采用碼分多址技術(shù)實現(xiàn)的光纖光柵自相關(guān)數(shù)字解調(diào)方法及傳感網(wǎng)絡(luò).pdf

1、與傳統(tǒng)的機電傳感器相比，光纖光柵傳感器具有質(zhì)量輕、體積小、頻帶寬、信號衰減弱、抗電磁干擾能力強、耐腐蝕性能好、壽命長、易實現(xiàn)分布式測量、不受潮濕環(huán)境影響等特點，自問世以來一直受到人們的關(guān)注。過去20年間，光纖光柵傳感器得到迅速發(fā)展，其測量范圍從機械量到電子量、化學(xué)量，幾乎無所不包。 但是，因為光纖光柵傳感器結(jié)構(gòu)復(fù)雜，價格高昂，而且可維護性差，所以雖然其性能十分完備，并且通常被認(rèn)為具有優(yōu)勢，但應(yīng)用范圍卻極為有限，只能用于非常特殊的

2、場合。在傳感器市場上，它只占有很小的市場份額，經(jīng)濟效益并不令人滿意。 在文獻綜述的基礎(chǔ)上，本文指出光纖光柵傳感器在封裝形式、解調(diào)方案和網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)上的缺陷是造成上述問題的主要原因，具體表現(xiàn)為：(1)結(jié)構(gòu)上采用一體化設(shè)計方案，敏感光柵與傳導(dǎo)光纖制作在同一根光纖上，重復(fù)性差，安裝維護困難；(2)解調(diào)方法上完全依賴昂貴的光學(xué)器件進行頻域分析，技術(shù)復(fù)雜，分辨率低，價格高昂；(3)復(fù)用系統(tǒng)中使用串聯(lián)結(jié)構(gòu)，光源與測量信號沿同一根光纖雙向傳輸，容

3、量有限，可靠性低，靈活性差，難于維護。 為了解決以上問題，本文進行了以下創(chuàng)新： (1)為降低光纖光柵傳感器的成本，滿足工程測試領(lǐng)域?qū)饫w光柵傳感波長漂移高分辨率測量的需要，推動光纖光柵傳感器在工程測試領(lǐng)域的應(yīng)用，本文提出一種基于信號自相關(guān)原理的新型光纖光柵數(shù)字解調(diào)方法。 該方法在可調(diào)諧濾波法的基礎(chǔ)上，通過對光電探測器輸出信號采用自相關(guān)分析，將對傳感光柵反射譜波長漂移的測量轉(zhuǎn)換為對光電探測器輸出準(zhǔn)周期信號時間漂移的

4、測量，不僅能夠準(zhǔn)確解調(diào)，而且具有識別傳感光柵反射譜形狀的特點，能夠有效克服各種加性噪聲對信號的影響。 仿真結(jié)果表明，即使在傳感光柵具有相同波長變化范圍的情況下，自相關(guān)數(shù)字解調(diào)方法也可以準(zhǔn)確解調(diào)傳感光柵波長漂移，但測量結(jié)果存在時間延遲，而且精度較低。 (2)由于自相關(guān)數(shù)字解調(diào)方法對系統(tǒng)初始參數(shù)敏感，且需要通過數(shù)值方法求解非線性方程組以得到測量結(jié)果，所以不容易實現(xiàn)，解調(diào)精度也很難提高。為解決這一問題，本文進一步引入碼分多址(

5、CDMA:CodeDivisionMultipleAccess)技術(shù)，通過對光電探測器輸出信號進行編碼簡化了自相關(guān)數(shù)字解調(diào)方法的數(shù)值求解過程。 碼分多址技術(shù)是光纖通信主流信道復(fù)用技術(shù)之一。它能通過分配給每一個用戶的唯一的地址碼對用戶發(fā)送信息進行擴頻處理，并在數(shù)據(jù)接收端通過相關(guān)運算和特定門限判決技術(shù)從來自多個用戶的疊加信號中恢復(fù)指定用戶的原始信號，實現(xiàn)數(shù)據(jù)接收。 研究表明，通過使用不同中心波長的光纖光柵對測點進行二進制編碼

6、，不同測點的傳感器反射譜形狀有了明顯差異，使自相關(guān)數(shù)字解調(diào)方法對系統(tǒng)初始參數(shù)的敏感性明顯降低。同時，自相關(guān)數(shù)字解調(diào)方法需要求解的非線性方程組被轉(zhuǎn)換為線性方程組，測量精度明顯提高。 仿真結(jié)果表明，在傳感光柵具有相同波長變化范圍的情況下，采用碼分多址技術(shù)實現(xiàn)的自相關(guān)數(shù)字解調(diào)方法也可以準(zhǔn)確解調(diào)，而且不存在時間延遲，測量精度也遠高于不采用碼分多址技術(shù)的自相關(guān)數(shù)字解調(diào)方法。 (3)為了增加復(fù)用系統(tǒng)的容量，提高系統(tǒng)的可靠性、可維護性

7、和可擴展性，降低系統(tǒng)成本，本文在自相關(guān)數(shù)字解調(diào)方法的基礎(chǔ)上，提出兩種類似現(xiàn)場總線結(jié)構(gòu)的光纖光柵傳感系統(tǒng)：梯形光纖光柵傳感網(wǎng)絡(luò)和星型光纖光柵傳感網(wǎng)絡(luò)。 在采用自相關(guān)數(shù)字解調(diào)方法構(gòu)成的梯形光纖光柵傳感網(wǎng)絡(luò)中，光源與光纖光柵傳感器并聯(lián)在兩根彼此獨立的光纖之間，可靠性好，容易擴展；同時，通過對光電二極管輸出信號的自相關(guān)分析，系統(tǒng)可以區(qū)分中心波長相同但譜線形狀不同的傳感器，不僅使系統(tǒng)容量大幅增加，而且能夠保證測量精度不受系統(tǒng)規(guī)模影響。

8、 理論分析和實驗研究表明，即使在傳感光柵中心波長相同的情況下，采用自相關(guān)數(shù)字解調(diào)方法構(gòu)成的光纖光柵傳感網(wǎng)絡(luò)也能夠正確解調(diào)，從而使系統(tǒng)復(fù)用傳感器的數(shù)目增加，而且可靠性高，易于維護和擴展，但測量靈敏度較理論值低。 在采用碼分多址技術(shù)實現(xiàn)的星型光纖光柵自相關(guān)數(shù)字傳感網(wǎng)絡(luò)中，每一個測點都用多個編碼/傳感光柵進行二進制編碼，并通過星型網(wǎng)絡(luò)連接到自相關(guān)數(shù)字解調(diào)儀上。測量時，寬帶光源發(fā)出的光被編碼/傳感光柵反射后形成一系列離散譜片，其位置

9、由外界被測量大小決定，經(jīng)星型耦合器疊加后同時進入自相關(guān)數(shù)字解調(diào)儀進行數(shù)字解調(diào)，實現(xiàn)測量目的。 理論分析表明，與現(xiàn)在使用的光纖光柵傳感系統(tǒng)相比，采用碼分多址技術(shù)實現(xiàn)的星型光纖光柵傳感網(wǎng)絡(luò)具有良好的靈活性，擴展方便，容易維護，可靠性高。而且由于允許為每一個測點提供一個獨立的光源，所以容易獲得高信噪比，更易于遠程測量。 總而言之，在光纖光柵自相關(guān)數(shù)字傳感網(wǎng)絡(luò)中，由于采用光纖光柵反射譜形狀對測點進行尋址，系統(tǒng)容量明顯增加；同時，

10、由于采用相互獨立的光纖分別傳輸能量信號和測量信號，系統(tǒng)的靈活性、可靠性和可維護性都得到增強。因此，基于自相關(guān)數(shù)字解調(diào)方法的光纖光柵傳感系統(tǒng)能夠有效降低光纖光柵傳感器的安裝成本和使用成本，充分發(fā)揮光纖光柵傳感器復(fù)用能力強、易實現(xiàn)大規(guī)模遠距離測量的優(yōu)勢。 (4)最后，為了克服光纖光柵傳感器重復(fù)性差、安裝維護困難、安裝質(zhì)量無法保證的缺陷，方便工程技術(shù)人員在測試現(xiàn)場實現(xiàn)CDMA編碼，本文給出一種分體插接式通用型光纖光柵應(yīng)變傳感預(yù)制結(jié)構(gòu)—

11、—光纖光柵應(yīng)變片。 光纖光柵應(yīng)變片采用分體式設(shè)計，把敏感光柵和傳導(dǎo)光纖分別封裝于光連接器兩個相互獨立的基體內(nèi)部，并通過兩個基體相互之間的插入實現(xiàn)光纖光柵與測量光路的機械聯(lián)接。這種設(shè)計方法不但保留了光纖光柵良好的應(yīng)變測試特性，減小了溫度誤差，而且在保證抗剪切能力的同時實現(xiàn)了機械式連接，便于一般工程技術(shù)人員使用，易于在測試現(xiàn)場進行CDMA編碼，有利于光纖光柵傳感技術(shù)在工程應(yīng)用中的推廣。 理論分析和實驗研究表明，光纖光柵應(yīng)變片