CN106873026A - 一种基于光纤光栅地震检波解调系统的微弱信号检测电路 - Google Patents
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Abstract
一种基于光纤光栅地震检波解调系统的微弱信号检测电路，主要有以下几个部分：首先是对光信号进行光电转换，即可通过光电探测器将光信号转换为电流信号；再经过前置放大器将电流信号转换为电压信号；最后再经过二次放大，甚至加滤波，将其转换为可以有效识别的检测信号。其中前置放大在整个电路中起着至关重要的作用。该电路提高了解调系统的分辨率，可以很好地应用于光纤光栅地震勘探解调中和其他光电检测系统中。
Description
技术领域
本发明涉及一种基于光纤光栅地震检波解调系统的微弱信号检测电路，适用于电子领域。
背景技术
在地震勘探系统中，由于所勘察的环境和外界空间干扰源等因素的影响，拾取地震信息的传感器也由电磁类向光类的传感器转变。随着技术的不断发展，光纤布拉格光栅作为一种新型的光无源传感器件具有其他传感器无可比拟的优点，近年来国内外对光纤光栅的应变、应力和温度等物理量的传感特性进行了多方面的研究，技术日趋成熟。利用FBG传感器的波长编码特性，不仅可以用来检测温度、应变等准静态量，还可以用来检测加速度、微振动。应用于地震勘探的各种速度、加速度传感器越来越多，也越来越先进。对于其检测的配套电路的设计也就成为了检测系统不可或缺的部分，在实际应用中，解调系统的电路设计成为了十分关键的，往往影响着后续数据的处理。在研究光纤光栅勘探系统的基础上发现光电转换后的信号十分微弱，且易受环境噪音的干扰，甚至会淹没有用信号。
发明内容
本发明提出了一种基于光纤光栅地震检波解调系统的微弱信号检测电路，提高了解调系统的分辨率，可以很好地应用于光纤光栅地震勘探解调中和其他光电检测系统中。
本发明所采用的技术方案是：所述微弱光信号检测电路主要有以下几个部分，首先是对光信号进行光电转换，即可通过光电探测器将光信号转换为电流信号；再经过前置放大器将电流信号转换为电压信号；最后再经过二次放大， 甚至加滤波，将其转换为可以有效识别的检测信号。其中前置放大在整个电路中起着至关重要的作用。
由于光纤光栅地震检波器是以光信号为变换和传输的载体，因此必须借助光电检测电路将被调制到光载波上的外界变化量转换成电信号输出。通常光电探测器所接收到的光信号都十分微弱，转换后的电信号也非常小，而且又受到背景噪音、元件噪音、电路噪音的影响，要得到精确的检测结果有很大的难度。因此，光电检测放大电路的性能对整个解调系统性能起着决定作用。
由于光纤光栅传感器是以光信号为载体，因此要借助光电转换电路将光信号变换成电信号。光电转换电路通常可表示为：光→电流→电压。从光→电流的转换主要由光电探测器来完成。光电探测器是一种把光能转换成电能的光电器件，具有线性范围宽、光谱响应范围大、可靠性高、体积小等优点。目前，最常用的光电探测器件主要有PN光电二极管、PIN光电二极管和雪崩光电二极管（APD）。系统选用PIN光电二极管。
由于光纤光栅地震检波器反射回来的信号光带宽极窄且光功率较低，到达光电探测器的信号非常微弱，而且信号频率较低；在PIN接收的光信号功率变成与之成比例的微弱电流信号，再通过运算放大器变换成电压信号的同时，放大电路中还存在各个器件的固有噪声以及供电电源引起的噪声。因此依照弱信号检测理论，在电路设计中必须采取措施抑制噪声以提高信噪比来满足后续电子处理电路对信号的要求。为此，设计了高信噪比光信号探测电路。放大电路的第一级使用前面所选的光电探测器完成光功率→电流的转化。
第二级采用 CMOS工艺集成的斩波稳零超低漂移运算放大器进行同相比例放大。此外，由于两级运放之中产生附加相移，如果反馈过深引起的附加相移超过180°就会造成运放自激，因此为了防止自激在运放反馈电阻R1、R3上并联了取值较小的电容C1、C5，以改善系统响应函数的零极点位置，达到稳定系统的目的。可根据系统要求通过调节反馈电阻R3来适当改变输出信号的幅值，实验中根据输入的传感信号光的强弱和后续A/D采集芯片对输入信号的要求。
第三级采用高精度低失调电压的精密运算放大器，设计了低通滤波电路。滤波器的阶数可以根据实际需要而进行逐级增加，一般不宜超过八阶。通过振动台给出了15Hz和20Hz的模拟地震波，检测系统可以很好地还原出原信号，说明所设计的电路是可靠的。实验误差主要有漂移误差和随机误差。漂移误差是随时间、温度、地点等因素的变化而使输出产生漂移。在光电检测电路中，主要有外部噪音，如光辐射源的随机波动和附加的光调制器、光路传输介质的湍流和背景起伏、杂散光的入射以及检测系统受到的电磁干扰等，内部噪音，如光电检测器件和检测电路等器件的固有噪音，这些噪音是不可避免的。
本发明的有益效果是：提高了解调系统的分辨率，可以很好地应用于光纤光栅地震勘探解调中和其他光电检测系统中。
附图说明
下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。
图1是本发明的微弱信号检测电路的原理图。
图2是本发明的放大电路的第一级电路图。
图3是本发明的放大电路的第二级电路图。
图4是本发明的放大电路的第三级电路图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。
如图1，微弱光信号检测电路的设计主要有以下几个部分，首先是对光信号进行光电转换，即可通过光电探测器将光信号转换为电流信号；再经过前置放大器将电流信号转换为电压信号；最后再经过二次放大， 甚至加滤波，将其转换为可以有效识别的检测信号。其中前置放大在整个电路中起着至关重要的作用。
由于光纤光栅地震检波器是以光信号为变换和传输的载体，因此必须借助光电检测电路将被调制到光载波上的外界变化量转换成电信号输出。通常光电探测器所接收到的光信号都十分微弱，转换后的电信号也非常小，而且又受到背景噪音、元件噪音、电路噪音的影响，要得到精确的检测结果有很大的难度。因此，光电检测放大电路的性能对整个解调系统性能起着决定作用。
由于光纤光栅传感器是以光信号为载体，因此要借助光电转换电路将光信号变换成电信号。光电转换电路通常可表示为：光→电流→电压。从光→电流的转换主要由光电探测器来完成。光电探测器是一种把光能转换成电能的光电器件，具有线性范围宽、光谱响应范围大、可靠性高、体积小等优点。目前，最常用的光电探测器件主要有PN光电二极管、PIN光电二极管和雪崩光电二极管（APD）。系统选用PIN光电二极管。
如入2，由于光纤光栅地震检波器反射回来的信号光带宽极窄且光功率较低，到达光电探测器的信号非常微弱，而且信号频率较低；在PIN接收的光信号功率变成与之成比例的微弱电流信号，再通过运算放大器变换成电压信号的同时，放大电路中还存在各个器件的固有噪声以及供电电源引起的噪声。因此依照弱信号检测理论，在电路设计中必须采取措施抑制噪声以提高信噪比来满足后续电子处理电路对信号的要求。为此，设计了高信噪比光信号探测电路。放大电路的第一级使用前面所选的光电探测器完成光功率→电流的转化。
如图3，第二级采用 CMOS工艺集成的斩波稳零超低漂移运算放大器进行同相比例放大。此外，由于两级运放之中产生附加相移，如果反馈过深引起的附加相移超过180°就会造成运放自激，因此为了防止自激在运放反馈电阻R1、R3上并联了取值较小的电容C1、C5，以改善系统响应函数的零极点位置，达到稳定系统的目的。可根据系统要求通过调节反馈电阻R3来适当改变输出信号的幅值，实验中根据输入的传感信号光的强弱和后续A/D采集芯片对输入信号的要求。
如图4，第三级采用高精度低失调电压的精密运算放大器，设计了低通滤波电路。滤波器的阶数可以根据实际需要而进行逐级增加，一般不宜超过八阶。通过振动台给出了15Hz和20Hz的模拟地震波，检测系统可以很好地还原出原信号，说明所设计的电路是可靠的。实验误差主要有漂移误差和随机误差。漂移误差是随时间、温度、地点等因素的变化而使输出产生漂移。在光电检测电路中，主要有外部噪音，如光辐射源的随机波动和附加的光调制器、光路传输介质的湍流和背景起伏、杂散光的入射以及检测系统受到的电磁干扰等，内部噪音，如光电检测器件和检测电路等器件的固有噪音，这些噪音是不可避免的。
Claims (6)
1.一种基于光纤光栅地震检波解调系统的微弱信号检测电路，其特征是：所述微弱光信号检测电路的设计主要有以下几个部分，首先是对光信号进行光电转换，即可通过光电探测器将光信号转换为电流信号；再经过前置放大器将电流信号转换为电压信号；最后再经过二次放大，
甚至加滤波，将其转换为可以有效识别的检测信号。
2.根据权利要求1所述的一种基于光纤光栅地震检波解调系统的微弱信号检测电路，其特征是：所述系统选用PIN光电二极管，借助光电转换电路将光信号变换成电信号。
3.根据权利要求1所述的一种基于光纤光栅地震检波解调系统的微弱信号检测电路，其特征是：所述液面检测电路利用三极管的导通与截止检测水位的高低，给出高低电平信号，同时用LED发光二极管来显示。
4.根据权利要求1所述的一种基于光纤光栅地震检波解调系统的微弱信号检测电路，其特征是：在电路设计中必须采取措施抑制噪声以提高信噪比来满足后续电子处理电路对信号的要求，设计了高信噪比光信号探测电路；放大电路的第一级使用前面所选的光电探测器完成光功率→电流的转化。
5.根据权利要求1所述的一种基于光纤光栅地震检波解调系统的微弱信号检测电路，其特征是：所述第二级采用 CMOS工艺集成的斩波稳零超低漂移运算放大器进行同相比例放大，由于两级运放之中产生附加相移，如果反馈过深引起的附加相移超过180°就会造成运放自激，因此为了防止自激在运放反馈电阻R1、R3上并联了取值较小的电容C1、C5，以改善系统响应函数的零极点位置，达到稳定系统的目的。
6.根据权利要求1所述的一种基于光纤光栅地震检波解调系统的微弱信号检测电路，其特征是：所述第三级采用高精度低失调电压的精密运算放大器，滤波器的阶数可以根据实际需要而进行逐级增加，一般不宜超过八阶。
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