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(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(gè)。基于TDM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)不同光柵信號返回時(shí)間都不同，可用光開關(guān)等元件將信號在時(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返回的時(shí)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(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?；?a class="contentlabel" href="http://www.ex-cimer.com/news/listbylabel/label/CDMA">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(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(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(dá)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。