[科普中國]-分布式傳感器

分布式傳感器是以分布式計算機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)絡中，每個傳感器都可獨立地處理其自身信息，提供大量數(shù)據(jù)，還能進一步獲得目標的分類特征，以及避免電子對抗對單個傳感器系統(tǒng)所造成的嚴重性能下降。

簡介隨著現(xiàn)代技術的發(fā)展，以各自獨立的傳感器為基礎的第一代系統(tǒng)已不能滿足現(xiàn)實中提出的諸多要求，如系統(tǒng)的頑存性、低可觀側性、目標分類與識別等，而采用分布式多傳感器網(wǎng)絡，可提供大量數(shù)據(jù)，還能進一步獲得目標的分類特征，以及避免電子對抗對單個傳感器系統(tǒng)所造成的嚴重性能下降。所以分布式多傳感器網(wǎng)絡引起了人們極大的興趣。

分布式傳感器網(wǎng)絡的主要涉及以下一些內(nèi)容:

多傳感器的結構設計

單個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

對多傳感器網(wǎng)絡的在線管理/控制

軟件、硬件的保障，要考慮到生長、重構和重新布局的能力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構。在集中式數(shù)據(jù)融合結構中，傳感器信息被直接送至數(shù)據(jù)融合中心進行處理，具有信息損失小的優(yōu)點，但數(shù)據(jù)互聯(lián)復雜、可靠性差、計算和通信資源要求也高。而在分布式融合結構中，每個傳感器都可獨立地處理其自身信息，之后將各決策結果送至數(shù)據(jù)融合中心，再進行融合。

發(fā)展隨著通信技術、嵌入式計算技術和傳感器技術的飛速發(fā)展和日益成熟，具有感知能力、計算能力和通信能力的微型傳感器開始應用。由這些微型傳感器構成的分布式無線傳感器網(wǎng)絡(DistributedSensorNetwork，DSN)成為近年來一個重要的研究領域。20世紀80年代R．Wesson等最早開始了分布式傳感器網(wǎng)絡的研究，主要是對分布式傳感器網(wǎng)絡結構的研究。目前，國外各科研機構投入巨資，設立啟動了許多關于DSN的研究計劃，主要有PicoRadio、WINS、SmartDust、ruAMPS.SCADDS等。

原理簡述假設外界輸入信號為z，傳感器輸出信號y，輸入到局部檢測器。局部檢測器根據(jù)y的結果，采用相應判決準則作出局部決策u。數(shù)據(jù)融合中心將接收到的各局部檢測器的決策u，作為其觀測值。由于對各傳感器的觀測是統(tǒng)計獨立的，同時假設各局部檢測器之間沒有數(shù)據(jù)交互，則局部決策也是統(tǒng)計獨立的。根據(jù)經(jīng)典推理理論，融合中心可得到一個基于多傳感器決策的聯(lián)合概率密度函數(shù)，然后按一定的準則作出最后決策u。即一個分布式多傳感器系統(tǒng)包括一系列傳感器節(jié)點和相應的處理單元，以及連接不同處理單元的通信網(wǎng)絡。每個處理單元連接一個或多個傳感器，每個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，在處理單元處進行數(shù)據(jù)集成。最后，處理單元相互融合以獲得對環(huán)境的最佳評價。

系統(tǒng)結構分布式傳感器網(wǎng)絡按結構的不同大致分為三類，第一類是集中式的，如圖1所示，單個傳器測得的環(huán)境狀態(tài)的一個映射，然后送到中央處理器中進行處理，得到對環(huán)境的估計。分層的傳感器網(wǎng)絡是第二類，如圖2所示，它與第一類的區(qū)別是進行了一定的局域估計，然后送到全局估計器中進行處理。第三類是水平估計結構，所謂水平是強調(diào)各估計器之間相互平等的關系，如圖3所示，在這里，每個節(jié)點由傳感器、水平估計器及判決決策器組成。這三類相比較，第一類只有一個估計器來作為中央處理機用，第二類將中央處理機的功能劃分出一部分，與傳感器合并構成局域估計，在第三類中就將中央處理機的功能全部劃分給局域估計器，并加強它們的聯(lián)系，從而拋開了中央處理機，成為一種水平估計結構。

這三類結構中，集中式結構集中全邵數(shù)據(jù)進行運算，算法的選擇十分靈活，但要求中央處理機的數(shù)據(jù)率太高，第二類結構未擺脫中央處理機，使得局域估計器不能得到中央處理機的性能，各個局域估計不能全面地反映情況。在第三類中，每個估計器都是平等的，又都相互聯(lián)系，所以每個局域估計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是非常有用的。1

光纖分布式傳感器光纖分布式傳感技術是指利用光纖的相關物理特性對被測場的空間和時間行為進行實時監(jiān)測的技術。該項技術對于大壩、橋梁、飛機等大型結構的應力場分布和溫度場分布的有效監(jiān)測有著重要的應用價值。

基本原理光纖分布式傳感器一般基于背向散射工作機理或前向散射工作機理，其中背向散射型具有較為廣泛的實用意義。圖所示是光纖分布式傳感器的簡單物理模型。當光通過圖的虛線框區(qū)域時，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器檢測到。由接收通道返回的這部分能量體現(xiàn)了被測場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度分布的基本損耗或散射機理而工作的，圖是此類分布式傳感器的基本系統(tǒng)模型。

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

2、準分布式光纖傳感器

準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，準分布式光纖傳感器增加了沿光纖長度分布的離散傳感單元，主要監(jiān)測傳感單元位置點上的場參數(shù)值，由于加入了傳感單元，被測點的分辨率大大提高，但損耗較為明顯。時分復用技術(TDM)、頻分復用技術(FDM)、波分復用技術(WDM)是準分布式傳感器中常使用的技術。2

本詞條內(nèi)容貢獻者為:

陳紅 - 副教授 - 西南大學