基于CDMA技術(shù)的光纖光柵傳感系統(tǒng)分析研究

1.2 系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)分析

根據(jù)系統(tǒng)原理對其進(jìn)行分析，可以得到實(shí)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(jī)碼(PRBS)進(jìn)行調(diào)制;二是如何調(diào)制。對于擴(kuò)頻碼的選擇，在傳感系統(tǒng)中不是一個難點(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，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(diǎn)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(shí)現(xiàn)連續(xù)調(diào)制，使光譜在時域上進(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(dāng)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(qiáng)的FBG反射信號的影響，最終會影響到其解擴(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，系統(tǒng)的容量會達(dá)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)?；緩母饕苿优_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，也應(yīng)該對光纖光柵傳感系統(tǒng)進(jìn)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(qiáng)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(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，即兩相對移動的相同序列只有在某一時間點(diǎn)(或某一小時間段內(nèi))相關(guān)值達(dá)到最大(較大)，而在此外的時間段相關(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(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(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。

4 解調(diào)技術(shù)

設(shè)計該系統(tǒng)的最終目標(biāo)是對系統(tǒng)進(jìn)行解調(diào)，即采用某種解調(diào)方法得到傳感光柵中心波長的偏移值，從而推算出待測物理量的參數(shù)變化。如何有效地解調(diào)是光纖光柵傳感系統(tǒng)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(diào)方法，如干涉法、濾波法、參量轉(zhuǎn)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(tǒng)應(yīng)采用哪一種解調(diào)方法來解調(diào)。在此考慮的主要因素有：

(1)該系統(tǒng)是為實(shí)現(xiàn)大容量傳感而研究設(shè)計的，因此該解調(diào)方法應(yīng)適于大容量解調(diào)。

(2)系統(tǒng)中采用CDMA技術(shù)進(jìn)行尋址，即運(yùn)用精確定時、相關(guān)處理實(shí)現(xiàn)尋址。因此如在尋址前對接收信號進(jìn)行掃描解調(diào)(如F-P掃描解調(diào)法)，應(yīng)考慮它對定時的影響。

(3)由于采用延遲碼片的方法來區(qū)分各個傳感光柵，而碼片延遲時間一般很短(一般在ms級)，尤其在大容量時，如要求延遲時間僅為1個碼片時。這就要求采用的解調(diào)方法能快速解調(diào)，其解調(diào)處理速度大于輸入信號的更新速度，即實(shí)現(xiàn)實(shí)時解調(diào);或在該時間間隔內(nèi)將傳感光柵的數(shù)據(jù)采集并儲存，只在需要解調(diào)時對其進(jìn)行解調(diào)，即非實(shí)時解調(diào)。

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