利用波分復(fù)用技術(shù)和碼分多址技術(shù)相結(jié)合的光纖光柵傳感系統(tǒng)
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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(shù)在大型橋梁、建筑結(jié)構(gòu)、健康監(jiān)測(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)受光源帶寬和待測物理參量動態(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)不同光柵信號返回時(shí)間都不同,可用光開關(guān)等元件將信號在時(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的衰減決定了復(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返回的時(shí)刻會對應(yīng)不同的頻率,復(fù)用信號在頻域上被分離。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(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。經(jīng)過預(yù)先設(shè)置傳感器位置,再經(jīng)調(diào)制后,光源輸出信號到達(dá)某一傳感器并返回到探測器所需的時(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(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)椋阂环矫妫現(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(shí),當(dāng)兩FBG頻譜有重疊時(shí),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(shí),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(gè)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(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,即兩相對移動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。
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(gè)周期內(nèi)對確定的延遲時(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。
4 、解調(diào)技術(shù)
設(shè)計(jì)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(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(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),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)采集并儲存,只在需要解調(diào)時(shí)對其進(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,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的光電探測器將傳感網(wǎng)絡(luò)光信號轉(zhuǎn)換成電信號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)間就可以對光柵的地址進(jìn)行識別。
實(shí)驗(yàn)中,將采集到的信號在虛擬儀器軟件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)動電路后的信號(其中一路信號需要將其延時(shí));第3個(gè)通道采集送光電探測器探測到的信號。將3個(gè)通道的信號在同步節(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對采集信號進(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。