光纖光柵傳感系統(tǒng)設(shè)計(jì)原理與關(guān)鍵技術(shù)

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)。

　　4 解調(diào)技術(shù)

設(shè)計(jì)該系統(tǒng)的最終目標(biāo)是對(duì)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(cè)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(jì)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(shí)、相關(guān)處理實(shí)現(xiàn)尋址。因此如在尋址前對(duì)接收信號(hào)進(jìn)行掃描解調(diào)（如F-P掃描解調(diào)法），應(yīng)考慮它對(duì)定時(shí)的影響。

（3）由于采用延遲碼片的方法來區(qū)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(jí)），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(diào)方法能快速解調(diào)，其解調(diào)處理速度大于輸入信號(hào)的更新速度，即實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)解調(diào)；或在該時(shí)間間隔內(nèi)將傳感光柵的數(shù)據(jù)采集并儲(chǔ)存，只在需要解調(diào)時(shí)對(duì)其進(jìn)行解調(diào)，即非實(shí)時(shí)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)。

　　5 實(shí)驗(yàn)研究與結(jié)果分析

5．1 實(shí)驗(yàn)研究情況

根據(jù)上面的理論分析，對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行了初步的試驗(yàn)研究。實(shí)驗(yàn)方案如圖3所示。

實(shí)驗(yàn)中，使用TMS320LF2407DSP開發(fā)板產(chǎn)生偽隨機(jī)3階7位、周期為0．7 ms的m序列，經(jīng)緩沖放大后調(diào)制ASE寬帶光源產(chǎn)生m序列光信號(hào)，并進(jìn)入傳感網(wǎng)絡(luò)。傳感網(wǎng)絡(luò)由1只光纖光柵應(yīng)力傳感器（中心波長為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(yīng)度為0．9 A／W的光電探測(cè)器將傳感網(wǎng)絡(luò)光信號(hào)轉(zhuǎn)換成電信號(hào)后再將其分兩路送入12位精度的數(shù)據(jù)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的光信號(hào)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，通過控制接收端m序列的發(fā)送時(shí)間就可以對(duì)光柵的地址進(jìn)行識(shí)別。

實(shí)驗(yàn)中，將采集到的信號(hào)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通過緩沖驅(qū)動(dòng)電路后的信號(hào)（其中一路信號(hào)需要將其延時(shí)）；第3個(gè)通道采集送光電探測(cè)器探測(cè)到的信號(hào)。將3個(gè)通道的信號(hào)在同步節(jié)點(diǎn)下送入系統(tǒng)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。由于沒有光纖延時(shí)線，系統(tǒng)主要解調(diào)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(shè)置為2個(gè)碼片的延時(shí)）。

根據(jù)系統(tǒng)原理，當(dāng)信道的相應(yīng)延時(shí)來到時(shí)，有尖銳的自相關(guān)出現(xiàn)，如圖5所示。對(duì)于其他通道，相同時(shí)刻的相關(guān)值很小。由此可以準(zhǔn)確地對(duì)相應(yīng)的傳感光柵進(jìn)行定位，即尋址。

5．2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

實(shí)驗(yàn)中，利用LabVIEW對(duì)采集信號(hào)進(jìn)行處理，實(shí)現(xiàn)了光纖光柵傳感系統(tǒng)基于CDMA的準(zhǔn)確尋址，但仍有一些問題有待解決：

（1）實(shí)驗(yàn)中，采用的FBG的反射率均高達(dá)99％，所以不可能實(shí)現(xiàn)頻譜重疊時(shí)的尋址。進(jìn)一步的實(shí)驗(yàn)重點(diǎn)是應(yīng)使用反射率較低的FBGS來檢驗(yàn)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(xiàn)尋址的光柵反射率的上限和下限。

（2）實(shí)驗(yàn)雖實(shí)現(xiàn)了基于CDMA的尋址，但系統(tǒng)的最終目的——解調(diào)還未實(shí)現(xiàn)。文獻(xiàn)給出使用可調(diào)諧激光器掃描來實(shí)現(xiàn)解調(diào)；文獻(xiàn)給出使用匹配濾波法實(shí)現(xiàn)解調(diào)。但是，可調(diào)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(diào)，因而不是該系統(tǒng)理想的解調(diào)方式。因此，尋找一個(gè)適于該系統(tǒng)的解調(diào)方法（算法）是系統(tǒng)研究的重點(diǎn)。

利用當(dāng)前計(jì)算機(jī)及相應(yīng)軟件的高速數(shù)據(jù)處理能力，并基于相關(guān)技術(shù)來實(shí)現(xiàn)解調(diào)可以作為一個(gè)發(fā)展思路。

　　6 結(jié)語

對(duì)大容量光纖光柵系統(tǒng)常用的復(fù)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(tǒng)的原理及其關(guān)鍵技術(shù)，并對(duì)該系統(tǒng)做了初步實(shí)驗(yàn)研究，實(shí)現(xiàn)了基于CDMA技術(shù)的準(zhǔn)確尋址。通過總結(jié)分析可以看出，大容量、抗干擾性強(qiáng)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(tǒng)有著廣闊的發(fā)展前景和應(yīng)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(jié)合，運(yùn)用強(qiáng)大的虛擬儀器軟件LabVIEW進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，必要時(shí)可結(jié)合Matlab工具來實(shí)現(xiàn)性能優(yōu)、界面好的解調(diào)系統(tǒng)，相信基于CDMA技術(shù)的光纖Bragg光柵傳感系統(tǒng)將在未來的傳感領(lǐng)域占有一席之地。