[科普中國(guó)]-分布式傳感器

分布式傳感器是以分布式計(jì)算機(jī)為參考建立的一種多傳感器數(shù)據(jù)處理方式。在分布式傳感器網(wǎng)絡(luò)中，每個(gè)傳感器都可獨(dú)立地處理其自身信息，提供大量數(shù)據(jù)，還能進(jìn)一步獲得目標(biāo)的分類特征，以及避免電子對(duì)抗對(duì)單個(gè)傳感器系統(tǒng)所造成的嚴(yán)重性能下降。

簡(jiǎn)介隨著現(xiàn)代技術(shù)的發(fā)展，以各自獨(dú)立的傳感器為基礎(chǔ)的第一代系統(tǒng)已不能滿足現(xiàn)實(shí)中提出的諸多要求，如系統(tǒng)的頑存性、低可觀側(cè)性、目標(biāo)分類與識(shí)別等，而采用分布式多傳感器網(wǎng)絡(luò)，可提供大量數(shù)據(jù)，還能進(jìn)一步獲得目標(biāo)的分類特征，以及避免電子對(duì)抗對(duì)單個(gè)傳感器系統(tǒng)所造成的嚴(yán)重性能下降。所以分布式多傳感器網(wǎng)絡(luò)引起了人們極大的興趣。

分布式傳感器網(wǎng)絡(luò)的主要涉及以下一些內(nèi)容:

多傳感器的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

單個(gè)傳感器所需的局域處理容量及數(shù)據(jù)通訊的方式

數(shù)據(jù)融合過程

多傳感器布局的性能估計(jì)

對(duì)多傳感器網(wǎng)絡(luò)的在線管理/控制

軟件、硬件的保障，要考慮到生長(zhǎng)、重構(gòu)和重新布局的能力1

在多傳感器信息融合系統(tǒng)中，經(jīng)常采用集中式和分布式兩種結(jié)構(gòu)。在集中式數(shù)據(jù)融合結(jié)構(gòu)中，傳感器信息被直接送至數(shù)據(jù)融合中心進(jìn)行處理，具有信息損失小的優(yōu)點(diǎn)，但數(shù)據(jù)互聯(lián)復(fù)雜、可靠性差、計(jì)算和通信資源要求也高。而在分布式融合結(jié)構(gòu)中，每個(gè)傳感器都可獨(dú)立地處理其自身信息，之后將各決策結(jié)果送至數(shù)據(jù)融合中心，再進(jìn)行融合。

發(fā)展隨著通信技術(shù)、嵌入式計(jì)算技術(shù)和傳感器技術(shù)的飛速發(fā)展和日益成熟，具有感知能力、計(jì)算能力和通信能力的微型傳感器開始應(yīng)用。由這些微型傳感器構(gòu)成的分布式無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)(DistributedSensorNetwork，DSN)成為近年來(lái)一個(gè)重要的研究領(lǐng)域。20世紀(jì)80年代R．Wesson等最早開始了分布式傳感器網(wǎng)絡(luò)的研究，主要是對(duì)分布式傳感器網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的研究。目前，國(guó)外各科研機(jī)構(gòu)投入巨資，設(shè)立啟動(dòng)了許多關(guān)于DSN的研究計(jì)劃，主要有PicoRadio、WINS、SmartDust、ruAMPS.SCADDS等。

原理簡(jiǎn)述假設(shè)外界輸入信號(hào)為z，傳感器輸出信號(hào)y，輸入到局部檢測(cè)器。局部檢測(cè)器根據(jù)y的結(jié)果，采用相應(yīng)判決準(zhǔn)則作出局部決策u。數(shù)據(jù)融合中心將接收到的各局部檢測(cè)器的決策u，作為其觀測(cè)值。由于對(duì)各傳感器的觀測(cè)是統(tǒng)計(jì)獨(dú)立的，同時(shí)假設(shè)各局部檢測(cè)器之間沒有數(shù)據(jù)交互，則局部決策也是統(tǒng)計(jì)獨(dú)立的。根據(jù)經(jīng)典推理理論，融合中心可得到一個(gè)基于多傳感器決策的聯(lián)合概率密度函數(shù)，然后按一定的準(zhǔn)則作出最后決策u。即一個(gè)分布式多傳感器系統(tǒng)包括一系列傳感器節(jié)點(diǎn)和相應(yīng)的處理單元，以及連接不同處理單元的通信網(wǎng)絡(luò)。每個(gè)處理單元連接一個(gè)或多個(gè)傳感器，每個(gè)處理單元以及與之相連的傳感器被稱為簇。數(shù)據(jù)從傳感器傳送至與之相連的處理單元，在處理單元處進(jìn)行數(shù)據(jù)集成。最后，處理單元相互融合以獲得對(duì)環(huán)境的最佳評(píng)價(jià)。

系統(tǒng)結(jié)構(gòu)分布式傳感器網(wǎng)絡(luò)按結(jié)構(gòu)的不同大致分為三類，第一類是集中式的，如圖1所示，單個(gè)傳器測(cè)得的環(huán)境狀態(tài)的一個(gè)映射，然后送到中央處理器中進(jìn)行處理，得到對(duì)環(huán)境的估計(jì)。分層的傳感器網(wǎng)絡(luò)是第二類，如圖2所示，它與第一類的區(qū)別是進(jìn)行了一定的局域估計(jì)，然后送到全局估計(jì)器中進(jìn)行處理。第三類是水平估計(jì)結(jié)構(gòu)，所謂水平是強(qiáng)調(diào)各估計(jì)器之間相互平等的關(guān)系，如圖3所示，在這里，每個(gè)節(jié)點(diǎn)由傳感器、水平估計(jì)器及判決決策器組成。這三類相比較，第一類只有一個(gè)估計(jì)器來(lái)作為中央處理機(jī)用，第二類將中央處理機(jī)的功能劃分出一部分，與傳感器合并構(gòu)成局域估計(jì)，在第三類中就將中央處理機(jī)的功能全部劃分給局域估計(jì)器，并加強(qiáng)它們的聯(lián)系，從而拋開了中央處理機(jī)，成為一種水平估計(jì)結(jié)構(gòu)。

這三類結(jié)構(gòu)中，集中式結(jié)構(gòu)集中全邵數(shù)據(jù)進(jìn)行運(yùn)算，算法的選擇十分靈活，但要求中央處理機(jī)的數(shù)據(jù)率太高，第二類結(jié)構(gòu)未擺脫中央處理機(jī)，使得局域估計(jì)器不能得到中央處理機(jī)的性能，各個(gè)局域估計(jì)不能全面地反映情況。在第三類中，每個(gè)估計(jì)器都是平等的，又都相互聯(lián)系，所以每個(gè)局域估計(jì)器就能反映全部情況從而做出決策，這在傳感器分布域很廣時(shí)是非常有用的。1

光纖分布式傳感器光纖分布式傳感技術(shù)是指利用光纖的相關(guān)物理特性對(duì)被測(cè)場(chǎng)的空間和時(shí)間行為進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)的技術(shù)。該項(xiàng)技術(shù)對(duì)于大壩、橋梁、飛機(jī)等大型結(jié)構(gòu)的應(yīng)力場(chǎng)分布和溫度場(chǎng)分布的有效監(jiān)測(cè)有著重要的應(yīng)用價(jià)值。

基本原理光纖分布式傳感器一般基于背向散射工作機(jī)理或前向散射工作機(jī)理，其中背向散射型具有較為廣泛的實(shí)用意義。圖所示是光纖分布式傳感器的簡(jiǎn)單物理模型。當(dāng)光通過圖的虛線框區(qū)域時(shí)，能量將以下述三種方式分配:

①一部分能量沿著傳輸通道繼續(xù)傳播;

②一部分能量在傳輸過程中被吸收損耗或是散射至光纖外;

③一部分能量被耦合至接收通道，并以光速返回端面，這部分能量可被光電探測(cè)器檢測(cè)到。由接收通道返回的這部分能量體現(xiàn)了被測(cè)場(chǎng)M(L)從L至L+dL間的平均值。

典型系統(tǒng)1、本征型光纖分布式傳感器

本征型光纖分布式傳感器一般基于單根光纖沿長(zhǎng)度分布的基本損耗或散射機(jī)理而工作的，圖是此類分布式傳感器的基本系統(tǒng)模型。

OTDR、FWCM、OFDR等技術(shù)是本征型光纖分布工傳感器的技術(shù)核心，此類分布式傳感器可以有效地監(jiān)測(cè)光纖全程的應(yīng)力、溫度的分布情況，也可以檢測(cè)光纖的故障點(diǎn)位置。

2、準(zhǔn)分布式光纖傳感器

準(zhǔn)分布式光纖傳感器的基本物理模型如圖所示。與本征型光纖分布式傳感器相比較，準(zhǔn)分布式光纖傳感器增加了沿光纖長(zhǎng)度分布的離散傳感單元，主要監(jiān)測(cè)傳感單元位置點(diǎn)上的場(chǎng)參數(shù)值，由于加入了傳感單元，被測(cè)點(diǎn)的分辨率大大提高，但損耗較為明顯。時(shí)分復(fù)用技術(shù)(TDM)、頻分復(fù)用技術(shù)(FDM)、波分復(fù)用技術(shù)(WDM)是準(zhǔn)分布式傳感器中常使用的技術(shù)。2

本詞條內(nèi)容貢獻(xiàn)者為:

陳紅 - 副教授 - 西南大學(xué)