[科普中国]-分布式传感器

分布式传感器是以分布式计算机为参考建立的一种多传感器数据处理方式。在分布式传感器网络中，每个传感器都可独立地处理其自身信息，提供大量数据，还能进一步获得目标的分类特征，以及避免电子对抗对单个传感器系统所造成的严重性能下降。

简介随着现代技术的发展，以各自独立的传感器为基础的第一代系统已不能满足现实中提出的诸多要求，如系统的顽存性、低可观侧性、目标分类与识别等，而采用分布式多传感器网络，可提供大量数据，还能进一步获得目标的分类特征，以及避免电子对抗对单个传感器系统所造成的严重性能下降。所以分布式多传感器网络引起了人们极大的兴趣。

分布式传感器网络的主要涉及以下一些内容:

多传感器的结构设计

单个传感器所需的局域处理容量及数据通讯的方式

数据融合过程

多传感器布局的性能估计

对多传感器网络的在线管理/控制

软件、硬件的保障，要考虑到生长、重构和重新布局的能力1

在多传感器信息融合系统中，经常采用集中式和分布式两种结构。在集中式数据融合结构中，传感器信息被直接送至数据融合中心进行处理，具有信息损失小的优点，但数据互联复杂、可靠性差、计算和通信资源要求也高。而在分布式融合结构中，每个传感器都可独立地处理其自身信息，之后将各决策结果送至数据融合中心，再进行融合。

发展随着通信技术、嵌入式计算技术和传感器技术的飞速发展和日益成熟，具有感知能力、计算能力和通信能力的微型传感器开始应用。由这些微型传感器构成的分布式无线传感器网络(DistributedSensorNetwork，DSN)成为近年来一个重要的研究领域。20世纪80年代R．Wesson等最早开始了分布式传感器网络的研究，主要是对分布式传感器网络结构的研究。目前，国外各科研机构投入巨资，设立启动了许多关于DSN的研究计划，主要有PicoRadio、WINS、SmartDust、ruAMPS.SCADDS等。

原理简述假设外界输入信号为z，传感器输出信号y，输入到局部检测器。局部检测器根据y的结果，采用相应判决准则作出局部决策u。数据融合中心将接收到的各局部检测器的决策u，作为其观测值。由于对各传感器的观测是统计独立的，同时假设各局部检测器之间没有数据交互，则局部决策也是统计独立的。根据经典推理理论，融合中心可得到一个基于多传感器决策的联合概率密度函数，然后按一定的准则作出最后决策u。即一个分布式多传感器系统包括一系列传感器节点和相应的处理单元，以及连接不同处理单元的通信网络。每个处理单元连接一个或多个传感器，每个处理单元以及与之相连的传感器被称为簇。数据从传感器传送至与之相连的处理单元，在处理单元处进行数据集成。最后，处理单元相互融合以获得对环境的最佳评价。

系统结构分布式传感器网络按结构的不同大致分为三类，第一类是集中式的，如图1所示，单个传器测得的环境状态的一个映射，然后送到中央处理器中进行处理，得到对环境的估计。分层的传感器网络是第二类，如图2所示，它与第一类的区别是进行了一定的局域估计，然后送到全局估计器中进行处理。第三类是水平估计结构，所谓水平是强调各估计器之间相互平等的关系，如图3所示，在这里，每个节点由传感器、水平估计器及判决决策器组成。这三类相比较，第一类只有一个估计器来作为中央处理机用，第二类将中央处理机的功能划分出一部分，与传感器合并构成局域估计，在第三类中就将中央处理机的功能全部划分给局域估计器，并加强它们的联系，从而抛开了中央处理机，成为一种水平估计结构。

这三类结构中，集中式结构集中全邵数据进行运算，算法的选择十分灵活，但要求中央处理机的数据率太高，第二类结构未摆脱中央处理机，使得局域估计器不能得到中央处理机的性能，各个局域估计不能全面地反映情况。在第三类中，每个估计器都是平等的，又都相互联系，所以每个局域估计器就能反映全部情况从而做出决策，这在传感器分布域很广时是非常有用的。1

光纤分布式传感器光纤分布式传感技术是指利用光纤的相关物理特性对被测场的空间和时间行为进行实时监测的技术。该项技术对于大坝、桥梁、飞机等大型结构的应力场分布和温度场分布的有效监测有着重要的应用价值。

基本原理光纤分布式传感器一般基于背向散射工作机理或前向散射工作机理，其中背向散射型具有较为广泛的实用意义。图所示是光纤分布式传感器的简单物理模型。当光通过图的虚线框区域时，能量将以下述三种方式分配:

①一部分能量沿着传输通道继续传播;

②一部分能量在传输过程中被吸收损耗或是散射至光纤外;

③一部分能量被耦合至接收通道，并以光速返回端面，这部分能量可被光电探测器检测到。由接收通道返回的这部分能量体现了被测场M(L)从L至L+dL间的平均值。

典型系统1、本征型光纤分布式传感器

本征型光纤分布式传感器一般基于单根光纤沿长度分布的基本损耗或散射机理而工作的，图是此类分布式传感器的基本系统模型。

OTDR、FWCM、OFDR等技术是本征型光纤分布工传感器的技术核心，此类分布式传感器可以有效地监测光纤全程的应力、温度的分布情况，也可以检测光纤的故障点位置。

2、准分布式光纤传感器

准分布式光纤传感器的基本物理模型如图所示。与本征型光纤分布式传感器相比较，准分布式光纤传感器增加了沿光纤长度分布的离散传感单元，主要监测传感单元位置点上的场参数值，由于加入了传感单元，被测点的分辨率大大提高，但损耗较为明显。时分复用技术(TDM)、频分复用技术(FDM)、波分复用技术(WDM)是准分布式传感器中常使用的技术。2

本词条内容贡献者为:

陈红 - 副教授 - 西南大学