基于CDMA技術(shù)的光纖光柵傳感系統(tǒng)分析研究

0 引言

作為智能傳感元件，光纖光柵傳感器用于監(jiān)測系統(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(SHM)等工程中的應(yīng)用，越來越需要具有大容量、抗干擾性強，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)受光源帶寬和待測物理參量動態(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�；�于TDM技術(shù)的系統(tǒng)中。光源調(diào)制出一系列間隔時間相等的光脈沖，同一個脈沖到達不同光柵信號返回時間都不同，可用光開關(guān)等元件將信號在時域上分離開來。但是所有復(fù)用的光柵都是使用同一脈沖光源，光源的強度和光柵及光纖傳輸?shù)乃�減決定了復(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，脈沖的頻率隨時間往復(fù)變化，不同位置的光柵信號返回的時刻會對應(yīng)不同的頻率，復(fù)用信號在頻域上被分離。由于FMCW技術(shù)的占空比要比TDM技術(shù)的大，進入傳感光柵陣列的光強更大，所以其復(fù)用的光柵數(shù)目可達到幾十個。

為了進一步提高單光纖上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�；�于CDMA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)合信號中提取特殊傳感器的信號，因此允許傳感器反射信號的頻譜相互重疊，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，實現(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。因此可實現(xiàn)大容量、抗干擾性強的光纖光柵傳感系統(tǒng)。若結(jié)合計算機及相應(yīng)軟件強大的數(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序列碼(PRBS)的調(diào)制，F(xiàn)BG傳感陣列對一個給定的PRBS響應(yīng)與延遲一定時間的同一個PRBS進行相關(guān)運算，其結(jié)果經(jīng)低通濾波器濾波后即可得到某一個特定傳感器上返回的波長編碼信號。經(jīng)過預(yù)先設(shè)置傳感器位置，再經(jīng)調(diào)制后，光源輸出信號到達某一傳感器并返回到探測器所需的時間是確定的，因此通過適當選擇送到相關(guān)器的PRBS的延遲時間，就可確定相關(guān)運算結(jié)果來自于哪個傳感器，即可在獲得傳感信息的同時實現(xiàn)尋址。

1．2 系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)分析

根據(jù)系統(tǒng)原理對其進行分析，可以得到實現(xiàn)系統(tǒng)包含的幾個關(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個方面：一是使用哪種偽隨機碼(PRBS)進行調(diào)制；二是如何調(diào)制。對于擴頻碼的選擇，在傳感系統(tǒng)中不是一個難點。這是因為目前實用系統(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序列即可實現(xiàn)系統(tǒng)容量的要求。如對于8位m序列，理論上其單光纖上可實現(xiàn)的傳感容量即為255。當需要更大容量時，可擴展m序列，也可通過增加傳感通道來實現(xiàn)。

如何調(diào)制光源，可根據(jù)光源的不同來分析。對于窄線寬帶光源，一般可用脈沖調(diào)制，即在用PRBS來調(diào)制每一個光脈沖。對于這樣的光源，其系統(tǒng)特點是高功率，傳感光柵中心波長相對集中，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。對于寬帶光源，一般采用PRBS驅(qū)動信號發(fā)生器經(jīng)外調(diào)制接口加載到光源上，對其實現(xiàn)連續(xù)調(diào)制，使光譜在時域上進行調(diào)制。該系統(tǒng)特點是結(jié)合WDM和CDMA實現(xiàn)DWDM系統(tǒng)，可以更好地利用光源的大帶寬和CDMA技術(shù)來實現(xiàn)大容量系統(tǒng)。

(2)功率控制技術(shù)。雖然相對于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)不需要進行功率控制。這是因為：一方面，F(xiàn)BG的反射特性會使FBG陣列中在其后面的FBG功率減少，尤其如果FBG陣列中FNG之間的中心波長間隔不大時，當兩FBG頻譜有重疊時，更會使后面的FBG反射信號功率減少，從而使其在探測器之后的相關(guān)處理受到前面強的FBG反射信號的影響，最終會影響到其解擴的準確性；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。當達到以下條件時，系統(tǒng)的容量會達到最大，即在可接受的信號質(zhì)量下，功率最小。這主要與探測器的靈敏度、響應(yīng)度等有關(guān)�；�站從各移動臺接收到的功率相同，因此在質(zhì)量一定的條件下要盡可能實現(xiàn)多點監(jiān)測，也應(yīng)該對光纖光柵傳感系統(tǒng)進行功率控制，使各個傳感光柵的反射功率在探測器(或相關(guān)處理)處盡可能相同，從而減少弱反射信號被強反射信號干擾現(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)合試驗進一步通過調(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現(xiàn)系統(tǒng)大容量與優(yōu)良性能的統(tǒng)一。

2 定時同步技術(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，即兩相對移動的相同序列只有在某一時間點(或某一小時間段內(nèi))相關(guān)值達到最大(較大)，而在此外的時間段相關(guān)值很小。要準確的尋址，其關(guān)鍵點就在于實現(xiàn)在精確時間延遲后給相應(yīng)解擴通道送PRBS，以實現(xiàn)同步解擴。此項技術(shù)關(guān)系到整個系統(tǒng)能否成功實現(xiàn)，因此是系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)重點。獲得定時精度的最簡單方式是使用一個數(shù)據(jù)采集卡主板作為精確計時裝置。

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進行相關(guān)處理，根據(jù)其相關(guān)值的大小來準確判斷是哪一個傳感光柵的信號。

在此，對信號進行差分檢測，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。對于m序列調(diào)制信號，在一個周期內(nèi)對確定的延遲時間，X為最大值(歸一化后為1)時，X將取到最小值，這樣在判決端很容易判別信號。