Как такая структура, где один вход соответствует нескольким выходам, применяется в сенсорных сетях?
В волоконно-решетчатых (FBG) сенсорных сетях и других системах оптических датчиков оптический разветвитель 1\times N (Optical Splitter) представляет собой пассивное оптическое устройство, которое равномерно или неравномерно разделяет один входной оптический сигнал на N выходных каналов (также может использоваться в обратном направлении для объединения N входных сигналов в один выходной).
Такая структура «один вход — много выходов» имеет чрезвычайно важное инженерное применение в сенсорных сетях, которое проявляется в следующих аспектах:
1. Расширение физических каналов и оптимизация затрат
Физическое количество каналов в демодуляторе волоконно-решетчатых датчиков (Interrogator) обычно ограничено (например, 4, 8, 16 или 32 канала). В крупномасштабных сенсорных проектах, если требуется мониторинг обширной территории с большим количеством точек измерения и разветвлённых участков, прямое увеличение числа физических каналов демодулятора значительно повысит стоимость оборудования.
Используя разветвитель 1\times N, один физический канал демодулятора может быть «распределён» по оптической схеме на N физических ветвей.
- Принцип работы: Широкополосный источник света, излучаемый демодулятором, через разветвитель 1\times N распределяется в среднем на N различных волоконно-оптических сенсорных цепочек; сигналы длины волны, отражённые датчиками на каждой ветви, снова объединяются через этот разветвитель и возвращаются в тот же физический приёмный канал демодулятора.
- Ограничения по планированию длины волны: Хотя такое применение физически расширяет один канал до N ветвей, логически они по-прежнему совместно используют один и тот же физический канал демодуляции. Следовательно, необходимо проводить строгое проектирование длин волн (Wavelength Design).
Предположим, диапазон сканирования длин волн демодулятора составляет B (например, ширина полосы 40\text{ nm} от 1525\text{ nm} до 1565\text{ nm}), а отражённые рабочие длины волн m FBG-датчиков, установленных во всех ветвях, не должны перекрываться. Если \Delta\lambda_i — ширина полосы, занимаемая отражательной длиной волны каждого датчика с учётом предельных физических изменений температуры/напряжения, то должно выполняться условие:\sum_{i=1}^{m} \Delta\lambda_i \le BТаким образом, можно в разы снизить стоимость строительства на канал без увеличения числа физических каналов демодулятора.
2. Оптимизация топологии сенсорной сети (звезда и дерево)
Традиционные сенсорные сети на основе волоконных решёток обычно используют последовательную (Daisy-Chain) шинную топологию, то есть несколько FBG-датчиков последовательно подключаются к одному оптоволокну. Однако такая структура имеет два недостатка:
- Риск единичного сбоя: Если основное волокно обрывается в каком-либо месте, все датчики после точки обрыва теряют сигнал.
- Сложность физического монтажа: В сложных конструкциях, таких как мосты, плотины, лопасти ветряных турбин, туннели, точки измерения часто распределены расходящимися или многонаправленными путями, и провести одно оптоволокно через все точки измерения затруднительно.
Используя разветвитель 1\times N, топологию сети можно оптимизировать до звёздочной (Star) или древовидной (Tree) структуры:
- Даже если волокно одной из ветвей получит физическое повреждение и оборвётся, датчики на других ветвях по-прежнему смогут нормально передавать данные демодулятору через разветвитель, что значительно повышает избыточность и жизнеспособность сенсорной системы.
- Упрощает гибкое размещение нескольких кабелей сенсорных волокон в соответствии с фактической геометрией здания.
Сопутствующие продукты и технологические решения
В реальных инженерных приложениях Beijing Dacheng Yongsheng Technology Co., Ltd. (OFSCN®) предлагает серию продуктов OFSCN® Optical Fiber Splitter, специально разработанных для комплектации с демодуляторами волоконных решёток.
Технические характеристики и спецификации
- Стандартные спецификации: Помимо стандартных разветвителей 1\times N, к стандартным также относятся разветвители 16x32, 8x16, 4x8, 32x64 и т. д., которые могут быть изготовлены на заказ в зависимости от масштаба конкретного проекта.
- Основные применения: Используются в крупных проектах в сочетании с OFSCN® Fiber Bragg Grating Interrogator для логического расширения физических каналов, что снижает среднюю стоимость каждого канала.
- Напоминание о применении: При использовании этого решения для расширения каналов необходимо строгое проектирование длин волн. При планировании топологии сенсорной сети и выборе датчиков необходимо заранее проверить центральные длины волн всех датчиков, чтобы обеспечить разумное распределение бюджета длин волн и отсутствие перекрёстных помех.