專利名稱：超大長(zhǎng)度分布式光纖傳感光接收機(jī)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于光傳感技術(shù)領(lǐng)域，涉及一種傳感光接收機(jī)，尤其涉及一種超大長(zhǎng) 度分布式光纖傳感光接收機(jī)。
背景技術(shù)：
光纖傳感器的概念不是新的，早在60年代中期就出現(xiàn)了第一個(gè)專利，它包 括采用傳光束的Fotonic機(jī)械位移傳感器和采用相位調(diào)制的超聲波傳感器。但 是，在更為廣闊的領(lǐng)域，即光纖傳感技術(shù)，取得系列研究卻是在10年以后，從 那時(shí)起光纖技術(shù)就突破了那種徘徊不前的狀態(tài)，進(jìn)入了一日千里的時(shí)代。
光纖傳感器的基本原理是由光源發(fā)出的光經(jīng)過光纖進(jìn)入調(diào)制區(qū)，在被測(cè)對(duì) 象的作用下，光的強(qiáng)度、波長(zhǎng)、頻率、相位、偏振態(tài)等光學(xué)性質(zhì)發(fā)生了變化，使 它成為被調(diào)制了的信號(hào)，再經(jīng)過光纖送入光探測(cè)器和電信號(hào)處理裝置，最終獲得 待測(cè)對(duì)象的信息。
目前，分布式光纖傳感技術(shù)是光傳感技術(shù)領(lǐng)域中最有應(yīng)用前景的，其中分布 式光纖振動(dòng)傳感器通過一次測(cè)量，既可獲得光纖所經(jīng)區(qū)域振動(dòng)的完整信息。然而 分布式光纖振動(dòng)傳感器的探測(cè)區(qū)域很大，測(cè)量光纜越長(zhǎng)越好， 一般大于50KM,所 以系統(tǒng)的光接收動(dòng)態(tài)范圍很寬(大于50dB),所以目前國(guó)內(nèi)能做出性能穩(wěn)定的大 長(zhǎng)度分布式光纖振動(dòng)傳感器的廠商很少。
分布式光纖傳感器問世以來，至今已經(jīng)出現(xiàn)了許多商業(yè)化產(chǎn)品，然而所達(dá)到 的指標(biāo)在許多場(chǎng)合下仍不能滿足要求。尤其是分布式光纖振動(dòng)傳感器的測(cè)量距 離，目前最高的指標(biāo)水平為15km，在實(shí)用中仍有很大的限制性。究其原因，主 要問題是制作一個(gè)超大長(zhǎng)度分布式光纖傳感光接收機(jī)難度大。因此，分布式光纖 振動(dòng)傳感器的精度、測(cè)量長(zhǎng)度仍然有待提高。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題是提供一種超大長(zhǎng)度分布式光纖傳感光接收
4機(jī)，具有較高靈每丈度。
為解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明采用如下技術(shù)方案
一種超大長(zhǎng)度分布式光纖傳感光接收機(jī)，其包括
光探測(cè)器APD,用以實(shí)現(xiàn)光干涉信號(hào)的光電轉(zhuǎn)換與內(nèi)部增益放大功能；
放大單元，連接所述光探測(cè)器，用以完成輸入輸出信號(hào)的對(duì)數(shù)變換，而后對(duì) 經(jīng)過對(duì)數(shù)變換后的信號(hào)^L進(jìn)一步的可控放大。
作為本發(fā)明的一種優(yōu)選方案，所述放大單元包括對(duì)數(shù)放大器、主放大器。對(duì) 數(shù)放大器連接所述光探測(cè)器，用以完成輸入輸出信號(hào)的對(duì)數(shù)變換；主放大器連接 所述對(duì)數(shù)放大器，用以對(duì)經(jīng)過對(duì)數(shù)變換后的信號(hào)做進(jìn)一步的可控放大。
作為本發(fā)明的一種優(yōu)選方案，所述主放大器包括可變?cè)鲆娣糯笃?，用以?duì)經(jīng) 過對(duì)數(shù)變換后的信號(hào)做進(jìn)一步的可控放大。
作為本發(fā)明的一種優(yōu)選方案，所述主放大器還包括
增益控制單元，用以調(diào)節(jié)主放大器的增益，以防止由于信號(hào)過大使得接收機(jī) 進(jìn)入飽和狀態(tài)；
驅(qū)動(dòng)級(jí)，連接所述可變?cè)鲆娣糯笃?，用以增?qiáng)光接收機(jī)的驅(qū)動(dòng)能力。 作為本發(fā)明的一種優(yōu)選方案，所述增益控制單元采用超低噪聲高速運(yùn)算放大 器，其電壓增益Avd= 20dB，帶寬大于20MHz;所述可變?cè)鲆娣糯笃鞑捎肁D603， 帶寬大于90MHz，可實(shí)現(xiàn)0~ 30dB之間的任意增益值；可使經(jīng)過光接收機(jī)放大的 信號(hào)幅度在一個(gè)合理的范圍內(nèi)；所述驅(qū)動(dòng)級(jí)采用OPA847,帶寬大于lOOMHz,增 益為2dB。
作為本發(fā)明的一種優(yōu)選方案，所述主放大器通常采用高帶寬增益積的運(yùn)放對(duì) 經(jīng)過對(duì)數(shù)變換后的信號(hào)做進(jìn)一步的放大。
作為本發(fā)明的一種優(yōu)選方案，所述光探測(cè)器還連有溫度補(bǔ)償單元，用以根據(jù) 環(huán)境溫度自動(dòng)調(diào)節(jié)所述光探測(cè)器偏置電壓，保持光探測(cè)器倍增因子恒定。
作為本發(fā)明的一種優(yōu)選方案，所述光探測(cè)器使用雪崩光電二極管。
作為本發(fā)明的一種優(yōu)選方案，所述雪崩光電二極管倍增因子M為9.5。
本發(fā)明的有益效果在于本發(fā)明揭示的超大長(zhǎng)度分布式光纖傳感光接收機(jī)，
5為光纖傳感的超大動(dòng)態(tài)模擬光探測(cè)設(shè)計(jì)了一種實(shí)用的超大長(zhǎng)度分布式光纖傳感
光接收機(jī)，使光接收的接收靈敏度-65dB，帶寬為20MHz,動(dòng)態(tài)范圍50dB。


圖1為本發(fā)明光纖傳感光接收機(jī)的組成示意圖。 圖2為主放大器的組成示意圖。
具體實(shí)施例方式
下面結(jié)合附圖詳細(xì)說明本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例。
請(qǐng)參閱圖1、圖2,本發(fā)明揭示了一種超大長(zhǎng)度分布式光纖傳感光接收機(jī)， 其包括依次連接的光探測(cè)器10、對(duì)數(shù)放大器20、主放大器30;所述對(duì)數(shù)放大器 20、主放大器30組成放大單元。
光探測(cè)器10用以實(shí)現(xiàn)光干涉信號(hào)的光電轉(zhuǎn)換與內(nèi)部增益放大功能；對(duì)數(shù)放 大器20用以完成輸入輸出信號(hào)的對(duì)數(shù)變換；主放大器30用以對(duì)經(jīng)過對(duì)數(shù)變換后 的信號(hào)做進(jìn)一步的可控放大，主放大器30可采用高帶寬增益積的運(yùn)放對(duì)經(jīng)過對(duì) 數(shù)變換后的信號(hào)做進(jìn)一步的放大。
所述光探測(cè)器10還連有溫度補(bǔ)償單元11,用以根據(jù)環(huán)境溫度自動(dòng)調(diào)節(jié)所述 光探測(cè)器偏置電壓，保持光探測(cè)器倍增因子恒定。
所述主放大器30包括可變?cè)鲆娣糯笃?1、增益控制單元32、驅(qū)動(dòng)級(jí)33。 可變?cè)鲆娣糯笃?1用以對(duì)經(jīng)過對(duì)數(shù)變換后的信號(hào)做進(jìn)一步的可控放大；增益控 制單元32用以調(diào)節(jié)主放大器的增益，以防止由于信號(hào)過大使得接收機(jī)進(jìn)入飽和 狀態(tài)；驅(qū)動(dòng)級(jí)33連接所述可變?cè)鲆娣糯笃?，用以增?qiáng)光接收機(jī)的驅(qū)動(dòng)能力。
設(shè)計(jì)光接收機(jī)，首先面臨的問題是光檢測(cè)器的選擇。光探測(cè)器大致可分為 p-i-n光電二極管(PIN-PD)和雪崩光電二極管(APD )。
對(duì)分布式光纖振動(dòng)傳感器而言，由于后向散射光信號(hào)非常弱，所以，提高光 檢測(cè)器的靈敏度成為首要的考慮因素。PIN光電二極管雖然噪聲較小，但它不能放大信號(hào)。雪崩光電二極管(APD)的噪聲較大，但它的內(nèi)部倍增使得它的靈敏度 較高。所以，雪崩光電二極管(APD)可以較好的滿足本寬帶高靈敏度光接收機(jī)的 要求。
使用雪崩光電二極管(APD).需要注意以下兩個(gè)問題
(1) 倍增因子的選4奪
APD的電流增益，即倍增因子M可表示如下式
M=10/IP
式中，1。是APD倍增后的光電流，Ip是未倍增的光電流。APD的倍增因子M 會(huì)隨偏壓的增大而增加，但其倍增噪聲的增加速度更快。所以，M不要選的過大， 本設(shè)計(jì)中M=9. 5。
(2) 溫度對(duì)APD倍增因子的影響
溫度對(duì)APD的影響比對(duì)P1.N的影響大。當(dāng)溫度升高時(shí)，APD的擊穿電壓增 大，M—下降，倍增噪聲減??；反之亦然。所以，本設(shè)計(jì)采取了溫控或溫度補(bǔ)償 措施，使APD的工作狀態(tài)穩(wěn)定。
其次面臨的問題是光接收機(jī)信號(hào)動(dòng)態(tài)范圍的壓縮。在超大長(zhǎng)度分布式光纖傳 感系統(tǒng)中，探測(cè)信號(hào)往往具有很寬的動(dòng)態(tài)范圍。 一般接收機(jī)前端信號(hào)動(dòng)態(tài)范圍可 達(dá)120dB以上；光纖接收器前端的電流也可從"pA"級(jí)到"mA，，級(jí)。寬動(dòng)態(tài)范圍 往往給應(yīng)用設(shè)計(jì)帶來很多問題。一方面，線性放大器無法處理這樣寬的動(dòng)態(tài)范圍。 另一方面，DA變換中，在保證分辨率的情況下，模數(shù)轉(zhuǎn)換器的位數(shù)會(huì)隨動(dòng)態(tài)范 圍的增大而增大。
在本應(yīng)用中，動(dòng)態(tài)范圍的壓縮分為"線性壓縮，，和"非線性壓縮"。線性壓 縮是指放大器的增益與信號(hào)的大小無關(guān)，輸出基本保持恒定。線性壓縮的特點(diǎn)使 諧波失真小，其本質(zhì)是一種"壓控放大器"(VCA)。非線性壓縮方面最好的例子 就是對(duì)數(shù)放大器。它是輸入輸出信號(hào)成對(duì)數(shù)關(guān)系的器件，它對(duì)信號(hào)動(dòng)態(tài)范圍的壓 縮不需要像AGC系統(tǒng)那樣提取輸入信號(hào)的電平來控制增益，其增益與信號(hào)的大小 成反比。
在本應(yīng)用中，光接收機(jī)第一級(jí)的在接收寬動(dòng)態(tài)范圍的光信號(hào)時(shí)，常常將其動(dòng) 態(tài)范圍壓縮到一個(gè)可以處理的程度，所以，根據(jù)超大長(zhǎng)度分布式光纖傳感光接收
7信號(hào)的特點(diǎn)，設(shè)計(jì)時(shí)光接收前置放大電路采用"非線性壓縮"處理光接收信號(hào)的
動(dòng)態(tài)范圍，既光接收機(jī)第一級(jí)使用了 APD與對(duì)數(shù)放大器(TIA)組合成為的APD-TIA 組件
對(duì)數(shù)放大器輸入輸出呈對(duì)數(shù)關(guān)系，輸入信號(hào)的動(dòng)態(tài)范圍可以很大，這個(gè)特點(diǎn) 非常適用數(shù)據(jù)壓縮。如果分辨率不變，假設(shè)輸入范圍為10mV-IOV，要求在10mV 時(shí)的分辨率為1°/。，為保證精度則在10V時(shí)分辨率就是0. 001%,為保證分辨率，至 少需要16位模數(shù)轉(zhuǎn)換器。現(xiàn)在用對(duì)數(shù)放大器，其輸入動(dòng)態(tài)范圍為3個(gè)數(shù)量級(jí)， 信號(hào)的分辨率保持1%，則模數(shù)轉(zhuǎn)換器用12位足矣。因此在數(shù)據(jù)壓縮方面對(duì)數(shù)放 大器有著很重要的作用，經(jīng)常在數(shù)據(jù)采集的前端要經(jīng)過對(duì)數(shù)放大器，然后將信號(hào) 送入采集卡的模擬輸入端，經(jīng)電平轉(zhuǎn)換后送入ADC進(jìn)行轉(zhuǎn)化。與分立元件相比， 這種組件靈敏度高，動(dòng)態(tài)范圍寬，噪聲較小，可以很好的滿足本接收機(jī)的要求。
值得注意的是由于對(duì)數(shù)放大器的實(shí)質(zhì)時(shí)完成輸入輸出信號(hào)的對(duì)數(shù)變換。并不 強(qiáng)調(diào)其放大器的放大器能力，因此對(duì)數(shù)放大器的檢波輸出電壓一般不能滿足后續(xù) 處理電路的門限電壓要求，主放大器通常釆用高帶寬增益積的運(yùn)放對(duì)經(jīng)過對(duì)數(shù)變 換后的信號(hào)做進(jìn)一步的放大。
主放大器設(shè)計(jì)時(shí)采用"線性壓縮"處理輸入信號(hào)的動(dòng)態(tài)范圍，所以，最后確 定的主放大器結(jié)構(gòu)如圖2。
增益控制(增益控制單元32)采用超低噪聲高速運(yùn)算放大器，其電壓增益 Avd = 20dB,帶寬大于20MHz。
可控增益級(jí)(可變?cè)鲆娣糯笃?1)采用AD603,帶寬大于90MHz，可實(shí)現(xiàn)0-30dB之間的任意增益值。在寬帶高靈敏度光接收機(jī)中，通過對(duì)本級(jí)的控制，可 使經(jīng)過光接收機(jī)放大的信號(hào)幅度在一個(gè)合理的范圍內(nèi)。
最后的驅(qū)動(dòng)級(jí)33采用OPA847,帶寬大于lO畫Hz,增益為2dB。
最終寬帶高靈敏度光接收機(jī)的設(shè)計(jì)功能與主要技術(shù)指標(biāo)如下
令光接收靈敏度P" 65dBm;
令光接收動(dòng)態(tài)范圍50dB;
APD恒增益工作溫度范圍-(TC ~+50°C;令帶寬幾Hz ~ 20MHz; 令增益范圍0 28dB可調(diào)； 令模擬信號(hào)輸出范圍士 500Mv，噪聲VPP<50mV。
綜上所述，本發(fā)明揭示的超大長(zhǎng)度分布式光纖傳感光接收機(jī)，為光纖傳感的 超大動(dòng)態(tài)模擬光探測(cè)設(shè)計(jì)了一種實(shí)用的超大長(zhǎng)度分布式光纖傳感光接收機(jī)，使光 接收的接收靈敏度-65dB，帶寬為20匪z，動(dòng)態(tài)范圍50dB。
這里本發(fā)明的描述和應(yīng)用是說明性的，并非想將本發(fā)明的范圍限制在上述實(shí) 施例中。這里所披露的實(shí)施例的變形和改變是可能的，對(duì)于那些本領(lǐng)域的普通技 術(shù)人員來說實(shí)施例的替換和等效的各種部件是公知的。本領(lǐng)域技術(shù)人員應(yīng)該清楚 的是，在不脫離本發(fā)明的精神或本質(zhì)特征的情況下，本發(fā)明可以以其它形式、結(jié) 構(gòu)、布置、比例，以及用其它組件、材料和部件來實(shí)現(xiàn)。在不脫離本發(fā)明范圍和 精神的情況下，可以對(duì)這里所披露的實(shí)施例進(jìn)行其它變形和改變。
權(quán)利要求
1、一種超大長(zhǎng)度分布式光纖傳感光接收機(jī)，其特征在于，其包括光探測(cè)器，用以實(shí)現(xiàn)光干涉信號(hào)的光電轉(zhuǎn)換與內(nèi)部增益放大功能；放大單元，連接所述光探測(cè)器，用以完成輸入輸出信號(hào)的對(duì)數(shù)變換，而后對(duì)經(jīng)過對(duì)數(shù)變換后的信號(hào)做進(jìn)一步的可控放大。
2、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的超大長(zhǎng)度分布式光纖傳感光接收機(jī)，其特征在于所述放大單元包括對(duì)數(shù)放大器，連接所述光探測(cè)器，用以完成輸入輸出信號(hào)的對(duì)數(shù)變換； 主放大器，連接所述對(duì)數(shù)放大器，用以對(duì)經(jīng)過對(duì)數(shù)變換后的信號(hào)做進(jìn)一 步的可控放大。
3、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的超大長(zhǎng)度分布式光纖傳感光接收機(jī)，其特征在于所述主放大器包括可變?cè)鲆娣糯笃鳎靡詫?duì)經(jīng)過對(duì)數(shù)變換后的信號(hào)做進(jìn) 一步的可控;故大。
4、 根據(jù)權(quán)利要求3所述的超大長(zhǎng)度分布式光纖傳感光接收機(jī)，其特征在于所述主放大器還包括增益控制單元，用以調(diào)節(jié)主放大器的增益，以防止由于信號(hào)過大使得接 收機(jī)進(jìn)入飽和狀態(tài)；驅(qū)動(dòng)級(jí)，連接所述可變?cè)鲆娣糯笃?，用以增?qiáng)光接收機(jī)的驅(qū)動(dòng)能力。
5、 根據(jù)權(quán)利要求4所述的超大長(zhǎng)度分布式光纖傳感光接收機(jī)，其特征在于所述增益控制單元采用超低噪聲高速運(yùn)算放大器，其電壓增益Avd-20dB，帶寬大于20MHz;所述可變?cè)鲆娣糯笃鞑捎肁D603，帶寬大于9畫Hz,可實(shí)現(xiàn)0~ 30dB之間 的任意增益值；可使經(jīng)過光接收機(jī)放大的信號(hào)幅度在一個(gè)合理的范圍內(nèi)；所述驅(qū)動(dòng)級(jí)采用OPA847，帶寬大于100MHz,增益為2dB。
6、 根據(jù)權(quán)利要求1至5任一所述的超大長(zhǎng)度分布式光纖傳感光接收機(jī)，其特征 在于所述主放大器采用高帶寬增益積的運(yùn)放對(duì)經(jīng)過對(duì)數(shù)變換后的信號(hào)做進(jìn)一 步的放大。
7、 根據(jù)權(quán)利要求1至5任一所述的超大長(zhǎng)度分布式光纖傳感光接收機(jī)，其特征 在于所述光探測(cè)器還連有溫度補(bǔ)償單元，用以根據(jù)環(huán)境溫度自動(dòng)調(diào)節(jié)所述光 探測(cè)器偏置電壓，保持光探測(cè)器倍增因子恒定。
8、 根據(jù)權(quán)利要求1至5任一所述的超大長(zhǎng)度分布式光纖傳感光接收機(jī)，其特征 在于所述光探測(cè)器使用雪崩光電二極管。
9、 根據(jù)權(quán)利要求8所述的超大長(zhǎng)度分布式光纖傳感光接收機(jī)，其特征在于所述雪崩光電二極管倍增因子M為9. 5。
全文摘要
本發(fā)明揭示一種超大長(zhǎng)度分布式光纖傳感光接收機(jī)，其包括光探測(cè)器、對(duì)數(shù)放大器、主放大器。光探測(cè)器用以實(shí)現(xiàn)光干涉信號(hào)的光電轉(zhuǎn)換與內(nèi)部增益放大功能；對(duì)數(shù)放大器連接所述光探測(cè)器，用以完成輸入輸出信號(hào)的對(duì)數(shù)變換；主放大器連接所述對(duì)數(shù)放大器，用以對(duì)經(jīng)過對(duì)數(shù)變換后的信號(hào)做進(jìn)一步的可控放大。本發(fā)明揭示的超大長(zhǎng)度分布式光纖傳感光接收機(jī)，為光纖傳感的超大動(dòng)態(tài)模擬光探測(cè)設(shè)計(jì)了一種實(shí)用的超大長(zhǎng)度分布式光纖傳感光接收機(jī)，使光接收的接收靈敏度-65dB，帶寬為20MHz，動(dòng)態(tài)范圍50dB。
文檔編號(hào)G01J1/42GK101625264SQ20091005567
公開日2010年1月13日 申請(qǐng)日期2009年7月30日 優(yōu)先權(quán)日2009年7月30日
發(fā)明者仝芳軒, 亮 劉, 周正仙, 剛 席, 斌 楊, 魏 皋 申請(qǐng)人:上海華魏光纖傳感技術(shù)有限公司