基于CDMA技术的光纤光栅传感系统分析研究

0 引言

　　作为智能传感元件，光纤光栅传感器用于监测系统有着良好的效果。随着光纤光栅传感技术在大型桥梁、建筑结构、健康监测(SHM)等工程中的应用，越来越需要具有大容量、抗干扰性强，灵敏度高而成本较低的光纤光栅传感系统。使用复用技术是实现光纤光栅传感系统大容量的基本方法。

　　近十年来，复用技术已经在大容量的光纤传感领域被研究和应用，特别是对FBG复用技术的研究受到广泛关注。常用的复用方法有波分复用(Wavelength division nlultipiexing，WDM)、时分复用(time division MULTIplexing，TDM)及频分复用(frequeney division MULTI Plxenig，FDM)。WDM技术受光源带宽和待测物理参量动态范围等因素的制约，在单光纤上复用FBG是有限的，基于ASE宽带光源的WDM光纤

　　Bragg传感系统的容量一般为15～20个。基于TDM技术的系统中。光源调制出一系列间隔时间相等的光脉冲，同一个脉冲到达不同光栅信号返回时间都不同，可用光开关等元件将信号在时域上分离开来。但是所有复用的光栅都是使用同一脉冲光源，光源的强度和光栅及光纤传输的衰减决定了复用传感器的数量小于10。

　　基于FDM技术的光源调制出连续的脉冲波，脉冲的频率随时间往复变化，不同位置的光栅信号返回的时刻会对应不同的频率，复用信号在频域上被分离。由于FMCW技术的占空比要比TDM技术的大，进入传感光栅阵列的光强更大，所以其复用的光栅数目可达到几十个。

　　为了进一步提高单光纤上FBG的复用能力，必须设法提高FBG网络的频带利用率。因此，基于CDMA技术的光纤光栅传感系统引起了人们极大的兴趣。基于CDMA技术的光纤光栅传感系统从本质上来说是波分复用技术和码分多址技术的有机结合，因此也被称为CDMA DWDM FBG系统。CDMA技术已经广泛应用于通信领域，但在应用于FBG传感系统则刚刚开始。

　　在FBG传感系统中使用CDMA技术的特殊优点在于：由于使用相关技术从传感器群返回的复合信号中提取特殊传感器的信号，因此允许传感器反射信号的频谱相互重叠，甚至完全相同，这样就使传感器之间的波长间隔比普通WDM系统小得多，从而使单光纤的复用能力大大增强，实现了密集波分复用。此外，由于CDMA技术和相关技术的共同作用，可以有效地抑制信道噪声和各传感器的串音，从而极大地提高信噪比。因此可实现大容量、抗干扰性强的光纤光栅传感系统。若结合计算机及相应软件强大的数据处理能力，具有潜在的低成本特性。

　　1 系统原理与关键技术

　　1．1 系统工作原理

　　图1是基于CDMA技术的光纤Bragg光栅传感系统原理图。光源的输出受伪随机序列码(PRBS)的调制，FBG传感阵列对一个给定的PRBS响应与延迟一定时间的同一个PRBS进行相关运算，其结果经低通滤波器滤波后即可得到某一个特定传感器上返回的波长编码信号。经过预先设置传感器位置，再经调制后，光源输出信号到达某一传感器并返回到探测器所需的时间是确定的，因此通过适当选择送到相关器的PRBS的延迟时间，就可确定相关运算结果来自于哪个传感器，即可在获得传感信息的同时实现寻址。

　　1．2 系统关键技术分析

　　根据系统原理对其进行分析，可以得到实现系统包含的几个关键技术。

　　(1)光源调制技术。光源调制技术主要包括2个方面：一是使用哪种伪随机码(PRBS)进行调制；二是如何调制。对于扩频码的选择，在传感系统中不是一个难点。这是因为目前实用系统的传感容量一般在几十到几百，上千或更多的比较少，考虑到基于CDMA技术的光纤光栅传感系统还可以结合其他复用技术(如SDM技术)来扩容，一般选择具有良好自相关和互相关特性的m序列即可实现系统容量的要求。如对于8位m序列，理论上其单光纤上可实现的传感容量即为255。当需要更大容量时，可扩展m序列，也可通过增加传感通道来实现。

　　如何调制光源，可根据光源的不同来分析。对于窄线宽带光源，一般可用脉冲调制，即在用PRBS来调制每一个光脉冲。对于这样的光源，其系统特点是高功率，传感光栅中心波长相对集中，所以更接近CDMA技术特性--传感光栅之间的光谱可有重叠，甚至完全重叠，在接收端使用相关技术来区分传感光栅。对于宽带光源，一般采用PRBS驱动信号发生器经外调制接口加载到光源上，对其实现连续调制，使光谱在时域上进行调制。该系统特点是结合WDM和CDMA实现DWDM系统，可以更好地利用光源的大带宽和CDMA技术来实现大容量系统。

(2)功率控制技术。虽然相对于CDMA通信系统而言，光纤光栅传感系统的容量、传输距离等是不值一提的，但这并不意味着光纤光栅系统不需要进行功率控制。这是因为：一方面，FBG的反射特性会使FBG阵列