基于光纖光柵邊沿解調精密光電檢測系統設計

廈門大學光波技術研究所 彭 妍

基于光纖光柵邊沿解調精密光電檢測系統設計

廈門大學光波技術研究所 彭 妍

高精度光電檢測系統是測量光纖光柵傳感器信號的重要輔助設備，特別是在較微弱光纖光柵傳感信號的檢測中有著重要的應用。本文基于光纖光柵中心波長邊沿解調原理和傳感信號特性，介紹一種精密光電檢測系統的設計。文中分析了影響微弱光電信號檢測精度的多種原因，并通過對器件的參數分析與選型、差模信號提取與放大和噪聲的有效濾除等方式來實現對微弱信號的高精度檢測。

光纖光柵；邊沿解調；光電檢測；微弱信號；噪聲濾除

1.引言

隨著光纖光柵傳感器的廣泛應用，光纖光柵傳感信號的檢測系統也有了很大的發展。相比于傳統采用單色儀、光譜儀掃描[1]等方式來檢測光纖光柵傳感信號的方式，采用光電轉換方式，即把對光強信號的測量轉變為對電壓信號的測量方式有它的優越性，它具有檢測設備制造成本低、方便攜帶、可以實現對實時變化信號高速檢測和擁有更廣的工程應用等優點。

目前用于光纖光柵傳感器信號檢測的光電檢測系統很多，但很多仍存在對微弱信號檢測精度不高，對噪聲有效抑制能力弱等特點。而基于邊沿解調原理的光纖光柵中心波長解調方法是通過對光柵反射峰的光強測量來實現的，是一種對較為微弱光電信號進行檢測的方式。此時，電路中所用器件的特性誤差和電路中所耦合進的噪聲對信號檢測精度所造成的影響不可忽略，它們在一定程度上都會降低信號的檢測精度。因此，如何有效抑制電路中的噪聲，提高光電檢測系統對微弱信號測量精度是本文研究重點。

2.光纖光柵中心波長邊沿解調技術的基本原理

光纖光柵傳感器的基本原理是光柵受到應力作用或溫度的變化是會改變它的中心波長，通過檢測波長的漂移就可以檢測到被測量物理量。當前采用濾波法測量光柵中心波長主要有邊沿解調濾波法[2]、匹配光柵濾波法[2]、可調諧F-P腔濾波法[2]和聲光可調諧濾波掃描法等[2]，而基于邊沿解調方法上采用光電轉換系統檢測就是其中一種測量簡單、信號處理容易的低成本檢測方式。這種方法主要是根據光纖光柵傳感器中心波長的變化范圍，選擇一種波長范圍合適的邊沿濾波器，使經過濾波器后的光纖光柵反射峰的光強隨中心波長移動呈現出線性變化的狀態，其基本原理圖如圖2.1所示。邊沿濾波器的透射函數曲線圖如圖所示，在一定的波長范圍內，它的透射率函數與波長的線性關系可表示為[3]：

當光纖光柵受到一定范圍內的應力或溫度等調制時，光柵反射峰的光強就會隨著中心波長的偏移而呈現線性變化，進而使光電檢測系統所測量到的電壓值呈現出線性變化。采用這種解調方式將光纖光柵中心波長與電壓值對應起來，從而將中心波長的測量轉化為對電壓的測量。

3.影響微弱光電信號檢測精度的原因分析與相應解決方法

從光電檢測的角度看，當光源光功率一定，且被分為多路使用時，測量光柵反射峰的光強是屬于一種較弱光電信號的檢測方式，而從光纖光柵邊沿解調原理看，它是通過檢測光柵反射峰光強的變化來測量光柵中心波長的偏移量，更是屬于一種對微弱光電信號變化量的.檢測方式，這就對所采用的光電檢測系統的檢測方法和它的檢測精度有更高的要求。在本光電檢測系統的設計過程中，從光電信號的特性出發，分析了各種影響光電信號檢測精度的原因，在此基礎上提出了相應解決方法。

3.1 光電轉換電路中所選運放的失調電流對檢測精度的影響分析

查閱相關光電檢測系統的設計文獻，不難發現，更多的文獻是從光電檢測的原理出發，通過改進電路的原理設計來提高光電檢測精度，而沒有分析設計中所選用芯片本身的參數特性對檢測精度的影響?；谶呇亟庹{原理測量光纖光柵中心波長是一種較為微弱光電信號檢測方式，經邊沿濾波器后的光柵反射峰被光電二極管轉換后的光電流為nA級的，這就要求檢測系統中帶有一個精密的前置光電轉電路[4]。在如圖3.1所示基于跨導互阻放大器的光電轉換電路中，運放的參數特性與噪聲特性直接決定了光電檢測電路的分辨率，當運放的失調電流與光電二極管檢測到的光電流在同一數量級時，就會使信號的檢測精度大大降低。根據圖3.1中的光電轉換電路所示，不考慮運放失調電流影響時，輸出光電轉換電壓Vo為：

式(2)中IP為光柵反射峰經光電二極管轉換輸出的光電流。當運放失調電流Io(偏置電流IIB與IIO/2總和)的影響不可忽略時，則此時的輸出光電轉換電壓Vo為：

由失調電流產生的光電轉換電壓誤差ΔVo為：

此誤差電壓經后級放大后，會使檢測精度降低。因此，在微弱光電信號檢測系統的前置光電轉換電路設計過程中，必須充分考慮所選芯片特性參數對信號檢測精度的影響。要降低芯片固有失調電流對光電轉換電流的影響，實現對微弱信號的高精度測量時，所選運放的失調電流至少要低于光電轉換電流一個數量級。在本設計中，檢測的光電流為幾十nA，選用失調電流為50pA的LF353運放能夠檢測到幾nA的微弱光電流。

3.2 差模信號提取電路設計

圖2.1 基于邊沿濾波器解調中心波長的基本原理圖

圖3.1 光電檢測基本原理圖

圖3.2

圖3.3 差模信號提取電路

圖4.1 檢測系統噪聲測量結果

圖4.2 電壓隨波長變化的測量結果

很多光電檢測系統很難對微弱信號實現一個大的波長的范圍的高精度檢測。為提高檢測精度，實驗過程中就要將微弱光電信號進行大幅度的放大，但這樣容易造成飽和現象。當光柵在應力的作用下中心波長移動如圖3.2(a)所示，此時增益倍數設置為一個較大值時，檢測系統只能檢測到中心波長在λ~(λ+3Δλ)范圍內變化的光柵反射峰光電轉換的信號，而當光柵的中心波長小于λ時，光電檢測系統就很容易進入飽和狀態，無法檢測出光柵的中心波長?；谶呇貫V波器的解調方法主要是能過測量電壓來測量光柵中心波長，因此，光電檢測系統能否將由波長微小移動引起光強的微小變化轉換為電壓的變化，是實現對光柵中心波長微量移動的測量關鍵。從信號處理的角度看，可將圖3.2(a)所示的在邊沿濾波器作用下的光柵反射峰光功率隨中心波長線性變化特性圖看成圖3.2(b)和3.2(c)兩部分組成。在較小的波長范圍內，圖3.2(b)所示為光柵各中心波長所帶有的相同大小的光功率成分，經光電轉換后為一定值的電壓信號，可以視其為檢測信號的共模信號。圖3.2(c)所示為減去共模信號后的帶有功率與波長信息的信號，經光電轉換后為不同大小的電壓信號，可視其為差模信號。根據檢測信號變化量的原則，在信號的測量過程中，要抑制共模信號的影響，最大程度地將差模信號進行放大，因此在檢測電路的設計過程度采用減法電路，消除共模信號，提取差模信號再進行多級放大，所設計的電路圖如圖3.3所示。采用這種方法測量的光柵中心波長即使在一個較大的波長范圍內移動也不會使檢測信號進入飽和狀態，同時又能使所要檢測的變化信號大程度地放大后供后級數據采集與分析。采用這種方法可以實現在較大的波長范圍內對微弱信號的高精度檢測。

3.3 噪聲的影響分析及噪聲的有效濾除

光電轉換電路中的噪聲是影響光電檢測系統精度的重要因素，當電路檢測的信號為微弱信號時，噪聲的處理尤為重要。當目標信號中疊加有噪聲時，會大大地削弱系統的檢測精度，而當耦合到信號中的噪聲與信號的強度可比擬時，并與信號一同被放大，則會出現目標信號淹沒在噪聲中的現象，使此種方式的信號檢測達不到預期的目標[5]。因此，有效抑制噪聲是提高系統檢測精度的一種重要方法。上文中的基于器件參數分析后的選型、共模信號的減除都是降低噪的聲影響和提高系統檢測精度的有效手段。此外，在檢測電路的PCB制板過程中考慮到模擬信號和數字信號對檢測系統分別造成的影響，采用模擬地與數字地有效隔離的布線方式也是濾除噪聲的有效方法。由于此檢測系統用于微弱信號的檢測，還應考慮漏電對信號檢測精度的影響。漏電是指實際微弱信號的走線會受到附近強信號走線的干擾從而引起的漏電流，對目標信號來說，也是一種極其有害的噪聲干擾，所以布線的過程中采用了保護環(GuardRing)技術來有效抑制漏電對信號檢測的影響[6]。在實驗過程中發現，電路板中容易引入頻率為50Hz的工頻干擾，若能將制作好的電路板裝入一個屏蔽效果好的鐵盒中，并將電路板的地線與鐵盒接在一起，能夠有效抑制50Hz的工頻噪聲對電路的干擾。

4.實驗結果

4.1 光電檢測系統噪聲測試

噪聲的處理效果直接決定了光電轉換檢測系統的精度與性能，對微弱檢測信號能夠有效放大的同時最大程度地抑制噪聲才是一個理想的檢測系統。實驗前，對所做的系統進行噪聲測量，將電路放大倍數設置為最大增益倍數，示波器的耦合方式調到交流檔，周期和幅值都調到較小的合適檔位，電路在無光輸入的情況下，用示波器觀察檢測系統的輸出信號，得到如圖4.1所示的噪聲特性。由圖4.1可知，電路噪聲的峰－峰值約為3mV，這樣低的噪聲可以滿足檢測系統對噪聲的要求。

4.2 光電檢測系統實驗測量結果

實驗中采用了中心波長在1556nm附近的光柵進行實驗，當溫度改變光柵中心長時，光電檢測系統的輸出電壓隨波長變化的結果如圖4.2所示。從測量結果看，當光柵中心波長在一定的范圍內移動時，光電檢測系統輸出的電壓值隨著中心波長的變化呈現出較好的線性度。

5.結論

本文基于光纖光柵中心波長邊沿解調原理，針對微弱信號檢測中的檢測精度和噪聲問題設計了一種對微弱光電流信號的高精度檢測系統。設計過程，從信號的特性出發，分析了影響檢測精度的多種問題，并提出了相應的有效解決方法。理論分析和實驗表明，該系統具有較高的精度和穩定性，能夠實現對微弱信號的高精度檢測。

[1]李志全,許明妍,湯敬,陳穎,趙彥濤.光纖光柵傳感系統信號解調技術的研究[J].應用光學,2005,26(4):36-41.

[2]張錦榮.基于光纖光柵的傳感和解調技術研究[D].北京:北京郵電大學,2009.

[3]周金龍.新型光纖光柵技術及其在光通信與光纖傳感方面應用的研究[D].廈門大學,200.

[4]李曉坤.精密光電轉換電路設計方案[J].電子產品世界,2003.12(1):37-39.

[5]王林濤,李開成,張健梅.低噪聲光電檢測電路的設計和噪聲估算[J].武漢理工大學學報,信息與管理工程版,2001.23(3):16-18.

[6]楊長杰.PCB板的電磁兼容與電流分布[J].安全與電磁兼容.SAFETY&EMC,2004,2(1):57-59.

Design of Precision photoelectric detection system based on fiber grating edge demodulation principle

Peng Yan
（Lightwave Technology Institute of Xamen University，Xiamen，361005）

photoelectric detection system is a quite important equipment for fi ber Bragg grating sensor signal detecting，especially in the detection of weak signals.This article describes the design of a precision photoelectric detection system based on fi ber Bragg grating center wavelength edge demodulation principle.The article analyzes various reasons of the impact of weak signal detection accuracy，and to take the measures of selecting suitable device based on the analysis of device parameters，f i ltering harmful noise extracting useful weak signal，and having an effective amplif i cation for signal to achieve high-precision detection of weak signals.

f i ber grating；edge demodulation；photoelectric detection；weak signal；noise fi ltering