专利名称：采用码分多址实现光纤光栅自相关数字解调方法及其系统的利记博彩app
技术领域：
本发明涉及一种采用码分多址实现光纤光栅自相关数字解调方法及其系统。
背景技术：
光纤光栅传感器是一种波长调制型器件，结构紧凑，抗干扰能力强，便于利用复用(波分、时分、空分)技术形成光纤传感网络进行大面积多点测量，在通信、建筑、机械、医疗、航天、航海、矿业等许多领域都有着广阔的应用前景，在近年得到很大的发展。
目前，关于光纤光栅传感的理论研究已取得很大的成就，成熟的光纤光栅制造工艺也已使光纤光栅传感器具有小批量生产能力，而如何降低成本，完善解调和复用技术，满足工程上高精度应用的要求已成为急需解决的问题。
光纤光栅解调技术是一种光纤光栅波长漂移高分辨探测技术，其主要目的是对传感光栅反射谱进行实时监测，分析出编码波长的变化并将其转化为电信号输出，实质是对一束光中不同编码光进行分辨和测量。理想的探测方法应满足下面要求(1)测量范围大，分辨率高；(2)复用性好；(3)实时性好；(4)通用性强。
目前，国内外对此技术已展开广泛而深入的研究，并且从不同方面提出了许多解调方案，最常用的是滤波法、干涉法和可调谐光源扫描法，如附表1所示。比较说来，国外在这方面的研究较为成熟，有先进的技术和产品；而国内仍处于研发阶段，相应的产品主要依赖进口，所以迫切需要先进的具有自主产权的技术和产品。
表格1.主要解调技术性能对比
从附表1中可以看出，这些解调方法，要么技术复杂，性价比低，普通领域难以接受；要么实时性差，分辨率低，难以适应工程测量的需要，因此都不能完全满足实际应用的要求。具体说来，现有技术的缺陷主要表现在以下几个方面(1)强噪声背景下高分辨检测问题难以解决；(2)复用传感器数量有限，传感网络规模难以适应实际需求；(3)实时检测问题难以解决。
光纤光栅自相关数字解调方法是拥有自主产权的一种基于时间序列分析的新型数字解调方法，它借助现代数字处理系统强大的信号处理能力，可以实现动态和静态参量的高分辨率、多点快速解调，具有测量分辨率高、复用性好、实时性好、性价比高、通用性强等特点，能够较好地克服现有解调技术的缺陷。但是，由于该方法对系统初始参数极为敏感，且数值求解过程复杂，因此不易实现，测量精度也难以提高，限制了其推广应用。
发明内容
本发明的目的就是为解决目前光纤光栅自相关数字解调技术数值求解过程复杂、对系统初始参数敏感等问题，提供一种具有方法简便，测量精度高等优点的采用码分多址实现光纤光栅自相关数字解调方法及其系统。
采用码分多址技术实现的光纤光栅自相关数字解调方法是在自相关数字解调方法基础上发展起来的一种时域分析方法，其基本工作原理描述如下 首先，采用码分多址即CDMA技术对测点进行地址编码，其具体方法为将多个编码用光纤光栅布置在同一个测点构成一个编码/传感光栅单元，然后，根据此编码/传感光栅单元内多个编码用光纤光栅使用状态的不同，为该测点指定一个唯一的二进制数作为该测点的地址。在指定测点地址时，可以采用如本发明所述的编码方式，也可以采用其他编码方式，只要满足(1)能够保证不同测点的反射谱线形状具有明显的不同；(2)能够满足CDMA编码条件。
其次，将测点连接到自相关数字解调装置上，进行数字解调。此时，只要测点编码满足本发明给出的CDMA编码条件，即可采用本发明所述方法进行解调。
为实现上述目的，本发明采用如下技术方案 一种采用码分多址实现光纤光栅自相关数字解调方法的系统，它包括宽带光源，宽带光源与耦合器I的输入端连接，耦合器I的一个输出端与至少一组由传感光栅组成的测量单元连接，另一输出端与耦合器II连接；耦合器II的一个输出端与调制光栅连接，同时另一输出端经反馈控制单元与调制光栅连接。
所述测量单元为一组，它由多个传感光栅串联或并联组成。
所述测量单元有多组，每组测量单元由多个传感光栅串联或并联组成。
所述反馈控制单元包括一个光电探测器PD，它与耦合器II相匹配，光电探测器PD与运算放大器OP连接，OP经模数转换器AD与计算机连接，计算机则与数模转换器DA连接，数模转换器DA经机电调制器与调制光栅连接。
一种采用码分多址实现光纤光栅自相关数字解调系统进行解调的方法， 首先，采用码分多址即CDMA技术对测点进行地址编码，其具体方法为将多个编码用光纤光栅布置在同一个测点构成一个编码/传感光栅单元，然后，根据此编码/传感光栅单元内多个编码用光纤光栅使用状态的不同，为该测点指定一个唯一的二进制数作为该测点的地址。在指定测点地址时，可以采用如本发明所述的编码方式，也可以采用其他编码方式，只要满足(1)能够保证不同测点的反射谱线形状具有明显的不同；(2)能够满足CDMA编码条件。
对于一个测点进行单点解调时，设编码用光纤光栅为m个，其中心波长分别为λ0、λ1、……、λm-1，并定义用中心波长为λ0的光纤光栅代表数字20，用中心波长为λ1的光纤光栅代表数字21，……，以此类推，用中心波长为λm-1的光纤光栅代表数字2m-1；用ci＝1(i＝0，1，…，m-1)表示中心波长为λi(i＝0，1，…，m-1)的编码用光纤光栅接入测量系统，ci＝0(i＝0，1，…，m-1)表示中心波长为λi(i＝0，1，…，m-1)的编码用光纤光栅没有接入测量系统，则每个测点编码用光纤光栅的状态可以用一个二进制数cm-1…c1c0表示，这个二进制数就是该测点的地址；把测点上串联的m个编码用光纤光栅看作一个传感光栅，则不同编码的测点传感光栅反射谱线形状不同，且与该测点地址对应； 其次，采用自相关数字方法进行数字解调，其具体步骤为 设编码用光纤光栅与系统调制光栅的反射谱均为高斯分布，即 编码用光纤光栅的反射谱 调制光栅的反射谱 式中，λ为光波波长，λi、λM分别是对应CDMA编码第i位(i＝0，1，…，m-1)编码用光纤光栅和系统调制光栅的中心波长，Bi、BM分别是对应CDMA编码第i位(i＝0，1，…，m-1)编码用光纤光栅和系统调制光栅的半高带宽，Ri、RM是对应CDMA编码第i位(i＝0，1，…，m-1)编码用光纤光栅和系统调制光栅的中心波长反射率； 把m个串联的编码用光纤光栅看作一个虚拟的传感光栅时，则其反射谱可以写为 式中ci是测点地址编码的第i位(i＝0，1，…，m-1)，ci＝1表示使用中心波长为
的编码用光纤光栅测量该点，ci＝0表示不使用中心波长为
的编码用光纤光栅测量该点；λ为光波波长，λi是对应CDMA编码第i位(i＝0，1，…，m-1)编码用光纤光栅的中心波长，Bi是对应CDMA编码第i位(i＝0，1，…，m-1)编码用光纤光栅的半高带宽，Ri是对应CDMA编码第i位(i＝0，1，…，m-1)编码用光纤光栅的中心波长反射率； 设各编码用光纤光栅的中心波长反射率R0＝R1＝…＝Rm-1＝RS，各编码用光纤光栅的半高带宽B0＝B1＝…＝Bm-1＝BS，则式(3)可以简化为 式中，λ为光波波长，λi是对应CDMA编码第i位(i＝0，1，…，m-1)编码用光纤光栅的中心波长，Bi是对应CDMA编码第i位(i＝0，1，…，m-1)编码用光纤光栅的半高带宽，Ri是对应CDMA编码第i位(i＝0，1，…，m-1)编码用光纤光栅的中心波长反射率；ci是测点地址编码的第i位(i＝0，1，…，m-1)，ci＝1表示使用中心波长为
的编码用光纤光栅测量该点，ci＝0表示不使用中心波长为
的编码用光纤光栅测量该点； 此时光电探测器PD的输出可以写为 光电探测器PD的输出 式中 IO、RS、BS、RM、BM依次为发射光强度、编码用光纤光栅中心波长反射率、编码用光纤光栅半高带宽、调制光栅中心波长反射率、调制光栅半高带宽，均是系统常数； ci是测点地址编码的第i位(i＝0，1，…，m-1)，ci＝1表示使用中心波长为
的编码用光纤光栅测量该点，ci＝0表示不使用中心波长为
的编码用光纤光栅测量该点； λi、λM分别是对应CDMA编码第i位(i＝0，1，…，m-1)编码用光纤光栅和系统调制光栅的中心波长，均随时间t变化，一般可表示为 其中，
是对应CDMA编码第i位(i＝0，1，…，m-1)编码用光纤光栅初始中心波长，λi(t)是被测量x(t)引起的中心波长漂移，ks是编码用光纤光栅波长漂移对被测量的测量灵敏度，ΛM0是调制光栅初始中心波长，kscan是调制光栅的扫描速率，tscan是扫描时间，可以表示为Tscan为扫描周期，<*>为求余运算； 被测物理量在同一扫描周期内不发生变化，则光电探测器在相邻扫描周期内的输出可以表示为 式中 Pk(t)是光电探测器在第k个扫描周期内的输出信号，Pk+1(t)是光电探测器在第k+1个扫描周期内的输出信号； 为系统常数，其中I0为发射光强度、RS、BS、RM、RM依次为编码用光纤光栅中心波长反射率、编码用光纤光栅半高带宽、调制光栅中心波长反射率、调制光栅半高带宽； ci是测点地址编码的第i位(i＝0，1，…，m-1)，ci＝1表示使用中心波长为λi的编码用光纤光栅测量该点，ci＝0表示不使用中心波长为λi的编码用光纤光栅测量该点；
是对应CDMA编码第i位(i＝0，1，…，m-1)编码用光纤光栅初始中心波长，ΛM0是调制光栅初始中心波长； ks是编码用光纤光栅波长漂移对被测量的测量灵敏度，kscan是调制光栅的扫描速率； x(kTscan)是第k个扫描周期内被测量的值，x((k+1)Tscan)是第k+1个扫描周期内被测量的值；t∈[0，Tscan)为扫描时间。
计算式(8)和(9)的卷积，有 式中 Pk+1(t)是光电探测器在第k+1个扫描周期内的输出信号，Pk(t-τ)是光电探测器在第k个扫描周期内的输出信号经时间延迟τ以后的值； 为系统常数，其中I0为发射光强度、RS、BS、RM、BM依次为编码用光纤光栅中心波长反射率、编码用光纤光栅半高带宽、调制光栅中心波长反射率、调制光栅半高带宽； ci是测点地址编码的第i位(i＝0，1，…，m-1)，ci＝1表示使用中心波长为λi的编码用光纤光栅测量该点，ci＝0表示不使用中心波长为λi的编码用光纤光栅测量该点； cj是测点地址编码的第j位(j＝0，1，…，m-1)，cj＝1表示使用中心波长为λj的编码用光纤光栅测量该点，cj＝0表示不使用中心波长为λj的编码用光纤光栅测量该点；
是对应CDMA编码第i位(i＝0，1，…，m-1)编码用光纤光栅初始中心波长，
是对应CDMA编码第j位(j＝0，1，…，m-1)编码用光纤光栅初始中心波长； ks是编码用光纤光栅波长漂移对被测量的测量灵敏度，kscan是调制光栅的扫描速率； Δx＝x((k+1)Tscan)-x(kTscan)是相邻扫描周期内被测量的变化，x(kTscan)是第k个扫描周期内被测量的值，x((k+1)Tscan)是第k+1个扫描周期内被测量的值； ksΔx即相邻扫描周期内传感光栅中心波长漂移的增量； 由式(10)可见，R(τ)是一系列由平移得到的高斯函数的叠加；若令则可以将式(10)近似写为式(11) 式中第一项的系数为测点编码的自相关，第二项的系数为测点编码的互相关，δ(τ)为脉冲函数； 理想情况下，采用CDMA技术的测点编码满足条件 (12) 式中C为测点编码的集合，w是码字重量，即测点编码中“1”的数目，也是码字的自相关峰值； 于是式(11)简化为 选择时间延迟τ使满足R(τ)＝w，有 于是有 Δλ＝kSΔx＝kscanτ (15) 在初始条件已知的情况下，依照 λk+1＝λk+Δλ(16) 即可实现解调目的。
在测量单元有多组需多点解调时，存在n个测点，每个测点均采用m个传感光栅进行编码，第j个(j＝1，2，…，n)测点的反射谱线可以表示为 式中，λ为光波波长，λi是对应CDMA编码第i位(i＝0，1，…，m-1)光纤光栅的中心波长，BS是用于CDMA编码的光纤光栅的半高带宽，RS是用于CDMA编码的光纤光栅的中心波长反射率，cj，i是第j个测点CDMA编码的第i位(i＝0，1，…，m-1)； 假设各测点互不相关，则光电探测器输出信号 式中 j＝1，2，…，n是测量系统中各测点的地址； i＝0，1，…，m-1是各测点编码用光纤光栅的序号； cj，i是第j个测点第i位编码用光纤光栅的系数，为“1”表示使用该光纤光栅进行测量，为“0”表示不使用该光纤光栅进行测量； λj，i是第j个测点第i位编码用光纤光栅的中心波长，随时间t变化，一般可表示为 其中，
是对应CDMA编码第i位(i＝0，1，…，m-1)的光纤光栅初始中心波长，λj，i(t)是被测量xj(t)引起的中心波长漂移，ks是传感光栅波长漂移对被测量的测量灵敏度； I0、RS、BS、RM、BM依次为发射光强度、编码用光纤光栅中心波长反射率、编码用光纤光栅半高带宽、调制光栅中心波长反射率、调制光栅半高带宽，均是系统常数； λM为调制光栅中心波长，随时间t变化，一般可表示为 其中，ΛM0是调制光栅初始中心波长，kscan是调制光栅的扫描速率，tscan是扫描时间，可以表示为Tscan为扫描周期，<*>为求余运算； 仿照式(10)求相邻扫描周期内光电探测器输出信号的卷积，有 (21) 式中 Pk+1(t)是光电探测器在第k+1个扫描周期内的输出信号，Pk(t-τ)是光电探测器在第k个扫描周期内的输出信号经时间延迟τ以后的值； 是系统常数，其中RS、BS、RM、BM依次为编码用光纤光栅中心波长反射率、编码用光纤光栅半高带宽、调制光栅中心波长反射率、调制光栅半高带宽； kscan是调制光栅的扫描速率 cj，i是第j个测点第i位编码用光纤光栅的系数，为“1”表示使用该光纤光栅进行测量，为“0”表示不使用该光纤光栅进行测量； cu，v是第u个测点第v位编码用光纤光栅的系数，为“1”表示使用该光纤光栅进行测量，为“0”表示不使用该光纤光栅进行测量；
是测点u第v个编码用光纤光栅的初始中心波长；
是测点j第i个编码用光纤光栅初始中心波长； ks是传感光栅波长漂移对被测量的测量灵敏度；
是测点u在第k个扫描周期的测量值；
是测点j在第k个扫描周期的测量值；是测点j相邻扫描周期内测量值的增量，
是测点j在第k+1个扫描周期的测量值； 为便于计算，取系数则式(21)可进一步写为 (22) 由式(22)可见，R(τ)是一系列由平移得到的高斯函数的叠加；若令则可以将式(22)近似写为式(23) 式中第一项的系数为测点编码的自相关，第二项的系数为测点编码的互相关，第三项的系数为不同测点之间的互相关，δ(τ)为脉冲函数； 理想情况下，采用CDMA技术的测点编码满足条件 (24) 式中C为测点编码的集合，w是码字重量，即测点编码中“1”的数目，也是码字的自相关峰值； 于是式(23)简化为 式中wj为第j个测点的码重； 选择不同的时间延迟τ1、τ2、……、τn，使其满足条件 则有 由此可得到相邻扫描周期传感光栅中心波长的增量 进而得到传感光栅中心波长的实际漂移 式中Tscan是调制光栅的扫描周期，
和
是传感光栅在第k和第k+1个扫描周期的中心波长。
本发明的有益效果是 (1)利用CDMA技术对测点进行地址编码，大量增加了光纤光栅传感器的复用数目，明显降低了其平均成本； (2)利用CDMA技术对测点进行地址编码，将对光纤光栅波长漂移的测量彻底转化为对时间的测量，提高了测量精度，简化了自相关数字解调的解调过程； (3)利用CDMA技术对测点进行地址编码，降低了自相关数字解调方法对系统初始条件的敏感程度，使其实现和求解更加简单。
图1为采用码分多址技术的光纤光栅数字解调系统(单点)； 图2为采用码分多址技术的光纤光栅数字解调系统(多点)； 图3为被测量随时间变化情况； 图4为测点1的输出结果； 图5为测点2的输出结果。
具体实施例方式 下面结合附图与实施例对本发明做进一步说明。
图1中，它包括宽带光源，宽带光源与耦合器I的输入端连接，耦合器I的一个输出端与一组由传感光栅组成的测量单元连接，另一输出端与耦合器II连接；耦合器II的一个输出端与调制光栅连接，同时另一输出端经反馈控制单元与调制光栅连接。
测量单元由多个传感光栅串联或并联组成。
反馈控制单元包括一个光电探测器PD，它与耦合器II相匹配，光电探测器PD与运算放大器OP连接，OP经模数转换器与计算机连接，计算机则与数模转换器连接，数模转换器经机电调制器与调制光栅连接。
图2中，测量单元有n组，其余结构与图1中相同，不再赘述。
本发明的解调方法为 首先，采用码分多址即CDMA技术对测点进行地址编码，其具体方法为将多个编码用光纤光栅布置在同一个测点构成一个编码/传感光栅单元，然后，根据此编码/传感光栅单元内多个编码用光纤光栅使用状态的不同，为该测点指定一个唯一的二进制数作为该测点的地址。在指定测点地址时，可以采用如本发明所述的编码方式，也可以采用其他编码方式，只要满足(1)能够保证不同测点的反射谱线形状具有明显的不同；(2)能够满足CDMA编码条件。
对于一个测点进行单点解调时，设编码用光纤光栅为m个，其中心波长分别为λ0、λ1、……、λm-1，并定义用中心波长为λ0的光纤光栅代表数字20，用中心波长为λ1的光纤光栅代表数字21，……，以此类推，用中心波长为λm-1的光纤光栅代表数字2m-1；用ci＝1(i＝0，1，…，m-1)表示中心波长为λi(i＝0，1，…，m-1)的编码用光纤光栅接入测量系统，ci＝0(i＝0，1，…，m-1)表示中心波长为λi(i＝0，1，…，m-1)的编码用光纤光栅没有接入测量系统，则每个测点编码用光纤光栅的状态可以用一个二进制数cm-1…c1c0表示，这个二进制数就是该测点的地址；把测点上串联的m个编码用光纤光栅看作一个传感光栅，则不同编码的测点传感光栅反射谱线形状不同，且与该测点地址对应； 其次，采用自相关数字方法进行数字解调，其具体步骤为 设编码用光纤光栅与系统调制光栅的反射谱均为高斯分布，即 编码用光纤光栅的反射谱 调制光栅的反射谱 式中，λ为光波波长，λi、λM分别是对应CDMA编码第i位(i＝0，1，…，m-1)编码用光纤光栅和系统调制光栅的中心波长，Bi、BM分别是对应CDMA编码第i位(i＝0，1，…，m-1)编码用光纤光栅和系统调制光栅的半高带宽，Ri、RM是对应CDMA编码第i位(i＝0，1，…，m-1)编码用光纤光栅和系统调制光栅的中心波长反射率； 把m个串联的编码用光纤光栅看作一个虚拟的传感光栅时，则其反射谱可以写为 式中ci是测点地址编码的第i位(i＝0，1，…，m-1)，ci＝1表示使用中心波长为
的编码用光纤光栅测量该点，ci＝0表示不使用中心波长为
的编码用光纤光栅测量该点；λ为光波波长，λi是对应CDMA编码第i位(i＝0，1，…，m-1)编码用光纤光栅的中心波长，Bi是对应CDMA编码第i位(i＝0，1，…，m-1)编码用光纤光栅的半高带宽，Ri是对应CDMA编码第i位(i＝0，1，…，m-1)编码用光纤光栅的中心波长反射率； 设各编码用光纤光栅的中心波长反射率R0＝R1＝…＝Rm-1＝RS，各编码用光纤光栅的半高带宽B0＝B1＝…＝Bm-1＝BS，则式(3)可以简化为 式中，λ为光波波长，λi是对应CDMA编码第i位(i＝0，1，…，m-1)编码用光纤光栅的中心波长，Bi是对应CDMA编码第i位(i＝0，1，…，m-1)编码用光纤光栅的半高带宽，Ri是对应CDMA编码第i位(i＝0，1，…，m-1)编码用光纤光栅的中心波长反射率；ci是测点地址编码的第i位(i＝0，1，…，m-1)，ci＝1表示使用中心波长为
的编码用光纤光栅测量该点，ci＝0表示不使用中心波长为
的编码用光纤光栅测量该点； 此时光电探测器PD的输出可以写为 光电探测器PD的输出 式中 IO、RS、BS、RM、BM依次为发射光强度、编码用光纤光栅中心波长反射率、编码用光纤光栅半高带宽、调制光栅中心波长反射率、调制光栅半高带宽，均是系统常数； ci是测点地址编码的第i位(i＝0，1，…，m-1)，ci＝1表示使用中心波长为
的编码用光纤光栅测量该点，ci＝0表示不使用中心波长为
的编码用光纤光栅测量该点； λi、λM分别是对应CDMA编码第i位(i＝0，1，…，m-1)编码用光纤光栅和系统调制光栅的中心波长，均随时间t变化，一般可表示为 其中，
是对应CDMA编码第i位(i＝0，1，…，m-1)编码用光纤光栅初始中心波长，λi(t)是被测量x(t)引起的中心波长漂移，ks是编码用光纤光栅波长漂移对被测量的测量灵敏度，
是调制光栅初始中心波长，kscan是调制光栅的扫描速率，tscan是扫描时间，可以表示为Tscan为扫描周期，<*>为求余运算； 被测物理量在同一扫描周期内不发生变化，则光电探测器在相邻扫描周期内的输出可以表示为 式中 Pk(t)是光电探测器在第k个扫描周期内的输出信号，Pk+1(t)是光电探测器在第k+1个扫描周期内的输出信号； 为系统常数，其中I0为发射光强度、RS、BS、RM、BM依次为编码用光纤光栅中心波长反射率、编码用光纤光栅半高带宽、调制光栅中心波长反射率、调制光栅半高带宽； ci是测点地址编码的第i位(i＝0，1，…，m-1)，ci＝1表示使用中心波长为λi的编码用光纤光栅测量该点，ci＝0表示不使用中心波长为λi的编码用光纤光栅测量该点；
是对应CDMA编码第i位(i＝0，1，…，m-1)编码用光纤光栅初始中心波长，ΛM0是调制光栅初始中心波长； ks是编码用光纤光栅波长漂移对被测量的测量灵敏度，kscan是调制光栅的扫描速率； x(kTscan)是第k个扫描周期内被测量的值，x((k+1)Tscan)是第k+1个扫描周期内被测量的值；t∈[0，Tscan)为扫描时间。
计算式(8)和(9)的卷积，有 式中 Pk+1(t)是光电探测器在第k+1个扫描周期内的输出信号，Pk(t-τ)是光电探测器在第k个扫描周期内的输出信号经时间延迟τ以后的值； 为系统常数，其中I0为发射光强度、RS、BS、RM、BM依次为编码用光纤光栅中心波长反射率、编码用光纤光栅半高带宽、调制光栅中心波长反射率、调制光栅半高带宽； ci是测点地址编码的第i位(i＝0，1，…，m-1)，ci＝1表示使用中心波长为λi的编码用光纤光栅测量该点，ci＝0表示不使用中心波长为λi的编码用光纤光栅测量该点； cj是测点地址编码的第j位(j＝0，1，…，m-1)，cj＝1表示使用中心波长为λj的编码用光纤光栅测量该点，cj＝0表示不使用中心波长为λj的编码用光纤光栅测量该点；
是对应CDMA编码第i位(i＝0，1，…，m-1)编码用光纤光栅初始中心波长，
是对应CDMA编码第j位(j＝0，1，…，m-1)编码用光纤光栅初始中心波长； ks是编码用光纤光栅波长漂移对被测量的测量灵敏度，kscan是调制光栅的扫描速率； Δx＝x((k+1)Tscan)-x(kTscan)是相邻扫描周期内被测量的变化，x(kTscan)是第k个扫描周期内被测量的值，x((k+1)Tscan)是第k+1个扫描周期内被测量的值； kSΔx即相邻扫描周期内传感光栅中心波长漂移的增量； 由式(10)可见，R(τ)是一系列由平移得到的高斯函数的叠加；若令则可以将式(10)近似写为式(11) 式中第一项的系数为测点编码的自相关，第二项的系数为测点编码的互相关，δ(τ)为脉冲函数； 理想情况下，采用CDMA技术的测点编码满足条件 (12) 式中C为测点编码的集合，w是码字重量，即测点编码中“1”的数目，也是码字的自相关峰值； 于是式(11)简化为 选择时间延迟τ使满足R(τ)＝w，有 于是有 Δλ＝kSΔx＝kscanτ (15) 在初始条件已知的情况下，依照 λk+1＝λk+Δλ (16) 即可实现解调目的。
在测量单元有多组需多点解调时，存在n个测点，每个测点均采用m个传感光栅进行编码，第j个(j＝1，2，…，n)测点的反射谱线可以表示为 式中，λ为光波波长，λi是对应CDMA编码第i位(i＝0，1，…，m-1)光纤光栅的中心波长，BS是用于CDMA编码的光纤光栅的半高带宽，RS是用于CDMA编码的光纤光栅的中心波长反射率，cj，i是第j个测点CDMA编码的第i位(i＝0，1，…，m-1)； 假设各测点互不相关，则光电探测器输出信号 式中 j＝1，2，…，n是测量系统中各测点的地址； i＝0，1，…，m-1是各测点编码用光纤光栅的序号； cj，i是第j个测点第i位编码用光纤光栅的系数，为“1”表示使用该光纤光栅进行测量，为“0”表示不使用该光纤光栅进行测量； λj，i是第j个测点第i位编码用光纤光栅的中心波长，随时间t变化，一般可表示为 其中，
是对应CDMA编码第i位(i＝0，1，…，m-1)的光纤光栅初始中心波长，λj，i(t)是被测量xj(t)引起的中心波长漂移，ks是传感光栅波长漂移对被测量的测量灵敏度； I0、RS、BS、RM、BM依次为发射光强度、编码用光纤光栅中心波长反射率、编码用光纤光栅半高带宽、调制光栅中心波长反射率、调制光栅半高带宽，均是系统常数； λM为调制光栅中心波长，随时间t变化，一般可表示为 其中，ΛM0是调制光栅初始中心波长，kscan是调制光栅的扫描速率，tscan是扫描时间，可以表示为Tscan为扫描周期，<*>为求余运算； 仿照式(10)求相邻扫描周期内光电探测器输出信号的卷积，有 (21) 式中 Pk+1(t)是光电探测器在第k+1个扫描周期内的输出信号，Pk(t-τ)是光电探测器在第k个扫描周期内的输出信号经时间延迟τ以后的值； 是系统常数，其中RS、BS、RM、BM依次为编码用光纤光栅中心波长反射率、编码用光纤光栅半高带宽、调制光栅中心波长反射率、调制光栅半高带宽； kscan是调制光栅的扫描速率 cj，i是第j个测点第i位编码用光纤光栅的系数，为“1”表示使用该光纤光栅进行测量，为“0”表示不使用该光纤光栅进行测量； cu，v是第u个测点第v位编码用光纤光栅的系数，为“1”表示使用该光纤光栅进行测量，为“0”表示不使用该光纤光栅进行测量；
是测点u第v个编码用光纤光栅的初始中心波长；
是测点j第i个编码用光纤光栅初始中心波长； ks是传感光栅波长漂移对被测量的测量灵敏度；
是测点u在第k个扫描周期的测量值；
是测点j在第k个扫描周期的测量值；是测点j相邻扫描周期内测量值的增量，
是测点j在第k+1个扫描周期的测量值； 为便于计算，取系数则式(21)可进一步写为 由式(22)可见，R(τ)是一系列由平移得到的高斯函数的叠加；若令则可以将式(22)近似写为式(23) 式中第一项的系数为测点编码的自相关，第二项的系数为测点编码的互相关，第三项的系数为不同测点之间的互相关，δ(τ)为脉冲函数； 理想情况下，采用CDMA技术的测点编码满足条件 式中C为测点编码的集合，w是码字重量，即测点编码中“1”的数目，也是码字自相关峰值； 于是式(23)简化为 式中wj为第j个测点的码重； 选择不同的时间延迟τ1、τ2、……、τn，使其满足条件 则有 由此可得到相邻扫描周期传感光栅中心波长的增量 进而得到传感光栅中心波长的实际漂移 式中Tscan是调制光栅的扫描周期，
和
是传感光栅在第k和第k+1个扫描周期的中心波长。
解调实例 图2中，令调制光栅的波长调谐范围是1550-1555nm，半高带宽是0.07nm，中心波长反射率是0.9。且系统中只有两个测点，二进制地址分别为“01”和“11”。假设编码使用的光纤光栅初始中心波长分别为1552nm和1554nm，半高带宽为0.1nm，中心波长反射率为0.9。
假设测点“01”处被测量引起的波长漂移如图3中曲线1所示，测点“11”处被测量引起的波长漂移如图3中曲线2所示，则当调制光栅扫描周期为0.1s时，采用前述解调方法得到如图4、图5所示结果。图中虚线为理想输出情况，实线为测点输出。
权利要求
1.一种采用码分多址实现光纤光栅自相关数字解调方法的系统，其特征是，它包括宽带光源，宽带光源与耦合器I的输入端连接，耦合器I的一个输出端与至少一个由一组传感光栅组成的测量单元连接，另一输出端与耦合器II连接；耦合器II的一个输出端与调制光栅连接，同时另一输出端经反馈控制单元与调制光栅连接。
2.如权利要求1所述的采用码分多址实现光纤光栅自相关数字解调方法的系统，其特征是，所述测量单元为一个，它由多个传感光栅串联或并联组成，传感光栅为光纤光栅。
3.如权利要求1所述的采用码分多址实现光纤光栅自相关数字解调方法的系统，其特征是，所述测量单元有多个，每个测量单元由多个传感光栅串联或并联组成，传感光栅为光纤光栅。
4.如权利要求1所述的采用码分多址实现光纤光栅自相关数字解调方法的系统，其特征是，所述反馈控制单元包括一个光电探测器PD，它与耦合器II相匹配，光电探测器PD与运算放大器OP连接，OP经模数转换器AD与计算机连接，计算机则与数模转换器DA连接，数模转换器DA经机电调制器与调制光栅连接。
5.一种权利要求1所述采用码分多址实现光纤光栅自相关数字解调系统进行解调的方法，其特征是，
首先，采用码分多址即CDMA技术对测点进行地址编码；
对于一个测点进行单点解调时，设编码用光纤光栅为m个，其中心波长分别为λ0、λ1、……、λm-1，并定义用中心波长为λ0的光纤光栅代表数字20，用中心波长为λ1的光纤光栅代表数字21，……，以此类推，用中心波长为λm-1的光纤光栅代表数字2m-1；用ci＝1(i＝0，1，…，m-1)表示中心波长为λi(i＝0，1，…，m-1)的编码用光纤光栅接入测量系统，ci＝0(i＝0，1，…，m-1)表示中心波长为λi(i＝0，1，…，m-1)的编码用光纤光栅没有接入测量系统，则每个测点编码用光纤光栅的状态可以用一个二进制数cm-1…c1c0表示，这个二进制数就是该测点的地址；把测点上串联的m个编码用光纤光栅看作一个传感光栅，则不同编码的测点传感光栅反射谱线形状不同，且与该测点地址对应；
其次，采用自相关数字方法进行数字解调，其具体步骤为
设编码用光纤光栅与系统调制光栅的反射谱均为高斯分布，即
编码用光纤光栅的反射谱
调制光栅的反射谱
式中，λ为光波波长，λi、λM分别是对应CDMA编码第i位(i＝0，1，…，m-1)编码用光纤光栅和系统调制光栅的中心波长，Bi、BM分别是对应CDMA编码第i位(i＝0，1，…，m-1)编码用光纤光栅和系统调制光栅的半高带宽，Ri、RM是对应CDMA编码第i位(i＝0，1，…，m-1)编码用光纤光栅和系统调制光栅的中心波长反射率；
把m个串联的编码用光纤光栅看作一个虚拟的传感光栅时，则其反射谱可以写为
式中ci是测点地址编码的第i位(i＝0，1，…，m-1)，ci＝1表示使用中心波长为
的编码用光纤光栅测量该点，ci＝0表示不使用中心波长为
的编码用光纤光栅测量该点；λ为光波波长，λi是对应CDMA编码第i位(i＝0，1，…，m-1)编码用光纤光栅的中心波长，Bi是对应CDMA编码第i位(i＝0，1，…，m-1)编码用光纤光栅的半高带宽，Ri是对应CDMA编码第i位(i＝0，1，…，m-1)编码用光纤光栅的中心波长反射率；
设各编码用光纤光栅的中心波长反射率B0＝R1＝…＝Rm-1＝RS，各编码用光纤光栅的半高带宽B0＝B1＝…＝Bm-1＝BS，则式(3)可以简化为
式中，λ为光波波长，λi是对应CDMA编码第i位(i＝0，1，…，m-1)编码用光纤光栅的中心波长，Bi是对应CDMA编码第i位(i＝0，1，…，m-1)编码用光纤光栅的半高带宽，Ri是对应CDMA编码第i位(i＝0，1，…，m-1)编码用光纤光栅的中心波长反射率；ci是测点地址编码的第i位(i＝0，1，…，m-1)，ci＝1表示使用中心波长为
的编码用光纤光栅测量该点，ci＝0表示不使用中心波长为
的编码用光纤光栅测量该点；
此时光电探测器PD的输出可以写为
光电探测器PD的输出
式中
I0、RS、BS、RM、BM依次为发射光强度、编码用光纤光栅中心波长反射率、编码用光纤光栅半高带宽、调制光栅中心波长反射率、调制光栅半高带宽，均是系统常数；
ci是测点地址编码的第i位(i＝0，1，…，m-1)，ci＝1表示使用中心波长为
的编码用光纤光栅测量该点，ci＝0表示不使用中心波长为
的编码用光纤光栅测量该点；
λi、λM分别是对应CDMA编码第i位(i＝0，1，…，m-1)编码用光纤光栅和系统调制光栅的中心波长，均随时间t变化，一般可表示为
其中，
是对应CDMA编码第i位(i＝0，1，…，m-1)编码用光纤光栅初始中心波长，λi(t)是被测量x(t)引起的中心波长漂移，ks是编码用光纤光栅波长漂移对被测量的测量灵敏度，ΛM0是调制光栅初始中心波长，kscan是调制光栅的扫描速率，tscan是扫描时间，可以表示为tscan＝〈t〉Tscan，Tscan为扫描周期，〈*〉为求余运算；
被测物理量在同一扫描周期内不发生变化，则光电探测器在相邻扫描周期内的输出可以表示为
式中:
Pk(t)是光电探测器在第k个扫描周期内的输出信号，Pk+1(t)是光电探测器在第k+1个扫描周期内的输出信号；
为系统常数，其中I0为发射光强度、RS、BS、RM、BM依次为编码用光纤光栅中心波长反射率、编码用光纤光栅半高带宽、调制光栅中心波长反射率、调制光栅半高带宽；
ci是测点地址编码的第i位(i＝0，1，…，m-1)，ci＝1表示使用中心波长为λi的编码用光纤光栅测量该点，ci＝0表示不使用中心波长为λi的编码用光纤光栅测量该点；
是对应CDMA编码第i位(i＝0，1，…，m-1)编码用光纤光栅初始中心波长，ΛM0是调制光栅初始中心波长；
ks是编码用光纤光栅波长漂移对被测量的测量灵敏度，kscan是调制光栅的扫描速率；
x(kTscan)是第k个扫描周期内被测量的值，x((k+1)Tscan)是第k+1个扫描周期内被测量的值；t∈[0，Tscan)为扫描时间；
计算式(8)和(9)的卷积，有
式中
Pk+1(t)是光电探测器在第k+1个扫描周期内的输出信号，Pk(t-τ)是光电探测器在第k个扫描周期内的输出信号经时间延迟τ以后的值；
为系统常数，其中I0为发射光强度、RS、BS、RM、BM依次为编码用光纤光栅中心波长反射率、编码用光纤光栅半高带宽、调制光栅中心波长反射率、调制光栅半高带宽；
ci是测点地址编码的第i位(i＝0，1，…，m-1)，ci＝1表示使用中心波长为λi的编码用光纤光栅测量该点，ci＝0表示不使用中心波长为λi的编码用光纤光栅测量该点；
cj是测点地址编码的第j位(j＝0，1，…，m-1)，cj＝1表示使用中心波长为λj的编码用光纤光栅测量该点，cj＝0表示不使用中心波长为λj的编码用光纤光栅测量该点；
是对应CDMA编码第i位(i＝0，1，…，m-1)编码用光纤光栅初始中心波长，
是对应CDMA编码第j位(j＝0，1，…，m-1)编码用光纤光栅初始中心波长；
ks是编码用光纤光栅波长漂移对被测量的测量灵敏度，kscan是调制光栅的扫描速率；
Δx＝x((k+1)Tscan)-x(kTscan)是相邻扫描周期内被测量的变化，x(kTscan)是第k个扫描周期内被测量的值，x((k+1)Tscan)是第k+1个扫描周期内被测量的值；
kSΔx即相邻扫描周期内传感光栅中心波长漂移的增量；
由式(10)可见，R(τ)是一系列由平移得到的高斯函数的叠加；若令则可以将式(10)近似写为式(11)
式中第一项的系数为测点编码的自相关，第二项的系数为测点编码的互相关，δ(τ)为脉冲函数；
理想情况下，采用CDMA技术的测点编码满足条件
(12)
式中C为测点编码的集合，w是码字重量，即测点编码中“1”的数目，也是码字的自相关峰值；
于是式(11)简化为
选择时间延迟τ使满足R(τ)＝w，有
于是有
Δλ＝kSΔx＝kscanτ (15)
在初始条件已知的情况下，依照
λk+1＝λk+Δλ (16)
即可实现解调目的。
6.如权利要求5所述的采用码分多址实现光纤光栅自相关数字解调系统进行解调的方法，其特征是，所述地址编码的具体方法为将多个编码用光纤光栅布置在同一个测点构成一个编码/传感光栅单元，然后，根据此编码/传感光栅单元内多个编码用光纤光栅使用状态的不同，为该测点指定一个唯一的二进制数作为该测点的地址。
7.如权利要求5或6所述的采用码分多址实现光纤光栅自相关数字解调系统进行解调的方法，其特征是，在测量单元有多组需多点解调时，存在n个测点，每个测点均采用m个传感光栅进行编码，第j个(j＝1，2，…，n)测点的反射谱线可以表示为
式中，λ为光波波长，λi是对应CDMA编码第i位(i＝0，1，…，m-1)光纤光栅的中心波长，BS是用于CDMA编码的光纤光栅的半高带宽，RS是用于CDMA编码的光纤光栅的中心波长反射率，cj，i是第j个测点CDMA编码的第i位(i＝0，1，…，m-1)；
假设各测点互不相关，则光电探测器输出信号
式中
j＝1，2，…，n是测量系统中各测点的地址；
i＝0，1，…，m-1是各测点编码用光纤光栅的序号；
cj，i是第j个测点第i位编码用光纤光栅的系数，为“1”表示使用该光纤光栅进行测量，为“0”表示不使用该光纤光栅进行测量；
λj，i是第j个测点第i位编码用光纤光栅的中心波长，随时间t变化，一般可表示为
其中，
是对应CDMA编码第i位(i＝0，1，…，m-1)的光纤光栅初始中心波长，λj，i(t)是被测量xj(t)引起的中心波长漂移，ks是传感光栅波长漂移对被测量的测量灵敏度；
I0、RS、BS、RM、BM依次为发射光强度、编码用光纤光栅中心波长反射率、编码用光纤光栅半高带宽、调制光栅中心波长反射率、调制光栅半高带宽，均是系统常数；
λM为调制光栅中心波长，随时间t变化，一般可表示为
其中，ΛM0是调制光栅初始中心波长，kscan是调制光栅的扫描速率，tscan是扫描时间，可以表示为Tscan为扫描周期，〈*〉为求余运算；
仿照式(10)求相邻扫描周期内光电探测器输出信号的卷积，有
(21)
式中
Pk+1(t)是光电探测器在第k+1个扫描周期内的输出信号，Pk(t-τ)是光电探测器在第k个扫描周期内的输出信号经时间延迟τ以后的值；
是系统常数，其中RS、BS、RM、BM依次为编码用光纤光栅中心波长反射率、编码用光纤光栅半高带宽、调制光栅中心波长反射率、调制光栅半高带宽；
kscan是调制光栅的扫描速率
cj，i是第j个测点第i位编码用光纤光栅的系数，为“1”表示使用该光纤光栅进行测量，为“0”表示不使用该光纤光栅进行测量；
cu，v是第u个测点第v位编码用光纤光栅的系数，为“1”表示使用该光纤光栅进行测量，为“0”表示不使用该光纤光栅进行测量；
是测点u第v个编码用光纤光栅的初始中心波长；
是测点j第i个编码用光纤光栅初始中心波长；
ks是传感光栅波长漂移对被测量的测量灵敏度；
是测点u在第k个扫描周期的测量值；
是测点j在第k个扫描周期的测量值；是测点j相邻扫描周期内测量值的增量，
是测点j在第k+1个扫描周期的测量值；
为便于计算，取系数则式(21)可进一步写为
由式(22)可见，R(τ)是一系列由平移得到的高斯函数的叠加；若令则可以将式(22)近似写为式(23)
式中第一项的系数为测点编码的自相关，第二项的系数为测点编码的互相关，第三项的系数为不同测点之间的互相关，δ(τ)为脉冲函数；
理想情况下，采用CDMA技术的测点编码满足条件
(24)
式中C为测点编码的集合，w是码字重量，即测点编码中“1”的数目，也是码字的自相关峰值；
于是式(23)简化为
式中wj为第j个测点的码重；
选择不同的时间延迟τ1、τ2、……、τn，使其满足条件
则有
由此可得到相邻扫描周期传感光栅中心波长的增量
进而得到传感光栅中心波长的实际漂移
式中Tscan是调制光栅的扫描周期，
和
是传感光栅在第k和第k+1个扫描周期的中心波长。
全文摘要
本发明公开了一种采用码分多址实现光纤光栅自相关数字解调方法及其系统。它解决了目前光纤光栅自相关数字解调技术数值求解过程复杂、对系统初始参数敏感等问题，具有方法简便，测量精度高等优点。其结构为它包括宽带光源，宽带光源与耦合器I的输入端连接，耦合器I的一个输出端与至少一组由传感光栅组成的测量单元连接，另一输出端与耦合器II连接；耦合器II的一个输出端与调制光栅连接，同时另一输出端经反馈控制单元与调制光栅连接。
文档编号H04J14/00GK101383676SQ20081015748
公开日2009年3月11日 申请日期2008年10月14日 优先权日2008年10月14日
发明者李东升 申请人:李东升