基于CDMA技术的光纤光栅传感系统分析研究

中在其后面的FBG功率减少，尤其如果FBG阵列中FNG之间的中心波长间隔不大时，当两FBG频谱有重叠时，更会使后面的FBG反射信号功率减少，从而使其在探测器之后的相关处理受到前面强的FBG反射信号的影响，最终会影响到其解扩的准确性；另一方面，根据CDMA通信系统容量的理论，CDMA系统是自干扰系统，限制CDMA系统容量的因素是总干扰。当达到以下条件时，系统的容量会达到最大，即在可接受的信号质量下，功率最校这主要与探测器的灵敏度、响应度等有关。基站从各移动台接收到的功率相同，因此在质量一定的条件下要尽可能实现多点监测，也应该对光纤光栅传感系统进行功率控制，使各个传感光栅的反射功率在探测器(或相关处理)处尽可能相同，从而减少弱反射信号被强反射信号干扰现象的发生。

　　在基于CDMA技术的光纤光栅系统中，要实现功率控制，应从光源功率、光器件插入损耗、光栅的反射率、光栅的中心波长及光传输损耗等方面综合考虑。先通过理论分析，尽可能选择性能优良的光器件，然后结合试验进一步通过调整传感光栅中FBG的前后位置和调整光源功率的大小，选择耦合比合适的光耦合器等来实现系统大容量与优良性能的统一。

　　2 定时同步技术

　　前面的引言及系统原理已提到基于CDMA技术的光纤光栅传感系统是利用相关技术来实现传感器的定位即寻址的。然而PRBS序列的自相关特性，即两相对移动的相同序列只有在某一时间点(或某一小时间段内)相关值达到最大(较大)，而在此外的时间段相关值很小。要准确的寻址，其关键点就在于实现在精确时间延迟后给相应解扩通道送PRBS，以实现同步解扩。此项技术关系到整个系统能否成功实现，因此是系统的关键技术重点。获得定时精度的最简单方式是使用一个数据采集卡主板作为精确计时装置。

　　3 相关处理技术

　　相关处理技术是如何将精确延迟的同一PRBS序列与接收到的信号进行相关处理，根据其相关值的大小来准确判断是哪一个传感光栅的信号。

　　在此，对信号进行差分检测，如图2所示。图中X表示序列自相关解码器；X表示序列与其共轭序列相关解码器。对于m序列调制信号，在一个周期内对确定的延迟时间，X为最大值(归一化后为1)时，X将取到最小值，这样在判决端很容易判别信号。

　　4 解调技术

　　设计该系统的最终目标是对系统进行解调，即采用某种解调方法得到传感光栅中心波长的偏移值，从而推算出待测物理量的参数变化。如何有效地解调是光纤光栅传感系统的研究重点和难点，也是目前的研究热点。已有许多解调方法，如干涉法、滤波法、参量转换法等。

　　这里主要讨论的是基于CDMA技术的光纤光栅传感系统应采用哪一种解调方法来解调。在此考虑的主要因素有：

　　(1)该系统是为实现大容量传感而研究设计的，因此该解调方法应适于大容量解调。

　　(2)系统中采用CDMA技术进行寻址，即运用精确定时、相关处理实现寻址。因此如在寻址前对接收信号进行扫描解调(如F-P扫描解调法)，应考虑它对定时的影响。

　　(3)由于采用延迟码片的方法来区分各个传感光栅，而码片延迟时间一般很短(一般在ms级)，尤其在大容量时，如要求延迟时间仅为1个码片时。这就要求采用的解调方法能快速解调，其解调处理速度大于输入信号的更新速度，即实现实时解调；或在该时间间隔内将传感光栅的数据采集并储存，只在需要解调时对其进行解调，即非实时解调。

　　此外，完善光源、光栅器件以及光耦合器等无源器件的制造技术和光纤光栅的封装技术等也是完善该传感系统性能的基础。

　　5 实验研究与结果分析

　　5．1 实验研究情况

　　根据上面的理论分析，对系统进行了初步的试验研究。实验方案如图3所示。

　　实验中，使用TMS320LF2407DSP开发板产生伪随机3阶7位、周期为0．7 ms的m序列，经缓冲放大后调制ASE宽带光源产生m序列光信号，并进入传感网络。传感网络由1只光纤光栅应力传感器(中心波长为1550．84 nm，3dB带宽为0．217nm)及1只裸光纤光栅(中心为1 550．12 nm，3 dB带宽为O．302 nm)串行搭建。响应度为0．9 A／W的光电探测器将传感网络光信号转换成电信号后再将其分两路送入12位精度的数据采集卡，同时DSP板所产生的m序列也由一个通道送入采集卡。从不同位置的光纤光栅反射回来的光信号因其传输距离不一样而产生不同时间的延迟，利用m序列优良的自相关和移位相关特性，通过控制接收端m序列的发送时间就可以对光栅的地址进行识别。

实验中，将采集到的信号在虚拟仪器软件LabVIEW中进行处理。具体处理如下所述：采集卡的3个通道中，第1，2两个通道采集DSP通过缓冲驱动电路后的信号(其中一路信号需要将其延时)；第3个通道采集送光电探测