基于CDMA技術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在大型橋梁、建筑結構、健康監(jiān)測(SHM)等工程中的應用，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)。使用復用技術是實現(xiàn)光纖光柵傳感系統(tǒng)大容量的基本方法。

近十年來，復用技術已經在大容量的光纖傳感領域被研究和應用，特別是對FBG復用技術的研究受到廣泛關注。常用的復用方法有波分復用(Wavelength division nlultipiexing，WDM)、時分復用(time division multiplexing，TDM)及頻分復用(frequeney division multi Plxenig，F(xiàn)DM)。WDM技術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。基于TDM技術的系統(tǒng)中。光源調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，可用光開關等元件將信號在時域上分離開來。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?shù)乃p決定了復用傳感器的數(shù)量小于10。

基于FDM技術的光源調制出連續(xù)的脈沖波，脈沖的頻率隨時間往復變化，不同位置的光柵信號返回的時刻會對應不同的頻率，復用信號在頻域上被分離。由于FMCW技術的占空比要比TDM技術的大，進入傳感光柵陣列的光強更大，所以其復用的光柵數(shù)目可達到幾十個。

為了進一步提高單光纖上FBG的復用能力，必須設法提高FBG網絡的頻帶利用率。因此，基于CDMA技術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://butianyuan.cn/news/listbylabel/label/CDMA">CDMA技術的光纖光柵傳感系統(tǒng)從本質上來說是波分復用技術和碼分多址技術的有機結合，因此也被稱為CDMA DWDM FBG系統(tǒng)。CDMA技術已經廣泛應用于通信領域，但在應用于FBG傳感系統(tǒng)則剛剛開始。

在FBG傳感系統(tǒng)中使用CDMA技術的特殊優(yōu)點在于：由于使用相關技術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間隔比普通WDM系統(tǒng)小得多，從而使單光纖的復用能力大大增強，實現(xiàn)了密集波分復用。此外，由于CDMA技術和相關技術的共同作用，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)。若結合計算機及相應軟件強大的數(shù)據(jù)處理能力，具有潛在的低成本特性。

1 系統(tǒng)原理與關鍵技術

1.1 系統(tǒng)工作原理

圖1是基于CDMA技術的光纖Bragg光柵傳感系統(tǒng)原理圖。光源的輸出受偽隨機序列碼(PRBS)的調制，F(xiàn)BG傳感陣列對一個給定的PRBS響應與延遲一定時間的同一個PRBS進行相關運算，其結果經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。經過預先設置傳感器位置，再經調制后，光源輸出信號到達某一傳感器并返回到探測器所需的時間是確定的，因此通過適當選擇送到相關器的PRBS的延遲時間，就可確定相關運算結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。