分散式感測器

分散式感測器是以分散式計算機為參考建立的一種多感測器數據處理方式。在分散式感測器網路中，每個感測器都可獨立地處理其自身信息，提供大量數據，還能進一步獲得目標的分類特徵，以及避免電子對抗對單個感測器系統所造成的嚴重性能下降。

基本介紹

• 中文名：分散式感測器
• 外文名：分散式感測器
• 優點：提供大量數據，獲得目標分類特徵
• 參考：分散式計算機
• 性質：多感測器數據處理方式
• 套用學科：計算機科學、通信工程、電子工程

簡介

隨著現代技術的發展，以各自獨立的感測器為基礎的第一代系統已不能滿足現實中提出的諸多要求，如系統的頑存性、低可觀側性、目標分類與識別等，而採用分散式多感測器網路，可提供大量數據，還能進一步獲得目標的分類特徵，以及避免電子對抗對單個感測器系統所造成的嚴重性能下降。所以分散式多感測器網路引起了人們極大的興趣。

分散式感測器網路的主要涉及以下一些內容:

1. 多感測器的結構設計
   
2. 單個感測器所需的局域處理容量及數據通訊的方式
   
3. 數據融合過程
   
4. 多感測器布局的性能估計
   
5. 對多感測器網路的線上管理/控制
   
6. 軟體、硬體的保障，要考慮到生長、重構和重新布局的能力
   

在多感測器信息融合系統中，經常採用集中式和分散式兩種結構。在集中式數據融合結構中，感測器信息被直接送至數據融合中心進行處理，具有信息損失小的優點，但數據互聯複雜、可靠性差、計算和通信資源要求也高。而在分散式融合結構中，每個感測器都可獨立地處理其自身信息，之後將各決策結果送至數據融合中心，再進行融合。

發展

隨著通信技術、嵌入式計算技術和感測器技術的飛速發展和日益成熟，具有感知能力、計算能力和通信能力的微型感測器開始套用。由這些微型感測器構成的分散式無線感測器網路(DistributedSensorNetwork，DSN)成為近年來一個重要的研究領域。20世紀80年代R．Wesson等最早開始了分散式感測器網路的研究，主要是對分散式感測器網路結構的研究。目前，國外各科研機構投入巨資，設立啟動了許多關於DSN的研究計畫，主要有PicoRadio、WINS、SmartDust、ruAMPS.SCADDS等。

原理簡述

假設外界輸入信號為z，感測器輸出信號y，輸入到局部檢測器。局部檢測器根據y的結果，採用相應判決準則作出局部決策u。數據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。由於對各感測器的觀測是統計獨立的，同時假設各局部檢測器之間沒有數據互動，則局部決策也是統計獨立的。根據經典推理理論，融合中心可得到一個基於多感測器決策的聯合機率密度函式，然後按一定的準則作出最後決策u。即一個分散式多感測器系統包括一系列感測器節點和相應的處理單元，以及連線不同處理單元的通信網路。每個處理單元連線一個或多個感測器，每個處理單元以及與之相連的感測器被稱為簇。數據從感測器傳送至與之相連的處理單元，在處理單元處進行數據集成。最後，處理單元相互融合以獲得對環境的最佳評價。

系統結構

分散式感測器網路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，單個傳器測得的環境狀態的一個映射，然後送到中央處理器中進行處理，得到對環境的估計。分層的感測器網路是第二類，如圖2所示，它與第一類的區別是進行了一定的局域估計，然後送到全局估計器中進行處理。第三類是水平估計結構，所謂水平是強調各估計器之間相互平等的關係，如圖3所示，在這裡，每個節點由感測器、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，與感測器合併構成局域估計，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，並加強它們的聯繫，從而拋開了中央處理機，成為一種水平估計結構。

分散式感測器網路

這三類結構中，集中式結構集中全邵數據進行運算，算法的選擇十分靈活，但要求中央處理機的數據率太高，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，又都相互聯繫，所以每個局域估計器就能反映全部情況從而做出決策，這在感測器分布域很廣時是非常有用的。

光纖分散式感測器

光纖分散式感測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測的技術。該項技術對於大壩、橋樑、飛機等大型結構的應力場分布和溫度場分布的有效監測有著重要的套用價值。

基本原理

光纖分散式感測器一般基於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。圖所示是光纖分散式感測器的簡單物理模型。當光通過圖的虛線框區域時，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，並以光速返回端面，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了被測場M(L)從L至L+dL間的平均值。

典型系統

1、本徵型光纖分散式感測器

本徵型光纖分散式感測器一般基於單根光纖沿長度分布的基本損耗或散射機理而工作的，圖是此類分散式感測器的基本系統模型。

系統框圖

OTDR、FWCM、OFDR等技術是本徵型光纖分布工感測器的技術核心，此類分散式感測器可以有效地監測光纖全程的應力、溫度的分布情況，也可以檢測光纖的故障點位置。

2、準分散式光纖感測器

準分散式光纖感測器的基本物理模型如圖所示。與本徵型光纖分散式感測器相比較，準分散式光纖感測器增加了沿光纖長度分布的離散感測單元，主要監測感測單元位置點上的場參數值，由於加入了感測單元，被測點的解析度大大提高，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)是準分散式感測器中常使用的技術。