CN101625264B - 超大长度分布式光纤传感光接收机 - Google Patents

超大长度分布式光纤传感光接收机 Download PDF

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Abstract

本发明揭示一种超大长度分布式光纤传感光接收机，其包括光探测器、对数放大器、主放大器。光探测器用以实现光干涉信号的光电转换与内部增益放大功能；对数放大器连接所述光探测器，用以完成输入输出信号的对数变换；主放大器连接所述对数放大器，用以对经过对数变换后的信号做进一步的可控放大。本发明揭示的超大长度分布式光纤传感光接收机，为光纤传感的超大动态模拟光探测设计了一种实用的超大长度分布式光纤传感光接收机，使光接收的接收灵敏度-65dB，带宽为20MHz，动态范围50dB。

Description

超大长度分布式光纤传感光接收机
技术领域
本发明属于光传感技术领域，涉及一种传感光接收机，尤其涉及一种超大长度分布式光纤传感光接收机。
背景技术
光纤传感器的概念不是新的，早在60年代中期就出现了第一个专利，它包括采用传光束的Fotonic机械位移传感器和采用相位调制的超声波传感器。但是，在更为广阔的领域，即光纤传感技术，取得系列研究却是在10年以后，从那时起光纤技术就突破了那种徘徊不前的状态，进入了一日千里的时代。
光纤传感器的基本原理是：由光源发出的光经过光纤进入调制区，在被测对象的作用下，光的强度、波长、频率、相位、偏振态等光学性质发生了变化，使它成为被调制了的信号，再经过光纤送入光探测器和电信号处理装置，最终获得待测对象的信息。
目前，分布式光纤传感技术是光传感技术领域中最有应用前景的，其中分布式光纤振动传感器通过一次测量，既可获得光纤所经区域振动的完整信息。然而分布式光纤振动传感器的探测区域很大，测量光缆越长越好，一般大于50KM，所以系统的光接收动态范围很宽(大于50dB)，所以目前国内能做出性能稳定的大长度分布式光纤振动传感器的厂商很少。
分布式光纤传感器问世以来，至今已经出现了许多商业化产品，然而所达到的指标在许多场合下仍不能满足要求。尤其是分布式光纤振动传感器的测量距离，目前最高的指标水平为15km，在实用中仍有很大的限制性。究其原因，主要问题是制作一个超大长度分布式光纤传感光接收机难度大。因此，分布式光纤振动传感器的精度、测量长度仍然有待提高。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是：提供一种超大长度分布式光纤传感光接收机，具有较高灵敏度。
为解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案：
一种超大长度分布式光纤传感光接收机，其包括：
光探测器APD，用以实现光干涉信号的光电转换与内部增益放大功能；
放大单元，连接所述光探测器，用以完成输入输出信号的对数变换，而后对经过对数变换后的信号做进一步的可控放大。
作为本发明的一种优选方案，所述放大单元包括对数放大器、主放大器。对数放大器连接所述光探测器，用以完成输入输出信号的对数变换；主放大器连接所述对数放大器，用以对经过对数变换后的信号做进一步的可控放大。
作为本发明的一种优选方案，所述主放大器包括可变增益放大器，用以对经过对数变换后的信号做进一步的可控放大。
作为本发明的一种优选方案，所述主放大器还包括
增益控制单元，用以调节主放大器的增益，以防止由于信号过大使得接收机进入饱和状态；
驱动级，连接所述可变增益放大器，用以增强光接收机的驱动能力。
作为本发明的一种优选方案，所述增益控制单元采用超低噪声高速运算放大器，其电压增益Avd＝20dB，带宽大于20MHz；所述可变增益放大器采用AD603，带宽大于90MHz，可实现0～30dB之间的任意增益值；可使经过光接收机放大的信号幅度在一个合理的范围内；所述驱动级采用OPA847，带宽大于100MHz，增益为2dB。
作为本发明的一种优选方案，所述主放大器通常采用高带宽增益积的运放对经过对数变换后的信号做进一步的放大。
作为本发明的一种优选方案，所述光探测器还连有温度补偿单元，用以根据环境温度自动调节所述光探测器偏置电压，保持光探测器倍增因子恒定。
作为本发明的一种优选方案，所述光探测器使用雪崩光电二极管。
作为本发明的一种优选方案，所述雪崩光电二极管倍增因子M为9.5。
本发明的有益效果在于：本发明揭示的超大长度分布式光纤传感光接收机，为光纤传感的超大动态模拟光探测设计了一种实用的超大长度分布式光纤传感光接收机，使光接收的接收灵敏度-65dB，带宽为20MHz，动态范围50dB。
附图说明
图1为本发明光纤传感光接收机的组成示意图。
图2为主放大器的组成示意图。
具体实施方式
下面结合附图详细说明本发明的优选实施例。
请参阅图1、图2，本发明揭示了一种超大长度分布式光纤传感光接收机，其包括依次连接的光探测器10、对数放大器20、主放大器30；所述对数放大器20、主放大器30组成放大单元。
光探测器10用以实现光干涉信号的光电转换与内部增益放大功能；对数放大器20用以完成输入输出信号的对数变换；主放大器30用以对经过对数变换后的信号做进一步的可控放大，主放大器30可采用高带宽增益积的运放对经过对数变换后的信号做进一步的放大。
所述光探测器10还连有温度补偿单元11，用以根据环境温度自动调节所述光探测器偏置电压，保持光探测器倍增因子恒定。
所述主放大器30包括可变增益放大器31、增益控制单元32、驱动级33。可变增益放大器31用以对经过对数变换后的信号做进一步的可控放大；增益控制单元32用以调节主放大器的增益，以防止由于信号过大使得接收机进入饱和状态；驱动级33连接所述可变增益放大器，用以增强光接收机的驱动能力。
设计光接收机，首先面临的问题是光检测器的选择。光探测器大致可分为p-i-n光电二极管(PIN-PD)和雪崩光电二极管(APD)。
对分布式光纤振动传感器而言，由于后向散射光信号非常弱，所以，提高光检测器的灵敏度成为首要的考虑因素。PIN光电二极管虽然噪声较小，但它不能放大信号。雪崩光电二极管(APD)的噪声较大，但它的内部倍增使得它的灵敏度较高。所以，雪崩光电二极管(APD)可以较好的满足本宽带高灵敏度光接收机的要求。
使用雪崩光电二极管(APD).需要注意以下两个问题：
(1)倍增因子的选择
APD的电流增益，即倍增因子M可表示如下式：
M＝10/IP
式中，10是APD倍增后的光电流，IP是未倍增的光电流。APD的倍增因子M会随偏压的增大而增加，但其倍增噪声的增加速度更快。所以，M不要选的过大，本设计中M＝9.5。
(2)温度对APD倍增因子的影响
温度对APD的影响比对P1.N的影响大。当温度升高时，APD的击穿电压增大，M一下降，倍增噪声减小；反之亦然。所以，本设计采取了温控或温度补偿措施，使APD的工作状态稳定。
其次面临的问题是光接收机信号动态范围的压缩。在超大长度分布式光纤传感系统中，探测信号往往具有很宽的动态范围。一般接收机前端信号动态范围可达120dB以上；光纤接收器前端的电流也可从“pA”级到“mA”级。宽动态范围往往给应用设计带来很多问题。一方面，线性放大器无法处理这样宽的动态范围。另一方面，DA变换中，在保证分辨率的情况下，模数转换器的位数会随动态范围的增大而增大。
在本应用中，动态范围的压缩分为“线性压缩”和“非线性压缩”。线性压缩是指放大器的增益与信号的大小无关，输出基本保持恒定。线性压缩的特点使谐波失真小，其本质是一种“压控放大器”(VCA)。非线性压缩方面最好的例子就是对数放大器。它是输入输出信号成对数关系的器件，它对信号动态范围的压缩不需要像AGC系统那样提取输入信号的电平来控制增益，其增益与信号的大小成反比。
在本应用中，光接收机第一级的在接收宽动态范围的光信号时，常常将其动态范围压缩到一个可以处理的程度，所以，根据超大长度分布式光纤传感光接收信号的特点，设计时光接收前置放大电路采用“非线性压缩”处理光接收信号的动态范围，既光接收机第一级使用了APD与对数放大器(TIA)组合成为的APD-TIA组件
对数放大器输入输出呈对数关系，输入信号的动态范围可以很大，这个特点非常适用数据压缩。如果分辨率不变，假设输入范围为10mV-10V，要求在10mV时的分辨率为1％，为保证精度则在10V时分辨率就是0.001％，为保证分辨率，至少需要16位模数转换器。现在用对数放大器，其输入动态范围为3个数量级，信号的分辨率保持1％，则模数转换器用12位足矣。因此在数据压缩方面对数放大器有着很重要的作用，经常在数据采集的前端要经过对数放大器，然后将信号送入采集卡的模拟输入端，经电平转换后送入ADC进行转化。与分立元件相比，这种组件灵敏度高，动态范围宽，噪声较小，可以很好的满足本接收机的要求。
值得注意的是由于对数放大器的实质时完成输入输出信号的对数变换。并不强调其放大器的放大器能力，因此对数放大器的检波输出电压一般不能满足后续处理电路的门限电压要求，主放大器通常采用高带宽增益积的运放对经过对数变换后的信号做进一步的放大。
主放大器设计时采用“线性压缩”处理输入信号的动态范围，所以，最后确定的主放大器结构如图2。
增益控制(增益控制单元32)采用超低噪声高速运算放大器，其电压增益Avd＝20dB，带宽大于20MHz。
可控增益级(可变增益放大器31)采用AD603，带宽大于90MHz，可实现0～30dB之间的任意增益值。在宽带高灵敏度光接收机中，通过对本级的控制，可使经过光接收机放大的信号幅度在一个合理的范围内。
最后的驱动级33采用OPA847，带宽大于100MHz，增益为2dB。
最终宽带高灵敏度光接收机的设计功能与主要技术指标如下：
◆光接收灵敏度Pr：≤-65dBm；
◆光接收动态范围：50dB；
◆APD恒增益工作温度范围：-0℃～+50℃；
◆带宽：几Hz～20MHz；
◆增益范围：0～28dB可调；
◆模拟信号输出范围：±500Mv，噪声VPP＜50mV。
综上所述，本发明揭示的超大长度分布式光纤传感光接收机，为光纤传感的超大动态模拟光探测设计了一种实用的超大长度分布式光纤传感光接收机，使光接收的接收灵敏度-65dB，带宽为20MHz，动态范围50dB。
这里本发明的描述和应用是说明性的，并非想将本发明的范围限制在上述实施例中。这里所披露的实施例的变形和改变是可能的，对于那些本领域的普通技术人员来说实施例的替换和等效的各种部件是公知的。本领域技术人员应该清楚的是，在不脱离本发明的精神或本质特征的情况下，本发明可以以其它形式、结构、布置、比例，以及用其它组件、材料和部件来实现。在不脱离本发明范围和精神的情况下，可以对这里所披露的实施例进行其它变形和改变。

Claims (7)

1.一种超大长度分布式光纤传感光接收机，其特征在于，其包括：
光探测器，用以实现光干涉信号的光电转换与内部增益放大功能；
对数放大器，连接所述光探测器，用以完成输入输出信号的对数变换；
主放大器，连接所述对数放大器，所述主放大器包括可变增益放大器，用以对经过对数变换后的信号做进一步的可控放大。
2.根据权利要求1所述的超大长度分布式光纤传感光接收机，其特征在于：
所述主放大器还包括
增益控制单元，用以调节主放大器的增益，以防止由于信号过大使得接收机进入饱和状态；
驱动级，连接所述可变增益放大器，用以增强光接收机的驱动能力。
3.根据权利要求2所述的超大长度分布式光纤传感光接收机，其特征在于：
所述增益控制单元采用超低噪声高速运算放大器，其电压增益Avd＝20dB，带宽大于20MHz；
所述可变增益放大器采用AD603，带宽大于90MHz，可实现0～30dB之间的任意增益值；可使经过光接收机放大的信号幅度在一个合理的范围内；
所述驱动级采用OPA847，带宽大于100MHz，增益为2dB。
4.根据权利要求1至3任一所述的超大长度分布式光纤传感光接收机，其特征在于：
所述主放大器采用高带宽增益积的运放对经过对数变换后的信号做进一步的放大。
5.根据权利要求1至3任一所述的超大长度分布式光纤传感光接收机，其特征在于：
所述光探测器还连有温度补偿单元，用以根据环境温度自动调节所述光探测器偏置电压，保持光探测器倍增因子恒定。
6.根据权利要求1至3任一所述的超大长度分布式光纤传感光接收机，其特征在于：
所述光探测器使用雪崩光电二极管。
7.根据权利要求6所述的超大长度分布式光纤传感光接收机，其特征在于：
所述雪崩光电二极管倍增因子M为9.5。
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