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0 引言
作為智能傳感元件，光纖光柵傳感器用于監(jiān)測(cè)系統(tǒng)有著良好的效果。隨著光纖光柵傳感技術(shù)在大型橋梁、建筑結(jié)構(gòu)、健康監(jiān)測(cè)(SHM)等工程中的應(yīng)用，越來越需要具有大容量、抗干擾性強(qiáng)，靈敏度高而成本較低的光纖光柵傳感系統(tǒng)。使用復(fù)用技術(shù)是實(shí)現(xiàn)光纖光柵傳感系統(tǒng)大容量的基本方法。
近十年來，復(fù)用技術(shù)已經(jīng)在大容量的光纖傳感領(lǐng)域被研究和應(yīng)用，特別是對(duì)FBG復(fù)用技術(shù)的研究受到廣泛關(guān)注。常用的復(fù)用方法有波分復(fù)用(Wavelength division nlultipiexing，WDM)、時(shí)分復(fù)用(time division MULTIplexing，TDM)及頻分復(fù)用(frequeney division MULTI Plxenig，F(xiàn)DM)。WDM技術(shù)受光源帶寬和待測(cè)物理參量動(dòng)態(tài)范圍等因素的制約，在單光纖上復(fù)用FBG是有限的，基于ASE寬帶光源的WDM光纖Bragg傳感系統(tǒng)的容量一般為15～20個(gè)�；赥DM技術(shù)的系統(tǒng)中。光源調(diào)制出一系列間隔時(shí)間相等的光脈沖，同一個(gè)脈沖到達(dá)不同光柵信號(hào)返回時(shí)間都不同，可用光開關(guān)等元件將信號(hào)在時(shí)域上分離開來。但是所有復(fù)用的光柵都是使用同一脈沖光源，光源的強(qiáng)度和光柵及光纖傳輸?shù)乃p決定了復(fù)用傳感器的數(shù)量小于10。
基于FDM技術(shù)的光源調(diào)制出連續(xù)的脈沖波，脈沖的頻率隨時(shí)間往復(fù)變化，不同位置的光柵信號(hào)返回的時(shí)刻會(huì)對(duì)應(yīng)不同的頻率，復(fù)用信號(hào)在頻域上被分離。由于FMCW技術(shù)的占空比要比TDM技術(shù)的大，進(jìn)入傳感光柵陣列的光強(qiáng)更大，所以其復(fù)用的光柵數(shù)目可達(dá)到幾十個(gè)。
為了進(jìn)一步提高單光纖上FBG的復(fù)用能力，必須設(shè)法提高FBG網(wǎng)絡(luò)的頻帶利用率。因此，基于CDMA技術(shù)的光纖光柵傳感系統(tǒng)引起了人們極大的興趣�；贑DMA技術(shù)的光纖光柵傳感系統(tǒng)從本質(zhì)上來說是波分復(fù)用技術(shù)和碼分多址技術(shù)的有機(jī)結(jié)合，因此也被稱為CDMA DWDM FBG系統(tǒng)。CDMA技術(shù)已經(jīng)廣泛應(yīng)用于通信領(lǐng)域，但在應(yīng)用于FBG傳感系統(tǒng)則剛剛開始。
在FBG傳感系統(tǒng)中使用CDMA技術(shù)的特殊優(yōu)點(diǎn)在于：由于使用相關(guān)技術(shù)從傳感器群返回的復(fù)合信號(hào)中提取特殊傳感器的信號(hào)，因此允許傳感器反射信號(hào)的頻譜相互重疊，甚至完全相同，這樣就使傳感器之間的波長(zhǎng)間隔比普通WDM系統(tǒng)小得多，從而使單光纖的復(fù)用能力大大增強(qiáng)，實(shí)現(xiàn)了密集波分復(fù)用。此外，由于CDMA技術(shù)和相關(guān)技術(shù)的共同作用，可以有效地抑制信道噪聲和各傳感器的串音，從而極大地提高信噪比。因此可實(shí)現(xiàn)大容量、抗干擾性強(qiáng)的光纖光柵傳感系統(tǒng)。若結(jié)合計(jì)算機(jī)及相應(yīng)軟件強(qiáng)大的數(shù)據(jù)處理能力，具有潛在的低成本特性。
1 系統(tǒng)原理與關(guān)鍵技術(shù)
1．1 系統(tǒng)工作原理
圖1是基于CDMA技術(shù)的光纖Bragg光柵傳感系統(tǒng)原理圖。光源的輸出受偽隨機(jī)序列碼(PRBS)的調(diào)制，F(xiàn)BG傳感陣列對(duì)一個(gè)給定的PRBS響應(yīng)與延遲一定時(shí)間的同一個(gè)PRBS進(jìn)行相關(guān)運(yùn)算，其結(jié)果經(jīng)低通濾波器濾波后即可得到某一個(gè)特定傳感器上返回的波長(zhǎng)編碼信號(hào)。經(jīng)過預(yù)先設(shè)置傳感器位置，再經(jīng)調(diào)制后，光源輸出信號(hào)到達(dá)某一傳感器并返回到探測(cè)器所需的時(shí)間是確定的，因此通過適當(dāng)選擇送到相關(guān)器的PRBS的延遲時(shí)間，就可確定相關(guān)運(yùn)算結(jié)果來自于哪個(gè)傳感器，即可在獲得傳感信息的同時(shí)實(shí)現(xiàn)尋址。
1．2 系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)分析
根據(jù)系統(tǒng)原理對(duì)其進(jìn)行分析，可以得到實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)包含的幾個(gè)關(guān)鍵技術(shù)。
(1)光源調(diào)制技術(shù)。光源調(diào)制技術(shù)主要包括2個(gè)方面：一是使用哪種偽隨機(jī)碼(PRBS)進(jìn)行調(diào)制；二是如何調(diào)制。對(duì)于擴(kuò)頻碼的選擇，在傳感系統(tǒng)中不是一個(gè)難點(diǎn)。這是因?yàn)槟壳皩?shí)用系統(tǒng)的傳感容量一般在幾十到幾百，上千或更多的比較少，考慮到基于CDMA技術(shù)的光纖光柵傳感系統(tǒng)還可以結(jié)合其他復(fù)用技術(shù)(如SDM技術(shù))來擴(kuò)容，一般選擇具有良好自相關(guān)和互相關(guān)特性的m序列即可實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)容量的要求。如對(duì)于8位m序列，理論上其單光纖上可實(shí)現(xiàn)的傳感容量即為255。當(dāng)需要更大容量時(shí)，可擴(kuò)展m序列，也可通過增加傳感通道來實(shí)現(xiàn)。
如何調(diào)制光源，可根據(jù)光源的不同來分析。對(duì)于窄線寬帶光源，一般可用脈沖調(diào)制，即在用PRBS來調(diào)制每一個(gè)光脈沖。對(duì)于這樣的光源，其系統(tǒng)特點(diǎn)是高功率，傳感光柵中心波長(zhǎng)相對(duì)集中，所以更接近CDMA技術(shù)特性——傳感光柵之間的光譜可有重疊，甚至完全重疊，在接收端使用相關(guān)技術(shù)來區(qū)分傳感光柵。對(duì)于寬帶光源，一般采用PRBS驅(qū)動(dòng)信號(hào)發(fā)生器經(jīng)外調(diào)制接口加載到光源上，對(duì)其實(shí)現(xiàn)連續(xù)調(diào)制，使光譜在時(shí)域上進(jìn)行調(diào)制。該系統(tǒng)特點(diǎn)是結(jié)合WDM和CDMA實(shí)現(xiàn)DWDM系統(tǒng)，可以更好地利用光源的大帶寬和CDMA技術(shù)來實(shí)現(xiàn)大容量系統(tǒng)。
(2)功率控制技術(shù)。雖然相對(duì)于CDMA通信系統(tǒng)而言，光纖光柵傳感系統(tǒng)的容量、傳輸距離等是不值一提的，但這并不意味著光纖光柵系統(tǒng)不需要進(jìn)行功率控制。這是因?yàn)椋阂环矫�，F(xiàn)BG的反射特性會(huì)使FBG陣列中在其后面的FBG功率減少，尤其如果FBG陣列中FNG之間的中心波長(zhǎng)間隔不大時(shí)，當(dāng)兩FBG頻譜有重疊時(shí)，更會(huì)使后面的FBG反射信號(hào)功率減少，從而使其在探測(cè)器之后的相關(guān)處理受到前面強(qiáng)的FBG反射信號(hào)的影響，最終會(huì)影響到其解擴(kuò)的準(zhǔn)確性；另一方面，根據(jù)CDMA通信系統(tǒng)容量的理論，CDMA系統(tǒng)是自干擾系統(tǒng)，限制CDMA系統(tǒng)容量的因素是總干擾。當(dāng)達(dá)到以下條件時(shí)，系統(tǒng)的容量會(huì)達(dá)到最大，即在可接受的信號(hào)質(zhì)量下，功率最小。這主要與探測(cè)器的靈敏度、響應(yīng)度等有關(guān)�；緩母饕苿�(dòng)臺(tái)接收到的功率相同，因此在質(zhì)量一定的條件下要盡可能實(shí)現(xiàn)多點(diǎn)監(jiān)測(cè)，也應(yīng)該對(duì)光纖光柵傳感系統(tǒng)進(jìn)行功率控制，使各個(gè)傳感光柵的反射功率在探測(cè)器(或相關(guān)處理)處盡可能相同，從而減少弱反射信號(hào)被強(qiáng)反射信號(hào)干擾現(xiàn)象的發(fā)生。
在基于CDMA技術(shù)的光纖光柵系統(tǒng)中，要實(shí)現(xiàn)功率控制，應(yīng)從光源功率、光器件插入損耗、光柵的反射率、光柵的中心波長(zhǎng)及光傳輸損耗等方面綜合考慮。先通過理論分析，盡可能選擇性能優(yōu)良的光器件，然后結(jié)合試驗(yàn)進(jìn)一步通過調(diào)整傳感光柵中FBG的前后位置和調(diào)整光源功率的大小，選擇耦合比合適的光耦合器等來實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)大容量與優(yōu)良性能的統(tǒng)一。
2 定時(shí)同步技術(shù)
前面的引言及系統(tǒng)原理已提到基于CDMA技術(shù)的光纖光柵傳感系統(tǒng)是利用相關(guān)技術(shù)來實(shí)現(xiàn)傳感器的定位即尋址的。然而PRBS序列的自相關(guān)特性，即兩相對(duì)移動(dòng)的相同序列只有在某一時(shí)間點(diǎn)(或某一小時(shí)間段內(nèi))相關(guān)值達(dá)到最大(較大)，而在此外的時(shí)間段相關(guān)值很小。要準(zhǔn)確的尋址，其關(guān)鍵點(diǎn)就在于實(shí)現(xiàn)在精確時(shí)間延遲后給相應(yīng)解擴(kuò)通道送PRBS，以實(shí)現(xiàn)同步解擴(kuò)。此項(xiàng)技術(shù)關(guān)系到整個(gè)系統(tǒng)能否成功實(shí)現(xiàn)，因此是系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)重點(diǎn)。獲得定時(shí)精度的最簡(jiǎn)單方式是使用一個(gè)數(shù)據(jù)采集卡主板作為精確計(jì)時(shí)裝置。
3 相關(guān)處理技術(shù)
相關(guān)處理技術(shù)是如何將精確延遲的同一PRBS序列與接收到的信號(hào)進(jìn)行相關(guān)處理，根據(jù)其相關(guān)值的大小來準(zhǔn)確判斷是哪一個(gè)傳感光柵的信號(hào)。
在此，對(duì)信號(hào)進(jìn)行差分檢測(cè)，如圖2所示。圖中X表示序列自相關(guān)解碼器；X表示序列與其共軛序列相關(guān)解碼器。對(duì)于m序列調(diào)制信號(hào)，在一個(gè)周期內(nèi)對(duì)確定的延遲時(shí)間，X為最大值(歸一化后為1)時(shí)，X將取到最小值，這樣在判決端很容易判別信號(hào)。
