基于CDMA技術的光纖光柵傳感系統分析研究

1.2 系統關鍵技術分析

根據系統原理對其進行分析，可以得到實現系統包含的幾個關鍵技術。

(1)光源調制技術。光源調制技術主要包括2個方面：一是使用哪種偽隨機碼(PRBS)進行調制;二是如何調制。對于擴頻碼的選擇，在傳感系統中不是一個難點。這是因為目前實用系統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技術的光纖光柵傳感系統還可以結合其他復用技術(如SDM技術)來擴容，一般選擇具有良好自相關和互相關特性的m序列即可實現系統容量的要求。如對于8位m序列，理論上其單光纖上可實現的傳感容量即為255。當需要更大容量時，可擴展m序列，也可通過增加傳感通道來實現。

如何調制光源，可根據光源的不同來分析。對于窄線寬帶光源，一般可用脈沖調制，即在用PRBS來調制每一個光脈沖。對于這樣的光源，其系統特點是高功率，傳感光柵中心波長相對集中，所以更接近CDMA技術特性——傳感光柵之間的光譜可有重疊，甚至完全重疊，在接收端使用相關技術來區分傳感光柵。對于寬帶光源，一般采用PRBS驅動信號發生器經外調制接口加載到光源上，對其實現連續調制，使光譜在時域上進行調制。該系統特點是結合WDM和CDMA實現DWDM系統，可以更好地利用光源的大帶寬和CDMA技術來實現大容量系統。

(2)功率控制技術。雖然相對于CDMA通信系統而言，光纖光柵傳感系統的容量、傳輸距離等是不值一提的，但這并不意味著光纖光柵系統不需要進行功率控制。這是因為：一方面，FBG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，當兩FBG頻譜有重疊時，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處理受到前面強的FBG反射信號的影響，最終會影響到其解擴的準確性;另一方面，根據CDMA通信系統容量的理論，CDMA系統是自干擾系統，限制CDMA系統容量的因素是總干擾。當達到以下條件時，系統的容量會達到最大，即在可接受的信號質量下，功率最小。這主要與探測器的靈敏度、響應度等有關。基站從各移動臺接收到的功率相同，因此在質量一定的條件下要盡可能實現多點監測，也應該對光纖光柵傳感系統進行功率控制，使各個傳感光柵的反射功率在探測器(或相關處理)處盡可能相同，從而減少弱反射信號被強反射信號干擾現象的發生。

在基于CDMA技術的光纖光柵系統中，要實現功率控制，應從光源功率、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，盡可能選擇性能優良的光器件，然后結合試驗進一步通過調整傳感光柵中FBG的前后位置和調整光源功率的大小，選擇耦合比合適的光耦合器等來實現系統大容量與優良性能的統一。

2 定時同步技術

前面的引言及系統原理已提到基于CDMA技術的光纖光柵傳感系統是利用相關技術來實現傳感器的定位即尋址的。然而PRBS序列的自相關特性，即兩相對移動的相同序列只有在某一時間點(或某一小時間段內)相關值達到最大(較大)，而在此外的時間段相關值很小。要準確的尋址，其關鍵點就在于實現在精確時間延遲后給相應解擴通道送PRBS，以實現同步解擴。此項技術關系到整個系統能否成功實現，因此是系統的關鍵技術重點。獲得定時精度的最簡單方式是使用一個數據采集卡主板作為精確計時裝置。

3 相關處理技術

相關處理技術是如何將精確延遲的同一PRBS序列與接收到的信號進行相關處理，根據其相關值的大小來準確判斷是哪一個傳感光柵的信號。

在此，對信號進行差分檢測，如圖2所示。圖中X表示序列自相關解碼器;X表示序列與其共軛序列相關解碼器。對于m序列調制信號，在一個周期內對確定的延遲時間，X為最大值(歸一化后為1)時，X將取到最小值，這樣在判決端很容易判別信號。

4 解調技術

設計該系統的最終目標是對系統進行解調，即采用某種解調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變化。如何有效地解調是光纖光柵傳感系統的研究重點和難點，也是目前的研究熱點。已有許多解調方法，如干涉法、濾波法、參量轉換法等。

這里主要討論的是基于CDMA技術的光纖光柵傳感系統應采用哪一種解調方法來解調。在此考慮的主要因素有：

(1)該系統是為實現大容量傳感而研究設計的，因此該解調方法應適于大容量解調。

(2)系統中采用CDMA技術進行尋址，即運用精確定時、相關處理實現尋址。因此如在尋址前對接收信號進行掃描解調(如F-P掃描解調法)，應考慮它對定時的影響。

(3)由于采用延遲碼片的方法來區分各個傳感光柵，而碼片延遲時間一般很短(一般在ms級)，尤其在大容量時，如要求延遲時間僅為1個碼片時。這就要求采用的解調方法能快速解調，其解調處理速度大于輸入信號的更新速度，即實現實時解調;或在該時間間隔內將傳感光柵的數據采集并儲存，只在需要解調時對其進行解調，即非實時解調。

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和光纖光柵的封裝技術等也是完善該傳感系統性能的基礎。