Internet of things）的定義是：通過射頻識別（RFID）、紅外感應(yīng)器、全球定位系統(tǒng)、激光掃描器等信息傳感設(shè)備，按約定的協(xié)議，把任何物品與互聯(lián)網(wǎng)連接起來，進(jìn)行信息交換和通訊，以實現(xiàn)智能化識別、定位、跟蹤、監(jiān)控和管理的一種網(wǎng)絡(luò)。物聯(lián)網(wǎng)的概念是在1999年提出的。物聯(lián)網(wǎng)就是“物物相連的互聯(lián)網(wǎng)”。這有兩層意思：第一，物聯(lián)網(wǎng)的核心和基礎(chǔ)仍然是互聯(lián)網(wǎng)，是在互聯(lián)網(wǎng)基礎(chǔ)上的延伸和擴(kuò)展的網(wǎng)絡(luò)；第二，其用戶端延伸和擴(kuò)展到了任何物品與物品之間，進(jìn)行信息交換和通訊。
物聯(lián)網(wǎng)可分為三層：感知層、網(wǎng)絡(luò)層和應(yīng)用層。
感知層包括二維碼標(biāo)簽和識讀器、RFID標(biāo)簽和讀寫器、攝像頭、GPS、傳感器、終端、傳感器網(wǎng)絡(luò)等，主要是識別物體，采集信息，與人體結(jié)構(gòu)中皮膚和五官的作用相似。
網(wǎng)絡(luò)層是物聯(lián)網(wǎng)的神經(jīng)中樞和大腦信息傳遞和處理。網(wǎng)絡(luò)層包括通信與互聯(lián)網(wǎng)的融合網(wǎng)絡(luò)、網(wǎng)絡(luò)管理中心、信息中心和智能處理中心等。網(wǎng)絡(luò)層將感知層獲取的信息進(jìn)行傳遞和處理。
應(yīng)用層是物聯(lián)網(wǎng)的“社會分工”與行業(yè)需求結(jié)合，實現(xiàn)廣泛智能化。應(yīng)用層是物聯(lián)網(wǎng)與行業(yè)專業(yè)技術(shù)的深度融合，與行業(yè)需求結(jié)合，實現(xiàn)行業(yè)智能化，這類似于人的社會分工，最終構(gòu)成人類社會。
物聯(lián)網(wǎng)形成的步驟：
（1）對物體屬性進(jìn)行標(biāo)識，屬性包括靜態(tài)和動態(tài)的屬性，靜態(tài)屬性可以直接存儲在標(biāo)簽中，動態(tài)屬性需要先由傳感器實時探測；
（2）需要識別設(shè)備完成對物體屬性的讀取，并將信息轉(zhuǎn)換為適合網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)臄?shù)據(jù)格式；
（3）將物體的信息通過網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)叫畔⑻幚碇行模ㄌ幚碇行目赡苁欠植际降?，如家里的電腦或者手機(jī)，也可能是集中式的，如中國移動的IDC），由處理中心完成物體通信的相關(guān)計算。
根據(jù)上述定義的物聯(lián)網(wǎng)又稱無線物聯(lián)網(wǎng)。其用戶端以移動物體之間的溝通為主；例如，
1) 智能家居
智能家居產(chǎn)品融合自動化控制系統(tǒng)、計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)和網(wǎng)絡(luò)通訊技術(shù)于一體，將各種家庭設(shè)備(如音視頻設(shè)備、照明系統(tǒng)、窗簾控制、空調(diào)控制、安防系統(tǒng)、數(shù)字影院系統(tǒng)、網(wǎng)絡(luò)家電等)通過智能家庭網(wǎng)絡(luò)聯(lián)網(wǎng)實現(xiàn)自動化，通過中國電信的寬帶、固話和3G無線網(wǎng)絡(luò)，可以實現(xiàn)對家庭設(shè)備的遠(yuǎn)程操控。將家居環(huán)境由原來的被動靜止結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變?yōu)榫哂心軇又腔鄣墓ぞ?，提供全方位的信息交互功能?/div>
2) 智能醫(yī)療
智能醫(yī)療系統(tǒng)借助簡易實用的家庭醫(yī)療傳感設(shè)備，對家中病人或老人的生理指標(biāo)進(jìn)行自測，并將生成的生理指標(biāo)數(shù)據(jù)通過中國電信的固定網(wǎng)絡(luò)或3G無線網(wǎng)絡(luò)傳送到護(hù)理人或有關(guān)醫(yī)療單位。還可提供相關(guān)增值業(yè)務(wù)，如緊急呼叫救助服務(wù)、專家咨詢服務(wù)、終生健康檔案管理服務(wù)等。
3) 智能交通
智能交通系統(tǒng)包括公交行業(yè)無線視頻監(jiān)控平臺、智能公交站臺、電子票務(wù)、車管專家和公交手機(jī)一卡通等業(yè)務(wù)。
公交行業(yè)無線視頻監(jiān)控平臺利用車載設(shè)備的無線視頻監(jiān)控和GPS定位功能，對公交運行狀態(tài)進(jìn)行實時監(jiān)控。
車管專家利用全球衛(wèi)星定位技術(shù)(GPS)、無線通信技術(shù)(CDMA)、地理信息系統(tǒng)技術(shù)(GIS)、中國電信3G等高新技術(shù)，將車輛的位置與速度，車內(nèi)外的圖像、視頻等各類媒體信息及其他車輛參數(shù)等進(jìn)行實時管理，有效滿足用戶對車輛管理的各類需求。
(四) “ 三纖合一”的光纖物感網(wǎng)絡(luò)
對于重大的固定設(shè)施為終端用戶，如電網(wǎng)、鐵路、橋梁、隧道、公路、建筑、大壩、供水系統(tǒng)、長距離油氣管線等的監(jiān)測；地震監(jiān)測；煤礦中的瓦斯檢測、坑體結(jié)構(gòu)的健康監(jiān)測；大型地下設(shè)施的溫度、火災(zāi)報警；用于軍事或政府機(jī)構(gòu)等敏感地區(qū)和設(shè)施的入侵定位、安防預(yù)警；軍事中作為反潛聲納核心部件的水聽器等等，采用上述無線方式實現(xiàn)的物聯(lián)網(wǎng)顯然是勉為其難的了。而用植入上述被測物體的各種光纖傳感器得到所需被測參數(shù)，并以光纖傳輸?shù)綌?shù)據(jù)控制中心，并接入互聯(lián)網(wǎng)，形成光纖物感網(wǎng)絡(luò)。此“光纖物感網(wǎng)絡(luò)”概念的問世，打破了之前的傳統(tǒng)思維。過去的思路一直是將物理基礎(chǔ)設(shè)施和IT基礎(chǔ)設(shè)施分開：一方面是機(jī)場、公路、建筑物； 而另一方面是數(shù)據(jù)中心、個人電腦、寬帶等。而在“物感網(wǎng)”時代，鋼筋混凝土設(shè)施通過光纖傳感網(wǎng)絡(luò)、將與寬帶整合為統(tǒng)一的基礎(chǔ)設(shè)施，在此意義上，基礎(chǔ)設(shè)施更像是一塊新的地球工地，世界的運轉(zhuǎn)就在它上面進(jìn)行，其中包括經(jīng)濟(jì)管理、生產(chǎn)運行、社會管理乃至個人生活。
與語音通信技術(shù)中分為有線（固定電話）和無線（移動電話）通信相類似，物聯(lián)網(wǎng)也應(yīng)當(dāng)根據(jù)終端用戶的類型分為有線（光纖物感網(wǎng)）和無線物聯(lián)網(wǎng)兩類。
光纖物感網(wǎng)是“光纖傳感”、“光纖傳輸”和“光纖互聯(lián)網(wǎng)”的三纖合一的系統(tǒng)。
其優(yōu)點如下；
1， 光纖傳感器與傳統(tǒng)的非電量電測法的電傳感器相比，具有顯著的優(yōu)點：因為它是導(dǎo)光元件，所以完全不受電磁干擾，不受雷擊，不受核輻射影響，可在煤礦等易燃易爆的環(huán)境中工作。
2， 光纖傳感器與傳統(tǒng)的傳感器相比，具有更高的檢測靈敏度，例如，典型的光纖光柵布拉格波長隨溫度、壓力和應(yīng)變變化的靈敏度分別為10pm/k、3pm/Mpa和1.2pm/με；BOTDR(AQ8603)的應(yīng)變測量精度則可達(dá)±0.003%(30με).
特別是相位調(diào)制型光纖傳感器具有極高的檢測靈敏度，因光電檢測器無法直接感知相位，故必須采用干涉技術(shù)使相位變化轉(zhuǎn)化為強(qiáng)度變化，才能實現(xiàn)對物理量的檢測。其可得到最小相位變化為10-7rad的測量精度。如采用保偏光纖，信號檢測系統(tǒng)可測出1μrad的相位移，則對每米光纖的檢測靈敏度：對溫度為10-8 ℃，對壓力為10-7Pa，對應(yīng)變?yōu)?0-7με，動態(tài)范圍可達(dá)1010。對于某些波長檢測型的光纖傳感器，當(dāng)波長分辨率達(dá)到微米量級后，還可通過計算機(jī)數(shù)據(jù)處理將微米級的光波長細(xì)分到任意多的分?jǐn)?shù)，進(jìn)一步大大提高檢測靈敏度。
3， 鑒于光纖“傳”“感”合一的特性，而形成的分布式傳感系統(tǒng)，可在長距離的線路上進(jìn)行連續(xù)的傳感檢測和被測信號的傳輸。這是任何其他無線檢測手段所無法企及的。
4， 與無線檢測方式相比，光纖物感網(wǎng)不受大氣氣候影響，不受地理環(huán)境干擾。在軍事應(yīng)用中有良好的保密性。
5， 光纖物感網(wǎng)可移植業(yè)已成熟的光纖通信的技術(shù)成果，特別是網(wǎng)絡(luò)技術(shù)。例如多傳感器和傳輸光纖的連接技術(shù)；多傳感器的解調(diào)技術(shù)，如時分復(fù)用，波分復(fù)用，頻分復(fù)用，空分復(fù)用等技術(shù)，等等。
6， 光纖通信技術(shù)中非常成熟的光學(xué)元器件均可信手拈來，為我所用。它們是：光源；如半導(dǎo)體激光二極管、LED、DFB激光器、光纖光柵激光器等，光電探測器；如 PIN管、APD管等，光纖無源器件；如光纖耦合器、光纖隔離器和環(huán)行器、光開關(guān)、波分復(fù)用器等。
下面舉例來描述光纖物感網(wǎng)的使用情景：
1） 地震監(jiān)測
由于具有長距離遙測、耐惡劣環(huán)境、靈敏度高、易于聯(lián)網(wǎng)等突出優(yōu)點。光纖傳感器可能是目前最好的地震監(jiān)測手段，一旦在地震帶附近建立起永久的可以監(jiān)測地震的光纖傳感器網(wǎng)絡(luò)，就可以及時地監(jiān)測地下的異常情況，對可能發(fā)生的地震發(fā)出預(yù)警，最大可能地避免人員傷亡和財產(chǎn)損失。光纖傳感器可埋入溫度高達(dá)250℃以上的地層深處，因此可測量距離達(dá)數(shù)百公里?？捎糜跈z測地震波、地質(zhì)板塊內(nèi)部應(yīng)力、溫度、位移和傾斜、地下流體壓力、地下磁場等地下物理量的動態(tài)變化。
分布式光纖傳感器除具有結(jié)構(gòu)簡單、靈敏度高、耐腐蝕、電絕緣、防爆性好、抗電磁干擾、光路可撓曲、易于與計算機(jī)連接、便于遙測等優(yōu)點外，其最顯著的優(yōu)點就是可以測出光纖沿線任一點上的應(yīng)變、溫度和損傷等信息，實現(xiàn)對監(jiān)測對象的全方位立體監(jiān)測。因此，研究和開發(fā)分布式光纖應(yīng)變/溫度傳感技術(shù)對活動塊體邊界帶(或斷裂帶)的監(jiān)測具有重要意義。
將被測的各種參數(shù)經(jīng)光纖網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)綌?shù)據(jù)控制中心進(jìn)行記錄和分析，并與互聯(lián)網(wǎng)相聯(lián)，分享全球有關(guān)地質(zhì)變動的資料，相互印證，分析比較，監(jiān)測地震預(yù)兆。
2） 煤礦安全
煤礦生產(chǎn)中的安全問題日益突出， 礦井瓦斯?jié)舛冗_(dá)到5%~16% 就具有爆炸的危險性。因此實時監(jiān)測礦井瓦斯?jié)舛龋?及早采取預(yù)防措施， 不僅能減少國家財產(chǎn)損失，而且能有效保障礦井工人的人身安全。采用高精度、長期可靠的光纖瓦斯傳感器、光纖溫度和應(yīng)變傳感器來檢測礦井中的瓦斯?jié)舛取囟?、礦壓、微震等參數(shù)，用以預(yù)測預(yù)警和防控煤礦安全生產(chǎn)中的瓦斯、火災(zāi)、透水及沖擊地壓等主要煤礦災(zāi)害。并采用光纖寬帶監(jiān)控系統(tǒng)。分布式網(wǎng)絡(luò)化煤礦綜合監(jiān)控系統(tǒng)主干傳輸平臺可采用基于IP的工業(yè)以太網(wǎng)光纖通信技術(shù)，將地面以太網(wǎng)技術(shù)通過礦用光纜直接延伸至煤礦井下環(huán)境，為礦井構(gòu)筑了先進(jìn)、可靠、標(biāo)準(zhǔn)、高速、寬帶、雙向的綜合信息傳輸平臺，使得礦山安全和綜合自動化系統(tǒng)的各種監(jiān)控設(shè)備、自動化過程控制設(shè)備、語音通訊設(shè)備、圖象監(jiān)控設(shè)備等都以IP方式接入。并與煤礦企業(yè)的Internet／Intranet整體架構(gòu)實現(xiàn)無縫連接。
3） 光纖水聽傳感網(wǎng)絡(luò)
光纖水聽傳感網(wǎng)絡(luò)是一種建立在光纖傳感和傳輸合一基礎(chǔ)上的水下聲信號傳感系統(tǒng)。它通過高靈敏度的光纖相干檢測（如馬赫-曾德爾（Mach-Zehnder）干涉儀、邁克爾孫（Michelson）干涉儀、薩格奈克(Sagnac)干涉儀等 ），也可用光纖法布里-珀羅（Fabry-Perot）傳感器或光纖光柵傳感器，將水聲信號轉(zhuǎn)換成光信號，并通過光纖傳至信號處理系統(tǒng)提取聲信號信息。光纖水聽傳感網(wǎng)絡(luò)主要用于海洋聲學(xué)環(huán)境中的聲傳播、噪聲、混響、海底聲學(xué)特性、目標(biāo)聲學(xué)特性等的監(jiān)測。它既可用于海洋、陸地石油天然氣勘探，也可用于海洋、陸地地震波檢測以及海洋環(huán)境檢測，它又是現(xiàn)代海軍反潛作戰(zhàn)聲納系統(tǒng)的核心部件。
光纖水聽器靈敏度高，帶寬寬，頻響特性好，可以響應(yīng)甚低頻；耐靜水壓；全光，水下無任何電子設(shè)備，穩(wěn)定性高；光纜輕巧，耐高溫，抗腐蝕性；傳輸距離遠(yuǎn)，動態(tài)范圍大；可利用光纖多路復(fù)用技術(shù)，構(gòu)成大范圍陣列。這些特點使基于光纖水聽器的傳感器網(wǎng)絡(luò)與信息傳輸網(wǎng)絡(luò)一體化，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)大為簡化，當(dāng)光纖水聽傳感網(wǎng)絡(luò)進(jìn)一步與互聯(lián)網(wǎng)連接后，將在大幅度提高系統(tǒng)性能的同時，減少了系統(tǒng)的工程代價。
采用Mach-Zehder或Michelson干涉儀的光纖相位檢測技術(shù)具有極高的靈敏度，但需解決偏振衰落及相位衰落等技術(shù)問題；而在Sagnac干涉儀中不需要考慮相位衰落和光源相位噪聲問題， 偏振衰落問題也可通過在干涉儀中插入Lyot退偏器的方法得到很好解決， 因此基于Sagnac干涉儀的光纖水聽器與基于Mach-Zehder干涉儀的光纖水聽器相比有其獨特優(yōu)勢。
在水聽器應(yīng)用中，由于水下聲場的復(fù)雜性，單元水聽器無法獲得目標(biāo)的詳細(xì)信息，必須依靠超大陣元數(shù)目的高度復(fù)用的傳感器陣列。通過水聽器陣列完成聲場信號的波束形成，實現(xiàn)對水下目標(biāo)的定位與指向。為降低成本與體積．多路復(fù)用技術(shù)被廣泛的用到了水聲信號傳輸領(lǐng)域。多路復(fù)用技術(shù)的使用對水聲信號的處理能力提出了更高的要求。需要處理的是水聽器陣列的海量信號，對處理速度要求高。通常可采用一種基于FPGA和DSP的光纖傳感信號實時處理系統(tǒng)，來完成多路復(fù)用信號的解復(fù)用以及實時快速解調(diào)。
(五)傳感光纖與傳感光纜
用來制作光纖傳感器的光纖稱為傳感光纖。傳感光纖的主要類型就是常規(guī)的單模光纖或多模光纖，例如，BOTDR光纖溫度和應(yīng)變傳感器使用單模光纖，而用于ROTDR光纖溫度傳感器的是多模光纖；用于相位調(diào)制型的光纖Sagnac干涉儀的也可采用保偏光纖；根據(jù)普朗克定律通過輻射量檢測來實現(xiàn)測溫的光纖溫度傳感器采用大芯徑光纖；而用于制作光纖光柵的則是纖芯高摻鍺的光敏光纖。
在光纖傳感網(wǎng)絡(luò)中，傳感光纜是一個非常重要的部件。它不僅是聯(lián)接光纖傳感器和控制中心的傳感信號的傳輸介質(zhì)，在分布式光纖傳感系統(tǒng)（如OTDR或干涉型傳感系統(tǒng)）中，同時兼任傳輸和傳感兩種功能。因而它的結(jié)構(gòu)形式和功能可能與常規(guī)的通信光纜很不相同。例如，在傳統(tǒng)的通信光纜中， 光纜必須設(shè)計成將光纜中的光纖與外界應(yīng)力相隔離， 也就是說光纖不應(yīng)直接受外力影響，以保證光纜中光纖的長期使用壽命。而在應(yīng)變型傳感光纜中，必須讓外界應(yīng)力直接傳遞到光纜中的光纖上， 從而實現(xiàn)應(yīng)變測量。這類傳感光纜使用時需直接嵌埋于被檢測應(yīng)變及變形的土木結(jié)構(gòu)件內(nèi)部、或直接粘接在其表面。而與此同時，還需對傳感光纜中的光纖進(jìn)行環(huán)境和機(jī)械保護(hù)。在某些應(yīng)變型傳感光纜使用中，傳感光纖通過粘接劑粘合在被測的金屬或混凝土基板上，光纖與基板之間有光纖涂層和粘接劑兩層物質(zhì)相隔，除了要求這些物質(zhì)的物理性能，如熱脹系數(shù)、楊氏模量、泊松比等盡量匹配外，光纖和其涂層之間必須有良好的結(jié)合力，否則在應(yīng)變測量中，因光纖與涂層之間的滑移會產(chǎn)生測量誤差。常規(guī)的光纖的紫外固化丙烯酸樹脂涂層的剝離力為1.3~ 8.9 N，這對于上述應(yīng)變測量遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠，必須開發(fā)出高剝離力的光纖涂層。
又如，在 BOTDR分布式傳感系統(tǒng)中，由BOTDR發(fā)出的布里淵散射光通入單模光纖中傳輸時， 當(dāng)單模光纖受到應(yīng)力而產(chǎn)生應(yīng)變或溫度變化時，光纖中的布里淵散射光就會產(chǎn)生頻移，通過頻移的計算可得出光纖所受應(yīng)變和溫度變化數(shù)值。為了區(qū)分溫度和應(yīng)變所導(dǎo)致的不同測量結(jié)果，可設(shè)計一種雙芯光纜，在此光纜中，一根光纖以松套狀態(tài)，另一根光纖以緊套狀態(tài)置于光纜中。這樣，在測量中，從松套光纖可測得溫度變化數(shù)值，而緊套光纖同時測得溫度和應(yīng)變數(shù)值，從后者減去前者數(shù)值，即可得應(yīng)變數(shù)值。
另外，常規(guī)通信光纜使用溫度范圍為-40℃(極端溫度為-60℃.) ~ +60℃。而傳感光纜的應(yīng)用范圍極為廣泛，有時可能在-150℃ ~ +300℃的極端溫度下使用，這時，光纖和光纜的材料和結(jié)構(gòu)都會有很大變化。例如采用聚酰亞胺涂層代替丙烯酸樹脂涂層，用氟塑料代替聚烯烴作為光纜結(jié)構(gòu)材料等等。
從上述幾個例子可見，傳感光纜的設(shè)計和制造遠(yuǎn)比常規(guī)通信光纜復(fù)雜。而有了高質(zhì)量的傳感光纜才能將光纖傳感系統(tǒng)的優(yōu)點更充分發(fā)揮出來。這對光纖光纜行業(yè)來說，其任務(wù)還是任重道遠(yuǎn)的。
(六) 結(jié)語
光纖傳感網(wǎng)絡(luò)，就是把光纖傳感器嵌入和裝備到電網(wǎng)、鐵路、橋梁、隧道、公路、建筑、供水系統(tǒng)、大壩、油氣管道等各種重大工程設(shè)施中，通過光纜連接，形成所謂“光纖傳感網(wǎng)絡(luò)”，然后將此“光纖傳感網(wǎng)絡(luò)”與現(xiàn)有的互聯(lián)網(wǎng)整合起來，構(gòu)成“光纖物感網(wǎng)” 即“光纖(有線)物聯(lián)網(wǎng)”。它與無線物聯(lián)網(wǎng)組合在一起，實現(xiàn)人類社會與物理系統(tǒng)的整合。在這個整合的網(wǎng)絡(luò)當(dāng)中，存在功能強(qiáng)大的中心計算機(jī)群， 采集和存儲著物理的與虛擬的海量信息，通過分析處理與決策，完成從信息到知識、再到控制指揮的智能演化，進(jìn)而實現(xiàn)整合網(wǎng)絡(luò)內(nèi)的人員、機(jī)器、設(shè)備和基礎(chǔ)設(shè)施，實施實時的管理和控制。在此基礎(chǔ)上，人類可以以更加精細(xì)和動態(tài)的方式管理生產(chǎn)和生活，達(dá)到“智慧”狀態(tài)，從而提高資源利用率和生產(chǎn)力水平，改善人與自然間的關(guān)系。在這“智慧地球”的建設(shè)過程中，這種三纖合一的、新的光纖傳感網(wǎng)絡(luò)將為之作出革命性的貢獻(xiàn)，從而使光纖技術(shù)的發(fā)展再一次邁向新的高峰。
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