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基于CDMA技术的光纤光栅传感系统分析研究

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  (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器探测到的信号。将3个通道的信号在同步节点下送入系统程序,程序后面板程序如图4所示。


  在第1个光纤光栅传感器直接接入光路并考虑光速很大的情况下,其延时值以0处理。由于没有光纤延时线,系统主要解调这个传感器。第2个光栅与第一个传感器之间连接了22 m的光纤,其延时值为0.15 ms(实际处理中考虑了硬件延时,设置为2个码片的延时)。

  根据系统原理,当信道的相应延时来到时,有尖锐的自相关出现,如图5所示。对于其他通道,相同时刻的相关值很小。由此可以准确地对相应的传感光栅进行定位,即寻址。


  5.2 实验结果分析

  实验中,利用LabVIEW对采集信号进行处理,实现了光纤光栅传感系统基于CDMA的准确寻址,但仍有一些问题有待解决:

  (1)实验中,采用的FBG的反射率均高达99%,所以不可能实现频谱重叠时的寻址。进一步的实验重点是应使用反射率较低的FBGS来检验在频谱重叠时其相关寻址特性;频谱重叠时,反射率多大时,得到的寻址特性最好,以及频谱重叠时能实现寻址的光栅反射率的上限和下限。

  (2)实验虽实现了基于CDMA的寻址,但系统的最终目的——解调还未实现。文献给出使用可调谐激光器扫描来实现解调;文献给出使用匹配滤波法实现解调。但是,可调谐激光器的扫描速度慢、滞后性以及价格高,使其难以实用化;匹配滤波法不便于大容量解调,因而不是该系统理想的解调方式。因此,寻找一个适于该系统的解调方法(算法)是系统研究的重点。

  利用当前计算机及相应软件的高速数据处理能力,并基于相关技术来实现解调可以作为一个发展思路。

  6 结语

  对大容量光纤光栅系统常用的复用技术(WDM技术、TDM技术、FDM技术)中传感容量、CDMA技术的特点做了介绍。阐述了基于CDMA技术的光纤Bragg光栅传感系统的原理及其关键技术,并对该系统做了初步实验研究,实现了基于CDMA技术的准确寻址。通过总结分析可以看出,大容量、抗干扰性强以及具有潜在低成本特性的基于CDMA技术的光纤光栅传感系统有着广阔的发展前景和应用前景。虽然目前仍有不少关键技术有待解决和完善,但通过引鉴(移植)目前及发展的CDMA通信技术中已成熟的技术与光器件技术结合,运用强大的虚拟仪器软件LabVIEW进行数据处理,必要时可结合Matlab工具来实现性能优、界面好的解调系统,相信基于CDMA技术的光纤Bragg光栅传感系统将在未来的传感领域占有一席之地。


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