CN104931080B - 一种基于光纤传感器光收发系统的噪声分离方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于光纤传感器光收发系统的噪声分离方法，具体包括以下步骤：第一步：设计磁屏蔽装置；第二步：确定电路噪声RMS值获取方法；第三步：测量并采用第二步的RMS值获取方法得光纤传感器光收发系统端口输出总噪声及子模块本地噪声RMS值；第四步：确定噪声转化参数并分离光源强度噪声N₀；第五步：计算出每个模块噪声占光纤传感器光收发系统总噪声的比重；本发明在测量光纤传感器光收发系统总体噪声的同时，通过分离方法可分别获得其光源强度噪声和各电路模块的噪声值，并可获得其占光纤传感器光收发系统总噪声的比重。

Description

一种基于光纤传感器光收发系统的噪声分离方法

技术领域

本发明是一种基于光纤传感器光收发系统的噪声分离方法，属于噪声测量领域。

背景技术

光纤传感器是传感各种不同物理信息(声、磁、温度、旋转等)的器件，可以用于高压、电气噪声、高温、腐蚀或其它的恶劣环境，如图1所示，主要由以下几部分组成：光发送模块，用于产生并发送光信号；敏感元件，用于敏感各种不同物理信息，从而获得声、磁、温度、旋转等的变化量；光接收模块，用于接收被测量调制后的光信号，且使光信号变为电信号；信号处理模块，用于将电信号处理成所期待的被测量。

图2所示为光纤传感器光收发系统的噪声叠加原理图，光收发系统包括光发送模块，敏感元件和光接收模块，其中光发送模块包括光源恒流驱动电路和光源，光接收模块包括光电探测器组件及前置放大器电路(简称前放)。光源恒流驱动电路驱动光源发射激光，该激光光波经敏感元件转化为物理信息光信号，光电探测器组件检测物理信息光信号的强度变化获得物理信息电压信号，该物理信息电压信号经前放放大后进入光收发系统后的信号处理模块。对于实际工程应用中，光收发系统的光学系统和电路系统不同部分的噪声会交叉相互叠加并逐级放大。在信号传递的同时，光收发系统内部各子模块噪声也进行着噪声传递叠加：光源恒流驱动电路噪声N_D与光源噪声N_O叠加形成端口1输出总噪声N₁，经敏感元件后与光电探测组件噪声N_PF叠加形成端口2输出总噪声N₂，最后N₂经前放放大的同时与前放噪声N_OPA叠加形成端口3输出总噪声N₃。光纤传感器作为一种精密的传感器件，任何随机性、非互易性因素都将产生严重的误差，大大限制其性能的提高。

目前针对光纤传感器的光收发系统噪声测量方法无法分离各子模块噪声，难以获得各子模块对系统总噪声的贡献，不利于系统降噪方法的研究。

发明内容

本发明的目的是为了解决上述问题，提出了一种光纤传感器收发模块的噪声分离方法，分析出光收发系统中各个子模块噪声值及其所占光收发系统总噪声的比重，为降噪优化研究中减小各随机及非互易性因素提供了重要科学依据。

本发明是一种光纤传感器光收发系统的噪声分离方法，将光纤传感器光收发系统各子模块噪声分离出来，既有利于各子模块的噪声抑制研究，又有利于系统调试时确定主要噪声模块，从而根据不同模块的噪声特性进一步优化提升系统性能。

具体实现步骤是：

首先设计磁屏蔽装置并将光纤传感器光收发系统置于其中，使用噪声测量仪器测量并使用真均方根值(RMS值)数据处理方法得光纤传感器光收发模块端口2输出总噪声N₂和端口3输出总噪声N₃。调整电路，测量光收发系统子模块噪声N_D、N_PF、N_OPA。在光纤传感器中，光源在被恒流驱动电路的同时将光源恒流驱动电路噪声N_D转化为αN_D，并与光源噪声N_O叠加形成端口1输出总噪声N₁，经光电探测器光电转化为βRN₁，再通过前放放大γ倍，其中β为光电探测器响应度，R为光电探测器跨阻增益，γ为前放信号增益。因此接着需要确定噪声转化参数：光源特性转化参数α、光电探测器组件转换参数βR及前放信号增益γ，并运用噪声叠加传递原理得出的端口3输出总噪声表达式将光源噪声N_O分离出来，最后计算出各子模块噪声占光纤传感器光收发系统总噪声的比重：η_D、η_O、η_PF、η_OPA(其中，η_D表示光源横流驱动电路噪声占光纤传感器收发系统总噪声的比重，η_O表示光源强度噪声占光纤传感器收发系统总噪声的比重，η_PF表示光电探测器组件本体噪声占光纤传感器收发系统总噪声的比重，η_OPA表示前放噪声占光纤传感器收发系统总噪声的比重)。

本发明的优点在于：

(1)在测量光纤传感器光收发系统总体噪声的同时，通过分离方法可分别获得其光源强度噪声和各电路模块的噪声值，并可获得其占光纤传感器光收发系统总噪声的比重；

(2)进一步细化了光纤传感器光收发系统噪声测量方法，分离各模块噪声，研究其噪声贡献，对于降低光纤传感器输出噪声，提高光纤传感器的参数优化、设计和装配具有重要意义。

附图说明

图1是现有技术中光纤传感器的构成框图。

图2是现有技术中光收发系统噪声叠加原理图。

图3是光源出纤功率P-驱动电流I关系曲线。

图4是光纤传感器光收发系统噪声分离方法流程图。

图5是光纤传感器磁屏蔽测量装置示意图。

具体实施方式

下面将结合附图对本发明作进一步的详细说明。

本发明是一种基于光纤传感器光收发系统的噪声分离方法，可测量光纤传感器光收发系统各子模块噪声，并将光源强度噪声分离出来。本发明的分离方法如图4所示，具体包括以下步骤：

第一步：设计磁屏蔽装置。

进行光纤陀螺光收发系统电路(光源驱动电路、光电探测器组件及波导驱动电路)噪声测量，需提前设计测量所需的屏蔽装置以消除外源噪声源，如图5所示：将光纤传感器光收发模块置于磁屏蔽金属(铜、铁、铝等)油漆罐中且金属油漆罐全面包地，紧密盖合盖子。同轴电缆的一端通过BNC连接器连接到光纤传感器光收发系统被检测端，同轴电缆的另一端连接真均方根表或数字频谱仪，电源和信号电缆分别采用双绞线和屏蔽同轴线通过屏蔽壳上的小洞连接到屏蔽壳中的电路上，以消除外源噪声。

第二步：确定电路噪声RMS值获取方法。

电路噪声测量可使用真均方根RMS表或数字式频谱分析仪测量，但测量值表示形式有所不同，而且数据需要被处理成RMS值以便进一步计算。使用真均方根数字万用表测量时，测量得仪器本底噪声RMS值N_RO及含仪器本底噪声的电路噪声真均方根测量值N_RC，则去除仪器本底噪声后的电路噪声真均方根真值为使用数字式频谱分析仪测量得仪器本底噪声电压频谱密度C₁：u₁(f)及含仪器本底噪声的电路噪声电压频谱密度C₂：u₂(f)，单位根据各被测电路的带宽最大值BW_nmax，设定积分频率范围0～10BW_nmax,得去除仪器本地噪声的电路噪声RMS值

第三步：测量并采用第二步的RMS值获取方法得光纤传感器光收发系统端口输出总噪声及子模块本地噪声RMS值：N₂、N₃、N_D、N_PF和N_OPA。

如图5所示，将光纤传感器光收发系统置于屏蔽装置内，接通电源并确保光纤传感器正常工作后，使用真均方根表或数字频谱分析仪分别测量并采用第二步的RMS值获取方法得端口2(第二端口)输出总噪声RMS值N₂及端口3(第三端口)输出总噪声RMS值N₃。接着将光源恒流驱动电路与光源断开，并将光源输入端及前放的输入端接地，使用真均方根表或数字频谱分析仪分别测量光源恒流驱动电路噪声N_D、光电探测器组件噪声RMS值N_PF及前放噪声RMS值N_OPA。

第四步：确定噪声转化参数并分离光源噪声N₀。

如图2所示，光纤传感器光收发系统内噪声叠加关系如下：光源恒流驱动电路噪声N_D以电流噪声形式驱动光源后转变为αN_D(α为光源特性参数)，与光源强度噪声N_O叠加得端口1(第一端口)输出总噪声N₁:

端口1输出总噪声N₁经光电探测器组件光电转化为βRN₁，βRN₁与光电探测器组件本底噪声N_PF叠加形成端口2输出总噪声N₂：其中β为光电探测器组件响应度，R为光电探测器组件跨阻增益；噪声N₂通过前放进行放大γ倍后与前放噪声N_OPA叠加，形成前放输出总噪声N₃：其中γ为前放信号增益。

首先确定噪声转化参数：光源特性参数α、前放信号增益γ及光电探测器转化参数βR。测量光纤传感器光源出纤功率P-驱动电流I关系曲线，如图3所示，当光纤传感器正常工作时光源驱动电流I_a时，光源出纤功率为P_a,此时关系曲线点(I_a，P_a)处斜率k_a，即为光源特性参数α。将信号发生器产生的交流信号V_in接入前放电路输入端，用示波器检测输出信号V_out，则前放信号增益γ＝V_in/V_out。根据光电探测器组件说明书得为光电探测器组件响应度β和前放信号增益γ。

然后根据上述光收发系统噪声叠加顺序原理，得光源强度噪声N_O分离公式为：

(其中N₃为前放输出前所有模块的总噪声RMS值；N_D为光源恒流驱动电路噪声RMS值；N_PF为光电探测器组件电路噪声RMS值；N_OPA为前放噪声；α为光源特性参数；β为光电探测器组件响应度；γ为前放信号增益；R为光电探测器组件跨阻增益)。将噪声转化参数及第三步测量得到的噪声值N₂、N₃、N_D、N_PF、N_OPA代入，分离出光源强度噪声N_O。

第五步：计算出每个模块噪声占光纤传感器光收发系统总噪声的比重，光源恒流驱动电路噪声占光纤传感器光收发系统总噪声的比重为：

光源噪声占光纤传感器光收发系统总噪声的比重为：

光电探测组件噪声占光纤传感器光收发系统总噪声的比重为：

前放占光纤传感器光收发系统总噪声的比重为：

本发明提出了一种光纤传感器光收发系统噪声的分离方法，既可以得到光源强度噪声和各电路子模块的噪声值，又可以获得其占光纤传感器光收发系统总噪声的比重，从光收发系统子模块噪声值占光纤传感器光收发系统总噪声的比重中找出规律并指导实践，以达到降低光纤传感器输出噪声的目的，对光纤传感器的参数优化、设计和装配具有重要意义。

Claims (1)

1.一种基于光纤传感器光收发系统的噪声分离方法，具体包括以下步骤：

第一步：设计磁屏蔽装置；

将光纤传感器光收发模块置于磁屏蔽金属油漆罐中，金属油漆罐全面包地，紧密盖合盖子；同轴电缆的一端通过BNC连接器连接到光纤传感器光收发系统被检测端，同轴电缆的另一端连接真均方根表或数字频谱仪，电源和信号电缆分别采用双绞线和屏蔽同轴线连接到屏蔽壳中的电路上；

第二步：确定电路噪声RMS值获取方法；

当采用真均方根表测量时，仪器本底噪声RMS值为N_RO，测量得到包含仪器本底噪声的电路噪声真均方根测量值为N_RC，则去除仪器本底噪声后的电路噪声RMS值为：

当采用数字频谱仪时，仪器本底噪声电压频谱密度为C₁：u₁(f)，测量得到含仪器本底噪声的电路噪声电压频谱密度为C₂：u₂(f)，单位均为根据各被测电路的带宽最大值BW_nmax，设定积分频率范围0～10BW_nmax，得去除仪器本地噪声的电路噪声RMS值为：

第三步：测量并采用第二步的RMS值获取方法得光纤传感器光收发系统端口输出总噪声及子模块本地噪声RMS值；

将光纤传感器光收发系统置于屏蔽装置内，接通电源并确保光纤传感器正常工作后，使用真均方根表或数字频谱仪分别测量并采用第二步的RMS值获取方法，得第二端口输出总噪声RMS值N₂及第三端口输出总噪声RMS值N₃；接着将光源恒流驱动电路与光源断开，并将光源输入端及前放的输入端接地，使用真均方根表或数字频谱仪分别测量光源恒流驱动电路噪声N_D、光电探测器组件噪声RMS值N_PF及前放噪声RMS值N_OPA；

第四步：确定噪声转化参数并分离光源强度噪声N₀；

光纤传感器光收发系统内噪声叠加关系为：光源恒流驱动电路噪声N_D以电流噪声形式驱动光源后转变为αN_D，与光源强度噪声N_O叠加得第一端口输出总噪声N₁:

其中，α为光源特性参数；

第一端口输出总噪声N₁经光电探测器组件光电转化为βRN₁，βRN₁与光电探测器组件本底噪声N_PF叠加形成第二端口输出总噪声N₂：

其中，β为光电探测器组件响应度，R为光电探测器组件跨阻增益，噪声N₂通过前放进行放大γ倍后与前放噪声N_OPA叠加，形成前放输出总噪声N₃：

其中γ为前放信号增益；

首先确定噪声转化参数：光源特性参数α、前放信号增益γ、光电探测器组件响应度β、光电探测器组件跨阻增益R；测量光纤传感器光源出纤功率P-驱动电流I关系曲线，当光纤传感器正常工作时光源驱动电流I_a时，光源出纤功率为P_a,此时关系曲线点(I_a，P_a)处斜率k_a，即为光源特性参数α；将信号发生器产生的交流信号V_in接入前放电路输入端，用示波器检测输出信号V_out，则前放信号增益γ＝V_in/V_out；根据光电探测器组件说明书得为光电探测器组件响应度β；

然后根据上述光收发系统噪声叠加顺序原理，得光源强度噪声N_O分离公式为：

其中N₃为前放输出前所有模块的总噪声RMS值；N_D为光源恒流驱动电路噪声RMS值；N_PF为光电探测器组件电路噪声RMS值；N_OPA为前放噪声；α为光源特性参数；β为光电探测器组件响应度；γ为前放信号增益；R为光电探测器组件跨阻增益；将噪声转化参数及第三步测量得到的噪声值N₂、N₃、N_D、N_PF、N_OPA代入，分离出光源强度噪声N_O；

第五步：计算出每个模块噪声占光纤传感器光收发系统总噪声的比重；

光源恒流驱动电路噪声占光纤传感器光收发系统总噪声的比重为：

${\mathrm{\η}}_D=\sqrt{{(N_D\×\mathrm{\α}\mathrm{\β}R\mathrm{\γ})}^2/N_3^2};$

光源噪声占光纤传感器光收发系统总噪声的比重为：

${\mathrm{\η}}_O=\sqrt{(N_2^2-N_{PF}^2-{\mathrm{\α}}^2{\mathrm{\β}}^2{R}^2{N}_D^2){\mathrm{\γ}}^2/N_3^2};$

光电探测组件噪声占光纤传感器光收发系统总噪声的比重为：

前放占光纤传感器光收发系统总噪声的比重为：