（电磁场与微波技术专业论文）干涉型光纤传感系统中光板的实现.pdf

北京邮电人学硕士学位论文摘要 干涉型光纤传感系统中光板的实现 摘要 传感器是感受规定的被测量并按一定规律将其转换为有用信号 的器件或装置。随着传感器朝着灵敏、精巧、适应性强和智能化、网 络化方向的发展，作为传感器家族新成员的光纤传感器，因为其优越 的性能而倍受青睐。在光纤传感器的各分类中，以光纤相位传感器( 即 各种光纤干涉仪) 的灵敏度最高。 本论文研究的是基于马赫泽德( m z ) 干涉环路干涉仪的光纤 传感系统。这个系统通过光谱分析等技术来实现长距离，完全分布式 的定位检测。该传感系统主要包括四个部分：光板、偏振控制模块、 数据处理模块及用户界面。光板用于产生和接收光信号，是本论文的 主要研究内容。 本论文首先分析了光接收部分的各种噪声源以及产生的原因，计 算了普通接收机、平衡接收机、自平衡接收机的噪声性能的数学近似 结果。并且利用数学仿真工具m a t l a b ，对三种接收机的信噪比进行 分析和比较。最后选定在光板中使用自平衡接收机方案。 其次，设计了白平衡接收机的电路原理图，并且用仿真工具 m u l t i s i m 2 0 0 1 对设计出的电路进行了仿真分析，证实电路能够达到理 想的效果，并且设计了印刷电路板( p c b ：p r i n t e dc i r c u i tb o a r d ) 及 初步调试了自平衡接收机模块。 北京邮电人学硕士学位论文摘要 关键词：光纤传感器，m z 干涉仪，自平衡接收机，热噪声，散粒噪 声，信噪比 北京邮电大学硕士学位论文a b s t r a c t r e a l i z a t l 0 nm e t h o do fo p t i c a lb o a r d o fi n t e r f e r o m e t r j c0 p t i c a lf i b e r s e n s o rs y s t e m a bs t r a c t s e n s o ri sad e v i c ew h i c hc a ns e n s es p e c i f i e dq u a n t i t yt ob em e a s u r e d a n dt r a n s l a t ei ti n t ou s e f u l s i g n a la c c o r d i n gt oac e r t a i nd e g r e eo f r e g u l a r i t y w h i l e s e n s o r sa r e b e c o m i n g m o r e s e n s i t i v e ，e x q u i s i t e ， a d a p t a b l ea n di n t e l l e c t u a l ，t h ef i b e ro p t i cs e n s o r , w h i c hi st h en e wo n ei n s e n s o rf a m i l y , i sb e c o m i n gm o r ep o p u l a r , d u et oi t ss u p e r i o rp e r f o r m a n c e i nav a r i e t yo fc l a s s i f i c a t i o no ff i b e ro p t i cs e n s o r s ，t h ef i b e ro p t i cs e n s o r s b a s e do ni n t e r f e r o m e t e rh a v et h eh i g h e s ts e n s i t i v i t y i nt h i sp a p e r ，af i b e r o p t i c a ls e n s o rs y s t e mb a s e do nam a c h z e h n d e r ( m z ) i n t e r f e r o m e t e r l o o p i si n t r o d u c e d t h i s s y s t e m c a l la c h i e v e l o n gd i s t a n c e ，t o t a l l y d i s t r i b u t e di n t e r f e r e n c ed e t e c t i o nt h r o u g ht e c h n o l o g i e ss u c ha ss p e c t r u m a n a l y s i s t h i ss e n s o rs y s t e mi n c l u d e sf o u rp a r t s ：o p t i c a lb o a r ds y s t e m ， p o l a r i z a t i o n c o n t r o l s y s t e m ，d a t ap r o c e s ss y s t e ma n dg r a p h i c a lu s e r i n t e r f a c e s ( g u i ) o p t i c a lb o a r ds y s t e mi sm a i n l yu s e df o rg e n e r a t i n ga n d r e c e i v i n go p t i c a ls i g n a l o p t i c a lb o a r dw i l lb ed i s c u s s e di nt h i sp a p e r f i r s to fa l l ，t h i sp a p e rd i s c u s s e da l lt h en o i s ei nt h eo p t i c a lr e c e i v e r u n i t t h en o i s ep e r f o r m a n c eo fr e g u l a rr e c e i v e r , b a l a n c e dr e c e i v e ra n d a u t o b a l a n c e dr e c e i v e ra r ea n a l y z e d t h e nt h es i g n a lt on o i s er a t i o ( s n r ) o ft h e s e t h r e e t y p e s o fr e c e i v e r sa r e c o m p a r e da n da n a l y z e db y m a t l a b s e c o n d l y , e l e c t r i cs c h e m a t i cd i a g r a mo fa u t o b a l a n c e dr e c e i v e rw a s d e s i g n e d t h e nt h i sd i a g r a mw a sa n a l y z e dw i t hs i m u l a t i o ns o f t w a r e m u l t i s i m 2 0 01 ，a n di t sp e r f o r m a n c et u r n e do u tt ob ep e r f e c t t h ep c bo f a u t o b a l a n c e dr e c e i v e ru n i tw a st h e nd e s i g n e d 北京邮电人学硕十学位论文 a b s t r a c t k e yw o r d s ：f i b e ro p t i cs e n s o r , m - - zi n t e r f e r o m e t e r , a u t o b a l a n c e d r e c e i v e r , t h e r m a ln o i s e ，s h o tn o i s e ，s i g n a l - t o - n o i s er a t i o i v 北京邮电入学硕+ 学位论文论文发表情况 缩略词索引表 a d c a p d d f b g u i l a s e r m z p c b p i d p i n s n r t e c a n a l o gt od i g i t a lc o n v e r t e r 模拟数字转换器 a v a l a n c h ep h o t od i o d e 雪崩二极管 d i s t r i b u t e df e e d b a c k分布反馈 g r a p h i c a lu s e ri n t e r f a c e s用户界面 l i g h ta m p l i f i c a t i o nb ys t i m u l a t e de m i s s i o no f r a d i a t i o n 激光器 m a c h z e h n d e r马赫一泽德 p r i n t c i r c u i tb o a r d 印制电路板 p r o p o r t i o n a l - i n t e g r a l - - d e r i v a t i v e 比例- 积分一微分控制器 p o s i t i v ei n t r i n s i cn e g a t i v e 光电二极管 s i g n a lt on o i s er a t i o 信噪比 t h e r m a le l e c t r i cc o o l e r 半导体制冷器 5 7 独创性( 或创新性) 声明 本人声明所呈交的论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究 成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢中所罗列的内容以外，论文中不 包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得北京邮电大学或其他 教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任 何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 申请学位论文与资料若有不实之处，本人承担一切相关责任。 本人签名：圣旦之圣日期：2 盟! ：生! 12 关于论文使用授权的说明 学位论文作者完全了解北京邮电大学有关保留和使用学位论文的规定，即： 研究生在校攻读学位期间论文工作的知识产权单位属北京邮电大学。学校有权保 留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许学位论文被查阅和借 阅；学校可以公布学位论文的全部或部分内容，可以允许采用影印、缩印或其它 复制手段保存、汇编学位论文。( 保密的学位论文在解密后遵守此规定) 保密论文注释：本学位论文属于保密在年解密后适用本授权书。非保密论 文注释：本学位论文不属于保密范围，适用本授权书。 本人签名：臣旦盗日期：塑立：生：12 导师签名：同期： 北京邮电人学硕士学位论文第一章绪论 1 1 引言 第一章绪论 传感器是感受规定的被测量并按一定规律将其转换为有用信号的器件或装 置，它在工业生产、国防建设和科学技术等各个领域都发挥着巨大作用。近十几 年来，传感器的产量及市场需求的年增长率均在1 0 以上。传感器技术作为当今 世界迅猛发展起来的高新技术之一，已经成为一个国家科学技术发展水平的重要 标志。 近年来，传感器在朝着灵敏、精巧、适应性强和智能化、网络化的方向发展。 在这一过程中，光纤传感器作为传感器家族的新成员，由于其优越的性能而倍受 青睐。与传统的传感器相比，光纤传感器具有以下的优势： ( 1 ) 光纤是一种耐高压，抗腐蚀的介质，能在电磁或电子传感器不能工作 的恶劣环境下运行。 ( 2 ) 其次光波的传播频率极高，具有巨大的信息容量，又能有效的防止无 线电波及电火花干扰被传输的光频信号。 ( 3 ) 光纤很细，又具有极高的韧性，可以制造各种体积小、重量轻以及任 意形状的传感器。 ( 4 ) 光纤传感器和光纤遥测及通信技术有内在的兼容性，使得信号传输和 信号处理变得很容易。 ( 5 ) 更重要的是光纤传感器可以传感各种物理量，例如声、电、磁、温度、 压力、振动、旋转等，并具有极高的灵敏度。 光纤传感器的应用范围很广，几乎涉及国民经济的所有重要领域和人们的日 常生活，尤其可以安全有效地在恶劣环境中使用，解决了许多行业多年来一直存 在的技术难题，具有很大的市场需求。军用光纤传感器需求量也相当大，目前主 要集中在光纤陀螺、光纤水听器、光纤加速度传感器和光纤压力传感器，它们应 用遍及陆、海、空三军，预计将有8 0 亿人民币的市场需求。 目前，在美国、欧洲及同本等国家，光纤传感器已进入商品化阶段。随着光 纤技术的发展，光纤传感器的性能越来越好，y a m a t a k e h o n e y w e l l 公司为电子和 半导体工业提供了应用很广的h p x 系列光纤传感器。i d e ci z u m i 公司推出了s a i c - - f u 系列模拟传感器，用于水污染和混浊度监测。日本富士公司推出光纤式网 络总线( o p t i c a lf i e l d b u ss y s t e m ) 为工业自动化提出标准而优秀的光纤传感器网 络系统，并推出了光纤压力表、流量计、温度计等一系列工业自动化应用的光纤 北京邮t 也人学硕+ 学位论文第一章绪论 传感器。国际光纤传感器从八十年代起以平均每年4 0 左右的速度在递增，1 9 9 6 年销售额达5 0 5 亿美元，2 0 0 0 年达6 0 亿美元，预计到2 0 0 6 年将达到1 0 0 亿美 元。 我国在2 0 世纪7 0 年代末就开始了光纤传感器的研究，其起步时间与国际相 差不远。目前，已有上百个单位在这一领域开展工作，如清华大学、武汉理工大 学、重庆大学、核工业总公司九院、电子工业部1 4 2 6 所等。这些单位在光纤温 度传感器、压力计、流量计、液位计、电流计、位移计等领域进行了大量的研究， 取得了上百项科研成果，其中相当数量的研究成果具有很高的实用价值，有的达 到世界先进水平。但是与发达国家相比，我国的研究水平还有不小的差距，主要 表现在商品化和产业化方面，大多数品种仍处于实验室研制阶段，不能投人批量 生产和工程化应用。我们应该加大对传感器技术研究、开发的投入，缩短我国传 感器技术与国外的差距，促进我国仪器仪表工业和白化化技术的发展。 光纤传感器可分为传光型( 非功能型) 和传感型( 功能型) 两大类。在传光型光 纤传感器中，光纤仅起到传输光波的作用，必须在光纤端部或中间安装其他敏感 元件才能组成完整的传感器；而传感型光纤传感器则利用光纤本身的敏感特性进 行工作。对于传感型光纤传感器，由光源发出的光在光纤中传播时，若应力、温 度、电场、磁场等外界因素发生了变化，则光波的振幅、相位、波长及偏振态等 特征参量就随之变化，该过程称为光波的调制。含有调制信息的光波经光纤传输 到光电转换部分，解调后被仪器接收，即可得到外场确切变化的信息。根据被测 量对光的调制方法不同，传感型光纤传感器可分为强度传感器，频率( 或波长) 传感器，相位传感器及光纤偏振式传感器四大类。其中尤其以光纤相位传感器( 即 各种光纤干涉仪) 的灵敏度最高。 目前光纤传感器已经运用于军事和民用领域，广泛用于机械测量【，温度测 量【2 】，声音监控3 1 以及压力检测与定位4 】【5 】【6 1 等等。 1 2 光纤干涉仪 光学干涉仪的共同特点是它们的相干光在空气中传播，由于空气受环境温度 变化的影响，引起空气的折射振动及声波干扰。这种影响都会导致空气光程的变 化，从而引起干涉测量工作的不稳定，以致准确度降低。利用单模光纤作干涉仪 的光路，就可以排除上述影响。并可以克服光路加长时对相干长度的严格限制， 从而可以制造出千米量级光路长度的光纤干涉仪。 实现干涉测量的仪器很多，通常采用的光学干涉仪主要有四种：迈克尔逊 ( m i c h e i s o n ) 干涉仪、马赫一泽德( m a c h z e h n d e r ) 干涉仪、塞格纳克( s a g n a c ) 干涉仪和法御罩一珀罗( f a b r y - p e r o t ) 干涉仪。空问中满足频率相同、相位差稳 4 北京邮电人学硕十学位论文第一章绪论 定、且具有相同振动方向的光称为相干光。两束单色光相干叠加时产生的效果在 接收屏上反映为明暗相间的干涉条纹。条纹亮度最大的地方满足相位差为2 p 的 整数倍这个条件。因此，若其中一束光的相位发生改变，则接收屏上的干涉条纹 随之移动，m i c h e l s o n 、m a c h z e h n d e r ( m z ) 、s a g n a c 干涉仪就是基于这个原理。 宽带光在通过两个互相平行、具有一定反射率的镜面时会发生多光束干涉，只有 特定波长的光的输出光强为极大值，这是f a b r y - p e r o t ( f p ) 干涉仪的原理。若f p 腔的腔长发生微小改变，输出的极大波长即随之改变。这些干涉仪共同的特点是， 只要其中一束或多束光的光程发生微小的变化，则接收到的干涉条纹就会明显地 发生变化。 把这些干涉仪的光路移植到光纤系统中就构成了干涉型光纤传感器的基本 结构，此类光纤传感器具有如0 所示的结构。光源发出的光被分束器分成n 束， 其中的一束或多束经过外场调制，再由合束器件合并到一根光纤中并发生干涉。 被测物理量作用于光纤的外场，导致光纤中光相位的变化或光的相位调制。调制 信号由光电转换器件接收解调，经信号处理即可精确得到外场变化的信息。因为 光强中携带有相干光之间的相位信息。因此，如果检测到干涉光强的变化就可以 确定光束问相位的变化，从而得到待测物理量的数值大小。 图1 - 1 干涉型光纤传感器装置图 1 3 几种典型的干涉型光纤传感器介绍 空间中满足频率相同、相位差稳定、且具有相同振动方向的光称为相干光。 两束单色光相干叠加时产生的效果在接收屏上反映为明暗相间的干涉条纹。条纹 亮度最大的地方满足相位差为2 p 的整数倍这个条件。因此，若其中一束光的相位 发生改变，则接收屏上的干涉条纹随之移动，m i c h e l s o n 、m a t h z e h n d e r ( m z ) 、 s a g n a c 干涉仪就是基于这个原理；宽带光在通过两个互相平行、具有一定反射率 的镜面时会发生多光束干涉，只有特定波长的光的输出光强为极大值，这是 北京邮电人学硕十学位论文第一章绪论 f a b r y - p e r o t ( f p ) 干涉仪的原理，在此简单介绍上述几种干涉型光纤传感器： ( 1 ) 马赫泽德( m a c h z e h d e r ) 干涉型光纤传感器 从激光二极管发出的光经耦合器分成两束光，分别进入传感光纤和参考光 纤，其中传感光纤随着结构件变形，两路光纤中的光在另一耦合器处发生干涉后 进入探测器，然后对信号进行处理。马赫泽德干涉型光纤传感器的实际应用受 其结构的限制，参考臂光纤不能埋入待测结构中，否则同时受到待测场的影响就 失去了参考的意义，而放在外边又会给实际使用带来不可接收的“累赘”。 ( 2 ) 迈克尔逊( m i c h e l s o n ) 干涉型光纤传感器 带有包层的两根单模光纤组合在一个防护层内，光源是激光二极管，光线进 入参考光纤后，再经耦合器进入测量光纤，两光纤另一端的长度作为测量被测物 理量的标距，端面处镀银作为反射面，两束反射光耦合后产生干涉，干涉后的光 强由光敏管接收。由于迈克尔逊光纤传感器中存在反射端面，部分反射光被直接 反馈到激光二极管中，会导致光路不稳定并产生噪声。此外，由于迈克尔逊光纤 传感器的两束光干涉发生在光纤耦合器中，且由于外界条件的影响，很难保持两 束光的恒定相位差。 ( 3 ) 法布里一珀罗腔( f a b r y - p e r o t ) 干涉型光纤传感器 入射光在两反射镜往返多次反射形成多光束干涉的输出，当腔长l 或腔中折 射率1 1 随外界因素改变时，其干涉输出也随之改变，由此测出外界因素的变化。 法布里一珀罗腔干涉型光纤传感器中需要将一束光分成两束光和将两束光合成 一束光，因此它具有单传输线、单端点和灵敏度高等特点。 ( 4 ) s a g n a c 干涉型光纤传感器 典型的s a g n a c 干涉仪是光纤陀螺，是一种角速度传感器，其基本结构是一 个光纤环，光由光纤两端进入，沿着相反的方向传播，经光纤传输后分别从两端 输出，经耦合器被合成一束，并相干叠加。当光纤环绕垂直于环面的中轴转动时， 两束光的相位差发生变化。由于光纤中光的相位对各种环境变化都非常敏感，很 难保证m z 参考光纤中的参考光相位保持不变，而且多种因素的影响容易混杂 在一起，产生串音。而s a g n a e 干涉仪只使用一根光纤，可以避免这些不良因素 的影响。 1 4 光纤传感定位系统的基本原理 干涉型光纤传感器属于相位调制的功能型光纤传感器，其基本原理是通过被 测物理量的作用，使某段单模光纤内传播的光波发生相位变化，再利用干涉技术 把相位变化变换为振幅变化，从而还原所检测的物理量。 在本项目中，我们采用的光纤传感系统是基于马赫泽德干涉环路的干涉仪。 6 北京邮电人学硕十学位论文 第一章绪论 马赫泽德干涉传感器的基本结构如o 所示。两个耦合器分别用来进行合束和分 束，由两根光纤构成的两臂位于耦合器之间，其中一条作参考光路，与外界隔离， 另一条作传感光路，测量传感光路中光相位的改变，可获得外场变化信息。这种 干涉仪的结构具有一定的对称性，若利用两个2 x 2 耦合器，用两束激光分别从干 涉仪两端输入，相干效果由各自的另一端接收，即可实现分布式传感。 图1 - 2 典型的光纤m - z 干涉传感器结构示意图 而我们的系统是基于一种对称的m z 干涉传感器结构，其结构如o 。在l = x 处的一点发生的扰动，顺时针方向传播到耦合器的时间为t ：里逆时针传播到耦 c 合器的时间为仁( l - x ) n ，通过测量时间差，即n - - i 得到扰动点的位置 c 工：昙旺一! 坐) ( 其中刀是光纤的折射率，c 是真空中光速，l 是干涉仪两臂的长 z刀 度) 。 系统应用t m a c h z a h n e r 干涉效应以及s a g n a c 效应，把光纤直接作为敏感器 件，即感知信息又传输信息，构成分布式监控系统，感知光缆沿线的非正常扰动， 判断扰动出现的位置。 7 北京邮电人学硕十学位论文第一章绪论 图1 3 对称式m - z 干涉仪实现分布传感 目前，本项目组提出基于马赫泽德干涉环路利用高精度的光谱信号分析技 术，设计新型高精度、完全分布式的光纤传感定位系统。拟定的系统框图如0 所 示。主要分为两部分，一部分为线路传感部分，另一部分为终端监控部分。其中 线路传感部分主要是由光学设备组成，包括光缆，耦合器等，实用化的光缆长度 可以达到2 0 公里左右，相当于被保护面积3 0 平方公里，光缆为普通单模光纤，但 是对纤芯的温度特性要求高，松套，触动光缆任何一个位置，或者距离光缆一定 距离内发出震动，即可引发报警。光缆铺设可以在地下，可以沿围栏悬挂，也可 以隐藏在合适的管道内；终端监控部分放置在中继站或中央监控室内。它主要包 括了四个部分：光板、偏振控制模块、数据处理模块及用户界面。光板主要用于 产生和接收光信号；偏振控制模块负责控制链路中光信号的偏振态；数据处理模 块完成定位算法；用户界面就是给系统操作人员提供良好的人机交互。本论文主 要介绍光板的设计与实现。 图l _ 4 传感系统框图 8 北京邮电人学硕十学位论文第一章绪论 1 5 光纤传感定位系统的应用方向 在一些重要的区域，如机场、军事基地、武器弹药库、石油管道等处，为了 防止非法的入侵和各种破坏活动，传统的防范措施是在这些区域的外围周界处设 置一些屏障，如围墙、栅栏、钢丝篱笆网等，并安排人员巡逻。但是人力防范往 往受到时间、地域、人员素质和精力等因素的影响，难免出现漏洞和失误。因此 需要应用一些先进的周界探测报警系统形成一道人眼看不到的“电子围墙”。另 外，传感器定位也可以用于很多民用设施中，例如：道路交通，通信光缆防护等 等。以道路交通为例，传感器定位系统可以用于优化道路交通，在十字路口处监 控道路上是否有车辆驶来，如果没有，就可以减少这条路的绿灯，让别的路上始 终是绿灯，这样就最大程度的优化了交通。 全光纤分布式检测第三方入侵，对需要防护的地域、管线进行预警、保护， 可沿管线( 油、天然气) 铺设光缆，定位入侵位置。铺设电子围栏，提供入侵者 对保护地域的入侵位置。对通信光缆保护，利用光缆中暗纤进行防护，可在窃听 方接近光缆，剥开光缆，泄漏光信号的整个过程中，进行提前定位报警。还可以 分区域防护，每个区域面积在几平方米到几平方公里，不提供精确定位。光缆可 以安装在围墙、屋顶，或者在地下，保护政府机构、军事基地、输油管线、电厂、 机场、通信设施、通信线路、国界等对安全性和实时性要求非常高的地段，检测 现场破坏或者入侵，提前报警，将损失降到最小。这不仅对于干涉型光纤传感器 的实用化具有重要的理论和实际意义，而且在国防、工业等方面也会有极其广泛 的应用，将会带来较大的经济和社会效益。 1 6 论文主要研究内容 本论文主要研究一种m z 干涉型光纤传感系统。本项目是基于一种新型的 光纤干涉环结构，并在深入研究传感器噪声、偏振检测、控制技术以及高速光谱 信号分析的基础上，实现高速、高精度和完全分布式的光纤传感，并能对外界震 动和压力的影响进行准确定位。该技术能用于检测第三方入侵，对需要防护的地 域、管线进行预警、保护并提供精确定位。研究成果对于长距离分布式干涉型光 纤传感器的实用化具有重要的理论意义和实际应用价值，并在工业和国防领域极 具应用潜力。 该系统主要由五部分组成：传感系统、光板、偏振控制模块、数据处理模块 及用户界面。论文主要在研究传感系统的噪声特性的笨础上，讨论光板的设计与 实现。光板包括光发射、光接收模块以及数字控制模块三个部分。光发射部分要 9 北京邮电人学硕+ 学位论文第一章绪论 求输出稳定的、低噪声的光源；光接收部分则要求小信号的接收能力以及大范围 的信号接收动态范围；数字控制部分主要提供和主机的交互能力。 论文结构如下： 1 第一章对光纤传感器做一般性的介绍； 2 第二章分析传感器系统的噪声特性，主要分析了接收模块的噪声特性， 并且对普通接收机、普通平衡接收机、自平衡接收机的噪声特性作了分 析和比较； 3 第三章主要讨论光板接收模块的设计，分析了电路并进行了仿真，最后 进行设计和调试： 4 第四章主要讨论光源模块和光发射模块的设计及实现； 5 第五章总结论文的主要工作 1 0 北京邮电人学硕十学位论文第二章平衡接收机以及噪声分析 第二章平衡接收机以及噪声分析 2 1 平衡接收机的基本介绍 2 1 1 平衡接收机的优点 接收机不是对任何微弱的信号都能正确接收的，这是因为信号在传输、检测 及放大的过程中总会受一些无用的干扰，并不可避免地引进一些噪声。电磁干扰 来自自然环境、空间的无线电波及周围的电器设备。电磁干扰对接收机的危害， 可以通过屏蔽等方法减弱或防止。但随机噪声是接收系统内部产生的，是信号在 检测、放大的过程中引进的，人们只能通过电路的设计和工艺尽量减小它，却不 能完全消除它。由于噪声的存在，限制了接收机接收弱信号的能力。尽管放大器 的增益可以做得足够大，但在弱信号被放大的同时，噪声也被放大了，当接收信 号太弱时，必定会被噪声所淹没。 光接收机是相干光纤通信系统的重要组成部分，其重要指标之一是接收机灵 敏度。对模拟光接收机，是指它达到确定的信噪比时所需要的最低接收光功率。 对数字光接收机，是指它达到确定误码率时所需要的最低接收光功率。相干光接 收机主要包括光电探测器、前置放大器及主放大器、均衡器和滤波器等相关电路。 它的任务是以最小的附加噪声和失真恢复或检测出光载波所携带的信息，其性能 综合反映了整个系统的性能。 光电探测器位于整个接收机的最前端，其任务是将接收到的微弱光信号转换 成电流。对光探测器的基本要求是高的效率，低的附加噪声及响应速度快。平衡 光电探测器型接收机( b a l a n c e dd e t e c t o r , b d ，又称双探测器型接收机) 是近年来 发展的新型相干光接收机，与早期的单探测器型接收机( s d ) 相比，b d 有两个 重要优点：( 1 ) 有效地抑制了激光器的过剩强度噪声( e i n ) ，提高了系统的灵 敏度；( 2 ) 充分利用了激光器的能量。 在实验室中，要求增加信噪比时，通常使用的探测方法是平衡接收机。这种 探测方法有很多的优点，比如能通过光电二极管其后的跨阻放大器来简单地放大 信号，有更好的噪声性能和灵敏度。特别在减少激光器噪声和共模噪声方面特别 有效，并且能探测到直流信号上的小信号波动。 实现平衡接收机最简单的方法是将两个光电二极管连在一起，从而使得它们 的直流光电流抵消。在这种情况下，使得加在两个光电二极管上的直流光能量相 等是必要的，为了达到这个同的，可以使用中性滤光片或衰减器改变其中一束光 北京邮电人学硕十学位论文第二章平衡接收机以及噪声分析 的强度，直到两路直流光电流相等，从而平衡光电二极管对的输出为零。 为了避免乏味的手动平衡两束光强度的工作，自平衡接收机产生了。自平衡 接收机电路主要运用低频反馈环路，来达到自动维持两路信号间的直流光电流平 衡的目的。 2 1 2 几种平衡接收机的类型 1 、m o d e l s1 6 0 7 a c & 1 6 1 7 a c n e wf o c u s 公司的1 6 x 7 a c 型平衡接收机包含两个匹配的光电二极管，和一 个能产生与一厶( 两个光电二极管产生的光电流之差) 成比例的输出电压的射 频( r f ) 放大器【7 l 。 ( 1 ) 基本原理： 图2 - 1m o d e l s1 6 0 7 a c & 1 6 1 7 a c 基本原理图 ( 2 )特点： a 三路监控低频输出帮助校正输入光电二极管的光。一路高频r f 输出用 于监控。 b 增益、带宽和噪声都由r f 放大器来决定。( r f 是主要的噪声源) 。最高带宽 可达l g h z 。 ( 3 ) 提高信号比的改进方式：为了探测剑微弱信号，可以通过在接收机输出 端加一个电的旁路过滤器来减小噪卢。 2 、m o d e l s1 8 0 7 a c 1 8 】7 一a c 北京邮电人学硕十学位论文第二章平衡接收机以及噪声分析 n e wf o c u s 公司的1 6 x 7 a c 型平衡接收机包含两个匹配的光电二极管和一个 高速放大器，这个放大器能产生与厶一成比例的输出电压，其中，：一是两个 光e g - 极管产生的光电流之差【8 】。 ( 1 )基本原理： 图2 - 2m o d e l s1 8 0 7 一a c & 1 8 1 7 - a c 基本原理图 ( 2 )特点：带宽能达到8 0 m h z ，提供高增益，适合一致外差探测的应用。 ( 3 ) 提高信噪比的改进方法： a 在光接收机的输出端加一个带通滤波器。 b 用12 5 k h z 带宽n i r v a n aa u t o b a l a n c e dp h o t o r e c e i v e rm o d e l2 0 x 7 ( n e wf o c u s 公司的另一款平衡接收机) 。 c 用锁相放大器( 1 0 c k - i na m p l i f i e r ) 和啁啾技术( c h o p p e rt e c h n i q u e s ) 来使 测量带宽变窄。 3 、m o d e l s2 0 0 7 2 0 1 7 n e wf o c u s 公司的2 0 x 7 a c 型平衡接收机包含两个光电二极管。一个被设计 用来作为参考光电二极管，标志为r e f 。另一个被设计为信号光电二极管，标志 为s i g n a l 。这种信号的平衡接收机的输出是一系列的用户可选函数，函数以输 入到光电二极管上的光能量为参数。如果用户想使用接收机的自平衡模式，确保 参考光电二极管接收的光能量多一些，理想情况下，是信号光电二极管的两倍【9 】。 ( 1 ) 基本原理： 北京邮电人学硕十学位论文第二章平衡接收机以及噪卢分析 图2 3m o d e l s2 0 0 7 2 0 1 7 基本原理图 ( 2 ) 特点： a 消除了许多噪声源，并且具有宽信号带宽、各种输出及设定，便于用少和 便宜的电子设计低噪声实验。 b 在d c 1 2 5 k h z 的频率之间，能降低5 0 d b 的共模噪声。 c 在不用l o c k - i na m p l i f i e r 和c h o p p e rt e c h n i q u e s 的情况下，在低频段有效地消 除激光器强度噪声。 4 、lo m h za d j u s t a b l eb a l a n c e dp h o t o r e c e i v e r s ( m o d e l21x 7 ) n e wf o c u s 公司的2 1 x 7 a c 型平衡接收机包含两个光电二极管，两个增益放 大器，一个独立可调低通滤波器【1 0 1 。 ( 1 ) 基本原理： 1 4 北京邮电入学硕十学位论文第二章平衡接收机以及噪卢分析 + 9v 9v a o j u s t a b l e g a i n s t a g e x 1 0 4 x 1 0 3 x 1 0 2 x 1 0 x 1 l n d e p e n d e n t l y a d j u s t a b l e6 - d b o c t a v e h i g h a n dl o w ：p a s sf i l t e r s a d j u s t a b l e g a ln s i g e x 3 x 1 卜s m a d e t e c t o r h o u s i n gi s g r o u n d e d 图2 - 4m o d e l2 1 x ? 基本原理图 ( 2 ) 特点： a 可调增益和带宽，并且可以用电池或外接电源供电。 b 每级增益对应着不同的频率响应。随着增益的增加，带宽是减小的。 c 典型的操作在2 5 m w ，保持最大光能量差 l o m w 。最小可探测的光能量 n e p * b 。( n e p 是噪声等效功率，是l h z 带宽上产生信噪比为l 的光能量) ( 3 ) 提高信噪比的改进方法：可以通过限制测量带宽的方法来提高信噪比。 5 、l a r g e - a r e ab a l a n c e dp h o t o r e c e i v e r ( m o d e l2 3 0 7 & 2 3 17 ) n e wf o c u s 公司的2 3 x 7 a c 型平衡接收机包含两个光电二极管，两个增益可调 的放大器【1 1 1 。 ( 1 )基本原理： 1 5 北京邮电人学硕十学位论文 第二章平衡接收机以及噪声分析 图2 5m o d e l2 3 0 7 & 2 3 1 7 基本原理图 ( 2 )特点 a 可调增益和带宽，并且可以用电池或外接电源供电。 b 光电二极管的面积大，使得大量光源的光( 包括二极管激光器、宽带源、 来自光纤的光) 可以比较容易地加在光电二极管上，并且不要求光学校准 和聚焦的精确度。 c 其他的和2 1 x 7 类似。 2 2 传感系统中的噪声分析 2 2 1 基本原理 图2 - 6 是光纤传感器定位系统的结构框图。首先由祸合器1 将激光器发出的 光分为两路。从耦合器1 的c 1 端口出来的光又进入耦合器2 ，并且再一次被分 为两路，这两路分别沿着传感光纤1 和传感光纤一2 到达耦合器一4 ，然后在耦合器 一4 处发生干涉，干涉后光由辅助光纤，经耦合器3 最后到达光接收机2 。将这路 从光源最后到达光接收机2 的称为顺时针光路。 1 6 北京邮电人学硕士学位论文第二章平衡接收机以及噪卢分析 而另一路从耦合器1 的d l 端口出来的光，会先到达耦合器3 ，然后经辅助 光纤到达耦合器4 ，再一次被分为两路，分别经传感光纤1 和传感光纤2 后在耦 合器2 发生干涉，干涉结果到达光接收机1 。这路称为逆时针光路。 图2 - 6 光纤压力传感器系统结构图 最后根据到达两个接收机的干涉信号的时间差就可以计算出压力点p 的位 置。为简化分析，假设传感光纤与辅助光纤的损耗均为口，传感光纤1 和传感光 纤- 2 具有固定的相位漂移噍。= 织：= ，且各个耦合器的分光比均为k = 0 5 。同 时由于本文不分析偏振态对系统的影响，因此我们同时在这里也忽略光的偏振态 变化的影响。 若光源信号为： e = e oc o s ( c o o t + 唬) ( 2 1 ) 依据前面的假设，经过耦合器1 和耦合器2 后，在c 2 的输出应为： 巨2 = e o k , - dc o s ( c o o t + 谚o ) 然后信号在沿着传感光纤进入耦合器4 ： ( 2 2 ) 乞4 = e o k , - d c o s ( c 力o t + 谚o + 噍i + ，( ，) ) ( 2 3 ) 同理可以得到另外一路，经c l ，d 2 再到达b 4 的信号为： 毛。= 民尼万c o s ( f + + 织：) 1 7 ( 2 4 ) 北京邮电人学硕+ 学位论文第二章平衡接收机以及噪声分析 由这两个信号产生干涉后， 得到： i = + + 2 = o i , 2 a + k 2 a + 2 l k 2 口晴2 口c o s ( c , i 一九2 + ，o ) ) 】 ( 2 5 ) = 2 1 0 a k 2 1 + c o s ( c , l 一九2 + ，( f ) ) 其中，( f ) 是由各种作用所引起的信号相位变化，包括系统所要检测的压力 信号以及噪声等等。此干涉信号继续经辅助光纤到达接收机2 ，转换为电流信号： 之= 2 t r ( c t k 2 ) 2l o 1 + c o st 1 ) ，2 ( f ) 】( 2 6 ) 其中，占为光接收机的响应度。 同理另外从耦合器的d 1 输出的光信号，经耦合器3 的c 3 ，过辅助光纤到达 耦合器4 ，然后被耦合器一4 分成两束，分别进入传感光纤1 和传感光纤2 ，在耦 合器2 进行干涉，干涉结果输入到接收机1 ，接收机1 将光信号转换为电信号： = 2 e ( c t k 2 ) 2 i o 1 + c o s ，1 0 + f ) 】( 2 7 ) 只要能够计算出两个信号的时延差f ，就可以根据x = 三一等计算得出压力 z n 点的位置。 目前已有很多种算法用于计算两个信号的时延差，例如：离散小波变换法， 自适应l m s 以及互相关最大值法等等，为简化算法复杂度，提高检测实时性， 目前系统中采用互相关函数最大值法，即： 足一& ( _ f ) = m a x 墨( d 】 ( 2 8 ) = m a x 、。 其中r ，：( r ) 为信号一和s ：的互相关函数。 接收到的信号既含有成分，也有交流成分。对于系统进行相关运算来说，信 号中的直流成分是无用的，并且如果不除去直流，还会影响计算结果。 2 2 2 光接收机噪声分析 光接收机中存在各种噪声源，根据噪声产生的不同机理。噪声可分为两类： 散粒噪声和热噪声【12 1 。其中散粒噪声包括光检测器的量子噪声、暗电流噪声、 漏电流噪声；热噪声主要指负载电阻产生的热噪声。放大器噪声( 主要是前置放 大器噪声) 中既有热噪声，又有散粒噪声。 北京邮电人学硕士学位论文第二章平衡接收机以及噪声分析 电子元件通过不同的噪声源机制产生三种噪声谱的组合。各个噪声源项分别 表示平带噪声、1 f 噪声或l 厂2 噪声： 以( 门= c ( 2 9 ) 见( ) o cl 厂 ( 2 1 0 ) 见( ) o cl 厂2 ( 2 1 1 ) 式中，见( 厂) 是噪声源的功率谱密度即中心频率为f 的1 h z 带宽的平 均功率，c 是恒定幅度。 为了不与噪声谱的形状相混淆，给出的功率谱密度是一个单位为瓦赫兹的函 数，从而可以通过求某个带宽内的密度积分，计算出某一频带内的噪声功率： - p ( f ) = i ：2p 。( 厂) 矽 ( 2 1 2 ) y 然而，大多数有源电路都是将信号作为电流或电压来处理的。例如，双极晶 体管是跨导器件，它产生的输出信号电流是与输入信号电压相对应的。 在产生这三种常见噪声谱的机制中，最常见的机制产生平带噪声，也称白噪 声，因为噪声功率是均匀地分配在整个频谱范围内，就像白光均匀分布在可见光 谱范围内一样。平带噪声源产生散粒噪声( 或叫肖特基噪声) 和热噪声( 也称约 翰逊噪声，为的是纪念物理学家j o h nb e r t r a n dj o h n s o n 于1 9 2 8 年发现了这一现 象) 。虽然这两种噪声的频谱是难以区分的，但作为电路工作条件的函数，散粒 噪声源和约翰逊噪声源的行为则是不同的。 散粒噪声是由电子通过一个势垒的离散量子性质产生的。它通常与二极管和 双极晶体管有关。电流可以按直流电大小给定的稳定平均速率通过一个p n 结， 但各个载流子只有当它们具有足够能量来克服p n 结势垒时，才能作为随机事件 穿过p n 结。在极限情况下，电流被量子化为电子能级，所以平均电流就包含大 量的离散事件。 散粒噪声计算公式如下： l = 2 d 6 f ( 2 1 3 ) 其单位是安培均方根值，式中q 为电子电荷，j d 为正向结电流，堤测量带 宽。从式中可以看出，散粒噪声与结电流的平方根成正比，而与温度无关。这两 点值得注意。增加偏置电流可能意味着绝对项中的散粒噪声会更高，但电路可以 利用与偏置电流线性增长的关系比噪声增加快得多低噪声设计中的永 恒命题。 与由载流子通过势垒的传导行为产生的散粒噪声4 i 同，约翰逊噪声则是由器 件内的载流子随机运动产生的，其噪声功率由如下公式导出： 1 9 北京邮电人学硕十学位论文第二章平衡接收机以及噪声分析 p = i ：2 k t d f = k r a f ( 2 1 4 ) 吖i