专利名称：基于码分多址复用的星型光纤光栅传感网络及其解调方法
技术领域：
本发明涉及一种基于码分多址复用的星型光纤光栅传感网络及其解调方法。
背景技术：
作为一种新型传感器件，光纤光栅传感器最大的特点是复用能力强，传输损耗低，容易 通过各种复用技术构成光纤传感网络，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。
一直以来，光纤光栅传感器高昂的成本都是阻碍其在工程应用中推广的重要原因。针对 这一情况，人们普遍采用复用技术，通过降低单个光纤光栅传感器平均成本的方法加以解决。 目前较常见的是波分复用技术、空分复用技术、时分复用技术以及它们的组合。
波分复用技术是利用有限频带对测点进行地址编码，其容量受光源带宽与测点量程限制， 一般为1(T20点；空分复用技术是利用多路开关根据测点位置进行地址编码-，其容量受多路开 关回路数量的限制，通常不超过4路；而时分复用技术是利用时隙对测点地址进行编码，其容
量受光源功率和接收器灵敏度的限制，最多为15~20点。多种复用技术组合使用可以在一定程
度上提高系统容量，但因结构复杂，将使系统成本大幅度提高。可见，由于系统容量的限制， 现有复用技术并不能达到降低光纤光栅传感器成本的目的。
另一方面，目前使用的光纤光栅传感系统多采用串联结构，无法远传、可靠性差、不易 扩展、维护困难，导致用户使用成本大幅上升，也阻碍了光纤光栅传感器在工程中的应用。
其主要缺陷在于
(1) 能量信号(由光源发出的光信号)与测量信号(由光纤传感器返回的光信号)沿同 一根光纤双向传输，无法进行放大处理，因此不利于进行远距离测量，不利于提高系统信噪 t匕-
(2) 光纤光栅传感器串联连接，任意传感器发生故障都会使整个系统无法工作，因此可 靠性低，可维护性差；
(3) 系统容量在最初设计时确定， 一旦完成即难以改变，因此灵活性差，无法满足用户 在后续使用中对系统扩展的要求；
(4) 在采用波分复用技术时，要求不同测点的传感器波长变化范围不能重合，导致系统 容量增加时测点量程会随之减小，测量精度相应降低，而在工程应用中，当选择小量程仪表 测量时， 一般是为了获得比大量程测量仪表更高的测量精度。
发明内容
本发明的目的就是为了解决上述问题，提供一种具有结构简单，使用方便，可有效降低 系统成本，提高其可靠性和测量精度等优点的基于码分多址复用的星型光纤光栅传感网络及 其解调方法。
为实现上述目的，本发明采用如下技术方案
一种基于码分多址复用的星型光纤光栅传感网络，它有至少一个宽带光源，该宽带光源 与若干个并联的编码/传感光栅单元的输入端连接，这些编码/传感光栅单元的输出端则通过 星形耦合器与数字解调仪连接；所有编码/传感光栅单元的中心波长都处在宽带光源功率谱的 平坦区内。
所述宽带光源数量与编码/传感光栅单元数量相同，每个宽带光源均与编码/传感光栅单 元的输入端连接。
所述编码/传感光栅单元由多个串联的光纤光栅组成，宽带光源通过一个测量用耦合器与 串联的光纤光栅一端连接，同时测量用耦合器还与星形耦合器连接。 所述数字解调仪则由光谱仪和计算机组成。
所述数字解调仪包括一个耦合器，它的输入端与星形耦合器连接，输出端接光电探测器
PD，光电探测器PD经运算放大器OP (中文)与计算机连接，计算机与机电调制器连接，机 电调制器经调制光栅与耦合器的另一输入端连接。
一种基于码分多址复用的星型光纤光栅传感网络的解调方法，它的工作原理为-
首先对测点进行地址编码，其具体方法为将多个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光纤光栅使用状态的不同，为 该编码/传感光栅单元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。
其次使用连接器将各测点与自相关数字解调仪连接在一起，构成星型网络。连接时可以 使用星型耦合器直接连接各测点与自相关数字解调仪，也可以通过使用其它如2X2耦合器等 设备构成的与星型耦合器等效的结构连接各测点与自相关数字解调仪。
最后利用自相关数字解调仪进行数字解调。
它的步骤为
设定编码/传感光栅单元有n个，每个编码/传感光栅单元包括m个中心波长分别为^ 、 A、……、义^的光纤光栅，并定义用中心波长为人的光纤光栅代表数字20，用中心波长为 4的光纤光栅代表数字21，……，以此类推，用中心波长为^^的光纤光栅代表数字2^;
用c, = 1 (/ = 0， 1，…,w-1)表示中心波长为A (= 0， 1,...,w-1)的光纤光栅接入测量系统，c, = 0
U = 0，l，".，m-1)表示中心波长为^ (/ = 0，1,.-.,/ -1)的光纤光栅没有接入测量系统，则
每个测点编码/传感光栅的接入状态可以用一个二进制数 一 …c,c。表示，这个二进制数就是 测点的地址；
将每个编码/传感光栅单元上串联的w个光纤光栅等效为一个传感光栅，则不同编码的编
码/传感光栅单元的传感光栅反射谱线形状不同，且与该编码/传感光栅单元地址对应；
测量时，宽带光源发出的光被编码/传感光栅反射后形成一系列离散的谱片，其在谱域的
位置由外界被测量大小决定，经星型耦合器叠加后同时送入数字解调仪，并经自相关数字解
调方法获得各测点中心波长漂移，实现测量目的。
设系统中存在"个编码/传感光栅单元，每个编码/传感光栅单元均采用加个光纤光栅进
行编码，考虑第/个(/'-l,2,…,")测点；
设编码/传感光栅单元使用的光纤光栅与自相关数字解调仪使用的调制光栅的反射谱均
为高斯分布，即
编码/传感光栅单元使用的光纤光栅的反射谱
<formula>formula see original document page 9</formula>
自相关数字解调仪使用的调制光栅的反射谱
(1)
<formula>formula see original document page 10</formula>(2)
式中，义为光波波长，义,、4分别是对应CDMA编码第/位(/ = 0，l，...,w-1)光纤光栅和系 统调制光栅的中心波长，S,.、 ^M分别是对应CDMA编码第H立("0,l，…,m-l)光纤光栅和
系统调制光栅的半高带宽，及,、及M是对应CDMA编码第i位(i = 0，l，...,w-1)光纤光栅和系
统调制光栅的中心波长反射率；
把w个串联的光纤光栅看作一个虚拟的传感光栅，则其反射谱可以写为
<formula>formula see original document page 10</formula>(3)
式中。,是第_/个测点CDMA编码的第Z位( 0,1,…,w-l)， 。, =1表示第_/个测点使用中心 波长为^的光栅测量该点，^,=0表示第_/个测点不使用中心波长为&的光栅测量该点；A 为光波波长，义,是对应CDMA编码第/位(/ = 0，l，."，w-l)光纤光栅的中心波长，《是对应 CDMA编码第/位(Z-0，l，…,w —1)光纤光栅的半高带宽，及,是对应CDMA编码第/位
"=0,1，…，附-1 )光纤光栅的中心波长反射率； 为计算简单，假设^
为
<formula>formula see original document page 10</formula>(4)
式中，A为光波波长，A是对应CDMA编码第M立(z' = 0,l,..,w-1)光纤光栅的中心波长，￡s 是用于CDMA编码的光纤光栅的半高带宽，&是用于CDMA编码的光纤光栅的中心波长反射 率，、,是第y'个测点CDMA编码的第f位(i-0,l，…,w-l); 假设各测点互不相关，则光电探测器输出信号
<formula>formula see original document page 10</formula>(5)
式中:
y、I,2，…,w是测量系统中各测点的地址；
/ = 0， 1，…，w -1是各测点编码用光纤光栅的序号；
。.，,是第y个测点第M立编码用光纤光栅的系数，为"i"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；
;^,是第y个测点第/位编码用光纤光栅的中心波长，随时间/变化， 一般可表示为
&, = As 0 + A,,(《)=Aso + ^x乂 (f) (6) 其中，A&。是对应CDMA编码第H立(/ = 0，1，...，附-1)的光纤光栅初始中心波长，；i"(/)是被 测量^.(Z)引起的中心波长漂移，^是传感光栅波长漂移对被测量的测量灵敏度；
/。、 A、 A、 i M、力m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； ^为调制光栅中心波长，随时间,变化， 一般可表示为
Avl = AM。 + Asc朋fscan (7) 其中，AM。是调制光栅初始中心波长，t自是调制光栅的扫描速率，Q皿是扫描时间，可以
表示为纟，="、，？;3n为扫描周期，〈*〉为求余运算；
■"scan
计算相邻扫描周期内光电探测器输出信号的巻积，有
m-l rt f fl2 J
xZZS5X,",exP -"7[L"(A"A.。—A'")"厶.、- (-托)了
w=l v=0 乂=1 "o Lz J
式中
/L,("是光电探测器在第t + 1个扫描周期内的输出信号，SG-r)是光电探测器在第先 个扫描周期内的输出信号经时间延迟r以后的值；
f"m Wm， a = j^^是系统常数，其中a、 5s、 4、 ^依次
Wi^I V《《
'S ' "M
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；
A，是调制光栅的扫描速率
c^是第y个测点第!'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；
、,是第"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w第v个编码用光纤光栅的初始中心波长；A^,。是测点/第f个编码用光纤
光栅初始中心波长；
&是传感光栅波长漂移对被测量的测量灵敏度；
xu/a_是测点w在第A个扫描周期的测量值；、 _是测点/在第&个扫描周期的测量值；
=—、,ra 是测点相邻扫描周期内测量值的增量，是测点7在第A + 1个 扫描周期的测量值；
式(8)给出了光电探测器输出信号自相关值与被测量的关系，它只与系统初始状态及历 史测量数据有关。
为方便计算，令系数《="^~， A7;,A"。，0 ,则式(8)可进一步写为: "(""t ￡IS。入，expI 一+[乜(r + (, — v)) + *s— w— ) — ^Ax, 了 1
<formula>formula see original document page 12</formula>
(9)<formula>formula see original document page 12</formula>
由式(9)可见，i (r)是一系列由
<formula>formula see original document page 12</formula>
政,
平移得到的高斯函
数的叠加。若令f
<formula>formula see original document page 12</formula>1,则可以将式(9)近似写为式(10): 及(+ ￡
广
J',K=1 l',V=0
7-,h=1 /，v=0
"(")△7;,'
(10)
r 一 }牦+ — \ )+(/ 一 v) A2;,v
&scan ^
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，5(r)为脉冲函数； 理想情况下，CDMA编码满足条件
c w 。eC
，—j
(id
(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(10)简化为
r--^~Ax, l 7
、" , A: 、 r——^~Ax, /t 乂
(13)
式中^.为第J'个测点的码重；
选择不同的时间延迟r,、 r2、……、r ，使其满足条件
'i (r,), i (r2).
(14)
则有
r2
斧丛
-Ax,
^sc加
(15)
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:
A义"
(16)
(17)
式中是调制光栅的扫描周期，Xf^和X|i+1)T,是传感光栅在第A和第/t +1个扫描周期的中
心波长。
本发明的有益效果是
基于CDMA复用的星型光纤光栅自相关数字传感网络是一种总线式光纤传感网络。它采用 CDMA编码技术实现复用，大大增加了复用传感器的数目；采用星型结构，允许用户在任意时 刻将任意测点移入或移出系统而不影响其他测点的工作状态；各测点光源可以灵活设置，能
够保证自相关数字解调仪获得足够信噪比的信号，所以利于远传，容易维护，扩展方便，可 靠性高，是一种适合工程应用的光纤传感网络结构。
其优越性具体表述如下
(1) 降低成本
由于采用了 CDMA技术和自相关数字解调方法，系统容量明显增加，对所用宽带光源和 布拉格光栅的要求均大为降低，因此使系统成本大幅降低。
(2) 高抗干扰
系统采用全光通信，除数据接收端以外均不含有电信号，因而具有极好的抗电磁干扰能 力；同时，由于采用CDMA技术对信号编码，并通过对编码信号自身特性的时域分析实现数 字解调，所以测量结果不易受系统参数漂移和外部环境变化的影响，抗干扰能力显著增强。
(3) 实时性好
由于各测点信号经星型耦合器叠加后同时送入数据接收端进行数字解调，所以星型光纤 光栅传感系统本质上是一个并行处理系统，能够实时响应被测量的变化。
(4) 随机接入
星型光纤光栅传感系统各测点互不影响，用户可以在任意时刻将测点随机移入或移出系 统而不影响其他测点的工作，系统可靠性、可维护性和可扩展性明显提高。
图1为星型光纤光栅传感网络结构(单光源)； 图2为星型光纤光栅传感网络结构(多光源)； 图3为编码/传感光栅结构示意图4为自相关数字解调仪结构原理图5为基于CDMA复用的星型光纤光栅自相关数字传感网络实验装置图； 图6为图5所示装置的实验结果； 图7为拟合曲线。
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，基于码分多址复用的星型光纤光栅传感网络，它有一个宽带光源，该宽带光源 与n个并联的编码/传感光栅单元的输入端连接，这些编码/传感光栅单元的输出端则通过星 形耦合器与数字解调仪连接；所有编码/传感光栅单元的中心波长都处在宽带光源功率谱的平 坦区内。
图2中，基于码分多址复用的星型光纤光栅传感网络，它的宽带光源数量与编码/传感光 栅单元数量相同都是n个，每个宽带光源均与编码/传感光栅单元的输入端连接。
编码/传感光栅单元由多个串联的光纤光栅组成，宽带光源通过一个测量用耦合器与串联 的光纤光栅一端连接，同时测量用耦合器还与星形耦合器连接。
数字解调仪则由光谱仪和计算机组成；或者，数字解调仪包括一个耦合器，它的输入端 与星形耦合器连接，输出端接光电探测器PD，光电探测器PD经运算放大器OP与计算机连 接，计算机与机电调制器连接，机电调制器经调制光栅与耦合器的另一输入端连接。
本发明的解调方法为
编码/传感光栅单元的主要作用是检测被测量的变化，同时对测点进行二进制编码。每一
个编码/传感光栅单元都包括m个中心波长分别为^、 4、……、；L,的光纤光栅，并定义用
中心波长为&的光纤光栅代表数字20，用中心波长为^的光纤光栅代表数字2'，……，以此 类推，用中心波长为^^的光纤光栅代表数字2"1-、若用1 (f-0,l,…,m-l)表示中心波 长为义，(,'=0，l，.",w-1)的光纤光栅接入测量系统，。=0 (hO，l，…,w-1)表示中心波长 为A, (/^0，1，…,m-1)的光纤光栅没有接入测量系统，则每个编码/传感光栅单元编码/传感 光栅的接入状态可以用一个二进制数c,…qc。表示，这个二进制数就是测点的地址。如果把
测点上串联的w个光纤光栅等效为一个传感光栅，则不同编码的测点的传感光栅反射谱线形 状不同，且与该测点地址对应。
数字解调仪则由光谱仪和计算机组成，也可以采用图4所示结构，图中调制光栅可以使 用布拉格光栅或阵列波导，其波长调制范围应覆盖系统中所有编码/传感光栅可能的波长漂 移。
宽带光源可以由多个测点共同使用，如图l所示；也可以为每一个测点准备一个独立的 宽带光源，如图2所示；还可以采用这两种形式的混合，即一部分测点使用公共的宽带光源， 而另一部分测点使用独立的宽带光源。但无论哪种情况，必须保证测点所有编码/传感光栅可 能的中心波长都处在光源功率谱的平坦区内。否则在系统容量较大时，将难以保证测量精度。
测量时，宽带光源发出的光被编码/传感光栅反射后形成一系列离散的谱片，其在谱域的
位置由外界被测量大小决定，经星型耦合器叠加后同时送入数字解调仪，并经自相关数字解 调方法获得各测点中心波长漂移，实现测量目的。具体解调过程如下
假设图1或图2所示系统中存在"个测点，每个测点均采用W个传感光栅进行编码，考 虑第/个(/ = 1,2广.,《)领lj点。
设编码/传感光栅单元使用的光纤光栅与自相关数字解调仪使用的调制光栅的反射谱均
为高斯分布，即
编码/传感光栅单元使用的光纤光栅的反射谱
<formula>formula see original document page 16</formula>自相关数字解调伩使用的调制光栅的反射谱
<formula>formula see original document page 16</formula>式中，A为光波波长，义,、4分别是对应CDMA编码第H立(/-0，l,...,w-1)光纤光栅和系 统调制光栅的中心波长，5,、 5M分别是对应CDMA编码第M立(/ = 0，l，.-.，w-l)光纤光栅和 系统调制光栅的半高带宽，《、i M是对应CDMA编码第；位(纟-0,l,…,m-l)光纤光栅和系
统调制光栅的中心波长反射率；
把w个串联的光纤光栅看作一个虚拟的传感光栅，则其反射谱可以写为
<formula>formula see original document page 16</formula>式中。,;是第y'个测点CDMA编码的第/位(/ = 0,1,…,w -1 ), 。j = 1表示第y个测点使用中心 波长为、的光栅测量该点，^,.=0表示第_/个测点不使用中心波长为~的光栅测量该点；；i 为光波波长，义,是对应CDMA编码第/位(Z-0，l，…,w-1)光纤光栅的中心波长，B,是对应 CDMA编码第/位U-0,l,…，m-1)光纤光栅的半高带宽，i ,是对应CDMA编码第H立 (Z = 0，l,-, 7-1)光纤光栅的中心波长反射率；
为计算简单，假设i 。^i ^…^^,A, S。^B^…-^—1=爲，则式(3)可以简化
为:
<formula>formula see original document page 16</formula>
式中，义为光波波长，义,是对应CDMA编码第/位(/ = 0，1,."，附-1)光纤光栅的中心波长，& 是用于CDMA编码的光纤光栅的半高带宽，A是用于CDMA编码的光纤光栅的中心波长反射 率，。,是第j个测点CDMA编码的第i位(i-0，l，…,附-l); 假设各测点互不相关，则光电探测器输出信号<formula>formula see original document page 17</formula>
式中
y-l，2,…,W是测量系统中各测点的地址； ;-0,l，…,W-l是各测点编码用光纤光栅的序号；
。,是第_/个测点第^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；
/1》.是第J个测点第i位编码用光纤光栅的中心波长，随时间f变化， 一般可表示为
义"=八s,o +义厶,(0 =八s,o +化(0 (6) 其中，As,。是对应CDMA编码第/位(/ = 0,l,.",m-l)的光纤光栅初始中心波长，义"(f)是被 测量x"/)引起的中心波长漂移，A是传感光栅波长漂移对被测量的测量灵敏度；
/。、 i s、 A、 i M、 ^M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； ^为调制光栅中心波长，随时间^变化， 一般可表示为
Avl = AM。 + 6sc^加 (7)
其中，AM。是调制光栅初始中心波长，^，是调制光栅的扫描速率，l皿是扫描时间，可以
表示为^-〈,〉L， r，为扫描周期，〈*〉为求余运算； 计算相邻扫描周期内光电探测器输出信号的巻积，有
<formula>formula see original document page 17</formula>
式中
尸w(0是光电探测器在第A+l个扫描周期内的输出信号，a(/-r)是光电探测器在第;t 个扫描周期内的输出信号经时间延迟r以后的值；
/ Wm' "-J^^是系统常数'其中A、 A、 &、 ^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；
^，是调制光栅的扫描速率
。,i是第/个测点第/位编码用光纤光栅购系数，为"i"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；
c^是第"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；
八^。是测点W第V个编码用光纤光栅的初始中心波长；A^。是测点/第/个编码用光纤
光栅初始中心波长；
^是传感光栅波长漂移对被测量的测量灵敏度；
是测点"在第A个扫描周期的测量值；XAH_是测点/在第/t个扫描周期的测量值；
^ =Xy,("i)^ —、,，是测点J'相邻扫描周期内测量值的增量，、》n是测点_/在第4 + 1个 扫描周期的测量值；
式(8)给出了光电探测器输出信号自相关值与被测量的关系，它只与系统初始状态及历 史测量数据有关。
为方便计算，令系数《=~^—, A7^A，。:A"'。，则式(8)可进一步写为
<formula>formula see original document page 18</formula>
<formula>formula see original document page 19</formula>
由式(9)可见， R(i)是一系列由<formula>formula see original document page 19</formula>平移得到的高斯函数的叠加。若令<formula>formula see original document page 19</formula>， 则可以将(9)近似式(10)<formula>formula see original document page 19</formula>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，(5(r)为脉冲函数； 理想情况下，CDMA编码满足条件<formula>formula see original document page 19</formula>
式中c为测点编码的集合，w是码字重量，即测点编码中"i"的数目，也是码字的自相关峰
值；
于是式(10)简化为-
<formula>formula see original document page 20</formula>、can 夕
式中^.为第y个测点的码重；
选择不同的时间延迟^、 r2、……、r ,使其满足条件:
则有
A A疋
由此可得到相邻扫描周期传感光栅中心波长的增量:
<formula>formula see original document page 20</formula>
进而得到传感光栅中心波长的实际漂移
"")r咖《_咸
(13)
(14)
(15)
(16)
(17)
式中r自是调制光栅的扫描周期，和^+1)T,是传感光栅在第it和第+1个扫描周期的中
心波长。 解调实例
图5基于CDMA复用的星型光纤光栅自相关数字传感网络实验装置图。图l所示的单光
源形式。
选择表1所列光纤光栅进行CDMA编码，其中括号内的数字为光纤光栅中心波长实测值， 分别粘贴在等强度梁1和等强度梁2上，如图5所示。记等强度梁1的地址为"01"，等强度 梁2的为"11"。
表1编码/传感光栅特征参数表
说明书第14/14页
传感光栅 中心波长(nm) 半高带宽(nm)
FBG 1 1522 (1521.94) 0.3
FBG 2 1522 (1522.24) 0.3
FBG 3 1525 (1526.09) 0.5
记录初始状态，然后为两等强度梁分别施加不同的作用力，保证作用在等强度梁l上的 力是作用在等强度梁2上力的两倍，记录自相关数字解调仪读数，并以百分表测出对应等强 度梁应变，得到图6和图7。
权利要求
1. 一种基于码分多址复用的星型光纤光栅传感网络，其特征是，它有至少一个宽带光源，该宽带光源与若干个并联的编码/传感光栅单元的输入端连接，这些编码/传感光栅单元的输出端则通过星形耦合器与数字解调仪连接；所有编码/传感光栅单元的中心波长都处在宽带光源功率谱的平坦区内。
2. 如权利要求1所述的基于码分多址复用的星型光纤光栅传感网络，其特征是，所述宽 带光源数量与编码/传感光栅单元数量相同，每个宽带光源均与编码/传感光栅单元的输入端 连接。
3. 如权利要求1或2所述的基于码分多址复用的星型光纤光栅传感网络，其特征是，所 述编码/传感光栅单元由多个串联的光纤光栅组成，宽带光源通过一个测量用耦合器与串联的 光纤光栅一端连接，同时测量用耦合器还与星形耦合器连接。
4. 如权利要求l所述的基于码分多址复用的星型光纤光栅传感网络，其特征是，所述数 字解调仪则由光谱仪和计算机组成。5. 如权利要求1所述的基于码分多址复用的星型光纤光栅传感网络，其特征是，所述数 字解调仪包括一个耦合器，它的输入端与星形耦合器连接，输出端接光电探测器PD，光电探 测器PD经运算放大器OP与计算机连接，计算机与机电调制器连接，机电调制器经调制光栅 与耦合器的另一输入端连接。6. —种权利要求1所述的基于码分多址复用的星型光纤光栅传感网络的解调方法，它的 工作原理为-首先对测点进行地址编码；其次使用连接器将各测点与自相关数字解调仪连接在一起，构成星型网络；连接时可以 使用星型耦合器直接连接各测点与自相关数字解调仪，也可以通过使用其它如2X2耦合器等 设备构成的与星型耦合器等效的结构连接各测点与自相关数字解调仪；最后利用自相关数字解调仪进行数字解调。7. 如权利要求6所述的基于码分多址复用的星型光纤光栅传感网络的解调方法，其特征 是，对测点进行地址编码的具体方法为将多个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光纤光栅使用状态的不同，为该编码 /传感光栅单元指定一个唯一的二进制数作为该测点的地址。8. 如权利要求6或7所述的基于码分多址复用的星型光纤光栅传感网络的解调方法，其 特征是，它的具体步骤为设定编码/传感光栅单元有n个，每个编码/传感光栅单元包括m个中心波长分别为^、A、……、/l"的光纤光栅，并定义用中心波长为;io的光纤光栅代表数字2Q，用中心波长为A的光纤光栅代表数字21,……，以此类推，用中心波长为4-,的光纤光栅代表数字2"^; 用c,-K^0,l,…,m-1)表示中心波长为义,(!、0，l，…，w —l)的光纤光栅接入测量系统，ci=0 (/ = 0,l,..,w-1)表示中心波长为A (!、0,l,…，m-1)的光纤光栅没有接入测量系统，则每个测点编码/传感光栅的接入状态可以用一个二进制数cw.c,c。表示，这个二进制数就是 测点的地址；将每个编码/传感光栅单元上串联的w个光纤光栅等效为一个传感光栅，则不同编码的编 码/传感光栅单元的传感光栅反射谱线形状不同，且与该编码/传感光栅单元地址对应； 测量时，宽带光源发出的光被编码/传感光栅反射后形成一系列离散的谱片，其在谱域的 位置由外界被测量大小决定，经星型耦合器叠加后同时送入数字解调仪，并经自相关数字解 调方法获得各测点中心波长漂移，实现测量目的；设系统中存在n个编码/传感光栅单元，每个编码/传感光栅单元均采用W个光纤光栅进行编码，考虑第乂个(7 = 1,2,…，w)测点；设编码/传感光栅单元使用的光纤光栅与自相关数字解调仪使用的调制光栅的反射谱均为高斯分布，即编码/传感光栅单元使用的光纤光栅的反射谱<formula>formula see original document page 3</formula>(1)自相关数字解调仪使用的调制光栅的反射谱<formula>formula see original document page 3</formula>(2)式中，A为光波波长，义,、4分别是对应CDMA编码第M立(/= 0,1,…，w-l)光纤光栅和系 统调制光栅的中心波长，A、丑M分别是对应CDMA编码第!'位G、0,l,…，w-1)光纤光栅和 系统调制光栅的半高带宽，i ,.、 i M是对应CDMA编码第/位(!、0,l,…,m-1)光纤光栅和系统调制光栅的中心波长反射率；把w个串联的光纤光栅看作一个虚拟的传感光栅，则其反射谱可以写为<formula>formula see original document page 3</formula>(3)式中c"是第y个测点CDMA编码的第i位('-0,l,…,w-l)， 。，,=1表示第;'个测点使用中心 波长为A,的光栅测量该点，。，,=0表示第/个测点不使用中心波长为&的光栅测量该点；义 为光波波长，^是对应CDMA编码第/位(/ = 0，1，...，附-1)光纤光栅的中心波长，5,是对应 CDMA编码第M立U-0，l，…，w-1)光纤光栅的半高带宽，i ,.是对应CDMA编码第/位 ("0,l，…,m —1)光纤光栅的中心波长反射率；为计算简单，假设^ = 5。=jBi = 则式(3)可以简化<formula>formula see original document page 4</formula>(4)式中，A为光波波长，A,是对应CDMA编码第M立(/ = 0,1广.,附-1)光纤光栅的中心波长，5S 是用于CDMA编码的光纤光栅的半高带宽，^是用于CDMA编码的光纤光栅的中心波长反射 率，。,是第y个测点CDMA编码的第/位(/ = 0，l，...,w-1); 假设各测点互不相关，则光电探测器输出信号(5)万S +5M式中/ = 1,2,..,"是测量系统中各测点的地址； Z、0，1，…,附-l是各测点编码用光纤光栅的序号；。，,.是第J个测点第/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；A，,是第y个测点第/位编码用光纤光栅的中心波长，随时间^变化， 一般可表示为义W = A&。 +义,,(f) = As,。 + A勺(f) (6)其中，As,。是对应CDMA编码第!'位O' = 0，l，...，m-1)的光纤光栅初始中心波长，^，,(0是被测量、(f)引起的中心波长漂移，i^是传感光栅波长漂移对被测量的测量灵敏度；/e、 A、 A、 /^、丑M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； 4为调制光栅中心波长，随时间f变化， 一般可表示为-4 =八Mo + ^cai/scan (7)其中，AM。是调制光栅初始中心波长，it自是调制光栅的扫描速率，t^是扫描时间，可以表示为^=〈《。 ， 4皿为扫描周期，〈*〉为求余运算；计算相邻扫描周期内光电探测器输出信号的巻积，有<formula>formula see original document page 5</formula>&+1(/)是光电探测器在第* + 1个扫描周期内的输出信号，A(,-r)是光电探测器在第;t 个扫描周期内的输出信号经时间延迟r以后的值；&-丄/fAn2 Wm, " = ]^^是系统常数'其中A、 A、 &、 ^依次为编码用光纤光栅中心被长反射率、编码甩光纤光栅半高带宽、调制光栅中心波长反射率、 调制光栅半高带宽；i^，是调制光栅的扫描速率^,是第y个测点第/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；c^是第w个测点第W立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；A ,s^是测点w第v个编码用光纤光栅的初始中心波长；Ay.，s,。是测点/第/个编码用光纤光栅初始中心波长；^是传感光栅波长漂移对被测量的测量灵敏度；& _是测点"在第^个扫描周期的测量值；是测点y在第A个扫描周期的测量值；^ =\("H —是测点_/相邻扫描周期内测量值的增量， ,)；是测点/在第A + 1个扫描周期的测量值；式(8)给出了光电探测器输出信号自相关值与被测量的关系；为方便计算，令系数^=~^一， 八",s'o ，0 ，则式(8)可进一步写为 及<formula>formula see original document page 6</formula>(9)由式(9)可见，i (r)是一系列由<formula>formula see original document page 6</formula>政,平移得到的高斯函数的叠加。若令f政,<formula>formula see original document page 6</formula>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，5("为脉冲函数； 理想情况下，CDMA编码满足条件<formula>formula see original document page 6</formula>式中c为测点编码的集合，w是码字重量，即测点编码中值；的数目，也是码字的自相关峰 于是式(10)简化为:<formula>formula see original document page 7</formula>式中^为第7'个测点的码重；选择不同的时间延迟^、 r2、 、 ^，使其满足条件:则有<formula>formula see original document page 7</formula>由此可得到相邻扫描周期传感光栅中心波长的增量<formula>formula see original document page 7</formula>进而得到传感光栅中心波长的实际漂移式中Jscan是调制光栅的扫描周期，和)4"DT^是传感光栅在第A和第A +1个扫描周期的中 心波长。
全文摘要
本发明公开了一种基于码分多址复用的星型光纤光栅传感网络及其解调方法。它有至少一个宽带光源，该宽带光源与若干个并联的编码/传感光栅单元的输入端连接，这些编码/传感光栅单元的输出端则通过星形耦合器与数字解调仪连接；所有编码/传感光栅单元的中心波长都处在宽带光源功率谱的平坦区内。它可以灵活设置，能够保证自相关数字解调仪获得足够信噪比的信号，所以利于远传，容易维护，扩展方便，可靠性高，是一种适合工程应用的光纤传感网络结构。
文档编号H04J14/00GK101383677SQ20081015748
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:山东大学