基于CDMA技術(shù)的光纖光柵傳感系統分析研究

        0 引言

        作為智能傳感元件，光纖光柵傳感器用于監測系統有著(zhù)良好的效果。隨著(zhù)光纖光柵傳感技術(shù)在大型橋梁、建筑結構、健康監測(SHM)等工程中的應用，越來(lái)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。使用復用技術(shù)是實(shí)現光纖光柵傳感系統大容量的基本方法。

        近十年來(lái)，復用技術(shù)已經(jīng)在大容量的光纖傳感領(lǐng)域被研究和應用，特別是對FBG復用技術(shù)的研究受到廣泛關(guān)注。常用的復用方法有波分復用(Wavelength division nlultipiexing，WDM)、時(shí)分復用(time division multiplexing，TDM)及頻分復用(frequeney division multi Plxenig，FDM)。WDM技術(shù)受光源帶寬和待測物理參量動(dòng)態(tài)范圍等因素的制約，在單光纖上復用FBG是有限的，基于A(yíng)SE寬帶光源的WDM光纖

        Bragg傳感系統的容量一般為15～20個(gè)?；赥DM技術(shù)的系統中。光源調制出一系列間隔時(shí)間相等的光脈沖，同一個(gè)脈沖到達不同光柵信號返回時(shí)間都不同，可用光開(kāi)關(guān)等元件將信號在時(shí)域上分離開(kāi)來(lái)。但是所有復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的衰減決定了復用傳感器的數量小于10。

        基于FDM技術(shù)的光源調制出連續的脈沖波，脈沖的頻率隨時(shí)間往復變化，不同位置的光柵信號返回的時(shí)刻會(huì )對應不同的頻率，復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(jìn)入傳感光柵陣列的光強更大，所以其復用的光柵數目可達到幾十個(gè)。

        為了進(jìn)一步提高單光纖上FBG的復用能力，必須設法提高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引起了人們極大的興趣?；?A href="http://joq5k4q.cn/site/CN/Search.aspx?page=1&keywords=CDMA&column_id=ALL&station=%E5%85%A8%E9%83%A8" target="_blank">CDMA技術(shù)的光纖光柵傳感系統從本質(zhì)上來(lái)說(shuō)是波分復用技術(shù)和碼分多址技術(shù)的有機結合，因此也被稱(chēng)為CDMA DWDM FBG系統。CDMA技術(shù)已經(jīng)廣泛應用于通信領(lǐng)域，但在應用于FBG傳感系統則剛剛開(kāi)始。

        在FBG傳感系統中使用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(cháng)間隔比普通WDM系統小得多，從而使單光纖的復用能力大大增強，實(shí)現了密集波分復用。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)現大容量、抗干擾性強的光纖光柵傳感系統。若結合計算機及相應軟件強大的數據處理能力，具有潛在的低成本特性。

        1 系統原理與關(guān)鍵技術(shù)

        1.1 系統工作原理

        圖1是基于CDMA技術(shù)的光纖Bragg光柵傳感系統原理圖。光源的輸出受偽隨機序列碼(PRBS)的調制，FBG傳感陣列對一個(gè)給定的PRBS響應與延遲一定時(shí)間的同一個(gè)PRBS進(jìn)行相關(guān)運算，其結果經(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(cháng)編碼信號。經(jīng)過(guò)預先設置傳感器位置，再經(jīng)調制后，光源輸出信號到達某一傳感器并返回到探測器所需的時(shí)間是確定的，因此通過(guò)適當選擇送到相關(guān)器的PRBS的延遲時(shí)間，就可確定相關(guān)運算結果來(lái)自于哪個(gè)傳感器，即可在獲得傳感信息的同時(shí)實(shí)現尋址。

        1.2 系統關(guān)鍵技術(shù)分析

        根據系統原理對其進(jìn)行分析，可以得到實(shí)現系統包含的幾個(gè)關(guān)鍵技術(shù)。

        (1)光源調制技術(shù)。光源調制技術(shù)主要包括2個(gè)方面：一是使用哪種偽隨機碼(PRBS)進(jìn)行調制;二是如何調制。對于擴頻碼的選擇，在傳感系統中不是一個(gè)難點(diǎn)。這是因為目前實(shí)用系統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還可以結合其他復用技術(shù)(如SDM技術(shù))來(lái)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(shí)現系統容量的要求。如對于8位m序列，理論上其單光纖上可實(shí)現的傳感容量即為255。當需要更大容量時(shí)，可擴展m序列，也可通過(guò)增加傳感通道來(lái)實(shí)現。

        如何調制光源，可根據光源的不同來(lái)分析。對于窄線(xiàn)寬帶光源，一般可用脈沖調制，即在用PRBS來(lái)調制每一個(gè)光脈沖。對于這樣的光源，其系統特點(diǎn)是高功率，傳感光柵中心波長(cháng)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(lái)區分傳感光柵。對于寬帶光源，一般采用PRBS驅動(dòng)信號發(fā)生器經(jīng)外調制接口加載到光源上，對其實(shí)現連續調制，使光譜在時(shí)域上進(jìn)行調制。該系統特點(diǎn)是結合WDM和CDMA實(shí)現DWDM系統，可以更好地利用光源的大帶寬和CDMA技術(shù)來(lái)實(shí)現大容量系統。

        (2)功率控制技術(shù)。雖然相對于CDMA通信系統而言，光纖光柵傳感系統的容量、傳輸距離等是不值一提的，但這并不意味著(zhù)光纖光柵系統不需要進(jìn)行功率控制。這是因為：一方面，FBG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(cháng)間隔不大時(shí)，當兩FBG頻譜有重疊時(shí)，更會(huì )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(huì )影響到其解擴的準確性;另一方面，根據CDMA通信系統容量的理論，CDMA系統是自干擾系統，限制CDMA系統容量的因素是總干擾。當達到以下條件時(shí)，系統的容量會(huì )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、響應度等有關(guān)?；緩母饕苿?dòng)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(shí)現多點(diǎn)監測，也應該對光纖光柵傳感系統進(jìn)行功率控制，使各個(gè)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象的發(fā)生。

        在基于CDMA技術(shù)的光纖光柵系統中，要實(shí)現功率控制，應從光源功率、光器件插入損耗、光柵的反射率、光柵的中心波長(cháng)及光傳輸損耗等方面綜合考慮。先通過(guò)理論分析，盡可能選擇性能優(yōu)良的光器件，然后結合試驗進(jìn)一步通過(guò)調整傳感光柵中FBG的前后位置和調整光源功率的大小，選擇耦合比合適的光耦合器等來(lái)實(shí)現系統大容量與優(yōu)良性能的統一。

        2 定時(shí)同步技術(shù)

        前面的引言及系統原理已提到基于CDMA技術(shù)的光纖光柵傳感系統是利用相關(guān)技術(shù)來(lái)實(shí)現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(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)相關(guān)值達到最大(較大)，而在此外的時(shí)間段相關(guān)值很小。要準確的尋址，其關(guān)鍵點(diǎn)就在于實(shí)現在精確時(shí)間延遲后給相應解擴通道送PRBS，以實(shí)現同步解擴。此項技術(shù)關(guān)系到整個(gè)系統能否成功實(shí)現，因此是系統的關(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)數據采集卡主板作為精確計時(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進(jìn)行相關(guān)處理，根據其相關(guān)值的大小來(lái)準確判斷是哪一個(gè)傳感光柵的信號。

        在此，對信號進(jìn)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序列調制信號，在一個(gè)周期內對確定的延遲時(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。

        4 解調技術(shù)

        設計該系統的最終目標是對系統進(jìn)行解調，即采用某種解調方法得到傳感光柵中心波長(cháng)的偏移值，從而推算出待測物理量的參數變化。如何有效地解調是光纖光柵傳感系統的研究重點(diǎn)和難點(diǎn)，也是目前的研究熱點(diǎn)。已有許多解調方法，如干涉法、濾波法、參量轉換法等。

        這里主要討論的是基于CDMA技術(shù)的光纖光柵傳感系統應采用哪一種解調方法來(lái)解調。在此考慮的主要因素有：

        (1)該系統是為實(shí)現大容量傳感而研究設計的，因此該解調方法應適于大容量解調。

        (2)系統中采用CDMA技術(shù)進(jìn)行尋址，即運用精確定時(shí)、相關(guān)處理實(shí)現尋址。因此如在尋址前對接收信號進(jìn)行掃描解調(如F-P掃描解調法)，應考慮它對定時(shí)的影響。

        (3)由于采用延遲碼片的方法來(lái)區分各個(gè)傳感光柵，而碼片延遲時(shí)間一般很短(一般在ms級)，尤其在大容量時(shí)，如要求延遲時(shí)間僅為1個(gè)碼片時(shí)。這就要求采用的解調方法能快速解調，其解調處理速度大于輸入信號的更新速度，即實(shí)現實(shí)時(shí)解調;或在該時(shí)間間隔內將傳感光柵的數據采集并儲存，只在需要解調時(shí)對其進(jìn)行解調，即非實(shí)時(shí)解調。

        此外，完善光源、光柵器件以及光耦合器等無(wú)源器件的制造技術(shù)和光纖光柵的封裝技術(shù)等也是完善該傳感系統性能的基礎。

        5 實(shí)驗研究與結果分析

        5.1 實(shí)驗研究情況

        根據上面的理論分析，對系統進(jìn)行了初步的試驗研究。實(shí)驗方案如圖3所示。

        實(shí)驗中，使用TMS320LF2407DSP開(kāi)發(fā)板產(chǎn)生偽隨機3階7位、周期為0.7 ms的m序列，經(jīng)緩沖放大后調制ASE寬帶光源產(chǎn)生m序列光信號，并進(jìn)入傳感網(wǎng)絡(luò )。傳感網(wǎng)絡(luò )由1只光纖光柵應力傳感器(中心波長(cháng)為1550.84 nm，3dB帶寬為0.217nm)及1只裸光纖光柵(中心為1 550.12 nm，3 dB帶寬為O.302 nm)串行搭建。響應度為0.9 A/W的光電探測器將傳感網(wǎng)絡(luò )光信號轉換成電信號后再將其分兩路送入12位精度的數據采集卡，同時(shí)DSP板所產(chǎn)生的m序列也由一個(gè)通道送入采集卡。從不同位置的光纖光柵反射回來(lái)的光信號因其傳輸距離不一樣而產(chǎn)生不同時(shí)間的延遲，利用m序列優(yōu)良的自相關(guān)和移位相關(guān)特性，通過(guò)控制接收端m序列的發(fā)送時(shí)間就可以對光柵的地址進(jìn)行識別。

        實(shí)驗中，將采集到的信號在虛擬儀器軟件LabVIEW中進(jìn)行處理。具體處理如下所述：采集卡的3個(gè)通道中，第1，2兩個(gè)通道采集DSP通過(guò)緩沖驅動(dòng)電路后的信號(其中一路信號需要將其延時(shí));第3個(gè)通道采集送光電探測器探測到的信號。將3個(gè)通道的信號在同步節點(diǎn)下送入系統程序，程序后面板程序如圖4所示。

        在第1個(gè)光纖光柵傳感器直接接入光路并考慮光速很大的情況下，其延時(shí)值以0處理。由于沒(méi)有光纖延時(shí)線(xiàn)，系統主要解調這個(gè)傳感器。第2個(gè)光柵與第一個(gè)傳感器之間連接了22 m的光纖，其延時(shí)值為0.15 ms(實(shí)際處理中考慮了硬件延時(shí)，設置為2個(gè)碼片的延時(shí))。

        根據系統原理，當信道的相應延時(shí)來(lái)到時(shí)，有尖銳的自相關(guān)出現，如圖5所示。對于其他通道，相同時(shí)刻的相關(guān)值很小。由此可以準確地對相應的傳感光柵進(jìn)行定位，即尋址。

        5.2 實(shí)驗結果分析

        實(shí)驗中，利用LabVIEW對采集信號進(jìn)行處理，實(shí)現了光纖光柵傳感系統基于CDMA的準確尋址，但仍有一些問(wèn)題有待解決：

        (1)實(shí)驗中，采用的FBG的反射率均高達99%，所以不可能實(shí)現頻譜重疊時(shí)的尋址。進(jìn)一步的實(shí)驗重點(diǎn)是應使用反射率較低的FBGS來(lái)檢驗在頻譜重疊時(shí)其相關(guān)尋址特性;頻譜重疊時(shí)，反射率多大時(shí)，得到的尋址特性最好，以及頻譜重疊時(shí)能實(shí)現尋址的光柵反射率的上限和下限。

        (2)實(shí)驗雖實(shí)現了基于CDMA的尋址，但系統的最終目的——解調還未實(shí)現。文獻給出使用可調諧激光器掃描來(lái)實(shí)現解調;文獻給出使用匹配濾波法實(shí)現解調。但是，可調諧激光器的掃描速度慢、滯后性以及價(jià)格高，使其難以實(shí)用化;匹配濾波法不便于大容量解調，因而不是該系統理想的解調方式。因此，尋找一個(gè)適于該系統的解調方法(算法)是系統研究的重點(diǎn)。

        利用當前計算機及相應軟件的高速數據處理能力，并基于相關(guān)技術(shù)來(lái)實(shí)現解調可以作為一個(gè)發(fā)展思路。

        6 結語(yǔ)

        對大容量光纖光柵系統常用的復用技術(shù)(WDM技術(shù)、TDM技術(shù)、FDM技術(shù))中傳感容量、CDMA技術(shù)的特點(diǎn)做了介紹。闡述了基于CDMA技術(shù)的光纖Bragg光柵傳感系統的原理及其關(guān)鍵技術(shù)，并對該系統做了初步實(shí)驗研究，實(shí)現了基于CDMA技術(shù)的準確尋址。通過(guò)總結分析可以看出，大容量、抗干擾性強以及具有潛在低成本特性的基于CDMA技術(shù)的光纖光柵傳感系統有著(zhù)廣闊的發(fā)展前景和應用前景。雖然目前仍有不少關(guān)鍵技術(shù)有待解決和完善，但通過(guò)引鑒(移植)目前及發(fā)展的CDMA通信技術(shù)中已成熟的技術(shù)與光器件技術(shù)結合，運用強大的虛擬儀器軟件LabVIEW進(jìn)行數據處理，必要時(shí)可結合Matlab工具來(lái)實(shí)現性能優(yōu)、界面好的解調系統，相信基于CDMA技術(shù)的光纖Bragg光柵傳感系統將在未來(lái)的傳感領(lǐng)域占有一席之地。