專利名稱：采用碼分多址實(shí)現(xiàn)光纖光柵自相關(guān)數(shù)字解調(diào)方法及其系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種采用碼分多址實(shí)現(xiàn)光纖光柵自相關(guān)數(shù)字解調(diào)方法及其系統(tǒng)。

背景技術(shù)：
光纖光柵傳感器是一種波長(zhǎng)調(diào)制型器件，結(jié)構(gòu)緊湊，抗干擾能力強(qiáng)，便于利用復(fù)用(波分、時(shí)分、空分)技術(shù)形成光纖傳感網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行大面積多點(diǎn)測(cè)量，在通信、建筑、機(jī)械、醫(yī)療、航天、航海、礦業(yè)等許多領(lǐng)域都有著廣闊的應(yīng)用前景，在近年得到很大的發(fā)展。
目前，關(guān)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(chǎn)能力，而如何降低成本，完善解調(diào)和復(fù)用技術(shù)，滿足工程上高精度應(yīng)用的要求已成為急需解決的問題。
光纖光柵解調(diào)技術(shù)是一種光纖光柵波長(zhǎng)漂移高分辨探測(cè)技術(shù)，其主要目的是對(duì)傳感光柵反射譜進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，分析出編碼波長(zhǎng)的變化并將其轉(zhuǎn)化為電信號(hào)輸出，實(shí)質(zhì)是對(duì)一束光中不同編碼光進(jìn)行分辨和測(cè)量。理想的探測(cè)方法應(yīng)滿足下面要求(1)測(cè)量范圍大，分辨率高；(2)復(fù)用性好；(3)實(shí)時(shí)性好；(4)通用性強(qiáng)。
目前，國(guó)內(nèi)外對(duì)此技術(shù)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(diào)方案，最常用的是濾波法、干涉法和可調(diào)諧光源掃描法，如附表1所示。比較說來，國(guó)外在這方面的研究較為成熟，有先進(jìn)的技術(shù)和產(chǎn)品；而國(guó)內(nèi)仍處于研發(fā)階段，相應(yīng)的產(chǎn)品主要依賴進(jìn)口，所以迫切需要先進(jìn)的具有自主產(chǎn)權(quán)的技術(shù)和產(chǎn)品。
表格1.主要解調(diào)技術(shù)性能對(duì)比
從附表1中可以看出，這些解調(diào)方法，要么技術(shù)復(fù)雜，性價(jià)比低，普通領(lǐng)域難以接受；要么實(shí)時(shí)性差，分辨率低，難以適應(yīng)工程測(cè)量的需要，因此都不能完全滿足實(shí)際應(yīng)用的要求。具體說來，現(xiàn)有技術(shù)的缺陷主要表現(xiàn)在以下幾個(gè)方面(1)強(qiáng)噪聲背景下高分辨檢測(cè)問題難以解決；(2)復(fù)用傳感器數(shù)量有限，傳感網(wǎng)絡(luò)規(guī)模難以適應(yīng)實(shí)際需求；(3)實(shí)時(shí)檢測(cè)問題難以解決。
光纖光柵自相關(guān)數(shù)字解調(diào)方法是擁有自主產(chǎn)權(quán)的一種基于時(shí)間序列分析的新型數(shù)字解調(diào)方法，它借助現(xiàn)代數(shù)字處理系統(tǒng)強(qiáng)大的信號(hào)處理能力，可以實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)和靜態(tài)參量的高分辨率、多點(diǎn)快速解調(diào)，具有測(cè)量分辨率高、復(fù)用性好、實(shí)時(shí)性好、性價(jià)比高、通用性強(qiáng)等特點(diǎn)，能夠較好地克服現(xiàn)有解調(diào)技術(shù)的缺陷。但是，由于該方法對(duì)系統(tǒng)初始參數(shù)極為敏感，且數(shù)值求解過程復(fù)雜，因此不易實(shí)現(xiàn)，測(cè)量精度也難以提高，限制了其推廣應(yīng)用。


發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的就是為解決目前光纖光柵自相關(guān)數(shù)字解調(diào)技術(shù)數(shù)值求解過程復(fù)雜、對(duì)系統(tǒng)初始參數(shù)敏感等問題，提供一種具有方法簡(jiǎn)便，測(cè)量精度高等優(yōu)點(diǎn)的采用碼分多址實(shí)現(xiàn)光纖光柵自相關(guān)數(shù)字解調(diào)方法及其系統(tǒng)。
采用碼分多址技術(shù)實(shí)現(xiàn)的光纖光柵自相關(guān)數(shù)字解調(diào)方法是在自相關(guān)數(shù)字解調(diào)方法基礎(chǔ)上發(fā)展起來的一種時(shí)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(shù)對(duì)測(cè)點(diǎn)進(jìn)行地址編碼，其具體方法為將多個(gè)編碼用光纖光柵布置在同一個(gè)測(cè)點(diǎn)構(gòu)成一個(gè)編碼/傳感光柵單元，然后，根據(jù)此編碼/傳感光柵單元內(nèi)多個(gè)編碼用光纖光柵使用狀態(tài)的不同，為該測(cè)點(diǎn)指定一個(gè)唯一的二進(jìn)制數(shù)作為該測(cè)點(diǎn)的地址。在指定測(cè)點(diǎn)地址時(shí)，可以采用如本發(fā)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(cè)點(diǎn)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(cè)點(diǎn)連接到自相關(guān)數(shù)字解調(diào)裝置上，進(jìn)行數(shù)字解調(diào)。此時(shí)，只要測(cè)點(diǎn)編碼滿足本發(fā)明給出的CDMA編碼條件，即可采用本發(fā)明所述方法進(jìn)行解調(diào)。
為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用如下技術(shù)方案 一種采用碼分多址實(shí)現(xiàn)光纖光柵自相關(guān)數(shù)字解調(diào)方法的系統(tǒng)，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(gè)輸出端與至少一組由傳感光柵組成的測(cè)量單元連接，另一輸出端與耦合器II連接；耦合器II的一個(gè)輸出端與調(diào)制光柵連接，同時(shí)另一輸出端經(jīng)反饋控制單元與調(diào)制光柵連接。
所述測(cè)量單元為一組，它由多個(gè)傳感光柵串聯(lián)或并聯(lián)組成。
所述測(cè)量單元有多組，每組測(cè)量單元由多個(gè)傳感光柵串聯(lián)或并聯(lián)組成。
所述反饋控制單元包括一個(gè)光電探測(cè)器PD，它與耦合器II相匹配，光電探測(cè)器PD與運(yùn)算放大器OP連接，OP經(jīng)模數(shù)轉(zhuǎn)換器AD與計(jì)算機(jī)連接，計(jì)算機(jī)則與數(shù)模轉(zhuǎn)換器DA連接，數(shù)模轉(zhuǎn)換器DA經(jīng)機(jī)電調(diào)制器與調(diào)制光柵連接。
一種采用碼分多址實(shí)現(xiàn)光纖光柵自相關(guān)數(shù)字解調(diào)系統(tǒng)進(jìn)行解調(diào)的方法， 首先，采用碼分多址即CDMA技術(shù)對(duì)測(cè)點(diǎn)進(jìn)行地址編碼，其具體方法為將多個(gè)編碼用光纖光柵布置在同一個(gè)測(cè)點(diǎn)構(gòu)成一個(gè)編碼/傳感光柵單元，然后，根據(jù)此編碼/傳感光柵單元內(nèi)多個(gè)編碼用光纖光柵使用狀態(tài)的不同，為該測(cè)點(diǎn)指定一個(gè)唯一的二進(jìn)制數(shù)作為該測(cè)點(diǎn)的地址。在指定測(cè)點(diǎn)地址時(shí)，可以采用如本發(fā)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(cè)點(diǎn)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(duì)于一個(gè)測(cè)點(diǎn)進(jìn)行單點(diǎn)解調(diào)時(shí)，設(shè)編碼用光纖光柵為m個(gè)，其中心波長(zhǎng)分別為λ0、λ1、……、λm-1，并定義用中心波長(zhǎng)為λ0的光纖光柵代表數(shù)字20，用中心波長(zhǎng)為λ1的光纖光柵代表數(shù)字21，……，以此類推，用中心波長(zhǎng)為λm-1的光纖光柵代表數(shù)字2m-1；用ci＝1(i＝0，1，…，m-1)表示中心波長(zhǎng)為λi(i＝0，1，…，m-1)的編碼用光纖光柵接入測(cè)量系統(tǒng)，ci＝0(i＝0，1，…，m-1)表示中心波長(zhǎng)為λi(i＝0，1，…，m-1)的編碼用光纖光柵沒有接入測(cè)量系統(tǒng)，則每個(gè)測(cè)點(diǎn)編碼用光纖光柵的狀態(tài)可以用一個(gè)二進(jìn)制數(shù)cm-1…c1c0表示，這個(gè)二進(jìn)制數(shù)就是該測(cè)點(diǎn)的地址；把測(cè)點(diǎn)上串聯(lián)的m個(gè)編碼用光纖光柵看作一個(gè)傳感光柵，則不同編碼的測(cè)點(diǎn)傳感光柵反射譜線形狀不同，且與該測(cè)點(diǎn)地址對(duì)應(yīng)； 其次，采用自相關(guān)數(shù)字方法進(jìn)行數(shù)字解調(diào)，其具體步驟為 設(shè)編碼用光纖光柵與系統(tǒng)調(diào)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(diào)制光柵的反射譜 式中，λ為光波波長(zhǎng)，λi、λM分別是對(duì)應(yīng)CDMA編碼第i位(i＝0，1，…，m-1)編碼用光纖光柵和系統(tǒng)調(diào)制光柵的中心波長(zhǎng)，Bi、BM分別是對(duì)應(yīng)CDMA編碼第i位(i＝0，1，…，m-1)編碼用光纖光柵和系統(tǒng)調(diào)制光柵的半高帶寬，Ri、RM是對(duì)應(yīng)CDMA編碼第i位(i＝0，1，…，m-1)編碼用光纖光柵和系統(tǒng)調(diào)制光柵的中心波長(zhǎng)反射率； 把m個(gè)串聯(lián)的編碼用光纖光柵看作一個(gè)虛擬的傳感光柵時(shí)，則其反射譜可以寫為 式中ci是測(cè)點(diǎn)地址編碼的第i位(i＝0，1，…，m-1)，ci＝1表示使用中心波長(zhǎng)為

的編碼用光纖光柵測(cè)量該點(diǎn)，ci＝0表示不使用中心波長(zhǎng)為

的編碼用光纖光柵測(cè)量該點(diǎn)；λ為光波波長(zhǎng)，λi是對(duì)應(yīng)CDMA編碼第i位(i＝0，1，…，m-1)編碼用光纖光柵的中心波長(zhǎng)，Bi是對(duì)應(yīng)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(duì)應(yīng)CDMA編碼第i位(i＝0，1，…，m-1)編碼用光纖光柵的中心波長(zhǎng)反射率； 設(shè)各編碼用光纖光柵的中心波長(zhǎng)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(jiǎn)化為 式中，λ為光波波長(zhǎng)，λi是對(duì)應(yīng)CDMA編碼第i位(i＝0，1，…，m-1)編碼用光纖光柵的中心波長(zhǎng)，Bi是對(duì)應(yīng)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(duì)應(yīng)CDMA編碼第i位(i＝0，1，…，m-1)編碼用光纖光柵的中心波長(zhǎng)反射率；ci是測(cè)點(diǎn)地址編碼的第i位(i＝0，1，…，m-1)，ci＝1表示使用中心波長(zhǎng)為

的編碼用光纖光柵測(cè)量該點(diǎn)，ci＝0表示不使用中心波長(zhǎng)為

的編碼用光纖光柵測(cè)量該點(diǎn)； 此時(shí)光電探測(cè)器PD的輸出可以寫為 光電探測(cè)器PD的輸出 式中 IO、RS、BS、RM、BM依次為發(fā)射光強(qiáng)度、編碼用光纖光柵中心波長(zhǎng)反射率、編碼用光纖光柵半高帶寬、調(diào)制光柵中心波長(zhǎng)反射率、調(diào)制光柵半高帶寬，均是系統(tǒng)常數(shù)； ci是測(cè)點(diǎn)地址編碼的第i位(i＝0，1，…，m-1)，ci＝1表示使用中心波長(zhǎng)為

的編碼用光纖光柵測(cè)量該點(diǎn)，ci＝0表示不使用中心波長(zhǎng)為

的編碼用光纖光柵測(cè)量該點(diǎn)； λi、λM分別是對(duì)應(yīng)CDMA編碼第i位(i＝0，1，…，m-1)編碼用光纖光柵和系統(tǒng)調(diào)制光柵的中心波長(zhǎng)，均隨時(shí)間t變化，一般可表示為 其中，

是對(duì)應(yīng)CDMA編碼第i位(i＝0，1，…，m-1)編碼用光纖光柵初始中心波長(zhǎng)，λi(t)是被測(cè)量x(t)引起的中心波長(zhǎng)漂移，ks是編碼用光纖光柵波長(zhǎng)漂移對(duì)被測(cè)量的測(cè)量靈敏度，ΛM0是調(diào)制光柵初始中心波長(zhǎng)，kscan是調(diào)制光柵的掃描速率，tscan是掃描時(shí)間，可以表示為Tscan為掃描周期，<*>為求余運(yùn)算； 被測(cè)物理量在同一掃描周期內(nèi)不發(fā)生變化，則光電探測(cè)器在相鄰掃描周期內(nèi)的輸出可以表示為 式中 Pk(t)是光電探測(cè)器在第k個(gè)掃描周期內(nèi)的輸出信號(hào)，Pk+1(t)是光電探測(cè)器在第k+1個(gè)掃描周期內(nèi)的輸出信號(hào)； 為系統(tǒng)常數(shù)，其中I0為發(fā)射光強(qiáng)度、RS、BS、RM、RM依次為編碼用光纖光柵中心波長(zhǎng)反射率、編碼用光纖光柵半高帶寬、調(diào)制光柵中心波長(zhǎng)反射率、調(diào)制光柵半高帶寬； ci是測(cè)點(diǎn)地址編碼的第i位(i＝0，1，…，m-1)，ci＝1表示使用中心波長(zhǎng)為λi的編碼用光纖光柵測(cè)量該點(diǎn)，ci＝0表示不使用中心波長(zhǎng)為λi的編碼用光纖光柵測(cè)量該點(diǎn)；

是對(duì)應(yīng)CDMA編碼第i位(i＝0，1，…，m-1)編碼用光纖光柵初始中心波長(zhǎng)，ΛM0是調(diào)制光柵初始中心波長(zhǎng)； ks是編碼用光纖光柵波長(zhǎng)漂移對(duì)被測(cè)量的測(cè)量靈敏度，kscan是調(diào)制光柵的掃描速率； x(kTscan)是第k個(gè)掃描周期內(nèi)被測(cè)量的值，x((k+1)Tscan)是第k+1個(gè)掃描周期內(nèi)被測(cè)量的值；t∈[0，Tscan)為掃描時(shí)間。
計(jì)算式(8)和(9)的卷積，有 式中 Pk+1(t)是光電探測(cè)器在第k+1個(gè)掃描周期內(nèi)的輸出信號(hào)，Pk(t-τ)是光電探測(cè)器在第k個(gè)掃描周期內(nèi)的輸出信號(hào)經(jīng)時(shí)間延遲τ以后的值； 為系統(tǒng)常數(shù)，其中I0為發(fā)射光強(qiáng)度、RS、BS、RM、BM依次為編碼用光纖光柵中心波長(zhǎng)反射率、編碼用光纖光柵半高帶寬、調(diào)制光柵中心波長(zhǎng)反射率、調(diào)制光柵半高帶寬； ci是測(cè)點(diǎn)地址編碼的第i位(i＝0，1，…，m-1)，ci＝1表示使用中心波長(zhǎng)為λi的編碼用光纖光柵測(cè)量該點(diǎn)，ci＝0表示不使用中心波長(zhǎng)為λi的編碼用光纖光柵測(cè)量該點(diǎn)； cj是測(cè)點(diǎn)地址編碼的第j位(j＝0，1，…，m-1)，cj＝1表示使用中心波長(zhǎng)為λj的編碼用光纖光柵測(cè)量該點(diǎn)，cj＝0表示不使用中心波長(zhǎng)為λj的編碼用光纖光柵測(cè)量該點(diǎn)；

是對(duì)應(yīng)CDMA編碼第i位(i＝0，1，…，m-1)編碼用光纖光柵初始中心波長(zhǎng)，

是對(duì)應(yīng)CDMA編碼第j位(j＝0，1，…，m-1)編碼用光纖光柵初始中心波長(zhǎng)； ks是編碼用光纖光柵波長(zhǎng)漂移對(duì)被測(cè)量的測(cè)量靈敏度，kscan是調(diào)制光柵的掃描速率； Δx＝x((k+1)Tscan)-x(kTscan)是相鄰掃描周期內(nèi)被測(cè)量的變化，x(kTscan)是第k個(gè)掃描周期內(nèi)被測(cè)量的值，x((k+1)Tscan)是第k+1個(gè)掃描周期內(nèi)被測(cè)量的值； ksΔx即相鄰掃描周期內(nèi)傳感光柵中心波長(zhǎng)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(shù)的疊加；若令則可以將式(10)近似寫為式(11) 式中第一項(xiàng)的系數(shù)為測(cè)點(diǎn)編碼的自相關(guān)，第二項(xiàng)的系數(shù)為測(cè)點(diǎn)編碼的互相關(guān)，δ(τ)為脈沖函數(shù)； 理想情況下，采用CDMA技術(shù)的測(cè)點(diǎn)編碼滿足條件 (12) 式中C為測(cè)點(diǎn)編碼的集合，w是碼字重量，即測(cè)點(diǎn)編碼中“1”的數(shù)目，也是碼字的自相關(guān)峰值； 于是式(11)簡(jiǎn)化為 選擇時(shí)間延遲τ使?jié)M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(shí)現(xiàn)解調(diào)目的。
在測(cè)量單元有多組需多點(diǎn)解調(diào)時(shí)，存在n個(gè)測(cè)點(diǎn)，每個(gè)測(cè)點(diǎn)均采用m個(gè)傳感光柵進(jìn)行編碼，第j個(gè)(j＝1，2，…，n)測(cè)點(diǎn)的反射譜線可以表示為 式中，λ為光波波長(zhǎng)，λi是對(duì)應(yīng)CDMA編碼第i位(i＝0，1，…，m-1)光纖光柵的中心波長(zhǎng)，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(zhǎng)反射率，cj，i是第j個(gè)測(cè)點(diǎn)CDMA編碼的第i位(i＝0，1，…，m-1)； 假設(shè)各測(cè)點(diǎn)互不相關(guān)，則光電探測(cè)器輸出信號(hào) 式中 j＝1，2，…，n是測(cè)量系統(tǒng)中各測(cè)點(diǎn)的地址； i＝0，1，…，m-1是各測(cè)點(diǎn)編碼用光纖光柵的序號(hào)； cj，i是第j個(gè)測(cè)點(diǎn)第i位編碼用光纖光柵的系數(shù)，為“1”表示使用該光纖光柵進(jìn)行測(cè)量，為“0”表示不使用該光纖光柵進(jìn)行測(cè)量； λj，i是第j個(gè)測(cè)點(diǎn)第i位編碼用光纖光柵的中心波長(zhǎng)，隨時(shí)間t變化，一般可表示為 其中，

是對(duì)應(yīng)CDMA編碼第i位(i＝0，1，…，m-1)的光纖光柵初始中心波長(zhǎng)，λj，i(t)是被測(cè)量xj(t)引起的中心波長(zhǎng)漂移，ks是傳感光柵波長(zhǎng)漂移對(duì)被測(cè)量的測(cè)量靈敏度； I0、RS、BS、RM、BM依次為發(fā)射光強(qiáng)度、編碼用光纖光柵中心波長(zhǎng)反射率、編碼用光纖光柵半高帶寬、調(diào)制光柵中心波長(zhǎng)反射率、調(diào)制光柵半高帶寬，均是系統(tǒng)常數(shù)； λM為調(diào)制光柵中心波長(zhǎng)，隨時(shí)間t變化，一般可表示為 其中，ΛM0是調(diào)制光柵初始中心波長(zhǎng)，kscan是調(diào)制光柵的掃描速率，tscan是掃描時(shí)間，可以表示為Tscan為掃描周期，<*>為求余運(yùn)算； 仿照式(10)求相鄰掃描周期內(nèi)光電探測(cè)器輸出信號(hào)的卷積，有 (21) 式中 Pk+1(t)是光電探測(cè)器在第k+1個(gè)掃描周期內(nèi)的輸出信號(hào)，Pk(t-τ)是光電探測(cè)器在第k個(gè)掃描周期內(nèi)的輸出信號(hào)經(jīng)時(shí)間延遲τ以后的值； 是系統(tǒng)常數(shù)，其中RS、BS、RM、BM依次為編碼用光纖光柵中心波長(zhǎng)反射率、編碼用光纖光柵半高帶寬、調(diào)制光柵中心波長(zhǎng)反射率、調(diào)制光柵半高帶寬； kscan是調(diào)制光柵的掃描速率 cj，i是第j個(gè)測(cè)點(diǎn)第i位編碼用光纖光柵的系數(shù)，為“1”表示使用該光纖光柵進(jìn)行測(cè)量，為“0”表示不使用該光纖光柵進(jìn)行測(cè)量； cu，v是第u個(gè)測(cè)點(diǎn)第v位編碼用光纖光柵的系數(shù)，為“1”表示使用該光纖光柵進(jìn)行測(cè)量，為“0”表示不使用該光纖光柵進(jìn)行測(cè)量；

是測(cè)點(diǎn)u第v個(gè)編碼用光纖光柵的初始中心波長(zhǎng)；

是測(cè)點(diǎn)j第i個(gè)編碼用光纖光柵初始中心波長(zhǎng)； ks是傳感光柵波長(zhǎng)漂移對(duì)被測(cè)量的測(cè)量靈敏度；

是測(cè)點(diǎn)u在第k個(gè)掃描周期的測(cè)量值；

是測(cè)點(diǎn)j在第k個(gè)掃描周期的測(cè)量值；是測(cè)點(diǎn)j相鄰掃描周期內(nèi)測(cè)量值的增量，

是測(cè)點(diǎn)j在第k+1個(gè)掃描周期的測(cè)量值； 為便于計(jì)算，取系數(shù)則式(21)可進(jìn)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(shù)的疊加；若令則可以將式(22)近似寫為式(23) 式中第一項(xiàng)的系數(shù)為測(cè)點(diǎn)編碼的自相關(guān)，第二項(xiàng)的系數(shù)為測(cè)點(diǎn)編碼的互相關(guān)，第三項(xiàng)的系數(shù)為不同測(cè)點(diǎn)之間的互相關(guān)，δ(τ)為脈沖函數(shù)； 理想情況下，采用CDMA技術(shù)的測(cè)點(diǎn)編碼滿足條件 (24) 式中C為測(cè)點(diǎn)編碼的集合，w是碼字重量，即測(cè)點(diǎn)編碼中“1”的數(shù)目，也是碼字的自相關(guān)峰值； 于是式(23)簡(jiǎn)化為 式中wj為第j個(gè)測(cè)點(diǎn)的碼重； 選擇不同的時(shí)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(zhǎng)的增量 進(jìn)而得到傳感光柵中心波長(zhǎng)的實(shí)際漂移 式中Tscan是調(diào)制光柵的掃描周期，

和

是傳感光柵在第k和第k+1個(gè)掃描周期的中心波長(zhǎng)。
本發(fā)明的有益效果是 (1)利用CDMA技術(shù)對(duì)測(cè)點(diǎn)進(jìn)行地址編碼，大量增加了光纖光柵傳感器的復(fù)用數(shù)目，明顯降低了其平均成本； (2)利用CDMA技術(shù)對(duì)測(cè)點(diǎn)進(jìn)行地址編碼，將對(duì)光纖光柵波長(zhǎng)漂移的測(cè)量徹底轉(zhuǎn)化為對(duì)時(shí)間的測(cè)量，提高了測(cè)量精度，簡(jiǎn)化了自相關(guān)數(shù)字解調(diào)的解調(diào)過程； (3)利用CDMA技術(shù)對(duì)測(cè)點(diǎn)進(jìn)行地址編碼，降低了自相關(guān)數(shù)字解調(diào)方法對(duì)系統(tǒng)初始條件的敏感程度，使其實(shí)現(xiàn)和求解更加簡(jiǎn)單。



圖1為采用碼分多址技術(shù)的光纖光柵數(shù)字解調(diào)系統(tǒng)(單點(diǎn))； 圖2為采用碼分多址技術(shù)的光纖光柵數(shù)字解調(diào)系統(tǒng)(多點(diǎn))； 圖3為被測(cè)量隨時(shí)間變化情況； 圖4為測(cè)點(diǎn)1的輸出結(jié)果； 圖5為測(cè)點(diǎn)2的輸出結(jié)果。

具體實(shí)施例方式 下面結(jié)合附圖與實(shí)施例對(duì)本發(fā)明做進(jìn)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(gè)輸出端與一組由傳感光柵組成的測(cè)量單元連接，另一輸出端與耦合器II連接；耦合器II的一個(gè)輸出端與調(diào)制光柵連接，同時(shí)另一輸出端經(jīng)反饋控制單元與調(diào)制光柵連接。
測(cè)量單元由多個(gè)傳感光柵串聯(lián)或并聯(lián)組成。
反饋控制單元包括一個(gè)光電探測(cè)器PD，它與耦合器II相匹配，光電探測(cè)器PD與運(yùn)算放大器OP連接，OP經(jīng)模數(shù)轉(zhuǎn)換器與計(jì)算機(jī)連接，計(jì)算機(jī)則與數(shù)模轉(zhuǎn)換器連接，數(shù)模轉(zhuǎn)換器經(jīng)機(jī)電調(diào)制器與調(diào)制光柵連接。
圖2中，測(cè)量單元有n組，其余結(jié)構(gòu)與圖1中相同，不再贅述。
本發(fā)明的解調(diào)方法為 首先，采用碼分多址即CDMA技術(shù)對(duì)測(cè)點(diǎn)進(jìn)行地址編碼，其具體方法為將多個(gè)編碼用光纖光柵布置在同一個(gè)測(cè)點(diǎn)構(gòu)成一個(gè)編碼/傳感光柵單元，然后，根據(jù)此編碼/傳感光柵單元內(nèi)多個(gè)編碼用光纖光柵使用狀態(tài)的不同，為該測(cè)點(diǎn)指定一個(gè)唯一的二進(jìn)制數(shù)作為該測(cè)點(diǎn)的地址。在指定測(cè)點(diǎn)地址時(shí)，可以采用如本發(fā)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(cè)點(diǎn)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(duì)于一個(gè)測(cè)點(diǎn)進(jìn)行單點(diǎn)解調(diào)時(shí)，設(shè)編碼用光纖光柵為m個(gè)，其中心波長(zhǎng)分別為λ0、λ1、……、λm-1，并定義用中心波長(zhǎng)為λ0的光纖光柵代表數(shù)字20，用中心波長(zhǎng)為λ1的光纖光柵代表數(shù)字21，……，以此類推，用中心波長(zhǎng)為λm-1的光纖光柵代表數(shù)字2m-1；用ci＝1(i＝0，1，…，m-1)表示中心波長(zhǎng)為λi(i＝0，1，…，m-1)的編碼用光纖光柵接入測(cè)量系統(tǒng)，ci＝0(i＝0，1，…，m-1)表示中心波長(zhǎng)為λi(i＝0，1，…，m-1)的編碼用光纖光柵沒有接入測(cè)量系統(tǒng)，則每個(gè)測(cè)點(diǎn)編碼用光纖光柵的狀態(tài)可以用一個(gè)二進(jìn)制數(shù)cm-1…c1c0表示，這個(gè)二進(jìn)制數(shù)就是該測(cè)點(diǎn)的地址；把測(cè)點(diǎn)上串聯(lián)的m個(gè)編碼用光纖光柵看作一個(gè)傳感光柵，則不同編碼的測(cè)點(diǎn)傳感光柵反射譜線形狀不同，且與該測(cè)點(diǎn)地址對(duì)應(yīng)； 其次，采用自相關(guān)數(shù)字方法進(jìn)行數(shù)字解調(diào)，其具體步驟為 設(shè)編碼用光纖光柵與系統(tǒng)調(diào)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(diào)制光柵的反射譜 式中，λ為光波波長(zhǎng)，λi、λM分別是對(duì)應(yīng)CDMA編碼第i位(i＝0，1，…，m-1)編碼用光纖光柵和系統(tǒng)調(diào)制光柵的中心波長(zhǎng)，Bi、BM分別是對(duì)應(yīng)CDMA編碼第i位(i＝0，1，…，m-1)編碼用光纖光柵和系統(tǒng)調(diào)制光柵的半高帶寬，Ri、RM是對(duì)應(yīng)CDMA編碼第i位(i＝0，1，…，m-1)編碼用光纖光柵和系統(tǒng)調(diào)制光柵的中心波長(zhǎng)反射率； 把m個(gè)串聯(lián)的編碼用光纖光柵看作一個(gè)虛擬的傳感光柵時(shí)，則其反射譜可以寫為 式中ci是測(cè)點(diǎn)地址編碼的第i位(i＝0，1，…，m-1)，ci＝1表示使用中心波長(zhǎng)為

的編碼用光纖光柵測(cè)量該點(diǎn)，ci＝0表示不使用中心波長(zhǎng)為

的編碼用光纖光柵測(cè)量該點(diǎn)；λ為光波波長(zhǎng)，λi是對(duì)應(yīng)CDMA編碼第i位(i＝0，1，…，m-1)編碼用光纖光柵的中心波長(zhǎng)，Bi是對(duì)應(yīng)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(duì)應(yīng)CDMA編碼第i位(i＝0，1，…，m-1)編碼用光纖光柵的中心波長(zhǎng)反射率； 設(shè)各編碼用光纖光柵的中心波長(zhǎng)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(jiǎn)化為 式中，λ為光波波長(zhǎng)，λi是對(duì)應(yīng)CDMA編碼第i位(i＝0，1，…，m-1)編碼用光纖光柵的中心波長(zhǎng)，Bi是對(duì)應(yīng)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(duì)應(yīng)CDMA編碼第i位(i＝0，1，…，m-1)編碼用光纖光柵的中心波長(zhǎng)反射率；ci是測(cè)點(diǎn)地址編碼的第i位(i＝0，1，…，m-1)，ci＝1表示使用中心波長(zhǎng)為

的編碼用光纖光柵測(cè)量該點(diǎn)，ci＝0表示不使用中心波長(zhǎng)為

的編碼用光纖光柵測(cè)量該點(diǎn)； 此時(shí)光電探測(cè)器PD的輸出可以寫為 光電探測(cè)器PD的輸出 式中 IO、RS、BS、RM、BM依次為發(fā)射光強(qiáng)度、編碼用光纖光柵中心波長(zhǎng)反射率、編碼用光纖光柵半高帶寬、調(diào)制光柵中心波長(zhǎng)反射率、調(diào)制光柵半高帶寬，均是系統(tǒng)常數(shù)； ci是測(cè)點(diǎn)地址編碼的第i位(i＝0，1，…，m-1)，ci＝1表示使用中心波長(zhǎng)為

的編碼用光纖光柵測(cè)量該點(diǎn)，ci＝0表示不使用中心波長(zhǎng)為

的編碼用光纖光柵測(cè)量該點(diǎn)； λi、λM分別是對(duì)應(yīng)CDMA編碼第i位(i＝0，1，…，m-1)編碼用光纖光柵和系統(tǒng)調(diào)制光柵的中心波長(zhǎng)，均隨時(shí)間t變化，一般可表示為 其中，

是對(duì)應(yīng)CDMA編碼第i位(i＝0，1，…，m-1)編碼用光纖光柵初始中心波長(zhǎng)，λi(t)是被測(cè)量x(t)引起的中心波長(zhǎng)漂移，ks是編碼用光纖光柵波長(zhǎng)漂移對(duì)被測(cè)量的測(cè)量靈敏度，

是調(diào)制光柵初始中心波長(zhǎng)，kscan是調(diào)制光柵的掃描速率，tscan是掃描時(shí)間，可以表示為Tscan為掃描周期，<*>為求余運(yùn)算； 被測(cè)物理量在同一掃描周期內(nèi)不發(fā)生變化，則光電探測(cè)器在相鄰掃描周期內(nèi)的輸出可以表示為 式中 Pk(t)是光電探測(cè)器在第k個(gè)掃描周期內(nèi)的輸出信號(hào)，Pk+1(t)是光電探測(cè)器在第k+1個(gè)掃描周期內(nèi)的輸出信號(hào)； 為系統(tǒng)常數(shù)，其中I0為發(fā)射光強(qiáng)度、RS、BS、RM、BM依次為編碼用光纖光柵中心波長(zhǎng)反射率、編碼用光纖光柵半高帶寬、調(diào)制光柵中心波長(zhǎng)反射率、調(diào)制光柵半高帶寬； ci是測(cè)點(diǎn)地址編碼的第i位(i＝0，1，…，m-1)，ci＝1表示使用中心波長(zhǎng)為λi的編碼用光纖光柵測(cè)量該點(diǎn)，ci＝0表示不使用中心波長(zhǎng)為λi的編碼用光纖光柵測(cè)量該點(diǎn)；

是對(duì)應(yīng)CDMA編碼第i位(i＝0，1，…，m-1)編碼用光纖光柵初始中心波長(zhǎng)，ΛM0是調(diào)制光柵初始中心波長(zhǎng)； ks是編碼用光纖光柵波長(zhǎng)漂移對(duì)被測(cè)量的測(cè)量靈敏度，kscan是調(diào)制光柵的掃描速率； x(kTscan)是第k個(gè)掃描周期內(nèi)被測(cè)量的值，x((k+1)Tscan)是第k+1個(gè)掃描周期內(nèi)被測(cè)量的值；t∈[0，Tscan)為掃描時(shí)間。
計(jì)算式(8)和(9)的卷積，有 式中 Pk+1(t)是光電探測(cè)器在第k+1個(gè)掃描周期內(nèi)的輸出信號(hào)，Pk(t-τ)是光電探測(cè)器在第k個(gè)掃描周期內(nèi)的輸出信號(hào)經(jīng)時(shí)間延遲τ以后的值； 為系統(tǒng)常數(shù)，其中I0為發(fā)射光強(qiáng)度、RS、BS、RM、BM依次為編碼用光纖光柵中心波長(zhǎng)反射率、編碼用光纖光柵半高帶寬、調(diào)制光柵中心波長(zhǎng)反射率、調(diào)制光柵半高帶寬； ci是測(cè)點(diǎn)地址編碼的第i位(i＝0，1，…，m-1)，ci＝1表示使用中心波長(zhǎng)為λi的編碼用光纖光柵測(cè)量該點(diǎn)，ci＝0表示不使用中心波長(zhǎng)為λi的編碼用光纖光柵測(cè)量該點(diǎn)； cj是測(cè)點(diǎn)地址編碼的第j位(j＝0，1，…，m-1)，cj＝1表示使用中心波長(zhǎng)為λj的編碼用光纖光柵測(cè)量該點(diǎn)，cj＝0表示不使用中心波長(zhǎng)為λj的編碼用光纖光柵測(cè)量該點(diǎn)；

是對(duì)應(yīng)CDMA編碼第i位(i＝0，1，…，m-1)編碼用光纖光柵初始中心波長(zhǎng)，

是對(duì)應(yīng)CDMA編碼第j位(j＝0，1，…，m-1)編碼用光纖光柵初始中心波長(zhǎng)； ks是編碼用光纖光柵波長(zhǎng)漂移對(duì)被測(cè)量的測(cè)量靈敏度，kscan是調(diào)制光柵的掃描速率； Δx＝x((k+1)Tscan)-x(kTscan)是相鄰掃描周期內(nèi)被測(cè)量的變化，x(kTscan)是第k個(gè)掃描周期內(nèi)被測(cè)量的值，x((k+1)Tscan)是第k+1個(gè)掃描周期內(nèi)被測(cè)量的值； kSΔx即相鄰掃描周期內(nèi)傳感光柵中心波長(zhǎng)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(shù)的疊加；若令則可以將式(10)近似寫為式(11) 式中第一項(xiàng)的系數(shù)為測(cè)點(diǎn)編碼的自相關(guān)，第二項(xiàng)的系數(shù)為測(cè)點(diǎn)編碼的互相關(guān)，δ(τ)為脈沖函數(shù)； 理想情況下，采用CDMA技術(shù)的測(cè)點(diǎn)編碼滿足條件 (12) 式中C為測(cè)點(diǎn)編碼的集合，w是碼字重量，即測(cè)點(diǎn)編碼中“1”的數(shù)目，也是碼字的自相關(guān)峰值； 于是式(11)簡(jiǎn)化為 選擇時(shí)間延遲τ使?jié)M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(shí)現(xiàn)解調(diào)目的。
在測(cè)量單元有多組需多點(diǎn)解調(diào)時(shí)，存在n個(gè)測(cè)點(diǎn)，每個(gè)測(cè)點(diǎn)均采用m個(gè)傳感光柵進(jìn)行編碼，第j個(gè)(j＝1，2，…，n)測(cè)點(diǎn)的反射譜線可以表示為 式中，λ為光波波長(zhǎng)，λi是對(duì)應(yīng)CDMA編碼第i位(i＝0，1，…，m-1)光纖光柵的中心波長(zhǎng)，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(zhǎng)反射率，cj，i是第j個(gè)測(cè)點(diǎn)CDMA編碼的第i位(i＝0，1，…，m-1)； 假設(shè)各測(cè)點(diǎn)互不相關(guān)，則光電探測(cè)器輸出信號(hào) 式中 j＝1，2，…，n是測(cè)量系統(tǒng)中各測(cè)點(diǎn)的地址； i＝0，1，…，m-1是各測(cè)點(diǎn)編碼用光纖光柵的序號(hào)； cj，i是第j個(gè)測(cè)點(diǎn)第i位編碼用光纖光柵的系數(shù)，為“1”表示使用該光纖光柵進(jìn)行測(cè)量，為“0”表示不使用該光纖光柵進(jìn)行測(cè)量； λj，i是第j個(gè)測(cè)點(diǎn)第i位編碼用光纖光柵的中心波長(zhǎng)，隨時(shí)間t變化，一般可表示為 其中，

是對(duì)應(yīng)CDMA編碼第i位(i＝0，1，…，m-1)的光纖光柵初始中心波長(zhǎng)，λj，i(t)是被測(cè)量xj(t)引起的中心波長(zhǎng)漂移，ks是傳感光柵波長(zhǎng)漂移對(duì)被測(cè)量的測(cè)量靈敏度； I0、RS、BS、RM、BM依次為發(fā)射光強(qiáng)度、編碼用光纖光柵中心波長(zhǎng)反射率、編碼用光纖光柵半高帶寬、調(diào)制光柵中心波長(zhǎng)反射率、調(diào)制光柵半高帶寬，均是系統(tǒng)常數(shù)； λM為調(diào)制光柵中心波長(zhǎng)，隨時(shí)間t變化，一般可表示為 其中，ΛM0是調(diào)制光柵初始中心波長(zhǎng)，kscan是調(diào)制光柵的掃描速率，tscan是掃描時(shí)間，可以表示為Tscan為掃描周期，<*>為求余運(yùn)算； 仿照式(10)求相鄰掃描周期內(nèi)光電探測(cè)器輸出信號(hào)的卷積，有 (21) 式中 Pk+1(t)是光電探測(cè)器在第k+1個(gè)掃描周期內(nèi)的輸出信號(hào)，Pk(t-τ)是光電探測(cè)器在第k個(gè)掃描周期內(nèi)的輸出信號(hào)經(jīng)時(shí)間延遲τ以后的值； 是系統(tǒng)常數(shù)，其中RS、BS、RM、BM依次為編碼用光纖光柵中心波長(zhǎng)反射率、編碼用光纖光柵半高帶寬、調(diào)制光柵中心波長(zhǎng)反射率、調(diào)制光柵半高帶寬； kscan是調(diào)制光柵的掃描速率 cj，i是第j個(gè)測(cè)點(diǎn)第i位編碼用光纖光柵的系數(shù)，為“1”表示使用該光纖光柵進(jìn)行測(cè)量，為“0”表示不使用該光纖光柵進(jìn)行測(cè)量； cu，v是第u個(gè)測(cè)點(diǎn)第v位編碼用光纖光柵的系數(shù)，為“1”表示使用該光纖光柵進(jìn)行測(cè)量，為“0”表示不使用該光纖光柵進(jìn)行測(cè)量；

是測(cè)點(diǎn)u第v個(gè)編碼用光纖光柵的初始中心波長(zhǎng)；

是測(cè)點(diǎn)j第i個(gè)編碼用光纖光柵初始中心波長(zhǎng)； ks是傳感光柵波長(zhǎng)漂移對(duì)被測(cè)量的測(cè)量靈敏度；

是測(cè)點(diǎn)u在第k個(gè)掃描周期的測(cè)量值；

是測(cè)點(diǎn)j在第k個(gè)掃描周期的測(cè)量值；是測(cè)點(diǎn)j相鄰掃描周期內(nèi)測(cè)量值的增量，

是測(cè)點(diǎn)j在第k+1個(gè)掃描周期的測(cè)量值； 為便于計(jì)算，取系數(shù)則式(21)可進(jìn)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(shù)的疊加；若令則可以將式(22)近似寫為式(23) 式中第一項(xiàng)的系數(shù)為測(cè)點(diǎn)編碼的自相關(guān)，第二項(xiàng)的系數(shù)為測(cè)點(diǎn)編碼的互相關(guān)，第三項(xiàng)的系數(shù)為不同測(cè)點(diǎn)之間的互相關(guān)，δ(τ)為脈沖函數(shù)； 理想情況下，采用CDMA技術(shù)的測(cè)點(diǎn)編碼滿足條件 式中C為測(cè)點(diǎn)編碼的集合，w是碼字重量，即測(cè)點(diǎn)編碼中“1”的數(shù)目，也是碼字自相關(guān)峰值； 于是式(23)簡(jiǎn)化為 式中wj為第j個(gè)測(cè)點(diǎn)的碼重； 選擇不同的時(shí)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(zhǎng)的增量 進(jìn)而得到傳感光柵中心波長(zhǎng)的實(shí)際漂移 式中Tscan是調(diào)制光柵的掃描周期，

和

是傳感光柵在第k和第k+1個(gè)掃描周期的中心波長(zhǎng)。
解調(diào)實(shí)例 圖2中，令調(diào)制光柵的波長(zhǎng)調(diào)諧范圍是1550-1555nm，半高帶寬是0.07nm，中心波長(zhǎng)反射率是0.9。且系統(tǒng)中只有兩個(gè)測(cè)點(diǎn)，二進(jìn)制地址分別為“01”和“11”。假設(shè)編碼使用的光纖光柵初始中心波長(zhǎng)分別為1552nm和1554nm，半高帶寬為0.1nm，中心波長(zhǎng)反射率為0.9。
假設(shè)測(cè)點(diǎn)“01”處被測(cè)量引起的波長(zhǎng)漂移如圖3中曲線1所示，測(cè)點(diǎn)“11”處被測(cè)量引起的波長(zhǎng)漂移如圖3中曲線2所示，則當(dāng)調(diào)制光柵掃描周期為0.1s時(shí)，采用前述解調(diào)方法得到如圖4、圖5所示結(jié)果。圖中虛線為理想輸出情況，實(shí)線為測(cè)點(diǎn)輸出。
權(quán)利要求
1.一種采用碼分多址實(shí)現(xiàn)光纖光柵自相關(guān)數(shù)字解調(diào)方法的系統(tǒng)，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(gè)輸出端與至少一個(gè)由一組傳感光柵組成的測(cè)量單元連接，另一輸出端與耦合器II連接；耦合器II的一個(gè)輸出端與調(diào)制光柵連接，同時(shí)另一輸出端經(jīng)反饋控制單元與調(diào)制光柵連接。
2.如權(quán)利要求1所述的采用碼分多址實(shí)現(xiàn)光纖光柵自相關(guān)數(shù)字解調(diào)方法的系統(tǒng)，其特征是，所述測(cè)量單元為一個(gè)，它由多個(gè)傳感光柵串聯(lián)或并聯(lián)組成，傳感光柵為光纖光柵。
3.如權(quán)利要求1所述的采用碼分多址實(shí)現(xiàn)光纖光柵自相關(guān)數(shù)字解調(diào)方法的系統(tǒng)，其特征是，所述測(cè)量單元有多個(gè)，每個(gè)測(cè)量單元由多個(gè)傳感光柵串聯(lián)或并聯(lián)組成，傳感光柵為光纖光柵。
4.如權(quán)利要求1所述的采用碼分多址實(shí)現(xiàn)光纖光柵自相關(guān)數(shù)字解調(diào)方法的系統(tǒng)，其特征是，所述反饋控制單元包括一個(gè)光電探測(cè)器PD，它與耦合器II相匹配，光電探測(cè)器PD與運(yùn)算放大器OP連接，OP經(jīng)模數(shù)轉(zhuǎn)換器AD與計(jì)算機(jī)連接，計(jì)算機(jī)則與數(shù)模轉(zhuǎn)換器DA連接，數(shù)模轉(zhuǎn)換器DA經(jīng)機(jī)電調(diào)制器與調(diào)制光柵連接。
5.一種權(quán)利要求1所述采用碼分多址實(shí)現(xiàn)光纖光柵自相關(guān)數(shù)字解調(diào)系統(tǒng)進(jìn)行解調(diào)的方法，其特征是，
首先，采用碼分多址即CDMA技術(shù)對(duì)測(cè)點(diǎn)進(jìn)行地址編碼；
對(duì)于一個(gè)測(cè)點(diǎn)進(jìn)行單點(diǎn)解調(diào)時(shí)，設(shè)編碼用光纖光柵為m個(gè)，其中心波長(zhǎng)分別為λ0、λ1、……、λm-1，并定義用中心波長(zhǎng)為λ0的光纖光柵代表數(shù)字20，用中心波長(zhǎng)為λ1的光纖光柵代表數(shù)字21，……，以此類推，用中心波長(zhǎng)為λm-1的光纖光柵代表數(shù)字2m-1；用ci＝1(i＝0，1，…，m-1)表示中心波長(zhǎng)為λi(i＝0，1，…，m-1)的編碼用光纖光柵接入測(cè)量系統(tǒng)，ci＝0(i＝0，1，…，m-1)表示中心波長(zhǎng)為λi(i＝0，1，…，m-1)的編碼用光纖光柵沒有接入測(cè)量系統(tǒng)，則每個(gè)測(cè)點(diǎn)編碼用光纖光柵的狀態(tài)可以用一個(gè)二進(jìn)制數(shù)cm-1…c1c0表示，這個(gè)二進(jìn)制數(shù)就是該測(cè)點(diǎn)的地址；把測(cè)點(diǎn)上串聯(lián)的m個(gè)編碼用光纖光柵看作一個(gè)傳感光柵，則不同編碼的測(cè)點(diǎn)傳感光柵反射譜線形狀不同，且與該測(cè)點(diǎn)地址對(duì)應(yīng)；
其次，采用自相關(guān)數(shù)字方法進(jìn)行數(shù)字解調(diào)，其具體步驟為
設(shè)編碼用光纖光柵與系統(tǒng)調(diào)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(diào)制光柵的反射譜
式中，λ為光波波長(zhǎng)，λi、λM分別是對(duì)應(yīng)CDMA編碼第i位(i＝0，1，…，m-1)編碼用光纖光柵和系統(tǒng)調(diào)制光柵的中心波長(zhǎng)，Bi、BM分別是對(duì)應(yīng)CDMA編碼第i位(i＝0，1，…，m-1)編碼用光纖光柵和系統(tǒng)調(diào)制光柵的半高帶寬，Ri、RM是對(duì)應(yīng)CDMA編碼第i位(i＝0，1，…，m-1)編碼用光纖光柵和系統(tǒng)調(diào)制光柵的中心波長(zhǎng)反射率；
把m個(gè)串聯(lián)的編碼用光纖光柵看作一個(gè)虛擬的傳感光柵時(shí)，則其反射譜可以寫為
式中ci是測(cè)點(diǎn)地址編碼的第i位(i＝0，1，…，m-1)，ci＝1表示使用中心波長(zhǎng)為
的編碼用光纖光柵測(cè)量該點(diǎn)，ci＝0表示不使用中心波長(zhǎng)為
的編碼用光纖光柵測(cè)量該點(diǎn)；λ為光波波長(zhǎng)，λi是對(duì)應(yīng)CDMA編碼第i位(i＝0，1，…，m-1)編碼用光纖光柵的中心波長(zhǎng)，Bi是對(duì)應(yīng)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(duì)應(yīng)CDMA編碼第i位(i＝0，1，…，m-1)編碼用光纖光柵的中心波長(zhǎng)反射率；
設(shè)各編碼用光纖光柵的中心波長(zhǎng)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(jiǎn)化為
式中，λ為光波波長(zhǎng)，λi是對(duì)應(yīng)CDMA編碼第i位(i＝0，1，…，m-1)編碼用光纖光柵的中心波長(zhǎng)，Bi是對(duì)應(yīng)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(duì)應(yīng)CDMA編碼第i位(i＝0，1，…，m-1)編碼用光纖光柵的中心波長(zhǎng)反射率；ci是測(cè)點(diǎn)地址編碼的第i位(i＝0，1，…，m-1)，ci＝1表示使用中心波長(zhǎng)為
的編碼用光纖光柵測(cè)量該點(diǎn)，ci＝0表示不使用中心波長(zhǎng)為
的編碼用光纖光柵測(cè)量該點(diǎn)；
此時(shí)光電探測(cè)器PD的輸出可以寫為
光電探測(cè)器PD的輸出
式中
I0、RS、BS、RM、BM依次為發(fā)射光強(qiáng)度、編碼用光纖光柵中心波長(zhǎng)反射率、編碼用光纖光柵半高帶寬、調(diào)制光柵中心波長(zhǎng)反射率、調(diào)制光柵半高帶寬，均是系統(tǒng)常數(shù)；
ci是測(cè)點(diǎn)地址編碼的第i位(i＝0，1，…，m-1)，ci＝1表示使用中心波長(zhǎng)為
的編碼用光纖光柵測(cè)量該點(diǎn)，ci＝0表示不使用中心波長(zhǎng)為
的編碼用光纖光柵測(cè)量該點(diǎn)；
λi、λM分別是對(duì)應(yīng)CDMA編碼第i位(i＝0，1，…，m-1)編碼用光纖光柵和系統(tǒng)調(diào)制光柵的中心波長(zhǎng)，均隨時(shí)間t變化，一般可表示為
其中，
是對(duì)應(yīng)CDMA編碼第i位(i＝0，1，…，m-1)編碼用光纖光柵初始中心波長(zhǎng)，λi(t)是被測(cè)量x(t)引起的中心波長(zhǎng)漂移，ks是編碼用光纖光柵波長(zhǎng)漂移對(duì)被測(cè)量的測(cè)量靈敏度，ΛM0是調(diào)制光柵初始中心波長(zhǎng)，kscan是調(diào)制光柵的掃描速率，tscan是掃描時(shí)間，可以表示為tscan＝〈t〉Tscan，Tscan為掃描周期，〈*〉為求余運(yùn)算；
被測(cè)物理量在同一掃描周期內(nèi)不發(fā)生變化，則光電探測(cè)器在相鄰掃描周期內(nèi)的輸出可以表示為
式中:
Pk(t)是光電探測(cè)器在第k個(gè)掃描周期內(nèi)的輸出信號(hào)，Pk+1(t)是光電探測(cè)器在第k+1個(gè)掃描周期內(nèi)的輸出信號(hào)；
為系統(tǒng)常數(shù)，其中I0為發(fā)射光強(qiáng)度、RS、BS、RM、BM依次為編碼用光纖光柵中心波長(zhǎng)反射率、編碼用光纖光柵半高帶寬、調(diào)制光柵中心波長(zhǎng)反射率、調(diào)制光柵半高帶寬；
ci是測(cè)點(diǎn)地址編碼的第i位(i＝0，1，…，m-1)，ci＝1表示使用中心波長(zhǎng)為λi的編碼用光纖光柵測(cè)量該點(diǎn)，ci＝0表示不使用中心波長(zhǎng)為λi的編碼用光纖光柵測(cè)量該點(diǎn)；
是對(duì)應(yīng)CDMA編碼第i位(i＝0，1，…，m-1)編碼用光纖光柵初始中心波長(zhǎng)，ΛM0是調(diào)制光柵初始中心波長(zhǎng)；
ks是編碼用光纖光柵波長(zhǎng)漂移對(duì)被測(cè)量的測(cè)量靈敏度，kscan是調(diào)制光柵的掃描速率；
x(kTscan)是第k個(gè)掃描周期內(nèi)被測(cè)量的值，x((k+1)Tscan)是第k+1個(gè)掃描周期內(nèi)被測(cè)量的值；t∈[0，Tscan)為掃描時(shí)間；
計(jì)算式(8)和(9)的卷積，有
式中
Pk+1(t)是光電探測(cè)器在第k+1個(gè)掃描周期內(nèi)的輸出信號(hào)，Pk(t-τ)是光電探測(cè)器在第k個(gè)掃描周期內(nèi)的輸出信號(hào)經(jīng)時(shí)間延遲τ以后的值；
為系統(tǒng)常數(shù)，其中I0為發(fā)射光強(qiáng)度、RS、BS、RM、BM依次為編碼用光纖光柵中心波長(zhǎng)反射率、編碼用光纖光柵半高帶寬、調(diào)制光柵中心波長(zhǎng)反射率、調(diào)制光柵半高帶寬；
ci是測(cè)點(diǎn)地址編碼的第i位(i＝0，1，…，m-1)，ci＝1表示使用中心波長(zhǎng)為λi的編碼用光纖光柵測(cè)量該點(diǎn)，ci＝0表示不使用中心波長(zhǎng)為λi的編碼用光纖光柵測(cè)量該點(diǎn)；
cj是測(cè)點(diǎn)地址編碼的第j位(j＝0，1，…，m-1)，cj＝1表示使用中心波長(zhǎng)為λj的編碼用光纖光柵測(cè)量該點(diǎn)，cj＝0表示不使用中心波長(zhǎng)為λj的編碼用光纖光柵測(cè)量該點(diǎn)；
是對(duì)應(yīng)CDMA編碼第i位(i＝0，1，…，m-1)編碼用光纖光柵初始中心波長(zhǎng)，
是對(duì)應(yīng)CDMA編碼第j位(j＝0，1，…，m-1)編碼用光纖光柵初始中心波長(zhǎng)；
ks是編碼用光纖光柵波長(zhǎng)漂移對(duì)被測(cè)量的測(cè)量靈敏度，kscan是調(diào)制光柵的掃描速率；
Δx＝x((k+1)Tscan)-x(kTscan)是相鄰掃描周期內(nèi)被測(cè)量的變化，x(kTscan)是第k個(gè)掃描周期內(nèi)被測(cè)量的值，x((k+1)Tscan)是第k+1個(gè)掃描周期內(nèi)被測(cè)量的值；
kSΔx即相鄰掃描周期內(nèi)傳感光柵中心波長(zhǎng)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(shù)的疊加；若令則可以將式(10)近似寫為式(11)
式中第一項(xiàng)的系數(shù)為測(cè)點(diǎn)編碼的自相關(guān)，第二項(xiàng)的系數(shù)為測(cè)點(diǎn)編碼的互相關(guān)，δ(τ)為脈沖函數(shù)；
理想情況下，采用CDMA技術(shù)的測(cè)點(diǎn)編碼滿足條件
(12)
式中C為測(cè)點(diǎn)編碼的集合，w是碼字重量，即測(cè)點(diǎn)編碼中“1”的數(shù)目，也是碼字的自相關(guān)峰值；
于是式(11)簡(jiǎn)化為
選擇時(shí)間延遲τ使?jié)M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(shí)現(xiàn)解調(diào)目的。
6.如權(quán)利要求5所述的采用碼分多址實(shí)現(xiàn)光纖光柵自相關(guān)數(shù)字解調(diào)系統(tǒng)進(jìn)行解調(diào)的方法，其特征是，所述地址編碼的具體方法為將多個(gè)編碼用光纖光柵布置在同一個(gè)測(cè)點(diǎn)構(gòu)成一個(gè)編碼/傳感光柵單元，然后，根據(jù)此編碼/傳感光柵單元內(nèi)多個(gè)編碼用光纖光柵使用狀態(tài)的不同，為該測(cè)點(diǎn)指定一個(gè)唯一的二進(jìn)制數(shù)作為該測(cè)點(diǎn)的地址。
7.如權(quán)利要求5或6所述的采用碼分多址實(shí)現(xiàn)光纖光柵自相關(guān)數(shù)字解調(diào)系統(tǒng)進(jìn)行解調(diào)的方法，其特征是，在測(cè)量單元有多組需多點(diǎn)解調(diào)時(shí)，存在n個(gè)測(cè)點(diǎn)，每個(gè)測(cè)點(diǎn)均采用m個(gè)傳感光柵進(jìn)行編碼，第j個(gè)(j＝1，2，…，n)測(cè)點(diǎn)的反射譜線可以表示為
式中，λ為光波波長(zhǎng)，λi是對(duì)應(yīng)CDMA編碼第i位(i＝0，1，…，m-1)光纖光柵的中心波長(zhǎng)，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(zhǎng)反射率，cj，i是第j個(gè)測(cè)點(diǎn)CDMA編碼的第i位(i＝0，1，…，m-1)；
假設(shè)各測(cè)點(diǎn)互不相關(guān)，則光電探測(cè)器輸出信號(hào)
式中
j＝1，2，…，n是測(cè)量系統(tǒng)中各測(cè)點(diǎn)的地址；
i＝0，1，…，m-1是各測(cè)點(diǎn)編碼用光纖光柵的序號(hào)；
cj，i是第j個(gè)測(cè)點(diǎn)第i位編碼用光纖光柵的系數(shù)，為“1”表示使用該光纖光柵進(jìn)行測(cè)量，為“0”表示不使用該光纖光柵進(jìn)行測(cè)量；
λj，i是第j個(gè)測(cè)點(diǎn)第i位編碼用光纖光柵的中心波長(zhǎng)，隨時(shí)間t變化，一般可表示為
其中，
是對(duì)應(yīng)CDMA編碼第i位(i＝0，1，…，m-1)的光纖光柵初始中心波長(zhǎng)，λj，i(t)是被測(cè)量xj(t)引起的中心波長(zhǎng)漂移，ks是傳感光柵波長(zhǎng)漂移對(duì)被測(cè)量的測(cè)量靈敏度；
I0、RS、BS、RM、BM依次為發(fā)射光強(qiáng)度、編碼用光纖光柵中心波長(zhǎng)反射率、編碼用光纖光柵半高帶寬、調(diào)制光柵中心波長(zhǎng)反射率、調(diào)制光柵半高帶寬，均是系統(tǒng)常數(shù)；
λM為調(diào)制光柵中心波長(zhǎng)，隨時(shí)間t變化，一般可表示為
其中，ΛM0是調(diào)制光柵初始中心波長(zhǎng)，kscan是調(diào)制光柵的掃描速率，tscan是掃描時(shí)間，可以表示為Tscan為掃描周期，〈*〉為求余運(yùn)算；
仿照式(10)求相鄰掃描周期內(nèi)光電探測(cè)器輸出信號(hào)的卷積，有
(21)
式中
Pk+1(t)是光電探測(cè)器在第k+1個(gè)掃描周期內(nèi)的輸出信號(hào)，Pk(t-τ)是光電探測(cè)器在第k個(gè)掃描周期內(nèi)的輸出信號(hào)經(jīng)時(shí)間延遲τ以后的值；
是系統(tǒng)常數(shù)，其中RS、BS、RM、BM依次為編碼用光纖光柵中心波長(zhǎng)反射率、編碼用光纖光柵半高帶寬、調(diào)制光柵中心波長(zhǎng)反射率、調(diào)制光柵半高帶寬；
kscan是調(diào)制光柵的掃描速率
cj，i是第j個(gè)測(cè)點(diǎn)第i位編碼用光纖光柵的系數(shù)，為“1”表示使用該光纖光柵進(jìn)行測(cè)量，為“0”表示不使用該光纖光柵進(jìn)行測(cè)量；
cu，v是第u個(gè)測(cè)點(diǎn)第v位編碼用光纖光柵的系數(shù)，為“1”表示使用該光纖光柵進(jìn)行測(cè)量，為“0”表示不使用該光纖光柵進(jìn)行測(cè)量；
是測(cè)點(diǎn)u第v個(gè)編碼用光纖光柵的初始中心波長(zhǎng)；
是測(cè)點(diǎn)j第i個(gè)編碼用光纖光柵初始中心波長(zhǎng)；
ks是傳感光柵波長(zhǎng)漂移對(duì)被測(cè)量的測(cè)量靈敏度；
是測(cè)點(diǎn)u在第k個(gè)掃描周期的測(cè)量值；
是測(cè)點(diǎn)j在第k個(gè)掃描周期的測(cè)量值；是測(cè)點(diǎn)j相鄰掃描周期內(nèi)測(cè)量值的增量，
是測(cè)點(diǎn)j在第k+1個(gè)掃描周期的測(cè)量值；
為便于計(jì)算，取系數(shù)則式(21)可進(jìn)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(shù)的疊加；若令則可以將式(22)近似寫為式(23)
式中第一項(xiàng)的系數(shù)為測(cè)點(diǎn)編碼的自相關(guān)，第二項(xiàng)的系數(shù)為測(cè)點(diǎn)編碼的互相關(guān)，第三項(xiàng)的系數(shù)為不同測(cè)點(diǎn)之間的互相關(guān)，δ(τ)為脈沖函數(shù)；
理想情況下，采用CDMA技術(shù)的測(cè)點(diǎn)編碼滿足條件
(24)
式中C為測(cè)點(diǎn)編碼的集合，w是碼字重量，即測(cè)點(diǎn)編碼中“1”的數(shù)目，也是碼字的自相關(guān)峰值；
于是式(23)簡(jiǎn)化為
式中wj為第j個(gè)測(cè)點(diǎn)的碼重；
選擇不同的時(shí)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(zhǎng)的增量
進(jìn)而得到傳感光柵中心波長(zhǎng)的實(shí)際漂移
式中Tscan是調(diào)制光柵的掃描周期，
和
是傳感光柵在第k和第k+1個(gè)掃描周期的中心波長(zhǎng)。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種采用碼分多址實(shí)現(xiàn)光纖光柵自相關(guān)數(shù)字解調(diào)方法及其系統(tǒng)。它解決了目前光纖光柵自相關(guān)數(shù)字解調(diào)技術(shù)數(shù)值求解過程復(fù)雜、對(duì)系統(tǒng)初始參數(shù)敏感等問題，具有方法簡(jiǎn)便，測(cè)量精度高等優(yōu)點(diǎn)。其結(jié)構(gòu)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(gè)輸出端與至少一組由傳感光柵組成的測(cè)量單元連接，另一輸出端與耦合器II連接；耦合器II的一個(gè)輸出端與調(diào)制光柵連接，同時(shí)另一輸出端經(jīng)反饋控制單元與調(diào)制光柵連接。
文檔編號(hào)H04J14/00GK101383676SQ20081015748
公開日2009年3月11日 申請(qǐng)日期2008年10月14日 優(yōu)先權(quán)日2008年10月14日
發(fā)明者李東升 申請(qǐng)人:李東升