基于CDMA技術的FBG傳感系統研究*

陳韓彬， 張志勇， 吳宗玲， 李宗雷， 朱夢芳， 邵理陽

(西南交通大學 信息科學與技術學院,四川 成都 610031)

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基于CDMA技術的FBG傳感系統研究*

陳韓彬， 張志勇， 吳宗玲， 李宗雷， 朱夢芳， 邵理陽

(西南交通大學 信息科學與技術學院,四川 成都 610031)

摘要:基于碼分多址(CDMA)技術，采用格雷互補序列對光源進行調制，使用相關運算對接收信號進行解調。該方法具有傳感器間串音小和系統信噪比高等優點。基于該方法搭建了光纖Bragg光柵(FBG)傳感實驗平臺，對其溫度傳感特性進行了實驗研究。結果表明:系統具有溫度響應線性度好和串音低的優點。

關鍵詞：光纖Bragg光柵傳感器； 格雷互補序列； 碼分多址； 相關運算

0引言

光纖Bragg光柵(FBG)傳感技術是傳感領域的主流發展方向之一，具有抗電磁干擾、結構簡單、靈敏度高等優點，在傳感器領域中得到了廣泛的應用。在一根或多根光纖上寫入多個 FBG，利用復用技術和信號解調技術就能實現對多參量的多點測量。目前，最常用的復用技術是波分復用技術。在波分復用系統中，各傳感器波長不同，可充分利用光源功率，但有限的光源帶寬限制了復用傳感器的數量[1]。在時分復用系統中，傳感器可以工作在相同的波長范圍，光源發出的光信號經過各傳感器后逐步衰減，光源功率問題是限制傳感器數量的主要因素。此外，時分復用系統還存在串擾問題[2]。

在FBG傳感系統中使用碼分多址(CDMA)技術的優點在于：允許傳感器反射信號的頻譜相互重疊，甚至完全相同，使得傳感器之間的波長間隔大大減小，增強了單光纖的復用能力。采用CDMA技術，將不可避免地引入多址干擾(MAI)，即傳感器間的串音。使用相關運算，可以有效地抑制信道噪聲和各傳感器的串音，從而提高了系統信噪比[3～5]。

本文對基于CDMA技術的FBG傳感系統原理進行了研究和實驗驗證。

1系統原理與關鍵技術

1.1基于CDMA的FBG傳感系統原理

圖1所示為采用CDMA技術的FBG傳感系統[6]。P(t)為編碼調制信號

P(t)=p(t)*hs(t).

(1)

其中，p(t)為輸入到傳感光柵陣列的光信號,hs(t)為編碼序列調制光源的脈沖響應，*表示卷積運算。

圖1　基于CDMA技術的FBG傳感系統的原理圖Fig 1　Principle diagram of FBG sensing system based on CDMA

入射到匹配濾波光柵陣列的光信號

(2)

其中，τi為相鄰光柵之間光纖引入的延時，N為光柵的個數，fsi(t)為第i個傳感光柵的脈沖響應。

PD輸出的電信號為

(3)

r(t)可簡寫為

(4)

其中，h(t)=hs(t)*hr(t),fi(t)=fsi(t)*ftj(t)。

為了從疊加信號中分離出各傳感器的信號，使用相關處理技術[7,8]。將PD輸出的電信號r(t)與延時的編碼信號進行相關運算，利用格雷互補序列自相關特性，得

p(t-τi)?r(t)=p(t-τi)?p(t-τi)*[h(t)*

≈δ(t)*[h(t)*fi(t)]

=h(t)*fi(t).

(5)

其中，?為相關運算，r(t)為探測器的脈沖響應。

表達式的第一項是編碼序列p(t)延時后自相關函數的峰值，包含有第i個FBG傳感器的信息；第二項是編碼序列p(t)延時后自相關函數旁瓣造成的多址干擾。因此，當時延為τi時，只有第i個光柵與編碼信號同步，可以獲得第i個傳感光柵的脈沖響應。

1.2格雷互補序列

格雷互補序列由一對序列A和B組成。序列A和序列B具有相同的長度L，均由數字“+1”和“-1”組成。

格雷互補序列具有良好的自相關特性[9]

Ak*Ak+Bk*Bk=2Lδk.

(6)

式(6)說明長度為2L格雷互補序列的自相關函數之和峰值為2L，其余處處為零。

格雷互補序列的自相關特性仿真結果如圖2所示。圖2中，(a)和(b)分別是兩個長度為128的序列自相關函數，(c)是兩個序列自相關函數之和。通過圖2可以看出，雖然互補序列A和B的自相關函數均有旁瓣，但互補序列的自相關函數相加之后，旁瓣完全消除掉了，而峰值增加了1倍，這正是格雷互補序列的優勢[10]。

圖2　自相關函數仿真結果Fig 2　Simulation result of autocorrelation function

2溫度傳感實驗

如圖1所示,超寬帶光源SLED受128位格雷(Golay)互補序列調制，產生一組互不相關的光脈沖。通過環形器1進入傳感光柵陣列，在傳感光柵陣列對應波長處發生反射，通過環形器2進入匹配光柵陣列，再次被反射的光信號從環形器2輸出到光電探測器(PD)。在發射編碼序列時間同步的條件下，將PD探測到的信號與經過一定時間延遲之后的Golay互補序列進行相關運算。

超寬帶光源SLED中心波長范圍為1 450～1 650 nm，輸出穩定性不大于0. 1 dB。2個傳感光柵的反射波長λ分別為1 549.5,1 552.5 nm，光柵的3 dB帶寬為1 nm，在中心波長處的反射率大于95 %，傳感光柵與匹配光柵參數相同。

為了有效地調節和保持溫度，保證傳感光柵均勻地感應溫度，分別將傳感光柵傳感器1、傳感器2放入溫控箱，同時保持另一個傳感光柵與匹配光柵處在同一溫度環境中?？刂茰囟扔?2 ℃變化到58 ℃，每隔3 ℃測量一次，在溫度穩定后進行測量。

3實驗結果與討論

2只傳感光柵在不同溫度下經過相關運算后得到的解調結果如圖3所示。

圖3(a)為傳感器1在不同溫度下的解調結果。當對傳感器1升溫時，傳感器1的相關峰值在降低，從551.1降到224.1，而傳感器2的相關峰值基本不變，從507降低到10.7，串音比[11，12]為47.4∶1。圖3(b)為傳感器2在不同溫度下的解調結果。當對傳感器2升溫時，傳感器2的相關峰值在降低，從452.8降到62.6，而傳感器1的相關峰值基本不變，從552.2降低到12.7，串音比為43.5∶1。說明兩只傳感器之間的串音很小。

圖3　傳感器1、傳感器2在不同溫度下的解調結果Fig 3　Demodulation results of sensor1,sensor2 atdifferent temperatures

圖4所示為傳感器1、傳感器2在各個溫度的相關峰值。從圖4可以看出，光纖光柵溫度傳感的線性度較好。傳感器1、傳感器2溫度靈敏度系數分別為-9.65,-11.13/℃。

圖4　溫度響應曲線Fig 4　Curve of temperature response

4結論

本文對CDMA技術應用于FBG復用與解調進行了研究。利用CDMA技術和相關運算有效地抑制了信道噪聲和各傳感器串音，提高了系統信噪比。溫度傳感實驗結果表明:溫度響應線性度良好，溫度靈敏度系數分別為-9.65,-11.13℃-1，串音比分別為47.4∶1，43.5∶1，該方法可用于溫度、應變傳感領域。

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陳韓彬(1990-)，男，安徽宿州人，碩士研究生，研究方向為光纖光柵傳感。

張志勇，通訊作者,E—mail：zhiyongzhang@home.swjtu.edu.cn。

Research of FBG sensing system based on CDMA technology*

CHEN Han-bin, ZHANG Zhi-yong, WU Zong-ling, LI Zong-lei, ZHU Meng-fang, SHAO Li-yang

(School of Information Science & Technology,Southwest Jiaotong University, Chengdu 610031,China)

Abstract:Based on code division multiple access(CDMA)technique,demodulate light source utilizing Golay complementary sequences,and demodulate receiving signal using correlation operation.This method has advantages of low inter-sensor crosstalk and high signal to noise ratio(SNR).The temperature sensing characteristic of fiber Bragg grating(FBG)is further researched by experiments on experimental platform constructed based on method.The experimental results show that the linearity of temperature response is good and the system has low crosstalk.

Key words:fiber Bragg grating(FBG)sensor; Golay complementary sequence; code division multiple access(CDMA); correlation operation

作者簡介:

中圖分類號：TP 212.9

文獻標識碼：B

文章編號：1000—9787(2016)01—0059—03

*基金項目：教育部重大項目(313049)

收稿日期：2015—04—05

DOI:10.13873/J.1000—9787(2016)01—0059—03