專利名稱：采用碼分多址實現光纖光柵自相關數字解調方法及其系統的制作方法
技術領域：
本發明涉及一種采用碼分多址實現光纖光柵自相關數字解調方法及其系統。
背景技術：
光纖光柵傳感器是一種波長調制型器件，結構緊湊，抗干擾能力強，便于利用復用(波分、時分、空分)技術形成光纖傳感網絡進行大面積多點測量，在通信、建筑、機械、醫療、航天、航海、礦業等許多領域都有著廣闊的應用前景，在近年得到很大的發展。
目前，關于光纖光柵傳感的理論研究已取得很大的成就，成熟的光纖光柵制造工藝也已使光纖光柵傳感器具有小批量生產能力，而如何降低成本，完善解調和復用技術，滿足工程上高精度應用的要求已成為急需解決的問題。
光纖光柵解調技術是一種光纖光柵波長漂移高分辨探測技術，其主要目的是對傳感光柵反射譜進行實時監測，分析出編碼波長的變化并將其轉化為電信號輸出，實質是對一束光中不同編碼光進行分辨和測量。理想的探測方法應滿足下面要求(1)測量范圍大，分辨率高；(2)復用性好；(3)實時性好；(4)通用性強。
目前，國內外對此技術已展開廣泛而深入的研究，并且從不同方面提出了許多解調方案，最常用的是濾波法、干涉法和可調諧光源掃描法，如附表1所示。比較說來，國外在這方面的研究較為成熟，有先進的技術和產品；而國內仍處于研發階段，相應的產品主要依賴進口，所以迫切需要先進的具有自主產權的技術和產品。
表格1.主要解調技術性能對比
從附表1中可以看出，這些解調方法，要么技術復雜，性價比低，普通領域難以接受；要么實時性差，分辨率低，難以適應工程測量的需要，因此都不能完全滿足實際應用的要求。具體說來，現有技術的缺陷主要表現在以下幾個方面(1)強噪聲背景下高分辨檢測問題難以解決；(2)復用傳感器數量有限，傳感網絡規模難以適應實際需求；(3)實時檢測問題難以解決。
光纖光柵自相關數字解調方法是擁有自主產權的一種基于時間序列分析的新型數字解調方法，它借助現代數字處理系統強大的信號處理能力，可以實現動態和靜態參量的高分辨率、多點快速解調，具有測量分辨率高、復用性好、實時性好、性價比高、通用性強等特點，能夠較好地克服現有解調技術的缺陷。但是，由于該方法對系統初始參數極為敏感，且數值求解過程復雜，因此不易實現，測量精度也難以提高，限制了其推廣應用。
發明內容
本發明的目的就是為解決目前光纖光柵自相關數字解調技術數值求解過程復雜、對系統初始參數敏感等問題，提供一種具有方法簡便，測量精度高等優點的采用碼分多址實現光纖光柵自相關數字解調方法及其系統。
采用碼分多址技術實現的光纖光柵自相關數字解調方法是在自相關數字解調方法基礎上發展起來的一種時域分析方法，其基本工作原理描述如下 首先，采用碼分多址即CDMA技術對測點進行地址編碼，其具體方法為將多個編碼用光纖光柵布置在同一個測點構成一個編碼/傳感光柵單元，然后，根據此編碼/傳感光柵單元內多個編碼用光纖光柵使用狀態的不同，為該測點指定一個唯一的二進制數作為該測點的地址。在指定測點地址時，可以采用如本發明所述的編碼方式，也可以采用其他編碼方式，只要滿足(1)能夠保證不同測點的反射譜線形狀具有明顯的不同；(2)能夠滿足CDMA編碼條件。
其次，將測點連接到自相關數字解調裝置上，進行數字解調。此時，只要測點編碼滿足本發明給出的CDMA編碼條件，即可采用本發明所述方法進行解調。
為實現上述目的，本發明采用如下技術方案 一種采用碼分多址實現光纖光柵自相關數字解調方法的系統，它包括寬帶光源，寬帶光源與耦合器I的輸入端連接，耦合器I的一個輸出端與至少一組由傳感光柵組成的測量單元連接，另一輸出端與耦合器II連接；耦合器II的一個輸出端與調制光柵連接，同時另一輸出端經反饋控制單元與調制光柵連接。
所述測量單元為一組，它由多個傳感光柵串聯或并聯組成。
所述測量單元有多組，每組測量單元由多個傳感光柵串聯或并聯組成。
所述反饋控制單元包括一個光電探測器PD，它與耦合器II相匹配，光電探測器PD與運算放大器OP連接，OP經模數轉換器AD與計算機連接，計算機則與數模轉換器DA連接，數模轉換器DA經機電調制器與調制光柵連接。
一種采用碼分多址實現光纖光柵自相關數字解調系統進行解調的方法， 首先，采用碼分多址即CDMA技術對測點進行地址編碼，其具體方法為將多個編碼用光纖光柵布置在同一個測點構成一個編碼/傳感光柵單元，然后，根據此編碼/傳感光柵單元內多個編碼用光纖光柵使用狀態的不同，為該測點指定一個唯一的二進制數作為該測點的地址。在指定測點地址時，可以采用如本發明所述的編碼方式，也可以采用其他編碼方式，只要滿足(1)能夠保證不同測點的反射譜線形狀具有明顯的不同；(2)能夠滿足CDMA編碼條件。
對于一個測點進行單點解調時，設編碼用光纖光柵為m個，其中心波長分別為λ0、λ1、……、λm-1，并定義用中心波長為λ0的光纖光柵代表數字20，用中心波長為λ1的光纖光柵代表數字21，……，以此類推，用中心波長為λm-1的光纖光柵代表數字2m-1；用ci＝1(i＝0，1，…，m-1)表示中心波長為λi(i＝0，1，…，m-1)的編碼用光纖光柵接入測量系統，ci＝0(i＝0，1，…，m-1)表示中心波長為λi(i＝0，1，…，m-1)的編碼用光纖光柵沒有接入測量系統，則每個測點編碼用光纖光柵的狀態可以用一個二進制數cm-1…c1c0表示，這個二進制數就是該測點的地址；把測點上串聯的m個編碼用光纖光柵看作一個傳感光柵，則不同編碼的測點傳感光柵反射譜線形狀不同，且與該測點地址對應； 其次，采用自相關數字方法進行數字解調，其具體步驟為 設編碼用光纖光柵與系統調制光柵的反射譜均為高斯分布，即 編碼用光纖光柵的反射譜 調制光柵的反射譜 式中，λ為光波波長，λi、λM分別是對應CDMA編碼第i位(i＝0，1，…，m-1)編碼用光纖光柵和系統調制光柵的中心波長，Bi、BM分別是對應CDMA編碼第i位(i＝0，1，…，m-1)編碼用光纖光柵和系統調制光柵的半高帶寬，Ri、RM是對應CDMA編碼第i位(i＝0，1，…，m-1)編碼用光纖光柵和系統調制光柵的中心波長反射率； 把m個串聯的編碼用光纖光柵看作一個虛擬的傳感光柵時，則其反射譜可以寫為 式中ci是測點地址編碼的第i位(i＝0，1，…，m-1)，ci＝1表示使用中心波長為
的編碼用光纖光柵測量該點，ci＝0表示不使用中心波長為
的編碼用光纖光柵測量該點；λ為光波波長，λi是對應CDMA編碼第i位(i＝0，1，…，m-1)編碼用光纖光柵的中心波長，Bi是對應CDMA編碼第i位(i＝0，1，…，m-1)編碼用光纖光柵的半高帶寬，Ri是對應CDMA編碼第i位(i＝0，1，…，m-1)編碼用光纖光柵的中心波長反射率； 設各編碼用光纖光柵的中心波長反射率R0＝R1＝…＝Rm-1＝RS，各編碼用光纖光柵的半高帶寬B0＝B1＝…＝Bm-1＝BS，則式(3)可以簡化為 式中，λ為光波波長，λi是對應CDMA編碼第i位(i＝0，1，…，m-1)編碼用光纖光柵的中心波長，Bi是對應CDMA編碼第i位(i＝0，1，…，m-1)編碼用光纖光柵的半高帶寬，Ri是對應CDMA編碼第i位(i＝0，1，…，m-1)編碼用光纖光柵的中心波長反射率；ci是測點地址編碼的第i位(i＝0，1，…，m-1)，ci＝1表示使用中心波長為
的編碼用光纖光柵測量該點，ci＝0表示不使用中心波長為
的編碼用光纖光柵測量該點； 此時光電探測器PD的輸出可以寫為 光電探測器PD的輸出 式中 IO、RS、BS、RM、BM依次為發射光強度、編碼用光纖光柵中心波長反射率、編碼用光纖光柵半高帶寬、調制光柵中心波長反射率、調制光柵半高帶寬，均是系統常數； ci是測點地址編碼的第i位(i＝0，1，…，m-1)，ci＝1表示使用中心波長為
的編碼用光纖光柵測量該點，ci＝0表示不使用中心波長為
的編碼用光纖光柵測量該點； λi、λM分別是對應CDMA編碼第i位(i＝0，1，…，m-1)編碼用光纖光柵和系統調制光柵的中心波長，均隨時間t變化，一般可表示為 其中，
是對應CDMA編碼第i位(i＝0，1，…，m-1)編碼用光纖光柵初始中心波長，λi(t)是被測量x(t)引起的中心波長漂移，ks是編碼用光纖光柵波長漂移對被測量的測量靈敏度，ΛM0是調制光柵初始中心波長，kscan是調制光柵的掃描速率，tscan是掃描時間，可以表示為Tscan為掃描周期，<*>為求余運算； 被測物理量在同一掃描周期內不發生變化，則光電探測器在相鄰掃描周期內的輸出可以表示為 式中 Pk(t)是光電探測器在第k個掃描周期內的輸出信號，Pk+1(t)是光電探測器在第k+1個掃描周期內的輸出信號； 為系統常數，其中I0為發射光強度、RS、BS、RM、RM依次為編碼用光纖光柵中心波長反射率、編碼用光纖光柵半高帶寬、調制光柵中心波長反射率、調制光柵半高帶寬； ci是測點地址編碼的第i位(i＝0，1，…，m-1)，ci＝1表示使用中心波長為λi的編碼用光纖光柵測量該點，ci＝0表示不使用中心波長為λi的編碼用光纖光柵測量該點；
是對應CDMA編碼第i位(i＝0，1，…，m-1)編碼用光纖光柵初始中心波長，ΛM0是調制光柵初始中心波長； ks是編碼用光纖光柵波長漂移對被測量的測量靈敏度，kscan是調制光柵的掃描速率； x(kTscan)是第k個掃描周期內被測量的值，x((k+1)Tscan)是第k+1個掃描周期內被測量的值；t∈[0，Tscan)為掃描時間。
計算式(8)和(9)的卷積，有 式中 Pk+1(t)是光電探測器在第k+1個掃描周期內的輸出信號，Pk(t-τ)是光電探測器在第k個掃描周期內的輸出信號經時間延遲τ以后的值； 為系統常數，其中I0為發射光強度、RS、BS、RM、BM依次為編碼用光纖光柵中心波長反射率、編碼用光纖光柵半高帶寬、調制光柵中心波長反射率、調制光柵半高帶寬； ci是測點地址編碼的第i位(i＝0，1，…，m-1)，ci＝1表示使用中心波長為λi的編碼用光纖光柵測量該點，ci＝0表示不使用中心波長為λi的編碼用光纖光柵測量該點； cj是測點地址編碼的第j位(j＝0，1，…，m-1)，cj＝1表示使用中心波長為λj的編碼用光纖光柵測量該點，cj＝0表示不使用中心波長為λj的編碼用光纖光柵測量該點；
是對應CDMA編碼第i位(i＝0，1，…，m-1)編碼用光纖光柵初始中心波長，
是對應CDMA編碼第j位(j＝0，1，…，m-1)編碼用光纖光柵初始中心波長； ks是編碼用光纖光柵波長漂移對被測量的測量靈敏度，kscan是調制光柵的掃描速率； Δx＝x((k+1)Tscan)-x(kTscan)是相鄰掃描周期內被測量的變化，x(kTscan)是第k個掃描周期內被測量的值，x((k+1)Tscan)是第k+1個掃描周期內被測量的值； ksΔx即相鄰掃描周期內傳感光柵中心波長漂移的增量； 由式(10)可見，R(τ)是一系列由平移得到的高斯函數的疊加；若令則可以將式(10)近似寫為式(11) 式中第一項的系數為測點編碼的自相關，第二項的系數為測點編碼的互相關，δ(τ)為脈沖函數； 理想情況下，采用CDMA技術的測點編碼滿足條件 (12) 式中C為測點編碼的集合，w是碼字重量，即測點編碼中“1”的數目，也是碼字的自相關峰值； 于是式(11)簡化為 選擇時間延遲τ使滿足R(τ)＝w，有 于是有 Δλ＝kSΔx＝kscanτ (15) 在初始條件已知的情況下，依照 λk+1＝λk+Δλ(16) 即可實現解調目的。
在測量單元有多組需多點解調時，存在n個測點，每個測點均采用m個傳感光柵進行編碼，第j個(j＝1，2，…，n)測點的反射譜線可以表示為 式中，λ為光波波長，λi是對應CDMA編碼第i位(i＝0，1，…，m-1)光纖光柵的中心波長，BS是用于CDMA編碼的光纖光柵的半高帶寬，RS是用于CDMA編碼的光纖光柵的中心波長反射率，cj，i是第j個測點CDMA編碼的第i位(i＝0，1，…，m-1)； 假設各測點互不相關，則光電探測器輸出信號 式中 j＝1，2，…，n是測量系統中各測點的地址； i＝0，1，…，m-1是各測點編碼用光纖光柵的序號； cj，i是第j個測點第i位編碼用光纖光柵的系數，為“1”表示使用該光纖光柵進行測量，為“0”表示不使用該光纖光柵進行測量； λj，i是第j個測點第i位編碼用光纖光柵的中心波長，隨時間t變化，一般可表示為 其中，
是對應CDMA編碼第i位(i＝0，1，…，m-1)的光纖光柵初始中心波長，λj，i(t)是被測量xj(t)引起的中心波長漂移，ks是傳感光柵波長漂移對被測量的測量靈敏度； I0、RS、BS、RM、BM依次為發射光強度、編碼用光纖光柵中心波長反射率、編碼用光纖光柵半高帶寬、調制光柵中心波長反射率、調制光柵半高帶寬，均是系統常數； λM為調制光柵中心波長，隨時間t變化，一般可表示為 其中，ΛM0是調制光柵初始中心波長，kscan是調制光柵的掃描速率，tscan是掃描時間，可以表示為Tscan為掃描周期，<*>為求余運算； 仿照式(10)求相鄰掃描周期內光電探測器輸出信號的卷積，有 (21) 式中 Pk+1(t)是光電探測器在第k+1個掃描周期內的輸出信號，Pk(t-τ)是光電探測器在第k個掃描周期內的輸出信號經時間延遲τ以后的值； 是系統常數，其中RS、BS、RM、BM依次為編碼用光纖光柵中心波長反射率、編碼用光纖光柵半高帶寬、調制光柵中心波長反射率、調制光柵半高帶寬； kscan是調制光柵的掃描速率 cj，i是第j個測點第i位編碼用光纖光柵的系數，為“1”表示使用該光纖光柵進行測量，為“0”表示不使用該光纖光柵進行測量； cu，v是第u個測點第v位編碼用光纖光柵的系數，為“1”表示使用該光纖光柵進行測量，為“0”表示不使用該光纖光柵進行測量；
是測點u第v個編碼用光纖光柵的初始中心波長；
是測點j第i個編碼用光纖光柵初始中心波長； ks是傳感光柵波長漂移對被測量的測量靈敏度；
是測點u在第k個掃描周期的測量值；
是測點j在第k個掃描周期的測量值；是測點j相鄰掃描周期內測量值的增量，
是測點j在第k+1個掃描周期的測量值； 為便于計算，取系數則式(21)可進一步寫為 (22) 由式(22)可見，R(τ)是一系列由平移得到的高斯函數的疊加；若令則可以將式(22)近似寫為式(23) 式中第一項的系數為測點編碼的自相關，第二項的系數為測點編碼的互相關，第三項的系數為不同測點之間的互相關，δ(τ)為脈沖函數； 理想情況下，采用CDMA技術的測點編碼滿足條件 (24) 式中C為測點編碼的集合，w是碼字重量，即測點編碼中“1”的數目，也是碼字的自相關峰值； 于是式(23)簡化為 式中wj為第j個測點的碼重； 選擇不同的時間延遲τ1、τ2、……、τn，使其滿足條件 則有 由此可得到相鄰掃描周期傳感光柵中心波長的增量 進而得到傳感光柵中心波長的實際漂移 式中Tscan是調制光柵的掃描周期，
和
是傳感光柵在第k和第k+1個掃描周期的中心波長。
本發明的有益效果是 (1)利用CDMA技術對測點進行地址編碼，大量增加了光纖光柵傳感器的復用數目，明顯降低了其平均成本； (2)利用CDMA技術對測點進行地址編碼，將對光纖光柵波長漂移的測量徹底轉化為對時間的測量，提高了測量精度，簡化了自相關數字解調的解調過程； (3)利用CDMA技術對測點進行地址編碼，降低了自相關數字解調方法對系統初始條件的敏感程度，使其實現和求解更加簡單。
圖1為采用碼分多址技術的光纖光柵數字解調系統(單點)； 圖2為采用碼分多址技術的光纖光柵數字解調系統(多點)； 圖3為被測量隨時間變化情況； 圖4為測點1的輸出結果； 圖5為測點2的輸出結果。
具體實施例方式 下面結合附圖與實施例對本發明做進一步說明。
圖1中，它包括寬帶光源，寬帶光源與耦合器I的輸入端連接，耦合器I的一個輸出端與一組由傳感光柵組成的測量單元連接，另一輸出端與耦合器II連接；耦合器II的一個輸出端與調制光柵連接，同時另一輸出端經反饋控制單元與調制光柵連接。
測量單元由多個傳感光柵串聯或并聯組成。
反饋控制單元包括一個光電探測器PD，它與耦合器II相匹配，光電探測器PD與運算放大器OP連接，OP經模數轉換器與計算機連接，計算機則與數模轉換器連接，數模轉換器經機電調制器與調制光柵連接。
圖2中，測量單元有n組，其余結構與圖1中相同，不再贅述。
本發明的解調方法為 首先，采用碼分多址即CDMA技術對測點進行地址編碼，其具體方法為將多個編碼用光纖光柵布置在同一個測點構成一個編碼/傳感光柵單元，然后，根據此編碼/傳感光柵單元內多個編碼用光纖光柵使用狀態的不同，為該測點指定一個唯一的二進制數作為該測點的地址。在指定測點地址時，可以采用如本發明所述的編碼方式，也可以采用其他編碼方式，只要滿足(1)能夠保證不同測點的反射譜線形狀具有明顯的不同；(2)能夠滿足CDMA編碼條件。
對于一個測點進行單點解調時，設編碼用光纖光柵為m個，其中心波長分別為λ0、λ1、……、λm-1，并定義用中心波長為λ0的光纖光柵代表數字20，用中心波長為λ1的光纖光柵代表數字21，……，以此類推，用中心波長為λm-1的光纖光柵代表數字2m-1；用ci＝1(i＝0，1，…，m-1)表示中心波長為λi(i＝0，1，…，m-1)的編碼用光纖光柵接入測量系統，ci＝0(i＝0，1，…，m-1)表示中心波長為λi(i＝0，1，…，m-1)的編碼用光纖光柵沒有接入測量系統，則每個測點編碼用光纖光柵的狀態可以用一個二進制數cm-1…c1c0表示，這個二進制數就是該測點的地址；把測點上串聯的m個編碼用光纖光柵看作一個傳感光柵，則不同編碼的測點傳感光柵反射譜線形狀不同，且與該測點地址對應； 其次，采用自相關數字方法進行數字解調，其具體步驟為 設編碼用光纖光柵與系統調制光柵的反射譜均為高斯分布，即 編碼用光纖光柵的反射譜 調制光柵的反射譜 式中，λ為光波波長，λi、λM分別是對應CDMA編碼第i位(i＝0，1，…，m-1)編碼用光纖光柵和系統調制光柵的中心波長，Bi、BM分別是對應CDMA編碼第i位(i＝0，1，…，m-1)編碼用光纖光柵和系統調制光柵的半高帶寬，Ri、RM是對應CDMA編碼第i位(i＝0，1，…，m-1)編碼用光纖光柵和系統調制光柵的中心波長反射率； 把m個串聯的編碼用光纖光柵看作一個虛擬的傳感光柵時，則其反射譜可以寫為 式中ci是測點地址編碼的第i位(i＝0，1，…，m-1)，ci＝1表示使用中心波長為
的編碼用光纖光柵測量該點，ci＝0表示不使用中心波長為
的編碼用光纖光柵測量該點；λ為光波波長，λi是對應CDMA編碼第i位(i＝0，1，…，m-1)編碼用光纖光柵的中心波長，Bi是對應CDMA編碼第i位(i＝0，1，…，m-1)編碼用光纖光柵的半高帶寬，Ri是對應CDMA編碼第i位(i＝0，1，…，m-1)編碼用光纖光柵的中心波長反射率； 設各編碼用光纖光柵的中心波長反射率R0＝R1＝…＝Rm-1＝RS，各編碼用光纖光柵的半高帶寬B0＝B1＝…＝Bm-1＝BS，則式(3)可以簡化為 式中，λ為光波波長，λi是對應CDMA編碼第i位(i＝0，1，…，m-1)編碼用光纖光柵的中心波長，Bi是對應CDMA編碼第i位(i＝0，1，…，m-1)編碼用光纖光柵的半高帶寬，Ri是對應CDMA編碼第i位(i＝0，1，…，m-1)編碼用光纖光柵的中心波長反射率；ci是測點地址編碼的第i位(i＝0，1，…，m-1)，ci＝1表示使用中心波長為
的編碼用光纖光柵測量該點，ci＝0表示不使用中心波長為
的編碼用光纖光柵測量該點； 此時光電探測器PD的輸出可以寫為 光電探測器PD的輸出 式中 IO、RS、BS、RM、BM依次為發射光強度、編碼用光纖光柵中心波長反射率、編碼用光纖光柵半高帶寬、調制光柵中心波長反射率、調制光柵半高帶寬，均是系統常數； ci是測點地址編碼的第i位(i＝0，1，…，m-1)，ci＝1表示使用中心波長為
的編碼用光纖光柵測量該點，ci＝0表示不使用中心波長為
的編碼用光纖光柵測量該點； λi、λM分別是對應CDMA編碼第i位(i＝0，1，…，m-1)編碼用光纖光柵和系統調制光柵的中心波長，均隨時間t變化，一般可表示為 其中，
是對應CDMA編碼第i位(i＝0，1，…，m-1)編碼用光纖光柵初始中心波長，λi(t)是被測量x(t)引起的中心波長漂移，ks是編碼用光纖光柵波長漂移對被測量的測量靈敏度，
是調制光柵初始中心波長，kscan是調制光柵的掃描速率，tscan是掃描時間，可以表示為Tscan為掃描周期，<*>為求余運算； 被測物理量在同一掃描周期內不發生變化，則光電探測器在相鄰掃描周期內的輸出可以表示為 式中 Pk(t)是光電探測器在第k個掃描周期內的輸出信號，Pk+1(t)是光電探測器在第k+1個掃描周期內的輸出信號； 為系統常數，其中I0為發射光強度、RS、BS、RM、BM依次為編碼用光纖光柵中心波長反射率、編碼用光纖光柵半高帶寬、調制光柵中心波長反射率、調制光柵半高帶寬； ci是測點地址編碼的第i位(i＝0，1，…，m-1)，ci＝1表示使用中心波長為λi的編碼用光纖光柵測量該點，ci＝0表示不使用中心波長為λi的編碼用光纖光柵測量該點；
是對應CDMA編碼第i位(i＝0，1，…，m-1)編碼用光纖光柵初始中心波長，ΛM0是調制光柵初始中心波長； ks是編碼用光纖光柵波長漂移對被測量的測量靈敏度，kscan是調制光柵的掃描速率； x(kTscan)是第k個掃描周期內被測量的值，x((k+1)Tscan)是第k+1個掃描周期內被測量的值；t∈[0，Tscan)為掃描時間。
計算式(8)和(9)的卷積，有 式中 Pk+1(t)是光電探測器在第k+1個掃描周期內的輸出信號，Pk(t-τ)是光電探測器在第k個掃描周期內的輸出信號經時間延遲τ以后的值； 為系統常數，其中I0為發射光強度、RS、BS、RM、BM依次為編碼用光纖光柵中心波長反射率、編碼用光纖光柵半高帶寬、調制光柵中心波長反射率、調制光柵半高帶寬； ci是測點地址編碼的第i位(i＝0，1，…，m-1)，ci＝1表示使用中心波長為λi的編碼用光纖光柵測量該點，ci＝0表示不使用中心波長為λi的編碼用光纖光柵測量該點； cj是測點地址編碼的第j位(j＝0，1，…，m-1)，cj＝1表示使用中心波長為λj的編碼用光纖光柵測量該點，cj＝0表示不使用中心波長為λj的編碼用光纖光柵測量該點；
是對應CDMA編碼第i位(i＝0，1，…，m-1)編碼用光纖光柵初始中心波長，
是對應CDMA編碼第j位(j＝0，1，…，m-1)編碼用光纖光柵初始中心波長； ks是編碼用光纖光柵波長漂移對被測量的測量靈敏度，kscan是調制光柵的掃描速率； Δx＝x((k+1)Tscan)-x(kTscan)是相鄰掃描周期內被測量的變化，x(kTscan)是第k個掃描周期內被測量的值，x((k+1)Tscan)是第k+1個掃描周期內被測量的值； kSΔx即相鄰掃描周期內傳感光柵中心波長漂移的增量； 由式(10)可見，R(τ)是一系列由平移得到的高斯函數的疊加；若令則可以將式(10)近似寫為式(11) 式中第一項的系數為測點編碼的自相關，第二項的系數為測點編碼的互相關，δ(τ)為脈沖函數； 理想情況下，采用CDMA技術的測點編碼滿足條件 (12) 式中C為測點編碼的集合，w是碼字重量，即測點編碼中“1”的數目，也是碼字的自相關峰值； 于是式(11)簡化為 選擇時間延遲τ使滿足R(τ)＝w，有 于是有 Δλ＝kSΔx＝kscanτ (15) 在初始條件已知的情況下，依照 λk+1＝λk+Δλ (16) 即可實現解調目的。
在測量單元有多組需多點解調時，存在n個測點，每個測點均采用m個傳感光柵進行編碼，第j個(j＝1，2，…，n)測點的反射譜線可以表示為 式中，λ為光波波長，λi是對應CDMA編碼第i位(i＝0，1，…，m-1)光纖光柵的中心波長，BS是用于CDMA編碼的光纖光柵的半高帶寬，RS是用于CDMA編碼的光纖光柵的中心波長反射率，cj，i是第j個測點CDMA編碼的第i位(i＝0，1，…，m-1)； 假設各測點互不相關，則光電探測器輸出信號 式中 j＝1，2，…，n是測量系統中各測點的地址； i＝0，1，…，m-1是各測點編碼用光纖光柵的序號； cj，i是第j個測點第i位編碼用光纖光柵的系數，為“1”表示使用該光纖光柵進行測量，為“0”表示不使用該光纖光柵進行測量； λj，i是第j個測點第i位編碼用光纖光柵的中心波長，隨時間t變化，一般可表示為 其中，
是對應CDMA編碼第i位(i＝0，1，…，m-1)的光纖光柵初始中心波長，λj，i(t)是被測量xj(t)引起的中心波長漂移，ks是傳感光柵波長漂移對被測量的測量靈敏度； I0、RS、BS、RM、BM依次為發射光強度、編碼用光纖光柵中心波長反射率、編碼用光纖光柵半高帶寬、調制光柵中心波長反射率、調制光柵半高帶寬，均是系統常數； λM為調制光柵中心波長，隨時間t變化，一般可表示為 其中，ΛM0是調制光柵初始中心波長，kscan是調制光柵的掃描速率，tscan是掃描時間，可以表示為Tscan為掃描周期，<*>為求余運算； 仿照式(10)求相鄰掃描周期內光電探測器輸出信號的卷積，有 (21) 式中 Pk+1(t)是光電探測器在第k+1個掃描周期內的輸出信號，Pk(t-τ)是光電探測器在第k個掃描周期內的輸出信號經時間延遲τ以后的值； 是系統常數，其中RS、BS、RM、BM依次為編碼用光纖光柵中心波長反射率、編碼用光纖光柵半高帶寬、調制光柵中心波長反射率、調制光柵半高帶寬； kscan是調制光柵的掃描速率 cj，i是第j個測點第i位編碼用光纖光柵的系數，為“1”表示使用該光纖光柵進行測量，為“0”表示不使用該光纖光柵進行測量； cu，v是第u個測點第v位編碼用光纖光柵的系數，為“1”表示使用該光纖光柵進行測量，為“0”表示不使用該光纖光柵進行測量；
是測點u第v個編碼用光纖光柵的初始中心波長；
是測點j第i個編碼用光纖光柵初始中心波長； ks是傳感光柵波長漂移對被測量的測量靈敏度；
是測點u在第k個掃描周期的測量值；
是測點j在第k個掃描周期的測量值；是測點j相鄰掃描周期內測量值的增量，
是測點j在第k+1個掃描周期的測量值； 為便于計算，取系數則式(21)可進一步寫為 由式(22)可見，R(τ)是一系列由平移得到的高斯函數的疊加；若令則可以將式(22)近似寫為式(23) 式中第一項的系數為測點編碼的自相關，第二項的系數為測點編碼的互相關，第三項的系數為不同測點之間的互相關，δ(τ)為脈沖函數； 理想情況下，采用CDMA技術的測點編碼滿足條件 式中C為測點編碼的集合，w是碼字重量，即測點編碼中“1”的數目，也是碼字自相關峰值； 于是式(23)簡化為 式中wj為第j個測點的碼重； 選擇不同的時間延遲τ1、τ2、……、τn，使其滿足條件 則有 由此可得到相鄰掃描周期傳感光柵中心波長的增量 進而得到傳感光柵中心波長的實際漂移 式中Tscan是調制光柵的掃描周期，
和
是傳感光柵在第k和第k+1個掃描周期的中心波長。
解調實例 圖2中，令調制光柵的波長調諧范圍是1550-1555nm，半高帶寬是0.07nm，中心波長反射率是0.9。且系統中只有兩個測點，二進制地址分別為“01”和“11”。假設編碼使用的光纖光柵初始中心波長分別為1552nm和1554nm，半高帶寬為0.1nm，中心波長反射率為0.9。
假設測點“01”處被測量引起的波長漂移如圖3中曲線1所示，測點“11”處被測量引起的波長漂移如圖3中曲線2所示，則當調制光柵掃描周期為0.1s時，采用前述解調方法得到如圖4、圖5所示結果。圖中虛線為理想輸出情況，實線為測點輸出。
權利要求
1.一種采用碼分多址實現光纖光柵自相關數字解調方法的系統，其特征是，它包括寬帶光源，寬帶光源與耦合器I的輸入端連接，耦合器I的一個輸出端與至少一個由一組傳感光柵組成的測量單元連接，另一輸出端與耦合器II連接；耦合器II的一個輸出端與調制光柵連接，同時另一輸出端經反饋控制單元與調制光柵連接。
2.如權利要求1所述的采用碼分多址實現光纖光柵自相關數字解調方法的系統，其特征是，所述測量單元為一個，它由多個傳感光柵串聯或并聯組成，傳感光柵為光纖光柵。
3.如權利要求1所述的采用碼分多址實現光纖光柵自相關數字解調方法的系統，其特征是，所述測量單元有多個，每個測量單元由多個傳感光柵串聯或并聯組成，傳感光柵為光纖光柵。
4.如權利要求1所述的采用碼分多址實現光纖光柵自相關數字解調方法的系統，其特征是，所述反饋控制單元包括一個光電探測器PD，它與耦合器II相匹配，光電探測器PD與運算放大器OP連接，OP經模數轉換器AD與計算機連接，計算機則與數模轉換器DA連接，數模轉換器DA經機電調制器與調制光柵連接。
5.一種權利要求1所述采用碼分多址實現光纖光柵自相關數字解調系統進行解調的方法，其特征是，
首先，采用碼分多址即CDMA技術對測點進行地址編碼；
對于一個測點進行單點解調時，設編碼用光纖光柵為m個，其中心波長分別為λ0、λ1、……、λm-1，并定義用中心波長為λ0的光纖光柵代表數字20，用中心波長為λ1的光纖光柵代表數字21，……，以此類推，用中心波長為λm-1的光纖光柵代表數字2m-1；用ci＝1(i＝0，1，…，m-1)表示中心波長為λi(i＝0，1，…，m-1)的編碼用光纖光柵接入測量系統，ci＝0(i＝0，1，…，m-1)表示中心波長為λi(i＝0，1，…，m-1)的編碼用光纖光柵沒有接入測量系統，則每個測點編碼用光纖光柵的狀態可以用一個二進制數cm-1…c1c0表示，這個二進制數就是該測點的地址；把測點上串聯的m個編碼用光纖光柵看作一個傳感光柵，則不同編碼的測點傳感光柵反射譜線形狀不同，且與該測點地址對應；
其次，采用自相關數字方法進行數字解調，其具體步驟為
設編碼用光纖光柵與系統調制光柵的反射譜均為高斯分布，即
編碼用光纖光柵的反射譜
調制光柵的反射譜
式中，λ為光波波長，λi、λM分別是對應CDMA編碼第i位(i＝0，1，…，m-1)編碼用光纖光柵和系統調制光柵的中心波長，Bi、BM分別是對應CDMA編碼第i位(i＝0，1，…，m-1)編碼用光纖光柵和系統調制光柵的半高帶寬，Ri、RM是對應CDMA編碼第i位(i＝0，1，…，m-1)編碼用光纖光柵和系統調制光柵的中心波長反射率；
把m個串聯的編碼用光纖光柵看作一個虛擬的傳感光柵時，則其反射譜可以寫為
式中ci是測點地址編碼的第i位(i＝0，1，…，m-1)，ci＝1表示使用中心波長為
的編碼用光纖光柵測量該點，ci＝0表示不使用中心波長為
的編碼用光纖光柵測量該點；λ為光波波長，λi是對應CDMA編碼第i位(i＝0，1，…，m-1)編碼用光纖光柵的中心波長，Bi是對應CDMA編碼第i位(i＝0，1，…，m-1)編碼用光纖光柵的半高帶寬，Ri是對應CDMA編碼第i位(i＝0，1，…，m-1)編碼用光纖光柵的中心波長反射率；
設各編碼用光纖光柵的中心波長反射率B0＝R1＝…＝Rm-1＝RS，各編碼用光纖光柵的半高帶寬B0＝B1＝…＝Bm-1＝BS，則式(3)可以簡化為
式中，λ為光波波長，λi是對應CDMA編碼第i位(i＝0，1，…，m-1)編碼用光纖光柵的中心波長，Bi是對應CDMA編碼第i位(i＝0，1，…，m-1)編碼用光纖光柵的半高帶寬，Ri是對應CDMA編碼第i位(i＝0，1，…，m-1)編碼用光纖光柵的中心波長反射率；ci是測點地址編碼的第i位(i＝0，1，…，m-1)，ci＝1表示使用中心波長為
的編碼用光纖光柵測量該點，ci＝0表示不使用中心波長為
的編碼用光纖光柵測量該點；
此時光電探測器PD的輸出可以寫為
光電探測器PD的輸出
式中
I0、RS、BS、RM、BM依次為發射光強度、編碼用光纖光柵中心波長反射率、編碼用光纖光柵半高帶寬、調制光柵中心波長反射率、調制光柵半高帶寬，均是系統常數；
ci是測點地址編碼的第i位(i＝0，1，…，m-1)，ci＝1表示使用中心波長為
的編碼用光纖光柵測量該點，ci＝0表示不使用中心波長為
的編碼用光纖光柵測量該點；
λi、λM分別是對應CDMA編碼第i位(i＝0，1，…，m-1)編碼用光纖光柵和系統調制光柵的中心波長，均隨時間t變化，一般可表示為
其中，
是對應CDMA編碼第i位(i＝0，1，…，m-1)編碼用光纖光柵初始中心波長，λi(t)是被測量x(t)引起的中心波長漂移，ks是編碼用光纖光柵波長漂移對被測量的測量靈敏度，ΛM0是調制光柵初始中心波長，kscan是調制光柵的掃描速率，tscan是掃描時間，可以表示為tscan＝〈t〉Tscan，Tscan為掃描周期，〈*〉為求余運算；
被測物理量在同一掃描周期內不發生變化，則光電探測器在相鄰掃描周期內的輸出可以表示為
式中:
Pk(t)是光電探測器在第k個掃描周期內的輸出信號，Pk+1(t)是光電探測器在第k+1個掃描周期內的輸出信號；
為系統常數，其中I0為發射光強度、RS、BS、RM、BM依次為編碼用光纖光柵中心波長反射率、編碼用光纖光柵半高帶寬、調制光柵中心波長反射率、調制光柵半高帶寬；
ci是測點地址編碼的第i位(i＝0，1，…，m-1)，ci＝1表示使用中心波長為λi的編碼用光纖光柵測量該點，ci＝0表示不使用中心波長為λi的編碼用光纖光柵測量該點；
是對應CDMA編碼第i位(i＝0，1，…，m-1)編碼用光纖光柵初始中心波長，ΛM0是調制光柵初始中心波長；
ks是編碼用光纖光柵波長漂移對被測量的測量靈敏度，kscan是調制光柵的掃描速率；
x(kTscan)是第k個掃描周期內被測量的值，x((k+1)Tscan)是第k+1個掃描周期內被測量的值；t∈[0，Tscan)為掃描時間；
計算式(8)和(9)的卷積，有
式中
Pk+1(t)是光電探測器在第k+1個掃描周期內的輸出信號，Pk(t-τ)是光電探測器在第k個掃描周期內的輸出信號經時間延遲τ以后的值；
為系統常數，其中I0為發射光強度、RS、BS、RM、BM依次為編碼用光纖光柵中心波長反射率、編碼用光纖光柵半高帶寬、調制光柵中心波長反射率、調制光柵半高帶寬；
ci是測點地址編碼的第i位(i＝0，1，…，m-1)，ci＝1表示使用中心波長為λi的編碼用光纖光柵測量該點，ci＝0表示不使用中心波長為λi的編碼用光纖光柵測量該點；
cj是測點地址編碼的第j位(j＝0，1，…，m-1)，cj＝1表示使用中心波長為λj的編碼用光纖光柵測量該點，cj＝0表示不使用中心波長為λj的編碼用光纖光柵測量該點；
是對應CDMA編碼第i位(i＝0，1，…，m-1)編碼用光纖光柵初始中心波長，
是對應CDMA編碼第j位(j＝0，1，…，m-1)編碼用光纖光柵初始中心波長；
ks是編碼用光纖光柵波長漂移對被測量的測量靈敏度，kscan是調制光柵的掃描速率；
Δx＝x((k+1)Tscan)-x(kTscan)是相鄰掃描周期內被測量的變化，x(kTscan)是第k個掃描周期內被測量的值，x((k+1)Tscan)是第k+1個掃描周期內被測量的值；
kSΔx即相鄰掃描周期內傳感光柵中心波長漂移的增量；
由式(10)可見，R(τ)是一系列由平移得到的高斯函數的疊加；若令則可以將式(10)近似寫為式(11)
式中第一項的系數為測點編碼的自相關，第二項的系數為測點編碼的互相關，δ(τ)為脈沖函數；
理想情況下，采用CDMA技術的測點編碼滿足條件
(12)
式中C為測點編碼的集合，w是碼字重量，即測點編碼中“1”的數目，也是碼字的自相關峰值；
于是式(11)簡化為
選擇時間延遲τ使滿足R(τ)＝w，有
于是有
Δλ＝kSΔx＝kscanτ (15)
在初始條件已知的情況下，依照
λk+1＝λk+Δλ (16)
即可實現解調目的。
6.如權利要求5所述的采用碼分多址實現光纖光柵自相關數字解調系統進行解調的方法，其特征是，所述地址編碼的具體方法為將多個編碼用光纖光柵布置在同一個測點構成一個編碼/傳感光柵單元，然后，根據此編碼/傳感光柵單元內多個編碼用光纖光柵使用狀態的不同，為該測點指定一個唯一的二進制數作為該測點的地址。
7.如權利要求5或6所述的采用碼分多址實現光纖光柵自相關數字解調系統進行解調的方法，其特征是，在測量單元有多組需多點解調時，存在n個測點，每個測點均采用m個傳感光柵進行編碼，第j個(j＝1，2，…，n)測點的反射譜線可以表示為
式中，λ為光波波長，λi是對應CDMA編碼第i位(i＝0，1，…，m-1)光纖光柵的中心波長，BS是用于CDMA編碼的光纖光柵的半高帶寬，RS是用于CDMA編碼的光纖光柵的中心波長反射率，cj，i是第j個測點CDMA編碼的第i位(i＝0，1，…，m-1)；
假設各測點互不相關，則光電探測器輸出信號
式中
j＝1，2，…，n是測量系統中各測點的地址；
i＝0，1，…，m-1是各測點編碼用光纖光柵的序號；
cj，i是第j個測點第i位編碼用光纖光柵的系數，為“1”表示使用該光纖光柵進行測量，為“0”表示不使用該光纖光柵進行測量；
λj，i是第j個測點第i位編碼用光纖光柵的中心波長，隨時間t變化，一般可表示為
其中，
是對應CDMA編碼第i位(i＝0，1，…，m-1)的光纖光柵初始中心波長，λj，i(t)是被測量xj(t)引起的中心波長漂移，ks是傳感光柵波長漂移對被測量的測量靈敏度；
I0、RS、BS、RM、BM依次為發射光強度、編碼用光纖光柵中心波長反射率、編碼用光纖光柵半高帶寬、調制光柵中心波長反射率、調制光柵半高帶寬，均是系統常數；
λM為調制光柵中心波長，隨時間t變化，一般可表示為
其中，ΛM0是調制光柵初始中心波長，kscan是調制光柵的掃描速率，tscan是掃描時間，可以表示為Tscan為掃描周期，〈*〉為求余運算；
仿照式(10)求相鄰掃描周期內光電探測器輸出信號的卷積，有
(21)
式中
Pk+1(t)是光電探測器在第k+1個掃描周期內的輸出信號，Pk(t-τ)是光電探測器在第k個掃描周期內的輸出信號經時間延遲τ以后的值；
是系統常數，其中RS、BS、RM、BM依次為編碼用光纖光柵中心波長反射率、編碼用光纖光柵半高帶寬、調制光柵中心波長反射率、調制光柵半高帶寬；
kscan是調制光柵的掃描速率
cj，i是第j個測點第i位編碼用光纖光柵的系數，為“1”表示使用該光纖光柵進行測量，為“0”表示不使用該光纖光柵進行測量；
cu，v是第u個測點第v位編碼用光纖光柵的系數，為“1”表示使用該光纖光柵進行測量，為“0”表示不使用該光纖光柵進行測量；
是測點u第v個編碼用光纖光柵的初始中心波長；
是測點j第i個編碼用光纖光柵初始中心波長；
ks是傳感光柵波長漂移對被測量的測量靈敏度；
是測點u在第k個掃描周期的測量值；
是測點j在第k個掃描周期的測量值；是測點j相鄰掃描周期內測量值的增量，
是測點j在第k+1個掃描周期的測量值；
為便于計算，取系數則式(21)可進一步寫為
由式(22)可見，R(τ)是一系列由平移得到的高斯函數的疊加；若令則可以將式(22)近似寫為式(23)
式中第一項的系數為測點編碼的自相關，第二項的系數為測點編碼的互相關，第三項的系數為不同測點之間的互相關，δ(τ)為脈沖函數；
理想情況下，采用CDMA技術的測點編碼滿足條件
(24)
式中C為測點編碼的集合，w是碼字重量，即測點編碼中“1”的數目，也是碼字的自相關峰值；
于是式(23)簡化為
式中wj為第j個測點的碼重；
選擇不同的時間延遲τ1、τ2、……、τn，使其滿足條件
則有
由此可得到相鄰掃描周期傳感光柵中心波長的增量
進而得到傳感光柵中心波長的實際漂移
式中Tscan是調制光柵的掃描周期，
和
是傳感光柵在第k和第k+1個掃描周期的中心波長。
全文摘要
本發明公開了一種采用碼分多址實現光纖光柵自相關數字解調方法及其系統。它解決了目前光纖光柵自相關數字解調技術數值求解過程復雜、對系統初始參數敏感等問題，具有方法簡便，測量精度高等優點。其結構為它包括寬帶光源，寬帶光源與耦合器I的輸入端連接，耦合器I的一個輸出端與至少一組由傳感光柵組成的測量單元連接，另一輸出端與耦合器II連接；耦合器II的一個輸出端與調制光柵連接，同時另一輸出端經反饋控制單元與調制光柵連接。
文檔編號H04J14/00GK101383676SQ20081015748
公開日2009年3月11日 申請日期2008年10月14日 優先權日2008年10月14日
發明者李東升 申請人:李東升