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光纤通信在配电网自动化上的应用 论文 1前言随着国家经济的发展和人民生活水平的提高，人们对电力的需求日益增长，同时对供电的可靠性和供电质量提出了更高的要求。配网馈线自动化是配网系统提高供电可靠性最直接有效的技术手段之一。在近几年国家加大了对城网和农网的改造，国内各大供电局对配电网自动化的投入也在加大。在配网自动化实现的过程中，我们发现通信问题是一个难点问题。在此，仅就光纤通信在配网自动化方面的应用谈一点认识和体会。 2配电网自动化对通信的要求 同调度SCADA系统一样，配电自动化系统也需要一个有效的通信网，同时他有自己的特点：终端数量极多。配网系统拥有众多的开闭所、配电变压器、柱上断路器，要对这些设备进行监控就需要许多FTU和TTU，同时这些FTU随配电设备安装，地域分布广，通讯节点分散。 配网自动化系统的规模、复杂程度和自动化程度决定了通信系统应满足下述要求： (1)可靠性： 配网系统的通信设备有很多暴露在室外，环境恶劣，因此必须能够抵御高温、低温、日晒、雨淋、风雪、冰雹和雷电等自然环境的侵袭。同时，尽量避免各种电磁干扰，保证长期稳定可靠地工作，并要求在线路停电时，通信系统仍能正常工作。 (2)经济性： 考虑到配电网系统的总体经济效益，通信系统的投资不应过大，力争充分利用现有的主网通信资源，进行主、配网整体规划，避免重复投资。 (3)寻址量大： 通信系统不仅要考虑目前及未来的数据传输的需要，还要考虑系统升级的要求。 (4)双向通信： 配网自动化要实现遥测、遥信、遥控功能，就必须要求具有双向通信能力。 (5)容易操作和免维护。 根据以上的要求，伴随着光纤价格的下降，目前，光纤通信正广泛地应用于电力系统。 3光纤通信 自激光器和低损耗光纤问世以来，光纤通信系统以其技术、经济上无可比拟的优越性而迅速崛起，并风靡全球。该系统是以光纤为传输介质，以光为载波信号传递信息的通信系统，应用的光波波长为1.0～1.μm靘，整个系统由电端机、光端机、光缆和中继器构成。光纤可分为单模光纤(SMF)、多模光纤(MMF)、长波长低射散光纤(LMF)、保偏光纤(PMF)及塑料光纤(POF)等很多种；常用的为单模和多模光纤，多模光纤就是传输多个光波模式，而单模光纤只传输一个光波模式。单模光纤比多模光纤传输距离长，目前一般地，光信号在多模光纤内可传6km左右，在单模光纤内可传30km。因此，单模光设备的价格要高于多模光设备。实用的光纤通常都是由多根光纤、加强芯、保护材料、固定材料等组合成光缆构成的传输线。 光纤MODEM可完成光信号与数字信号之间的相互转换。光纤MODEM一般有一个以上的数据口用以传递同步或异步信号。通信速率可达到2Mbps或更高，配网常用的通信速率一般为同步N×64K或异步19200bps以下。故足以满足配网通信的需要，光纤MODEM的连接示意图如下：另外，还有一种光纤MODEM具有双环自愈功能。这一功能使通信的可靠性大大增强。其功能示意图如图2所示：图2(I)中，A，B，C三点是通过自愈光MODEM实现的双环网，若在D点发生故障，则如图2(II)所示，光路在A站和C站愈合(环回)，使通信不受影响，同时向主站发出相应的告警及定位信号，使维修人员及时修复故障段光缆。4光纤通信的特点 光纤通信具有通信容量大，衰减小，不怕雷击，抗电磁干扰、抗腐蚀、保密性好、可靠性高、敷设方便等优点，不过投资费用相对较高，尤其对于城区内直埋式电缆线路的光纤敷设，施工费用将更大。 5光纤通信在配电网上的实现方案 光纤通信的组网方式非常灵活，可以构架成星型、链型、树状、网状、单纤网、双纤网、环上多分支、多环相交、多环相切等各种拓扑结构的网络。 根据配电自动化系统的特点，光纤网通常需组成环型网，并与计算机局域网连接，实现数据共享。常用的组网方式如图3所示。图3中：“S”表示网络服务器，“W1、W2、Wn”表示工作站，“b”表示变电所，“k”表示开闭所，“T”表示配电变压器。 实际工程设计中，充分考虑到电力通信专网拓扑结构的复杂性，SDH传输系统可以采用多达126个E1(2M口)全交叉连接和双主光环+多光分支的设计思想。基本构架为1～3个SDH／STM-1双纤自愈环相交或相切，而且在需要时，可通过更换光卡的方式在线升级为SDH／STM-4。如果局调度中心局域网位于网络地理中心，建议设计为相切环，以调度中心为切点，如图4所示；如果局调度中心局域网偏离网络地理中心，建议设计为相交环，由于调度中心不在交点，为了环间可靠转接，各环相交至少两点，互为保护路由，如图5所示。6结束语 在实际的配网自动化的通信系统，必须构建一个成本低、收效高的双向通信系统，用可以接受的费用在可靠性和信息流量方面提供非常高的性能。同时，由于配电网自动化系统所要完成的功能太多而系统复杂，采用单一的通信系统来满足所有的功能需要是不现实的，也是不经济的。因此，在配电网自动化系统中，要应用多种通信方式，按综合的经济技术指标而选取其中最优的组合。在电力系统中较常用的通信方式还有一点多址数字微波、数传电台、无线扩频、专线电缆、邮电本地网、载波、扩频载波等，可供组网时选择。
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光纤通信光源技术论文篇二 我国光纤通信技术综述 光纤通信的发展依赖于光纤通信技术的进步。近年来,光纤通信技术得到了长足的发展,新技术不断涌现,这大幅提高了通信能力,并使光纤通信的应用范围不断扩大。 1. 我国光纤光缆发展的现状 1.1普通光纤 普通单模光纤是最常用的一种光纤。随着光通信系统的发展,光中继距离和单一波长信道容量增大,G.652.A光纤的性能还有可能进一步优化,表现在1550rim区的低衰减系数没有得到充分的利用和光纤的最低衰减系数和零色散点不在同一区域。符合ITUTG.654规定的截止波长位移单模光纤和符合G.653规定的色散位移单模光纤实现了这样的改进。 1.2核心网光缆 我国已在干线(包括国家干线、省内干线和区内干线)上全面采用光缆,其中多模光纤已被淘汰,全部采用单模光纤,包括G.652光纤和G.655光纤。G.653光纤虽然在我国曾经采用过,但今后不会再发展。G.654光纤因其不能很大幅度地增加光纤系统容量,它在我国的陆地光缆中没有使用过。干线光缆中采用分立的光纤,不采用光纤带。干线光缆主要用于室外,在这些光缆中,曾经使用过的紧套层绞式和骨架式结构,目前已停止使用。 1.3接入网光缆 接入网中的光缆距离短,分支多,分插频繁,为了增加网的容量,通常是增加光纤芯数。特别是在市内管道中,由于管道内径有限,在增加光纤芯数的同时增加光缆的光纤集装密度、减小光缆直径和重量,是很重要的。接入网使用G.652普通单模光纤和G.652.C低水峰单模光纤。低水峰单模光纤适合于密集波分复用,目前在我国已有少量的使用。 1.4室内光缆 室内光缆往往需要同时用于话音、数据和视频信号的传输。并目还可能用于遥测与传感器。国际电工委员会(IEC)在光缆分类中所指的室内光缆,笔者认为至少应包括局内光缆和综合布线用光缆两大部分。局用光缆布放在中心局或其他电信机房内,布放紧密有序和位置相对固定。综合布线光缆布放在用户端的室内,主要由用户使用,因此对其易损性应比局用光缆有更严格的考虑。 1.5电力线路中的通信光缆 光纤是介电质,光缆也可作成全介质,完全无金属。这样的全介质光缆将是电力系统最理想的通信线路。用于电力线杆路敷设的全介质光缆有两种结构:即全介质自承式(ADSS)结构和用于架空地线上的缠绕式结构。ADSS光缆因其可以单独布放,适应范围广,在当前我国电力输电系统改造中得到了广泛的应用。国内已能生产多种ADSS光缆满足市场需要。但在产品结构和性能方面,例如大志数光缆结构、光缆蠕变和耐电弧性能等方面,还有待进一步完善。ADSS光缆在国内的近期需求量较大,是目前的一种热门产品。 2. 光纤通信技术的发展趋势 对光纤通信而言,超高速度、超大容量和超长距离传输一直是人们追求的目标,而全光网络也是人们不懈追求的梦想。 2.1超大容量、超长距离传输技术波分复用技术极大地提高了光纤传输系统的传输容量,在未来跨海光传输系统中有广阔的应用前景。近年来波分复用系统发展迅猛,目前1.6Tbit/的WDM系统已经大量商用,同时全光传输距离也在大幅扩展。提高传输容量的另一种途径是采用光时分复用(OTDM)技术,与WDM通过增加单根光纤中传输的信道数来提高其传输容量不同,OTDM技术是通过提高单信道速率来提高传输容量,其实现的单信道最高速率达640Gbit/s。 仅靠OTDM和WDM来提高光通信系统的容量毕竟有限,可以把多个OTDM信号进行波分复用,从而大幅提高传输容量。偏振复用(PDM)技术可以明显减弱相邻信道的相互作用。由于归零(RZ)编码信号在超高速通信系统中占空较小,降低了对色散管理分布的要求,且RZ编码方式对光纤的非线性和偏振模色散(PMD)的适应能力较强,因此现在的超大容量WDM/OTDM通信系统基本上都采用RZ编码传输方式。WDM/OTDM混合传输系统需要解决的关键技术基本上都包括在OTDM和WDM通信系统的关键技术中。 2.2光孤子通信 光孤子是一种特殊的ps数量级的超短光脉冲,由于它在光纤的反常色散区,群速度色散和非线性效应相互平衡,因而经过光纤长距离传输后,波形和速度都保持不变。光孤子通信就是利用光孤子作为载体实现长距离无畸变的通信,在零误码的情况下信息传递可达万里之遥。 光孤子技术未来的前景是:在传输速度方面采用超长距离的高速通信,时域和频域的超短脉冲控制技术以及超短脉冲的产生和应用技术使现行速率10~20Gbit/s提高到100Gbit/s以上;在增大传输距离方面采用重定时、整形、再生技术和减少ASE,光学滤波使传输距离提高到100000km以上;在高性能EDFA方面是获得低噪声高输出EDFA。当然实际的光孤子通信仍然存在许多技术难题,但目前已取得的突破性进展使人们相信,光孤子通信在超长距离、高速、大容量的全光通信中,尤其在海底光通信系统中,有着光明的发展前景。 2.3全光网络 未来的高速通信网将是全光网。全光网是光纤通信技术发展的最高阶段,也是理想阶段。传统的光网络实现了节点间的全光化,但在网络结点处仍采用电器件,限制了目前通信网干线总容量的进一步提高,因此真正的全光网已成为一个非常重要的课题。 全光网络以光节点代替电节点,节点之间也是全光化,信息始终以光的形式进行传输与交换,交换机对用户信息的处理不再按比特进行,而是根据其波长来决定路由。 目前,全光网络的发展仍处于初期阶段,但它已显示出了良好的发展前景。从发展趋势上看,形成一个真正的、以WDM技术与光交换技术为主的光网络层,建立纯粹的全光网络,消除电光瓶颈已成为未来光通信发展的必然趋势,更是未来信息网络的核心,也是通信技术发展的最高级别,更是理想级别。 结语 光通信技术作为信息技术的重要支撑平台,在未来信息社会中将起到重要作用。虽然经历了全球光通信的"冬天"但今后光通信市场仍然将呈现上升趋势。从现代通信的发展趋势来看,光纤通信也将成为未来通信发展的主流。人们期望的真正的全光网络的时代也会在不远的将来如愿到来。 看了“光纤通信光源技术论文”的人还看： 1. 光通信技术论文 2. 光纤技术论文 3. 光纤传感技术论文 4. 光通信技术论文(2) 5. 电力系统光纤通信技术论文
探讨光纤通信传输技术优点和缺点及其在现代通信中的应用论文
在学习、工作中，大家都经常看到论文的身影吧，论文是进行各个学术领域研究和描述学术研究成果的一种说理文章。相信很多朋友都对写论文感到非常苦恼吧，下面是我为大家整理的探讨光纤通信传输技术优点和缺点及其在现代通信中的应用论文，欢迎阅读与收藏。
摘要： 随着通信技术的发展， 光纤的诞生使信号传输发生了质的转变， 当今信息时代， 通信网络的复杂程度不断提高， 为现代化通信的发展打下坚实基础。目前通信工程中最广泛的技术就是现代光纤传输技术， 大大的提升了通信传输的可靠性和传输速率。本文通过对现代光纤通信传输技术优点和缺点的分析， 探讨光纤传输技术在现代通信中的应用。
关键词：光纤通信； 传输技术； 应用；
一、光纤通信技术
1、光纤通信传输技术简述。
光纤通信传输技术是以光纤作为媒介， 具有进行长距离传输、大容量的通信、对环境污染小等优点， 光纤分为通信光纤、感用光纤两种类型， 能够对不同的情况进行整形、分频、调制光波等。在现实应用中， 光纤通信传输技术有更高的光波频率， 与普通的传输方式相比， 光纤有较高的传输质量并且损耗较小。
2、光纤通信技术的`特点。
（1） 施工成本低损耗小。随着传输技术水平的提高， 光纤传输的过程不断降低损耗， 光纤通信主要是以石英制成的绝缘体作为材料， 与其他类型的光纤相比具有成本低、损耗小等优点， 施工过程中不用安装回路和接地， 又具有较好的绝缘性， 从而使施工成本大幅降低。
（2） 容量大。相对于电缆和铜缆的传输， 光纤传输传输中损耗小并且具有更高的带宽， 通过特殊技术手段扩大光纤传输信息量， 实现远距离高效传输。
（3） 占用空间小。光纤的直径很小， 在施工过程中占据的空间越小， 就能减少施工的任务和后期的检修， 节约光纤维修的时间， 对于通信系统集成化具有非常重要的作用。
（4） 良好的保密性以及抗干扰能力。石英光纤有较好的绝缘性和抗腐蚀性， 不论是高压线释放的电磁干扰和自然活动中的电磁干扰都具较强的抵抗力， 不会干扰到信号的传输， 在军事方面运用的非常广泛。传统的电波通信容易出现电波泄露的问题， 保密性比较差， 但光纤通信技术却有较强的保密性， 更好的保护传输的内容。
二、现代光纤通信传输技术的应用
（1） 单纤双向传输技术。如今， 将现有的双纤双向改用为单纤双向技术， 更有效的节省能源， 降低光纤的消耗， 单纤双向传输技术是在不同的波段中用手法信号调制， 通过技术改进， 更适用于光纤末端设备的接入。
（2） FTTH接入技术。即光纤到户接入技术， FTTH主要采用PON无源光网络和P2P这两种通信方案进行传输， 具有全光纤、全透明的光接入网方式， 为三网融合进程的不断加快提供了有力支持。为满足消费者对通信技术的需求， 必须要有光纤到户接入技术， 虽然ADSL技术为信息通信领域中的提供良好基础， 但在未来的通信业务中的运用却越来越少， 尤其是在会议电视、网上游戏和HDTV高清数字电视等业务中。
（3） 在电力通信中的应用。未来电力通信的发展是以内部需求为主。在电网内部；
一是要降低成本；
二是要重视通信的重要性，电网外部， 一是要面对市场的变革；
二是要克服对外界的影响。据此要求， 需要电力通信相关工作人员提升专业水平、加强沟通工作， 保证电力通信的正常运行。
（4） 光交换技术。光交换技术是光纤传输技术的信息传递过程中通过光信号进行交换， 传统的通信网络是以金属线缆为物理基础， 传输信息数据的线路中是以电子信号的方式存在的， 电子信号是利用电子交换机进行交换， 目前传统的电缆通信网络已经被光纤通信技术替代， 除用户末端部分是采用光纤限号传输， 信息数据是以光信号的形式存在， 但是技术还是电信号交换技术， 由于光开关技术不成熟， 只通将光信号转换为电子信号再变成光信号传输， 这种方式效率低、技术成本高， 因此， 大容量光开关器件的研发对光交换技术的实现提供了支持， 但是由于大容量光交换技术在小颗粒、低速度信号交换中的技术还不成熟， 也可以在小颗粒的信号交换中采用电子交换技术。
三、光纤通信技术的发展趋势
（1） 光网络智能化。我国的光纤通信方式主要是以传输为主线， 但是随着计算机技术的快速发展， 计算机技术使网络通信技术得到了更进一步的发展。信息自动发现技术、系统保护恢复功能以及自动连接控制技术更多的运用现代光网络技术， 促进了光网络的智能化发展， 光网络的智能化也是通信领域发展的主要方向。
（2） 光器件的集成化。为了促进网络通信传输速度的发展， 光器件的集成化是实现全光网络的重要发展方向， 传统的ADSL宽带接入无法满足时下信息传输的需求， 因此必须先完善光器件性能提高信息传输速度， 所以， 为了推动光纤传输技术的发展实现光器件的集成化是必然发展方向。
（3） 全光网络。全光网络是在信号的交换过程和网络传输的过程中以光的形式存在， 在进出网络时进行电光和光电的转换。传统的光网络系统在网络结点处使用电器件， 在节点间形成全光化， 影响光纤通信干线的总容量， 因此， 实现全光网络是一个重大课题， 为了实现纯粹的全光网络， 必须建立光转换技术和WDM技术提高网络信息传输速度和网络资源的利用率。
结语：
光纤通信传输技术已经成为现代社会信息传输的重要技术， 信息通信领域中光纤通信技术的广泛运用， 大容量、高速度、长距离成为了我们追求的主要目标。网络时代的到来， 我们必须尽快了解光纤通信传输技术的现状及优缺点， 促进光纤通信传输技术的发展。
探讨光纤通信传输技术优点和缺点及其在现代通信中的应用论文
在学习、工作中，大家都经常看到论文的身影吧，论文是进行各个学术领域研究和描述学术研究成果的一种说理文章。相信很多朋友都对写论文感到非常苦恼吧，下面是我为大家整理的探讨光纤通信传输技术优点和缺点及其在现代通信中的应用论文，欢迎阅读与收藏。
摘要： 随着通信技术的发展， 光纤的诞生使信号传输发生了质的转变， 当今信息时代， 通信网络的复杂程度不断提高， 为现代化通信的发展打下坚实基础。目前通信工程中最广泛的技术就是现代光纤传输技术， 大大的提升了通信传输的可靠性和传输速率。本文通过对现代光纤通信传输技术优点和缺点的分析， 探讨光纤传输技术在现代通信中的应用。
关键词：光纤通信； 传输技术； 应用；
一、光纤通信技术
1、光纤通信传输技术简述。
光纤通信传输技术是以光纤作为媒介， 具有进行长距离传输、大容量的通信、对环境污染小等优点， 光纤分为通信光纤、感用光纤两种类型， 能够对不同的情况进行整形、分频、调制光波等。在现实应用中， 光纤通信传输技术有更高的光波频率， 与普通的传输方式相比， 光纤有较高的传输质量并且损耗较小。
2、光纤通信技术的`特点。
（1） 施工成本低损耗小。随着传输技术水平的提高， 光纤传输的过程不断降低损耗， 光纤通信主要是以石英制成的绝缘体作为材料， 与其他类型的光纤相比具有成本低、损耗小等优点， 施工过程中不用安装回路和接地， 又具有较好的绝缘性， 从而使施工成本大幅降低。
（2） 容量大。相对于电缆和铜缆的传输， 光纤传输传输中损耗小并且具有更高的带宽， 通过特殊技术手段扩大光纤传输信息量， 实现远距离高效传输。
（3） 占用空间小。光纤的直径很小， 在施工过程中占据的空间越小， 就能减少施工的任务和后期的检修， 节约光纤维修的时间， 对于通信系统集成化具有非常重要的作用。
（4） 良好的保密性以及抗干扰能力。石英光纤有较好的绝缘性和抗腐蚀性， 不论是高压线释放的电磁干扰和自然活动中的电磁干扰都具较强的抵抗力， 不会干扰到信号的传输， 在军事方面运用的非常广泛。传统的电波通信容易出现电波泄露的问题， 保密性比较差， 但光纤通信技术却有较强的保密性， 更好的保护传输的内容。
二、现代光纤通信传输技术的应用
（1） 单纤双向传输技术。如今， 将现有的双纤双向改用为单纤双向技术， 更有效的节省能源， 降低光纤的消耗， 单纤双向传输技术是在不同的波段中用手法信号调制， 通过技术改进， 更适用于光纤末端设备的接入。
（2） FTTH接入技术。即光纤到户接入技术， FTTH主要采用PON无源光网络和P2P这两种通信方案进行传输， 具有全光纤、全透明的光接入网方式， 为三网融合进程的不断加快提供了有力支持。为满足消费者对通信技术的需求， 必须要有光纤到户接入技术， 虽然ADSL技术为信息通信领域中的提供良好基础， 但在未来的通信业务中的运用却越来越少， 尤其是在会议电视、网上游戏和HDTV高清数字电视等业务中。
（3） 在电力通信中的应用。未来电力通信的发展是以内部需求为主。在电网内部；
一是要降低成本；
二是要重视通信的重要性，电网外部， 一是要面对市场的变革；
二是要克服对外界的影响。据此要求， 需要电力通信相关工作人员提升专业水平、加强沟通工作， 保证电力通信的正常运行。
（4） 光交换技术。光交换技术是光纤传输技术的信息传递过程中通过光信号进行交换， 传统的通信网络是以金属线缆为物理基础， 传输信息数据的线路中是以电子信号的方式存在的， 电子信号是利用电子交换机进行交换， 目前传统的电缆通信网络已经被光纤通信技术替代， 除用户末端部分是采用光纤限号传输， 信息数据是以光信号的形式存在， 但是技术还是电信号交换技术， 由于光开关技术不成熟， 只通将光信号转换为电子信号再变成光信号传输， 这种方式效率低、技术成本高， 因此， 大容量光开关器件的研发对光交换技术的实现提供了支持， 但是由于大容量光交换技术在小颗粒、低速度信号交换中的技术还不成熟， 也可以在小颗粒的信号交换中采用电子交换技术。
三、光纤通信技术的发展趋势
（1） 光网络智能化。我国的光纤通信方式主要是以传输为主线， 但是随着计算机技术的快速发展， 计算机技术使网络通信技术得到了更进一步的发展。信息自动发现技术、系统保护恢复功能以及自动连接控制技术更多的运用现代光网络技术， 促进了光网络的智能化发展， 光网络的智能化也是通信领域发展的主要方向。
（2） 光器件的集成化。为了促进网络通信传输速度的发展， 光器件的集成化是实现全光网络的重要发展方向， 传统的ADSL宽带接入无法满足时下信息传输的需求， 因此必须先完善光器件性能提高信息传输速度， 所以， 为了推动光纤传输技术的发展实现光器件的集成化是必然发展方向。
（3） 全光网络。全光网络是在信号的交换过程和网络传输的过程中以光的形式存在， 在进出网络时进行电光和光电的转换。传统的光网络系统在网络结点处使用电器件， 在节点间形成全光化， 影响光纤通信干线的总容量， 因此， 实现全光网络是一个重大课题， 为了实现纯粹的全光网络， 必须建立光转换技术和WDM技术提高网络信息传输速度和网络资源的利用率。
结语：
光纤通信传输技术已经成为现代社会信息传输的重要技术， 信息通信领域中光纤通信技术的广泛运用， 大容量、高速度、长距离成为了我们追求的主要目标。网络时代的到来， 我们必须尽快了解光纤通信传输技术的现状及优缺点， 促进光纤通信传输技术的发展。
光纤通信光源技术论文篇二 我国光纤通信技术综述 光纤通信的发展依赖于光纤通信技术的进步。近年来,光纤通信技术得到了长足的发展,新技术不断涌现,这大幅提高了通信能力,并使光纤通信的应用范围不断扩大。 1. 我国光纤光缆发展的现状 1.1普通光纤 普通单模光纤是最常用的一种光纤。随着光通信系统的发展,光中继距离和单一波长信道容量增大,G.652.A光纤的性能还有可能进一步优化,表现在1550rim区的低衰减系数没有得到充分的利用和光纤的最低衰减系数和零色散点不在同一区域。符合ITUTG.654规定的截止波长位移单模光纤和符合G.653规定的色散位移单模光纤实现了这样的改进。 1.2核心网光缆 我国已在干线(包括国家干线、省内干线和区内干线)上全面采用光缆,其中多模光纤已被淘汰,全部采用单模光纤,包括G.652光纤和G.655光纤。G.653光纤虽然在我国曾经采用过,但今后不会再发展。G.654光纤因其不能很大幅度地增加光纤系统容量,它在我国的陆地光缆中没有使用过。干线光缆中采用分立的光纤,不采用光纤带。干线光缆主要用于室外,在这些光缆中,曾经使用过的紧套层绞式和骨架式结构,目前已停止使用。 1.3接入网光缆 接入网中的光缆距离短,分支多,分插频繁,为了增加网的容量,通常是增加光纤芯数。特别是在市内管道中,由于管道内径有限,在增加光纤芯数的同时增加光缆的光纤集装密度、减小光缆直径和重量,是很重要的。接入网使用G.652普通单模光纤和G.652.C低水峰单模光纤。低水峰单模光纤适合于密集波分复用,目前在我国已有少量的使用。 1.4室内光缆 室内光缆往往需要同时用于话音、数据和视频信号的传输。并目还可能用于遥测与传感器。国际电工委员会(IEC)在光缆分类中所指的室内光缆,笔者认为至少应包括局内光缆和综合布线用光缆两大部分。局用光缆布放在中心局或其他电信机房内,布放紧密有序和位置相对固定。综合布线光缆布放在用户端的室内,主要由用户使用,因此对其易损性应比局用光缆有更严格的考虑。 1.5电力线路中的通信光缆 光纤是介电质,光缆也可作成全介质,完全无金属。这样的全介质光缆将是电力系统最理想的通信线路。用于电力线杆路敷设的全介质光缆有两种结构:即全介质自承式(ADSS)结构和用于架空地线上的缠绕式结构。ADSS光缆因其可以单独布放,适应范围广,在当前我国电力输电系统改造中得到了广泛的应用。国内已能生产多种ADSS光缆满足市场需要。但在产品结构和性能方面,例如大志数光缆结构、光缆蠕变和耐电弧性能等方面,还有待进一步完善。ADSS光缆在国内的近期需求量较大,是目前的一种热门产品。 2. 光纤通信技术的发展趋势 对光纤通信而言,超高速度、超大容量和超长距离传输一直是人们追求的目标,而全光网络也是人们不懈追求的梦想。 2.1超大容量、超长距离传输技术波分复用技术极大地提高了光纤传输系统的传输容量,在未来跨海光传输系统中有广阔的应用前景。近年来波分复用系统发展迅猛,目前1.6Tbit/的WDM系统已经大量商用,同时全光传输距离也在大幅扩展。提高传输容量的另一种途径是采用光时分复用(OTDM)技术,与WDM通过增加单根光纤中传输的信道数来提高其传输容量不同,OTDM技术是通过提高单信道速率来提高传输容量,其实现的单信道最高速率达640Gbit/s。 仅靠OTDM和WDM来提高光通信系统的容量毕竟有限,可以把多个OTDM信号进行波分复用,从而大幅提高传输容量。偏振复用(PDM)技术可以明显减弱相邻信道的相互作用。由于归零(RZ)编码信号在超高速通信系统中占空较小,降低了对色散管理分布的要求,且RZ编码方式对光纤的非线性和偏振模色散(PMD)的适应能力较强,因此现在的超大容量WDM/OTDM通信系统基本上都采用RZ编码传输方式。WDM/OTDM混合传输系统需要解决的关键技术基本上都包括在OTDM和WDM通信系统的关键技术中。 2.2光孤子通信 光孤子是一种特殊的ps数量级的超短光脉冲,由于它在光纤的反常色散区,群速度色散和非线性效应相互平衡,因而经过光纤长距离传输后,波形和速度都保持不变。光孤子通信就是利用光孤子作为载体实现长距离无畸变的通信,在零误码的情况下信息传递可达万里之遥。 光孤子技术未来的前景是:在传输速度方面采用超长距离的高速通信,时域和频域的超短脉冲控制技术以及超短脉冲的产生和应用技术使现行速率10~20Gbit/s提高到100Gbit/s以上;在增大传输距离方面采用重定时、整形、再生技术和减少ASE,光学滤波使传输距离提高到100000km以上;在高性能EDFA方面是获得低噪声高输出EDFA。当然实际的光孤子通信仍然存在许多技术难题,但目前已取得的突破性进展使人们相信,光孤子通信在超长距离、高速、大容量的全光通信中,尤其在海底光通信系统中,有着光明的发展前景。 2.3全光网络 未来的高速通信网将是全光网。全光网是光纤通信技术发展的最高阶段,也是理想阶段。传统的光网络实现了节点间的全光化,但在网络结点处仍采用电器件,限制了目前通信网干线总容量的进一步提高,因此真正的全光网已成为一个非常重要的课题。 全光网络以光节点代替电节点,节点之间也是全光化,信息始终以光的形式进行传输与交换,交换机对用户信息的处理不再按比特进行,而是根据其波长来决定路由。 目前,全光网络的发展仍处于初期阶段,但它已显示出了良好的发展前景。从发展趋势上看,形成一个真正的、以WDM技术与光交换技术为主的光网络层,建立纯粹的全光网络,消除电光瓶颈已成为未来光通信发展的必然趋势,更是未来信息网络的核心,也是通信技术发展的最高级别,更是理想级别。 结语 光通信技术作为信息技术的重要支撑平台,在未来信息社会中将起到重要作用。虽然经历了全球光通信的"冬天"但今后光通信市场仍然将呈现上升趋势。从现代通信的发展趋势来看,光纤通信也将成为未来通信发展的主流。人们期望的真正的全光网络的时代也会在不远的将来如愿到来。 看了“光纤通信光源技术论文”的人还看： 1. 光通信技术论文 2. 光纤技术论文 3. 光纤传感技术论文 4. 光通信技术论文(2) 5. 电力系统光纤通信技术论文
光纤通信在配电网自动化上的应用 论文 1前言随着国家经济的发展和人民生活水平的提高，人们对电力的需求日益增长，同时对供电的可靠性和供电质量提出了更高的要求。配网馈线自动化是配网系统提高供电可靠性最直接有效的技术手段之一。在近几年国家加大了对城网和农网的改造，国内各大供电局对配电网自动化的投入也在加大。在配网自动化实现的过程中，我们发现通信问题是一个难点问题。在此，仅就光纤通信在配网自动化方面的应用谈一点认识和体会。 2配电网自动化对通信的要求 同调度SCADA系统一样，配电自动化系统也需要一个有效的通信网，同时他有自己的特点：终端数量极多。配网系统拥有众多的开闭所、配电变压器、柱上断路器，要对这些设备进行监控就需要许多FTU和TTU，同时这些FTU随配电设备安装，地域分布广，通讯节点分散。 配网自动化系统的规模、复杂程度和自动化程度决定了通信系统应满足下述要求： (1)可靠性： 配网系统的通信设备有很多暴露在室外，环境恶劣，因此必须能够抵御高温、低温、日晒、雨淋、风雪、冰雹和雷电等自然环境的侵袭。同时，尽量避免各种电磁干扰，保证长期稳定可靠地工作，并要求在线路停电时，通信系统仍能正常工作。 (2)经济性： 考虑到配电网系统的总体经济效益，通信系统的投资不应过大，力争充分利用现有的主网通信资源，进行主、配网整体规划，避免重复投资。 (3)寻址量大： 通信系统不仅要考虑目前及未来的数据传输的需要，还要考虑系统升级的要求。 (4)双向通信： 配网自动化要实现遥测、遥信、遥控功能，就必须要求具有双向通信能力。 (5)容易操作和免维护。 根据以上的要求，伴随着光纤价格的下降，目前，光纤通信正广泛地应用于电力系统。 3光纤通信 自激光器和低损耗光纤问世以来，光纤通信系统以其技术、经济上无可比拟的优越性而迅速崛起，并风靡全球。该系统是以光纤为传输介质，以光为载波信号传递信息的通信系统，应用的光波波长为1.0～1.μm靘，整个系统由电端机、光端机、光缆和中继器构成。光纤可分为单模光纤(SMF)、多模光纤(MMF)、长波长低射散光纤(LMF)、保偏光纤(PMF)及塑料光纤(POF)等很多种；常用的为单模和多模光纤，多模光纤就是传输多个光波模式，而单模光纤只传输一个光波模式。单模光纤比多模光纤传输距离长，目前一般地，光信号在多模光纤内可传6km左右，在单模光纤内可传30km。因此，单模光设备的价格要高于多模光设备。实用的光纤通常都是由多根光纤、加强芯、保护材料、固定材料等组合成光缆构成的传输线。 光纤MODEM可完成光信号与数字信号之间的相互转换。光纤MODEM一般有一个以上的数据口用以传递同步或异步信号。通信速率可达到2Mbps或更高，配网常用的通信速率一般为同步N×64K或异步19200bps以下。故足以满足配网通信的需要，光纤MODEM的连接示意图如下：另外，还有一种光纤MODEM具有双环自愈功能。这一功能使通信的可靠性大大增强。其功能示意图如图2所示：图2(I)中，A，B，C三点是通过自愈光MODEM实现的双环网，若在D点发生故障，则如图2(II)所示，光路在A站和C站愈合(环回)，使通信不受影响，同时向主站发出相应的告警及定位信号，使维修人员及时修复故障段光缆。4光纤通信的特点 光纤通信具有通信容量大，衰减小，不怕雷击，抗电磁干扰、抗腐蚀、保密性好、可靠性高、敷设方便等优点，不过投资费用相对较高，尤其对于城区内直埋式电缆线路的光纤敷设，施工费用将更大。 5光纤通信在配电网上的实现方案 光纤通信的组网方式非常灵活，可以构架成星型、链型、树状、网状、单纤网、双纤网、环上多分支、多环相交、多环相切等各种拓扑结构的网络。 根据配电自动化系统的特点，光纤网通常需组成环型网，并与计算机局域网连接，实现数据共享。常用的组网方式如图3所示。图3中：“S”表示网络服务器，“W1、W2、Wn”表示工作站，“b”表示变电所，“k”表示开闭所，“T”表示配电变压器。 实际工程设计中，充分考虑到电力通信专网拓扑结构的复杂性，SDH传输系统可以采用多达126个E1(2M口)全交叉连接和双主光环+多光分支的设计思想。基本构架为1～3个SDH／STM-1双纤自愈环相交或相切，而且在需要时，可通过更换光卡的方式在线升级为SDH／STM-4。如果局调度中心局域网位于网络地理中心，建议设计为相切环，以调度中心为切点，如图4所示；如果局调度中心局域网偏离网络地理中心，建议设计为相交环，由于调度中心不在交点，为了环间可靠转接，各环相交至少两点，互为保护路由，如图5所示。6结束语 在实际的配网自动化的通信系统，必须构建一个成本低、收效高的双向通信系统，用可以接受的费用在可靠性和信息流量方面提供非常高的性能。同时，由于配电网自动化系统所要完成的功能太多而系统复杂，采用单一的通信系统来满足所有的功能需要是不现实的，也是不经济的。因此，在配电网自动化系统中，要应用多种通信方式，按综合的经济技术指标而选取其中最优的组合。在电力系统中较常用的通信方式还有一点多址数字微波、数传电台、无线扩频、专线电缆、邮电本地网、载波、扩频载波等，可供组网时选择。
码分多址蜂窝移动通信系统CDMA技术的优点及问题及越区切换由于CDMA技术本身所固有的许多特点,使它非常适合于数字蜂窝移动通信系统。它的优点主要表现在如下10个方面。1.语音激活技术 统计结果表明,人们在通话过程中,只有35%的时间在讲话,另外65%的时间处于听对方讲话、话句间停顿或其他等待状态。在CDMA数字蜂窝移动通信系统中,所有用户共享同一个无线频道,当某一用户没有讲话时,该用户的发射机不发射或少发射功率,其他用户所受到的干扰都相应地减少。为此,在CDMA系统中,采用相应的编码技术,使用户的发射机所发射的功率随着用户语音编码的需求来作调整。当用户讲话时语音编码器输出速率高,发射机所发射的平均功率大;当用户不讲话时语音编码器输出速率很低,发射机所发射的平均功率很小,这就是语音激活技术。在蜂窝移动通信系统中,采用语音激活技术可以使各用户之间的干扰平均减少65%。也就是当系统容量较大时,采用语音激活技术可以使系统容量增加约3倍,但当系统容量较小时,系统容量的增加值要降低。在频分多址、时分多址和码分多址三种制式中,唯有码分多址可以方便而充分地利用语音激活技术。如果在频分多址和时分多址制式中采用语音激活技术,其系统容量将有不同程度的提高,但二者都必须增加比较复杂的功率控制系统,而且还要实现信道的动态分配,其结果必然带来时间延迟和系统复杂性的增加,而在CDMA系统中实现这种功能就相对简单得多。 2.扇区划分技术 扇区划分技术是位于蜂窝小区中心的基站利用天线的定向特性把蜂窝小区分成不同的扇面,如下图所示。常用的方式有利用120°圆形覆盖的定向天线组成的三叶草形无线区(图(a));利用60°扇形覆盖的定向天线组成的三角形无线蜂窝区(图(b));利用120°扇形覆盖的定向天线组成的120°扇形无线蜂窝区(图(c))。 在频分多址和时分多址制式中,在每个蜂窝小区中采用分扇区天线通常只能起到减少干扰的作用,不能增加系统容量。而在码分多址制式蜂窝移动通信系统中,利用120°扇形覆盖的定向天线把一个蜂窝小区划分成三个扇区(如图(c)所示)时,平均处于每个扇区中的移动用户是该蜂窝的三分之一,相应的各用户之间的多址干扰分量也减少为原来的三分之一左右,从而系统的容量将增加约3倍(实际上,由于相邻扇区之间有重叠,一般只能提高到2.55倍)。3.高系统容量 由于码分数字蜂窝移动通信系统可以通过采用上述两种方法以及其他技术直接地或间接地提高系统容量,使码分系统的容量比模拟FDMA系统及数字GSM系统都要高出若干倍。理论分析表明,在相同的频率带宽下,对于宽带码分系统,每个蜂窝小区所能提供的信道数是模拟FDMA系统的20倍左右,是数字GSM系统的10倍左右;对于窄带码分系统来说,其系统容量的优势有所降低,但也是模拟FDMA系统的10倍以上,是数字GSM系统的3倍以上。由此可以看出,在移动通信事业迅猛发展的今天,移动用户量日益猛增,而频率资源日趋紧张,采用码分数字蜂窝移动通信系统是势在必行。4.软容量 在模拟频分系统和数字时分系统中,通信信道是以频带或时隙的不同来划分的,每个蜂窝小区提供的信道数一旦固定,很难改变。当没有空闲信道时,系统会出现忙音,移动用户不可能再呼叫其他用户或接收其他 用户的呼叫。当移动用户在越区切换时,也很容易出现通话中断现象。在码分系统中,信道划分是靠不同的码型来划分的,其标准的信道数是以一定的输入、输出信噪比为条件的,当系统中增加一个通话用户时,所有用户输入、输出信噪比都有所下降,但不会出现因没有信道而不能通话的现象。例如对一个标准信道数为40的扇区来说,当第41个用户呼叫时,对所有移动用户的影响是接收机的输入信噪比下降10lg(41/40)=0.1dB,即使再增加两个用户通信,比标准多三个,其影响是所有接收机的输入信噪比下降10lg[(40+3)/40]=2.3dB,这使该扇区内的移动用户信息数据的误码率有所升高,通话质量有所下降,但增加的三个用户都不会发生因无信道而出现忙音的现象。这对于解决通信高峰期时的通信阻塞问题和提高用户越区切换的成功率无疑是非常有益的。5.软切换 当移动用户从一个小区(或扇区)移动到另一个小区(或扇区)时,移动用户从一个基站的管辖范围移动到另一个基站的管辖范围,通信网的控制系统为了不中断用户的通信就要做一系列的调整,包括通信链路的转换,位置更新等,这个过程就叫越区切换。越区切换实现了小区(或扇区)间的信道转换,是保证一个正在处理或进行中的呼叫的不中断运行。 在模拟FDMA系统和数字TDMA系统中,移动用户在越区切换时,需要在另一个小区(或扇区)寻找空闲信道,当该区有空闲信道时才能切换。这时移动台的收、发频率等都要作相应的调整,称之为硬切换。这种切换过程是首先切断原通话通路,然后与新的基站接通新的通话链路。这种先断后通的切换方式势必引起通信的短暂间断。另外由于通信环境的影响,在两小区的交叠区域内,移动台接收到的两个基站发来的信号的强度有时会出现大小交替变化,从而导致越区切换的“乒乓”效应,用户会听到“咔嗒”声,对通信产生不利的影响。此外切换时间也较长。 在CDMA系统中,由于所有的小区(或扇区)都可以使用相同的频率,小区(或扇区)之间是以码型的不同来区分的。当移动用户从一个小区(或扇区)移动到另一个小区(或扇区)时,不需要移动台的收、发频率切换,只需在码序列上作相应地调整,称之为软切换。软切换的优点在于首先与新的基站接通新的通话,然后切断原通话链路。这种先通后断的切换方式不会出现“乒乓”效应,并且切换时间也很短。另外由于CDMA系统有“软容量”的优点,越区切换的成功率要远大于模拟FDMA系统和数字TDMA系统,尤其是在通信的高峰期。6.特有的分集形式 在CDMA系统中,由于采用了宽带传输,使它具有了特有的频率分集特性,即当信道具有选频特性时,对CDMA系统中信息传输影响较小。 CDMA系统有分离多径信号的能力,可以实现路径分集。由于移动通信环境的复杂和移动台的不断运动,接收到的信号往往是多个反射波的叠加,形成多径衰落。在模拟FDMA系统和数字TDMA系统中,为了解决多径衰落对通信带来的不利影响,采取了包括增加发射功率等一系列措施。在CDMA系统中,可以采用它特有的技术(如瑞克(RAKE)接收技术),将多径信号分离出来, 分别接收,这样不但克服了多径衰落对通信带来的不利影响,还等效增加了接收有用信号的功率(或者说等效增加了发射信号的功率)。由于这种特有的分集形式以及其他措施,使CDMA系统的发射功率相对很低。 除了这种特有的分集形式外,CDMA系统还采用其他分集技术,如空间分集、时间分集等,使CDMA系统的性能更加提高。7.与窄带系统(模拟系统)共存 当码分系统与窄带系统(例如模拟FDMA系统)工作于同一频段时,由于在CDMA系统中采用了宽带传输方式,并且发射功率较低,平均落到每个窄带系统中的带宽内的干扰信号功率很小。尤其是宽带CDMA系统,其对窄带系统的影响可以忽略不计,窄带系统对CDMA系统的影响可以等效为“人为干扰”,由于CDMA系统特有的抗干扰能力,把这个干扰降低到了最低限度。 这个干扰的存在只使得CDMA系统的容量降低,但不妨碍CDMA系统的正常工作。CDMA系统的带宽越宽,两个系统共存时相互间的影响越小,反之则越大。这给CDMA系统与模拟窄带系统双模式共存以及由模拟移动通信系统向数字移动通信系统平滑过渡提供了可能性。8.良好的保密能力 码分数字移动通信系统的体制本身就决定了它具有良好的保密能力。首先在CDMA数字移动通信系统中必须采用扩频技术,使它所发射的信号频谱被扩展的很宽,从而使发射的信号完全隐蔽在噪声、干扰之中,不易被发现和接收,因此也就实现了保密通信。其次在通信过程中,各移动用户所使用的地址码各不相同,在接收端只有完全相同(包括码型和相位)的用户才能接收到相应的发送数据,对非相关的用户来说是一种背景噪声,所以CDMA系统可以防止有意或无意的窃取,具有很好的保密性能。9.发射功率低、移动台的电池使用寿命长 由于在码分数字移动通信系统中,可以采用许多特有的技术来提高系统的性能,所要求的发射功率大大降低,从而对电池的体积减小和使用寿命增长都是非常有益的,对移动台整机的体积减小和成本的降低也是有利的。10.频率分配和管理简单 在模拟频分多址和数字时分多址移动通信制式中,频率分配和管理是一项比较复杂的技术,而动态频率分配就更加复杂。在码分数字移动通信体制中,所有移动用户可以只用一个频率,不需要动态分配,其频率分配和管理都很简单。 以上是码分数字移动通信系统的主要优点,但同时它也存在需要人们攻克的难点。在CDMA数字移动通信系统中,突出的问题是远近效应。所谓远近效应是指距接收机近的用户对距离远的用户的干扰。 在CDMA数字移动通信系统中,由于在同一蜂窝的各用户使用的是同一频率,共享一个无线频道。由于路途衰耗的原因,距基站近的移动台所发射信号有可能完全淹没距离远(例如处于蜂窝区边缘)移动台所发送来的信号,如果不采取有力的措施,这将使基站无法正常接收远距离移动台所发送来的信号。而在模拟频分多址和数字时分多址移动通信系统中,由于各信道使用不同频率或时隙,且各信道之间有相应的保护带宽或保护时间,故远近效应问题不太突出。 当前,在CDMA系统中为解决这个问题所采取的措施主要有两种:第一种是信号处理方法,在接收端用信号处理的方法,依次逐个抵消掉较强信号,直到能解调出所需信号为止,但由于这种方法运算量很大及当前器件的运算速度等问题,还不能实际使用;当移动台距基站近时,其发射功率减小,当距离远时,发射功率增大,从而保证在基站所收到的每个移动台的信号功率相等,消除远近效应的影响,使系统处于最佳运行状态。功率控制技术已在实际当中采用,它是CDMA数字移动通信系统中的最关键技术之一。功率控制技术很复杂,其所控制的范围和精度直接影响到整个系统的性能,如偏差过大,不仅系统容量迅速下降,而且通信质量也将急剧下降。码分数字蜂窝移动通信网的网路结构如下图所示。 它是一个抽象的平面图,其实现将随着功能实体在各个物理单元中的分布情况不同而有所改变。各部分的作用和功能如下:1.移动台(MS) 其包括手机和车台等,是用户端终接无线信道的设备;通过空中无线接口Um,给用户提供接入网路业务的能力。2.基站(BS) 其设于某一地点,是服务于一个或几个蜂窝小区的全部无线设备的总称。它是在一定无线覆盖区域内,由移动交换中心(MSC)控制,与移动台通信的设备。3.移动交换中心(MSC) 是完成对位于它所服务的区域中的移动台进行控制、交换的功能实体,也是与其他MSC或其他公用交换网之间的用户业务的自动接续设备。4.归属位置寄存器(HLR) 是为了记录的目的而指定用户身份给它的一种位置登记器。登记的内容是用户的信息(例如ESN、DN、IMSI(MSI)、服务项目信息、当前位置、批准有效的时间段等)。5.拜访位置寄存器(VLR) 是MSC检索信息用的位置寄存器。例如处理发至或来自一个拜访用户的呼叫信息——用户号码、向用户提供本地用户的服务等参数。6.设备识别寄存器(EIR) 是为了记录的目的而分配用户设备身份给它的寄存器;用于对移动设备的识别、监视、闭锁等。7.鉴权中心(AC) 是一个管理与移动台相关的鉴权信息的功能实体。8.消息中心(MC) 是一个存储和转送短消息的实体。9.短消息实体(SME) 是合成和分解短消息的实体。有时HLR、VLR、EIR及AC位于MSC之中,SMC位于MSC、HLR或MC之中。 码分数字蜂窝移动通信网不是公共交换电话网(PSTN)的简单延伸,它是与PSTN、PSPDN、ISDN等并行的业务网。由于移动用户大范围的移动,该网在管理上应相对的独立。 通信系统的通信容量可以用不同的表征方法进行度量。对于点对点的通信系统而言,系统的通信容量可以用信道效率来度量,即用在给定的频率带宽中所能提供的最大信道数目进行衡量。一般地说,在给定的频率带宽中所能提供的信道数目越大,系统的通信容量也越大。在蜂窝移动通信系统中,系统的容量有多种衡量方法,如用每小区可用信道数(ch/cell)、每小区每兆赫兹可用 信道数(ch/cell/MHz)、每小区爱尔兰数(Erl/cell)、每平方公里用户数(用户数/km)以及每平方公里每小时通话次数(通话次数h/km)等进行度量。这些表征方法从不同的角度对系统的容量进行衡量,它们之间是有联系的,在一定的条件下可以互相转换。考虑到信道的分配涉及到频率复用和由此而产生的同频干扰问题,一般认为用每小区可用信道数(ch/cell)或每小区每兆赫兹限制CDMA数字蜂窝移动通信系统容量的原因是由于系统中存在多址干扰,即同时通信的移动用户之间的相互干扰。在某个蜂窝小区内,如果有N个用户同时通信,系统必须能提供N个或N个以上的(逻辑)信道。同时通信的用户数N越大,多址干扰越强。N的最大值就是系统容量,即在保证接收所需信号功率与干扰功率的比值大于或等于某一门限值的条件下,该小区同时通信的最大用户数。 首先考虑一般码分通信系统(即暂不考虑蜂窝移动通信系统的特点)的容量。若N个用户同时通信,每个用户的信号都受到其他N-1个用户信号的干扰。假定系统的功率控制是理想的,即到达接收机的所有N个信号强度都一样,则理论分析表明,此时系统容量为式中W是CDMA系统所占的有效频谱宽度;Rb是信息数据的速率;Eb是信息数据的一比特能量;N0是干扰(噪声)的功率谱密度(单位赫兹的干扰功率);W/Rb是CDMA系统的扩频增益。当CDMA系统所占的频谱宽度W一定时,它随着信息速率Rb的降低而增大。Eb/N0是比特能量与噪声密度比,其比值取决于系统对误码率或话音质量的要求,并与系统的调制方式和编码方案有关。 例如:N-CDMA系统所占的有效频谱宽度W=1.2288MHz,话音编码速率Rb=8.6kbit/s,若比特能量与噪声密度比Eb/N0=7dB,则N=29.5;若Eb/N0=6dB,则N=37。 结果说明:在满足一定通信要求的前提下,比特能量与噪声密度比Eb/N0越小,系统的容量越大。但在上面的结果中,没有考虑CDMA蜂窝系统的特点,还应该根据其特点对系统容量公式进行修正。1.采用语音激活技术提高系统容量 统计结果表明,对话的激活期(占空比)d=0.35。也就是,人们在通话过程中平均只有35%的时间在讲话, 另外65%的时间处于听对方讲话、话句间停顿或其他等待状态。在CDMA数字蜂窝移动通信系统中,所有用户共享同一个无线频道,如果采用语音激活技术,使通信中的用户有语音时才发射信号,没有讲话时,该用户的发射机就停止发射功率,那么任一用户话音发生停顿时,其他用户所受到的干扰都会相应地平均减少65%,从而系统容量可以提高到1/d=2.86倍。为此,CDMA数字蜂窝移动通信系统的计算公式变成式中d是语音占空比(d=0.35)。2.利用扇区划分提高系统容量 在码分多址制式蜂窝移动通信系统中,利用120°扇形覆盖的定向天线把一个蜂窝小区划分成3个扇区时,处于每个扇区中的移动用户是该蜂窝的三分之一,相应的各用户之间的多址 干扰分量也减少为原来的约三分之一,从而系统的容量将增加约3倍(实际上,由于相邻天线覆盖区之间有重叠,一般能提高到G=2.55倍左右)。为此,CDMA数字蜂窝移动通信系统的计算公式变为式中G是扇形分区系数(G=2.55)。3.邻近蜂窝小区的干扰对系统容量的影响 根据码分多址蜂窝移动通信系统的特点,在CDMA蜂窝移动通信系统中,所有用户共享同一个无线频道,即若干个小区内的基站和移动台都工作在相同的频率上。因此,任一小区的移动台都会受到相邻小区基站的干扰,任一小区的基站也都会受到相邻小区移动台的干扰。这些干扰的存在必然会影响系统的容量。其中任一小区的移动台对 相邻小区基站(反向信道)的总干扰量和任一小区的基站对相邻小区移动台(正向信道)的总干扰量是不同的,对系统容量的影响也有所差别,下面分别加以简要说明。(1)正向信道(由基站到移动台) 在一个蜂窝小区内,基站不断地向所有通信中的移动台发送信号,移动台在接收它自己所需的信号同时,也接收到基站发给所有其他移动台的信号,而这些信号对它所需的信号将形成干扰。当系统采用正向功率 控制技术时,由于路径传播损耗的原因,位于靠近基站的移动台,受到本小区基站所发射的信号干扰比距离远的移动台要大,但受到相邻小区基站的干扰较小;位于小区边缘的移动台,受到本小区基站所发射的信号干扰比距离近的移动台要小,但受到相邻小区基站的干扰较大。移动台最不利的位置是处于3个小区交界的地方,如下图中的X点。 假设各小区中同时通信的用户数都是N,即各小区的基站同时向N个用户发送信号, 当移动用户从一个小区(或扇区)移动到另一个小区(或扇区)时,移动用户从一个基站的管辖范围移动到另一个基站的管辖范围,通信网的控制系统为了不中断通信就要做一系列的调整,包括位置更新、转换通信链路等,这个过程就叫越区切换。 越区切换实现了小区(或扇区)间和频道间的信道转换,保证了一个正在处理或进行中的呼叫的不中断运行。切换是由于无线转播、业务分配、操作和维护激活、设备故障等原因而产生的。例如:(1)移动台移动至小区的边界,信号强度低到一定程度;(2)移动台在小区中进入信号强度缝隙中(阴影区),信号恶化到一定程度;(3)移动交换中心发现一些小区太拥挤,而另一些小区很闲时,可命令拥挤的小区的一些移动台提前切换,以调整各小区的负荷量等等。对越区切换的基本要求是:(1)高的切换成功率;(2)减少系统中不必要的切换;(3)使用优化的越区切换算法来控制各小区的业务量;(4)切换速度快,切换经历的时间短;(5)对话音质量的影响小等。 在CDMA系统中的越区切换有两类,即硬切换(Hard Handoff)和软切换(Soft Handoff)。 硬切换是指移动台在不同频道之间的切换, 这些切换需要移动台变更收发频率,即先切断原来的收发频率,再搜索、使用新的频道。 硬切换会造成通话暂短中断,切换时间较长时(大于200ms),将影响用户通话。 软切换是指移动台在相同的CDMA频道中的切换。软切换不需要移动台变更收发频率,只需要在伪随机码的相位上作一调整。CDMA系统的移动台中有多个RAKE (瑞克)接收机,可以同时接收几个基站发来的信号。当需要切换时,移动台除了与原服 务基站保持通话链路外,还与新的基站建立了通话链路。直到移动台接收到的原基站发来的信号低于一门限时才切断与原基站的通话链路。这种先通后断的软切换保证了通话不会中断。通常所说的软切换中还包含一种更软切换(Softer Handoff)。更软切换是指同一蜂窝小区内不同扇区之间的切换。在两扇区边界,基站和移动台通过分集技术可以同时在两个扇区传输信号。 在软切换过程中,由于移动台中有多个RAKE接收机,移动台开始与目标基站建立通信时,不中断与原服务基站的通信,此时移动台同时与两个基站建立了通话链路。当原服务基站的信号强度低到一门限值时,再切断与原服务基站的通信联系。由于移动台在软切换中不变更收发频率,所以软切换只能在具有相同CDMA频道的小区(或扇区)之间进行切换。 软切换是CDMA系统中特有的一个重要概念。在CDMA蜂窝移动通信系统中,具有相同CDMA频道的各小区使用同一频率,移动台在小区之间移动时不需要像频分或时分系统那样重新分配频率或时隙,这使得软切换成为可能。 在CDMA系统中,一般情况下每个移动台拥有三个以上RAKE接收机,即每个移动台中有多个解调器,这允许移动台同时与两个或多个小区保持通信。 移动台在与基站A通信时,连续监视相邻小区的导频信号强度,任何一个导频信号(如基站B)的强度超过一预定的门限时,立即报告系统。系统则命令基站B建立与移动台的通信,开始软切换。此时移动台同时接收到来自两个基站的通信信号,两路信号密切结合,彼此加强。在反向链路上,移动交换中心根据基站接收的信号强度确定哪个基站的接收信号更强,从而选择它。参考文献[1] 樊昌信，等.通信原理.北京：国防工业出版社[2] 郭梯云,邬国扬,李建东. 移动通信. 西安:西安电子科技大学出版社 [3] 啜钢 等.移动原理通信与系统[M].北京邮电大学出版社 [4] 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参考下： 进入21世纪后，特别在我国加入WTO后，国内产品面临巨大挑战。各行业特别是传统产业都急切需要应用电子技术、自动控制技术进行改造和提升。例如纺织行业，温湿度是影响纺织品质量的重要因素，但纺织企业对温湿度的测控手段仍很粗糙，十分落后，绝大多数仍在使用干湿球湿度计，采用人工观测，人工调节阀门、风机的方法，其控制效果可想而知。制药行业里也基本如此。而在食品行业里，则基本上凭经验，很少有人使用湿度传感器。值得一提的是，随着农业向产业化发展，许多农民意识到必需摆脱落后的传统耕作、养殖方式，采用现代科学技术来应付进口农产品的挑战，并打进国外市场。各地建立了越来越多的新型温室大棚，种植反季节蔬菜，花卉；养殖业对环境的测控也日感迫切；调温冷库的大量兴建都给温湿度测控技术提供了广阔的市场。我国已引进荷兰、以色列等国家较先进的大型温室四十多座，自动化程度较高，成本也高。国内正在逐步消化吸收有关技术，一般先搞调温、调光照，控通风；第二步搞温湿度自动控制及CO2测控。此外，国家粮食储备工程的大量兴建，对温湿度测控技术提也提出了要求。 但目前，在湿度测试领域大部分湿敏元件性能还只能使用在通常温度环境下。在需要特殊环境下测湿的应用场合大部分国内包括许多国外湿度传感器都会“皱起眉头”！例如在上面提到纺织印染行业，食品行业，耐高温材料行业等，都需要在高温情况下测量湿度。一般情况下，印染行业在纱锭烘干中，温度能达到120摄氏度或更高温度；在食品行业中，食物的烘烤温度能达到80-200摄氏度左右；耐高温材料，如陶瓷过滤器的烘干等能达到200摄氏度以上。在这些情况下，普通的湿度传感器是很难测量的。 高分子电容式湿度传感器通常都是在绝缘的基片诸如玻璃、陶瓷、硅等材料上，用丝网漏印或真空镀膜工艺做出电极，再用浸渍或其它办法将感湿胶涂覆在电极上做成电容元件。湿敏元件在不同相对湿度的大气环境中，因感湿膜吸附水分子而使电容值呈现规律性变化，此即为湿度传感器的基本机理。影响高分子电容型元件的温度特性，除作为介质的高分子聚合物的介质常数ε及所吸附水分子的介电常数ε受温度影响产生变化外，还有元件的几何尺寸受热膨胀系数影响而产生变化等因素。根据德拜理论的观点，液体的介电常数ε是一个与温度和频率有关的无量纲常数。水分子的ε在T＝5℃时为78.36，在T＝20℃时为79.63。有机物ε与温度的关系因材料而异，且不完全遵从正比关系。在某些温区ε随T呈上升趋势，某些温区ε随T增加而下降。多数文献在对高分子湿敏电容元件感湿机理的分析中认为：高分子聚合物具有较小的介电常数，如聚酰亚胺在低湿时介电常数为3.0一3.8。而水分子介电常数是高分子ε的几十倍。因此高分子介质在吸湿后，由于水分子偶极距的存在，大大提高了吸水异质层的介电常数，这是多相介质的复合介电常数具有加和性决定的。由于ε的变 化，使湿敏电容元件的电容量C与相对湿度成正比。在设计和制作工艺中很难组到感湿特性全湿程线性。作为电容器，高分子介质膜的厚度d和平板电容的效面积S也和温度有关。温度变化所引起的介质几何尺寸的变化将影响C值。高分子聚合物的平均热线胀系数可达到 的量级。例如硝酸纤维素的平均热线胀系数为108x10-5/℃。随着温度上升，介质膜厚d增加，对C呈负贡献值；但感湿膜的膨胀又使介质对水的吸附量增加，即对C呈正值贡献。可见湿敏电容的温度特性受多种因素支配，在不同的湿度范围温漂不同；在不同的温区呈不同的温度系数；不同的感湿材料温度特性不同。总之，高分子湿度传感器的温度系数并非常数，而是个变量。所以通常传感器生产厂家能在-10-60摄氏度范围内是传感器线性化减小温度对湿敏元件的影响。 国外厂家比较优质的产品主要使用聚酰胺树脂，产品结构概要为在硼硅玻璃或蓝宝石衬底上真空蒸发制作金电极，再喷镀感湿介质材料（如前所述）形式平整的感湿膜，再在薄膜上蒸发上金电极.湿敏元件的电容值与相对湿度成正比关系，线性度约±2%。虽然，测湿性能还算可以但其耐温性、耐腐蚀性都不太理想，在工业领域使用，寿命、耐温性和稳定性、抗腐蚀能力都有待于进一步提高。 陶瓷湿敏传感器是近年来大力发展的一种新型传感器。优点在于能耐高温，湿度滞后，响应速度快，体积小，便于批量生产，但由于多孔型材质，对尘埃影响很大，日常维护频繁，时常需要电加热加以清洗易影响产品质量，易受湿度影响，在低湿高温环境下线性度差，特别是使用寿命短，长期可靠性差，是此类湿敏传感器迫切解决的问题。 当前在湿敏元件的开发和研究中，电阻式湿度传感器应当最适用于湿度控制领域，其代表产品氯化锂湿度传感器具有稳定性、耐温性和使用寿命长多项重要的优点，氯化锂湿敏传感器已有了五十年以上的生产和研究的历史，有着多种多样的产品型式和制作方法，都应用了氯化锂感湿液具备的各种优点尤其是稳定性最强。 氯化锂湿敏器件属于电解质感湿性材料，在众多的感湿材料之中，首先被人们所注意并应用于制造湿敏器件，氯化锂电解质感湿液依据当量电导随着溶液浓度的增加而下降。电解质溶解于水中降低水面上的水蒸气压的原理而实现感湿。 氯化锂湿敏器件的衬底结构分柱状和梳妆，以氯化锂聚乙烯醇涂覆为主要成份的感湿液和制作金质电极是氯化锂湿敏器件的三个组成部分。多年来产品制作不断改进提高，产品性能不断得到改善，氯化锂感湿传感器其特有的长期稳定性是其它感湿材料不可替代的，也是湿度传感器最重要的性能。在产品制作过程中，经过感湿混合液的配制和工艺上的严格控制是保持和发挥这一特性的关键。 在国内九纯健科技依托于国家计量科学研究院、中科院自动化研究所、化工研究院等大型科研单位从事温湿度传感器产品的研制、生产。选用氯化锂感湿材料作为主攻方向，生产氯化锂湿敏传感器及相关变送器，自动化仪表等产品，在吸取了国内外此项技术的成功经验的同时，努力克服传统产品存在的各项弱点，取得实质性进展。产品选用了Al2O3及SiO2陶瓷基片为衬底，基片面积大大缩小，采用特殊的工艺处理，耐湿性和粘覆性均大大提高。使用烧结工艺，在衬底集片上烧结5个9的工业纯金制成的梳妆电极，氯化锂感湿混合液使用新产品添加剂和固有成份混合经过特殊的老化和涂覆工艺后，湿敏基片的使用寿命和长期稳定性大大提高，特别是耐温性达到了-40℃-120℃，以多片湿敏元件组合的独特工艺，是传感器感湿范围为1%RH-98%RH，具备了15%RH范围以下的测量性能，漂移曲线和感湿曲线均实现了较好的线性化水平，使湿度补偿得以方便实施并较容易地保证了宽温区的测湿精度。采用循环降温装置封闭系统，先对对被测气体采样，然后降温检测并确保绝对湿度的恒定，使探头耐温范围提高到600℃左右，大大增强了高温下测湿的功能。成功解决了“高温湿度测量”这一湿度测量领域难题。现在，不采用任何装置直接测量150度以内环境中的湿度的分体式高温型温湿度传感器JCJ200W已成功应用在木材烘干，高低温试验箱等系统中。同时，JCJ200Y产品能耐温高达600度，也已成功应用在印染行业纱锭自动烘干系统、食品自动烘烤系统、特殊陶瓷材料的自动烘干系统、出口大型烘干机械等方面，并表现出良好的效果,为国内自动化控制域填补了高温湿度测量的空白，为我国工业化进程奠定了一定基础。传感器论文： 低温下压阻式压力传感器性能的实验研究 Experimental Study On Performance Of Pressure Transducer At Low Temperature .... 灌区水位测量记录设备及安装技术 摘要：水位测量施测简单直观，易于为广大用水户所接受而且便于自动观测，因而在灌区水量计量乃至在整个灌区信息化建设中都占有十分重要的地位。目前我国灌区中水位监测采用的传感器依据输出量的不同主要分为模拟传感.... 主成分分析在空调系统传感器故障检测与诊断中的应用研究 摘要 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按被检测的对象的性质可将它们的应用分为:直接应用和间接应用。前者是直接检测出受检测对象本身的磁场或磁特性，后者是检测受检对象上人为设置的磁场，用这个磁场来作被检测的信息的载体，通过它，将许多非电、非磁的物理量例如力、力矩、压力、应力、位置、位移、速度、加速度、角度、角速度、转数、转速以及工作状态发生变化的时间等，转变成电量来进行检测和控制。 一 霍尔器件的工作原理 在磁场作用下，通有电流的金属片上产生一横向电位差如图1所示： 这个电压和磁场及控制电流成正比： VH＝K╳｜H╳IC｜ 式中VH为霍尔电压，H为磁场，IC为控制电流，K为霍尔系数。 在半导体中霍尔效应比金属中显著，故一般霍尔器件是采用半导体材料制作的。 用霍尔器件，可以进行非接触式电流测量，众所周知，当电流通过一根长的直导线时，在导线周围产生磁场，磁场的大小与流过导线的电流成正比，这一磁场可以通过软磁材料来聚集，然后用霍尔器件进行检测，由于磁场与霍尔器件的输出有良好的线性关系，因此可利用霍尔器件测得的讯号大小，直接反应出电流的大小，即： I∞B∞VH 其中I为通过导线的电流，B为导线通电流后产生的磁场，VH为霍尔器件在磁场B中产生的霍尔电压、当选用适当比例系数时，可以表示为等式。霍尔传感器就是根据这种工作原理制成的。 二 霍尔传感器的应用 1 霍尔接近传感器和接近开关 在霍尔器件背后偏置一块永久磁体，并将它们和相应的处理电路装在一个壳体内，做成一个探头，将霍尔器件的输入引线和处理电路的输出引线用电缆连接起来，构成如图1所示的接近传感器。它们的功能框见图19。(a)为霍尔线性接近传感器，(b)为霍尔接近开关。 图1 霍尔接近传感器的外形图 a)霍尔线性接近传感器 (b)霍尔接近开关 图2 霍尔接近传感器的功能框图 霍尔线性接近传感器主要用于黑色金属的自控计数，黑色金属的厚度检测、距离检测、齿轮数齿、转速检测、测速调速、缺口传感、张力检测、棉条均匀检测、电磁量检测、角度检测等。 霍尔接近开关主要用于各种自动控制装置，完成所需的位置控制，加工尺寸控制、自动计数、各种计数、各种流程的自动衔接、液位控制、转速检测等等。3.2.7霍尔翼片开关 霍尔翼片开关就是利用遮断工作方式的一种产品，它的外形如图20所示，其内部结构及工作原理示于图21。 图3 霍尔翼片开关的外形图 2 霍尔齿轮传感器 如图4所示,新一代的霍尔齿轮转速传感器，广泛用于新一代的汽车智能发动机，作为点火定时用的速度传感器，用于ABS（汽车防抱死制动系统）作为车速传感器等。 在ABS中，速度传感器是十分重要的部件。ABS的工作原理示意图如图23所示。图中，1是车速齿轮传感器；2是压力调节器；3是控制器。在制动过程中，控制器3不断接收来自车速齿轮传感器1和车轮转速相对应的脉冲信号并进行处理，得到车辆的滑移率和减速信号，按其控制逻辑及时准确地向制动压力调节器2发出指令，调节器及时准确地作出响应，使制动气室执行充气、保持或放气指令，调节制动器的制动压力，以防止车轮抱死，达到抗侧滑、甩尾，提高制动安全及制动过程中的可驾驭性。在这个系统中，霍尔传感器作为车轮转速传感器，是制动过程中的实时速度采集器，是ABS中的关键部件之一。 在汽车的新一代智能发动机中，用霍尔齿轮传感器来检测曲轴位置和活塞在汽缸中的运动速度，以提供更准确的点火时间，其作用是别的速度传感器难以代替的，它具有如下许多新的优点。 （1）相位精度高，可满足0.4°曲轴角的要求，不需采用相位补偿。 （2）可满足0.05度曲轴角的熄火检测要求。 （3）输出为矩形波，幅度与车辆转速无关。在电子控制单元中作进一步的传感器信号调整时，会降低成本。 用齿轮传感器，除可检测转速外，还可测出角度、角速度、流量、流速、旋转方向等等。 图4 霍尔速度传感器的内部结构 1. 车轮速度传感器2.压力调节器3.电子控制器 2. 图4 ABS气制动系统的工作原理示意图 3 旋转传感器 按图5所示的各种方法设置磁体，将它们和霍尔开关电路组合起来可以构成各种旋转传感器。霍尔电路通电后，磁体每经过霍尔电路一次，便输出一个电压脉冲。 (a)径向磁极(b)轴向磁极(c)遮断式 图5 旋转传感器磁体设置 由此，可对转动物体实施转数、转速、角度、角速度等物理量的检测。在转轴上固定一个叶轮和磁体，用流体（气体、液体）去推动叶轮转动，便可构成流速、流量传感器。在车轮转轴上装上磁体，在靠近磁体的位置上装上霍尔开关电路，可制成车速表，里程表等等，这些应用的实例如图25所示。 图6的壳体内装有一个带磁体的叶轮，磁体旁装有霍尔开关电路，被测流体从管道一端通入，推动叶轮带动与之相连的磁体转动，经过霍尔器件时，电路输出脉冲电压，由脉冲的数目，可以得到流体的流速。若知管道的内径，可由流速和管径求得流量。霍尔电路由电缆35来供电和输出。 图6 霍尔流量计 由图7可见，经过简单的信号转换，便可得到数字显示的车速。 利用锁定型霍尔电路，不仅可检测转速，还可辨别旋转方向，如图27所示。 曲线1对应结构图（a）,曲线2对应结构图(b)，曲线3对应结构图(c)。 图7 霍尔车速表的框图 图8 利用霍尔开关锁定器进行方向和转速测定 4 在大电流检测中的应用 在冶金、化工、超导体的应用以及高能物理（例如可控核聚变）试验装置中都有许多超大型电流用电设备。用多霍尔探头制成的电流传感器来进行大电流的测量和控制，既可满足测量准确的要求，又不引入插入损耗，还免除了像使用罗果勘斯基线圈法中需用的昂贵的测试装置。图9示出一种用于DⅢ－D托卡马克中的霍尔电流传感器装置。采用这种霍尔电流传感器，可检测高达到300kA的电流。 图9（a）为G－10安装结构，中心为电流汇流排，(b)为电缆型多霍尔探头，(c)为霍尔电压放大电路。 (a)G�10安装结构(b)电缆型多霍尔探头(c)霍尔电压放大电路 图9 多霍尔探头大电流传感器 图10霍尔钳形数字电流表线路示意图 图11霍尔功率计原理图 (a)霍尔控制电路 (b)霍尔磁场电路 图12霍尔三相功率变送器中的霍尔乘法器 图13霍尔电度表功能框图 图14霍尔隔离放大器的功能框图 5 霍尔位移传感器 若令霍尔元件的工作电流保持不变，而使其在一个均匀梯度磁场中移动，它输出的霍尔电压VH值只由它在该磁场中的位移量Z来决定。图15示出3种产生梯度磁场的磁系统及其与霍尔器件组成的位移传感器的输出特性曲线，将它们固定在被测系统上，可构成霍尔微位移传感器。从曲线可见，结构（b）在Z<2mm时，VH与Z有良好的线性关系，且分辨力可达1μm，结构（C）的灵敏度高，但工作距离较小。 图15 几种产生梯度磁场的磁系统和几种霍尔位移传感器的静态特性 用霍尔元件测量位移的优点很多：惯性小、频响快、工作可靠、寿命长。 以微位移检测为基础，可以构成压力、应力、应变、机械振动、加速度、重量、称重等霍尔传感器。 6 霍尔压力传感器 霍尔压力传感器由弹性元件，磁系统和霍尔元件等部分组成，如图16所示。在图16中，（a）的弹性元件为膜盒，(b)为弹簧片，(c)为波纹管。磁系统最好用能构成均匀梯度磁场的复合系统，如图29中的(a)、(b)，也可采用单一磁体，如（c）。加上压力后，使磁系统和霍尔元件间产生相对位移，改变作用到霍尔元件上的磁场，从而改变它的输出电压VH。由事先校准的p～f(VH)曲线即可得到被测压力p的值。 图16 几种霍尔压力传感器的构成原理 7 霍尔加速度传感器 图17示出霍尔加速度传感器的结构原理和静态特性曲线。在盒体的O点上固定均质弹簧片S,片S的中部U处装一惯性块M，片S的末端b处固定测量位移的霍尔元件H，H的上下方装上一对永磁体，它们同极性相对安装。盒体固定在被测对象上，当它们与被测对象一起作垂直向上的加速运动时，惯性块在惯性力的作用下使霍尔元件H产生一个相对盒体的位移，产生霍尔电压VH的变化。可从VH与加速度的关系曲线上求得加速度。 图17 霍尔加速度传感器的结构及其静态特性 三 小结 目前霍尔传感器已从分立元件发展到了集成电路的阶段，正越来越受到人们的重视，应用日益广泛。
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弗吉尼亚光电技术中心的光传感器研究作者：王安波*，Gray R. Pickrell在恶劣环境下通常的测量器件难以使用的工业与军事应用的广泛领域中，需要在比较苛刻环境下使用的光传感器。光纤传感器在测量各种不同的物理参数方面已被证明是有吸引力的，这是由于这种传感器具有如下的优点：1）体积小，2）不受电磁干扰，3）分辨率高，4）无需电流传导，5）能够对各种被测量作出响应，6）避免发生火花，7）能够克服恶劣环境影响，8）可远距离操作，9）可进行多路传输。在过去的20年来，光线传感器在实践中已得到验证，并得到发展。在弗吉尼亚光电技术中心(VTCPT)所进行的光传感器的研究工作,主要集中在开发测量压力、温度、应变、声波、流量、局部放电、表面映射以及三维温度成像技术。大多数上述传感器基于光纤传感器，包括具有各种聚合体和金属镀层的石英玻璃光纤，以及蓝宝石纤维波导。根据被调制的光学参数，这些传感器可粗略分类为干涉测量法型，旋光测量法型，光强型，以及波长编码型器件。本文提出了弗吉尼亚光电技术中心近期开发的上述传感器中的几个例子。(*译者注：辽宁鞍山人，大连理工大学物理系研究生毕业，现在美国)
本项研究受国家杰出青年科学基金项目（40225006）和国家教育部重点项目（01086）资助。
施斌丁勇索文斌高俊启
（南京大学光电传感工程监测中心，江苏南京，210093）
【摘要】分布式光纤传感技术，如布里渊散射光时域反射测量技术（简称BOTDR），是国际上近几年才发展成熟的一项尖端技术，应用非常广泛。本文着重介绍 BOTDR分布式光纤传感技术在隧道、基坑和路面等3个方面的应用。在工程监测过程中积累起来的大量监测数据表明，BOTDR分布式光纤传感技术，是一种全新而可靠的监测方法，它在工程实践中的应用为工程监测提供了一种新的思路，因而必将拥有一个广阔的发展前景。
【关键词】BOTDR光纤传感工程监测应变
1引言
随着人们对工程安全要求的日益提高，近年来，一批新式的传感监测技术得到发展，它们不是对传统传感监测技术简单地加以改良，而是从根本上改变了传感原理，从而提供了全新的监测方法和思路。其中，尤以 BOTDR分布式光纤传感技术为世人所瞩目，它利用普通的通讯光纤，以类似于神经系统的方式，植入建筑物体内，获得全面的应变和温度信息。该技术已成为日本、加拿大、瑞士、法国及美国等发达国家竞相研发的课题。这一技术在我国尚处于发展阶段，目前已在一些隧道工程监测中得到成功应用，并逐步向其他工程领域扩展。
南京大学光电传感工程监测中心在南京大学985工程项目和国家教育部重点项目的支持下，建成了我国第一个针对大型基础工程的BOTDR分布式光纤应变监测实验室，开展了一系列的实验研究，并成功地将这一技术应用到了地下隧道等工程的实际监测中，取得了一批重要成果，为将这一技术全面应用于我国各类大型基础工程和地质工程的质量监测和健康诊断提供了坚实基础。
2BOTDR分布式光纤传感技术的原理
布里渊散射同时受应变和温度的影响，当光纤沿线的温度发生变化或者存在轴向应变时，光纤中的背向布里渊散射光的频率将发生漂移，频率的漂移量与光纤应变和温度的变化呈良好的线性关系，因此通过测量光纤中的背向自然布里渊散射光的频率漂移量（vB）就可以得到光纤沿线温度和应变的分布信息。BOTDR的应变测量原理如图1所示。
为了得到光纤沿线的应变分布，BOTDR需要得到光纤沿线的布里渊散射光谱，也就是要得到光纤沿线的vB分布。BOTDR的测量原理与OTDR(Optical Time-Domain Reflectometer）技术很相似，脉冲光以一定的频率自光纤的一端入射，入射的脉冲光与光纤中的声学声子发生相互作用后产生布里渊散射，其中的背向布里渊散射光沿光纤原路返回到脉冲光的入射端，进入 BOT-DR的受光部和信号处理单元，经过一系列复杂的信号处理可以得到光纤沿线的布里渊背散光的功率分布，如图1中（b）所示。发生散射的位置至脉冲光的入射端，即至 BOTDR的距离 Z可以通过式（1）计算得到。之后按照上述的方法按一定间隔改变入射光的频率反复测量，就可以获得光纤上每个采样点的布里渊散射光的频谱图。
图1BOTDR的应变测量原理图
如图1中（c）所示，理论上布里渊背散光谱为洛仑滋形，其峰值功率所对应的频率即是布里渊频移 vB。如果光纤受到轴向拉伸，拉伸段光纤的布里渊频移就要发生改变，通过频移的变化量与光纤的应变之间的线性关系就可以得到应变量。式中：c—真空中的光速；
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n——光纤的折射率；
T—发出的脉冲光与接收到的散射光的时间间隔。
目前国际上最先进的BOTDR监测设备以日本 NTT公司最新研制开发的最新一代 AQ8603型BOTDR光纤应变分析仪为代表。表1为AQ8603的主要技术性能指标。
表1AQ8603光纤应变分析仪的主要技术性能指标
3隧道安全监测
BOTDR分布式光纤传感技术在隧道方面的应用，目前已经在国内日渐成熟。我们在几条隧道变形监测系统的建设过程中，已形成了一整套的成功经验，为该技术在岩土和地质工程安全监测中的推广提供了坚实的技术基础。
3.1光纤铺设
为了使光纤精确地反映被测构筑物的应变状态，必须将之与构筑物紧密相连，铺设在结构物上。铺设的好坏，直接关系到监测的实际效果，因而在工程应用中，有着十分重要的意义。
根据光纤监测系统的设计原则，结合工程实际情况以及AQ8603应力分布式光纤传感器的特点，基本有以下两种铺设方法：全面接着式铺设和定点接着式铺设，如图2所示。
图2全面接着和定点接着
3.1.1全面接着式铺设
分别沿隧道纵深方向和横断面按全面接着方式布设传感光纤。沿纵深方向布设的传感光纤用于监测隧道纵向的整体变形情况，而沿横断面布设的光纤则是用于监测隧道横向的变形情况。
全面接着式铺设的特点是可以全程监测隧道的健康状况，监测对象为隧道整体，监测结果为隧道整体的变形情况。此种接着方式应用特定的铺设工艺，使用实验测定的效果优良的混合胶粘剂（以环氧树脂为主），将传感光纤按照设计线路粘着在混凝土的表面，并在传感光纤的末段接驳光缆，将监测信号传送至隧道监控中心。
3.1.2定点接着式铺设
此种接着方式的特点是重点监测变形缝、应力集中区等潜在（或假定）变形处的变形情况。监测对象为变形缝等潜在（或假定）变形处，监测结果为变形缝等潜在（或假定）变形处的应力应变特征。此种接着方式的铺设方法大体等同于全面接着式铺设方式，所不同的是在设计施工面上选择一些特殊点进行粘着，即将光纤每隔1m至1.5m确定一个固定点，粘贴在混凝土墙面上，以此来检测隧道局部接缝处的变形（见图3）。在某些特点地点，根据实际情况，选择在特定的线路上在特定的位置安装接缝传感器，以监测变形缝的变形情况（见图4）。
图3隧道接缝布线示意图
3.2变形计算
由于引起隧道变形的原因比较复杂，有温度造成的构筑物热胀冷缩的整体变形，也有不同方向裂缝开裂和错动引起的局部变形，因此，将 BOTDR所测到的隧道的应变转换到变形，有时比较困难。因此比较可行的解决方法一是要合理地布置光纤监测网，分别监测隧道的整体应变和局部应变及其方向，结合变形特点，计算出构筑物的整体变形与局部变形；二是要采用相应的计算方法，将光纤的应变换算为隧道的变形。
图4接缝传感器示意图
例如，对于均匀应变，可以由下式计算变形：
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式中：ε为应变，d为应变段长度，δ为变形。
对于不均匀变形，可以采用按一定间距定点接着的方式铺设光纤，两个粘结点间的应变近似地认为是均匀应变，按上式同样可以得到光纤沿线的不均匀变形。
如果隧道发生整体的不均匀沉降，可以按照挠度的计算方法（见式（3）近似计算它的沉降变形量：
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式中：ε1、ε2分别为铺设在构筑物顶部和底部的两条光纤的应变，d为两条光纤的间距。
此外，结合数值模拟技术也可以实现变形的计算。可以将光纤的应变作为数值计算的边界条件或者已知条件，通过有限元或有限差分等计算方法，得到构筑物不同部位的各种变形。
总之，从隧道的应变转换到变形的计算常常比较复杂，但是只要通过合理地布置光纤监测网，采用正确的计算方法，隧道变形的计算是可以得到满意的结果。
4基坑变形监测
基坑变形监测是岩土工程领域的基本问题之一，基坑稳定性的重要性不言而喻。近半年来，课题组通过大量的室内外试验研究，将 BOTDR技术成功地应用到了南京市的几个深大基坑工程中，取得了一些十分有价值的成果。
众所周知，基坑变形原因复杂、类型繁多，但总体来说，主要是由基坑开挖引起的坑体水平位移问题和基底隆起问题。传统的监测方式，如土压力盒、测斜管等，由于自身传感方式的限制，往往有精度不高、抗腐蚀性差、损耗较大、浪费人力等缺点。课题组通过研究，成功地研制了一种具有专利技术的基于BOTDR技术的基坑位移监测分布式光纤传感系统（分布式光纤传感智能测斜管）。
图5基坑位移监测分布式光纤传感系统
如图5所示，利用传统的测斜管器件与先进的BOTDR技术相结合，开发出上述传感器。应用传统的测斜管器件的目的在于：①经传统方法验证，测斜管能够较理想地反映土体变形，是一种良好的材料；②测斜管自身带有卡槽，免去了人工开槽的工作；③该材料是常用的基坑监测材料，方便易得，比较经济；④应用与传统监测方式一致的材料，方便对新、旧技术进行类比。该系统的构成，简言之是将光纤按照一定的施工工艺，用经室内外试验和工程实践验证过的特殊的胶黏着在测斜管上，构成传感系统，我们称之为分布式光纤传感智能测斜管。该传感器具有分布式光纤传感器的一切优点，并可进行准实时监测。
应用BOTDR技术的分布式光纤传感器所得到的监测结果，是沿光纤传感器的轴向物理信息（应变、温度等），因此，如何获得沿光纤传感器分布的基坑水平变形量，也就成了问题的核心。经过研究，应用计算挠度的方法来近似计算基坑的水平变形量。
由材料力学相关知识可知，沿线各点的挠度可利用下式计算。
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式中：εx为所求点的光纤实测应变，其值为沿测斜管两侧的两条光纤的应变差；d为粘贴在测斜管两侧的光纤之间的距离；积分起点为深部某无应变点，v(x）为各点的挠度，可以近似地认为是基坑的水平变形量。
5连续配筋混凝土路面检测
连续配筋混凝土路面（CRCP）是全部省略接缝的连续混凝土板，是为了减轻因接缝而引起的振动与噪音，或为改善平整度、提高行车舒适性而使用的路面。对于这种高性能的路面结构形式，其钢筋应力状态、混凝土应力状态和路面的裂缝分布是反映该路面使用性能的主要因素[8.9]。将 BOTDR这项优秀的无损检测技术应用于监测 CRCP路面钢筋、混凝土应力和路面裂缝，具有重要意义。
图6为BOTDR分布式光纤传感系统在连续配筋混凝土路面中的布置图。路面纵向钢筋共有11根。在其中9根钢筋上布设了传感光纤，温度补偿光纤4根，应变传感光纤5根，沿中心对称铺设。
图7为浇注混凝土开始5天内BOTDR检测的板表面混凝土应变变化。从图上可以清楚看出沿路面纵向表面混凝土应变分布情况，而且可以根据最大拉应变的位置预测出路面可能产生裂缝的位置。如图中79m处最有可能出现裂缝。
图6光纤传感系统布置
图7板表面混凝土应变分布
图8为浇注混凝土开始5天内 BOTDR检测的钢筋应变变化。从图上可以清楚看出沿路面纵向钢筋应变分布情况。在混凝土硬化这段时间里，钢筋应变不是均匀的，通过连续监测钢筋应变，有助于预测路面的使用性能。
本实验测试结果表明，BOTDR分布式光纤传感系统能够在线对连续配筋混凝土路面板中的钢筋和混凝土应变进行有效的检测。这说明BOTDR在路面板、桥面板及其他一些类似工程中具有良好的适用性及广阔的应用前景。
6结语
分布式光纤传感技术在我国尚处于起步阶段，虽然在隧道、基坑等部分领域取得了一定成功，但仍然有许多研究工作有待进一步开展，这包括两个方面，一是分布式光纤传感监测技术本身的进一步改良；二是要不断地解决在工程监测中的技术问题。可以相信，随着这一技术的不断研发和成熟，越来越多的大型基础工程将采用这一技术进行分布式监控和健康诊断，应用前景十分广阔，无法估量。
图8钢筋应变分布
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中佛罗里达大学或作佛罗里达中央大学，是一所大型公立综合性全国大学，成立于1963年，位于美国佛罗里达奥兰多市，提供本科、硕士、博士、副学士、文凭课程五种学位类型。 中佛罗里达大学
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佛大是指佛山科学技术学院，原名佛山大学。佛山科学技术学院（Foshan University），国家硕士学位授予单位，广东省高水平大学重点学科建设高校，博士学位授予立项建设单位，教育部数据中国“百校工程”试点院校，入选教育部首批新工科研究与实践项目（卓越工程师教育培养计划2.0）、国家级大学生创新创业训练计划、广东省第二批创新创业教育示范学校、广东省博士后创新实践基地。
材料补充：
佛山科学技术学院的院系设置主要是：粤台人工智能学院、机电工程与自动化学院、电子信息工程学院、数学与大数据学院、物理与光电工程学院、材料科学与氢能学院、工业设计与陶瓷艺术学院、食品科学与工程学院、生命科学与工程学院、环境与化学工程学院、交通与土木建筑学院、医学院、人文与教育学院、经济管理学院、法学与知识产权学院、马克思主义学院。
佛山科学技术学院的专业主要有：数学与应用数学、数据科学与大数据技术、物理学、光电信息科学与工程、光源与照明、材料化学、材料科学与工程、视觉传达设计、产品设计、数字媒体技术、动物医学、动物科学、生物工程、环境工程、环境科学、化学工程与工艺、人文地理与城乡规划、人文地理与城乡规划、旅游管理、土木工程、交通工程、建筑学、风景园林、口腔医学、护理学、药学专业、药学、医学检验技术、汉语言文学、英语、教育技术学、法学、社会工作、国际经济与贸易、金融学、市场营销、工商管理、人力资源管理、会计学、食品科学与工程、食品质量与安全、园艺。
可以从灯光的节能方面去写