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基于CDMA手艺的光纤光栅传感系统剖析研究

宣布时间:2011年01月19日 17:01    宣布者:eetech
要害词: CDMA , 传感 , 光纤 , 光栅
作为智能传感元件,光纤光栅传感器用于监测系统有着优胜的效果。随着光纤光栅传感手艺在年夜型桥梁、修建结构、安康监测(SHM)等工程中的应用,愈来愈须要具有年夜容量、抗滋扰性强,迅速度高而资源较低的光纤光栅传感系统。应用复用手艺是完成光纤光栅传感系统年夜容量的基本措施。

近十年来,复用手艺曾经在年夜容量的光纤传感领域被研究和应用,特殊是对FBG复用手艺的研究遭到普遍关注。经常应用的复用措施有波分复用(Wavelength division nlultipiexing,WDM)、时分复用(time division MULTIplexing,TDM)及频分复用(frequeney division MULTI Plxenig,FDM)。WDM手艺受光源带宽和待测物理参量静态规模等因素的制约,在单光纤上复用FBG是无限的,基于ASE宽带光源的WDM光纤Bragg传感系统的容量浅易为15~20个。基于TDM手艺的系统中。光源调制出一系列距离时间相等的光脉冲,统一个脉冲到达不合光栅旌旗暗记前往时间都不合,可用光开关等元件将旌旗暗记在时域上划脱离来。然则一切复用的光栅都是应用统一脉冲光源,光源的强度和光栅及光纤传输的衰减决议了复用传感器的数目小于10。

基于FDM手艺的光源调制出一连的脉冲波,脉冲的频率随时间往复变换,不合职位的光栅旌旗暗记前往的时间会对应不合的频率,复用旌旗暗记在频域上被划分。由于FMCW手艺的占空比要比TDM手艺的年夜,进入传感光栅阵列的光强更年夜,以是其复用的光栅数目可到达几十个。

为了进一步前进单光纤上FBG的复用才干,必须想法主意前进FBG群集的频带应用率。是以,基于CDMA手艺的光纤光栅传感系统惹起了人们极年夜的兴趣。基于CDMA手艺的光纤光栅传感系统从本质下去说是波分复用手艺和码分多址手艺的无机联络,是以也被称为CDMA DWDM FBG系统。CDMA手艺曾经普遍应用于通讯领域,但在应用于FBG传感系统则刚刚泉源。

在FBG传感系统中应用CDMA手艺的特殊优点在于:由于应用相关手艺从传感器群前往的复合旌旗暗记中提取特外传感器的旌旗暗记,是以允许传感器反射旌旗暗记的频谱相互堆叠,以致完全类似,这样就使传感器之间的波长距离比浅易WDM系统小许多,从而使单光纤的复用才干年夜年夜增强,完成了辘集波分复用。此外,由于CDMA手艺和相关手艺的合营作用,可以有用地榨守信道噪声和各传感器的串音,从而极年夜地前进信噪比。是以可完成年夜容量、抗滋扰性强的光纤光栅传感系统。若结算盘算机及照顾软件强年夜的数据处置赏罚赏罚才干,具有潜在的低资源特点。

1 系统原理与要害手艺

1.1 系统使命原理

图1是基于CDMA手艺的光纤Bragg光栅传感系统原理图。光源的输入受伪随机序列码(PRBS)的调制,FBG传感阵列对一个给定的PRBS照顾与延迟一准时间的统一个PRBS阻拦相关运算,其效果经低通滤波器滤波后便可取得某一个特定传感器上前往的波长编码旌旗暗记。经由事后设置传感器职位,再经调制后,光源输入旌旗暗记到达某一传感器并前往到探测器所需的时间是一定的,是以经由历程适被选择送到相关器的PRBS的延迟时间,便可一定相关运算效果来自于哪个传感器,便可在取得传感信息的同时完成寻址。



1.2 系统要害手艺剖析

凭证系统原理对其阻拦剖析,可以取得完成系统网罗的几个要害手艺。

(1)光源调制手艺。光源调制手艺主要网罗2个方面:一是应用哪一种伪随机码(PRBS)阻拦调制;二是若何调制。关于扩频码的选择,在传感系统中不是一个难点。这是由于现在适用系统的传感容量浅易在几十到几百,上千或更多的较量少,推敲到基于CDMA手艺的光纤光栅传感系统还可以联络其他复用手艺(如SDM手艺)来扩容,浅易选择具有优胜自相关和相互干特点的m序列便可完成系统容量的请求。如关于8位m序列,现实上其单光纤上可完成的传感容量即为255。当须要更年夜容量时,可扩年夜m序列,也可经由历程增添传感通道来完成。

若何调制光源,可凭证光源的不合来剖析。关于窄线宽带光源,浅易可用脉冲调制,即在用PRBS来调制每个光脉冲。关于这样的光源,其系统特点是高功率,传感光栅中央波长相对集中,以是更靠近CDMA手艺特点——传感光栅之间的光谱可有堆叠,以致完全堆叠,在吸收端应用相关手艺来分辨传感光栅。关于宽带光源,浅易接纳PRBS驱动旌旗暗记发生器经外调制接口加载到光源上,对其完成一连调制,使光谱在时域长阻拦调制。该系统特点是联络WDM和CDMA完成DWDM系统,可以更好地应用光源的年夜带宽和CDMA手艺来完成年夜容量系统。

(2)功率控制手艺。虽然相关于CDMA通讯系统而言,光纤光栅传感系统的容量、传输距离等是不值一提的,但这着实不意味着光纤光栅系统不须要阻拦功率控制。这是由于:一方面,FBG的反射特点会使FBG阵列中在厥前面的FBG功率增添,特殊假定FBG阵列中FNG之间的中央波长距离不年夜时,当两FBG频谱有堆叠时,更会使前面的FBG反射旌旗暗记过率增添,从而使其在探测器以后的相关处置赏罚赏罚遭到前面强的FBG反射旌旗暗记的影响,事实会影响到其解扩的准确性;此外一方面,凭证CDMA通讯系统容量的现实,CDMA系统是自滋扰系统,限制CDMA系统容量的因素是总滋扰。当到达以下条件时,系统的容量会到达最年夜,即在可吸收的旌旗暗记质量下,功率最小。这主要与探测器的迅速度、照顾度等有关。基站从各移动台吸收到的功率类似,是以在质量一定的条件下要尽能够完成多点监测,也应当对光纤光栅传感系统阻拦功率控制,使各个传感光栅的反射功率在探测器(或相关处置赏罚赏罚)处尽能够类似,从而增添弱反射旌旗暗记被强反射旌旗暗记滋扰情形的发生。

在基于CDMA手艺的光纤光栅系统中,要完告成率控制,应从光源功率、光器件拔出消耗、光栅的反射率、光栅的中央波长及光传输消耗等方面综合推敲。先经由历程现实剖析,尽能够选择性能优良的光器件,然后团结实验进一步经由历程调剂传感光栅中FBG的前后职位和调剂光源功率的年夜小,选择耦合比合适的光耦合器等来完成系统年夜容量与优良性能的统一。

2 准时同步手艺

前面的弁言及系统原理已提到基于CDMA手艺的光纤光栅传感系统是应用相关手艺来完成传感器的定位即寻址的。可是PRBS序列的自相关特点,即两相对移动的类似序列只需在某一时间点(或某一小时间段内)相关值到达最年夜(较年夜),而在此外的时间段相关值很小。要准确的寻址,其要害点就在于实现在准确时间延迟后给照顾解扩通道送PRBS,以完成同步解扩。此项手艺关系到一切系统能否告成完成,是以是系统的要害手艺重点。取得准时精度的最简双要领是应用一个数据搜集卡主板作为准确计时装配。

3 相关处置赏罚赏罚手艺

相关处置赏罚赏罚手艺是若何将准确延迟的统一PRBS序列与吸收到的旌旗暗记阻拦相关处置赏罚赏罚,凭证其相关值的年夜小来准确断定是哪个传感光栅的旌旗暗记。

在此,对旌旗暗记阻拦差分检测,如图2所示。图中X体现序列自相关解码器;X体现序列与其共轭序列相关解码器。关于m序列调制旌旗暗记,在一个周期内对一定的延迟时间,X为最年夜值(归一化后为1)时,X将取到最小值,这样在讯断端很容易分辨旌旗暗记。




4 解调手艺

设计该系统的事实目的是对系统阻拦解调,即接纳某种解调措施取得传感光栅中央波长的偏移值,从而推算出待测物理量的参数变换。若何有用地解调是光纤光栅传感系统的研究重点和难点,也是现在的研究热门。已有许多解调措施,如干预干与干与法、滤波法、参量转换法等。

这里主要议论辩说的是基于CDMA手艺的光纤光栅传感系统应接纳哪一种解调措施来解调。在此推敲的主要因素有:

(1)该系统是为完成年夜容量传感而研究设计的,是以该解调措施应适于年夜容量解调。

(2)系统中接纳CDMA手艺阻拦寻址,即应用准确准时、相关处置赏罚赏罚完成寻址。是以如在寻址前对吸收旌旗暗记阻拦扫描解调(如F-P扫描解调法),应推敲它瞄准时的影响。

(3)由于接纳延迟码片的措施来分辨各个传感光栅,而码片延迟时间浅易很短(浅易在ms级),特殊在年夜容量时,如请求延迟时间仅为1个码片时。这就请求接纳的解调措施能快速解调,其解调剂理速率年夜于输入旌旗暗记的更新速率,即完成实时解调;或在该时间距离内将传感光栅的数据搜集并贮存,只在须要解调时对其阻拦解调,即非实时解调。

此外,完善光源、光栅器件和光耦合器等无源器件的制造手艺和光纤光栅的封装手艺等也是完善该传感系统性能的基础。

5 实验研究与效果剖析

5.1 实验研究情形

凭证下面的现实剖析,对系统阻拦了泉源的实验研究。实验妄图如图3所示。





实验中,应用TMS320LF2407DSP开发板发生伪随机3阶7位、周期为0.7 ms的m序列,经缓冲镌汰年夜后调制ASE宽带光源发生m序列光旌旗暗记,并进入传感群集。传感群集由1只光纤光栅应力传感器(中央波长为1550.84 nm,3dB带宽为0.217nm)及1只裸光纤光栅(中央为1 550.12 nm,3 dB带宽为O.302 nm)串行搭建。照顾度为0.9 A/W的光电探测器将传感群集光旌旗暗记转换成电旌旗暗记后再将其分两路送入12位精度的数据搜集卡,同时DSP板所发生的m序列也由一个通道送入搜集卡。从不合职位的光纤光栅反射回来的光旌旗暗记因其传输距离纷歧样而发生不应时间的延迟,应用m序列优良的自相关和移位相关特点,经由历程控制吸收端m序列的发送时间便可以对光栅的地址阻拦识别。

实验中,将搜集到的旌旗暗记在虚拟仪器软件LabVIEW中阻拦处置赏罚赏罚。详细处置赏罚赏罚以下所述:搜集卡的3个通道中,第1,2两个通道搜集DSP经由历程缓冲驱动电路后的旌旗暗记(其中一起旌旗暗记须要将其延时);第3个通道搜集送光电探测器探测到的旌旗暗记。将3个通道的旌旗暗记在同步节点下送入系统法式模范模范,法式模范模范前面板法式模范模范如图4所示。





在第1个光纤光栅传感器直接接入光路并推敲光速很年夜的情形下,其延市价以0处置赏罚赏罚。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毗连了22 m的光纤,其延市价为0.15 ms(现实处置赏罚赏罚中推敲了硬件延时,设置为2个码片的延时)。

凭证系统原理,当信道的照顾延时脱离时,有尖锐的自相关泛起,如图5所示。关于其他通道,类似时间的相关值很小。由此可以准确地对比应的传感光栅阻拦定位,即寻址。





5.2 实验效果剖析

实验中,应用LabVIEW对搜集旌旗暗记阻拦处置赏罚赏罚,完成了光纤光栅传感系统基于CDMA的准确寻址,但仍有一些效果有待处置赏罚赏罚:

(1)实验中,接纳的FBG的反射率均高达99%,以是弗成能完成频谱堆叠时的寻址。进一步的实验重点是应应用反射率较低的FBGS来磨练在频谱堆叠时其相关寻址特点;频谱堆叠时,反射率多年夜时,取得的寻址特点最好,和频谱堆叠时能完成寻址的光栅反射率的下限和下限。

(2)实验虽完成了基于CDMA的寻址,但系统的事实目的——解调还未完成。文献给出应用可调谐激光器扫描来完成解调;文献给出应用婚配滤波法完成解调。然则,可调谐激光器的扫描速率慢、滞后性和价钱高,使其难以适用化;婚配滤波法未便于年夜容量解调,是以不是该系统理想的解调要领。是以,寻觅一个适于该系统的解调措施(算法)是系统研究的重点。

应用以后盘算机及照顾软件的高速数据处置赏罚赏罚才干,并基于相关手艺来完成解调可以作为一个生长思绪。

6 结语

对年夜容量光纤光栅系统经常应用的复用手艺(WDM手艺、TDM手艺、FDM手艺)中传感容量、CDMA手艺的特点做了简介。叙述了基于CDMA手艺的光纤Bragg光栅传感系统的原理及其要害手艺,并对该系统做了泉源实验研究,完成了基于CDMA手艺的准确寻址。经由历程总结剖析可以看出,年夜容量、抗滋扰性强和具有潜在低资源特点的基于CDMA手艺的光纤光栅传感系统有着辽阔的生长远景和应用远景。虽然现在仍有许多要害手艺有待处置赏罚赏罚和完善,但经由历程引鉴(移植)现在及生长的CDMA通讯手艺中已成熟的手艺与光器件手艺联络,应用强年夜的虚拟仪器软件LabVIEW阻拦数据处置赏罚赏罚,须要时可联络Matlab工具来完成性能优、界面好的解调系统,信托基于CDMA手艺的光纤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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