專利名稱：超大長度分布式光纖傳感光接收機的制作方法
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，尤其涉及一種超大長 度分布式光纖傳感光接收機。
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)了第一個專利，它包 括采用傳光束的Fotonic機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 那時起光纖技術(shù)就突破了那種徘徊不前的狀態(tài)，進入了一日千里的時代。
光纖傳感器的基本原理是由光源發(fā)出的光經(jīng)過光纖進入調(diào)制區(qū)，在被測對 象的作用下，光的強度、波長、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，再經(jīng)過光纖送入光探測器和電信號處理裝置，最終獲得 待測對象的信息。
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 式光纖振動傳感器通過一次測量，既可獲得光纖所經(jīng)區(qū)域振動的完整信息。然而 分布式光纖振動傳感器的探測區(qū)域很大，測量光纜越長越好， 一般大于50KM,所 以系統(tǒng)的光接收動態(tài)范圍很寬(大于50dB),所以目前國內(nèi)能做出性能穩(wěn)定的大 長度分布式光纖振動傳感器的廠商很少。
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，然而所達到 的指標在許多場合下仍不能滿足要求。尤其是分布式光纖振動傳感器的測量距 離，目前最高的指標水平為15km，在實用中仍有很大的限制性。究其原因，主 要問題是制作一個超大長度分布式光纖傳感光接收機難度大。因此，分布式光纖 振動傳感器的精度、測量長度仍然有待提高。

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度分布式光纖傳感光接收
4機，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
一種超大長度分布式光纖傳感光接收機，其包括
光探測器APD,用以實現(xiàn)光干涉信號的光電轉(zhuǎn)換與內(nèi)部增益放大功能；
放大單元，連接所述光探測器，用以完成輸入輸出信號的對數(shù)變換，而后對 經(jīng)過對數(shù)變換后的信號^L進一步的可控放大。
作為本發(fā)明的一種優(yōu)選方案，所述放大單元包括對數(shù)放大器、主放大器。對 數(shù)放大器連接所述光探測器，用以完成輸入輸出信號的對數(shù)變換；主放大器連接 所述對數(shù)放大器，用以對經(jīng)過對數(shù)變換后的信號做進一步的可控放大。
作為本發(fā)明的一種優(yōu)選方案，所述主放大器包括可變增益放大器，用以對經(jīng) 過對數(shù)變換后的信號做進一步的可控放大。
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，以防止由于信號過大使得接收機 進入飽和狀態(tài)；
驅(qū)動級，連接所述可變增益放大器，用以增強光接收機的驅(qū)動能力。 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算放大 器，其電壓增益Avd= 20dB，帶寬大于20MHz;所述可變增益放大器采用AD603， 帶寬大于90MHz，可實現(xiàn)0~ 30dB之間的任意增益值；可使經(jīng)過光接收機放大的 信號幅度在一個合理的范圍內(nèi)；所述驅(qū)動級采用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放對 經(jīng)過對數(shù)變換后的信號做進一步的放大。
作為本發(fā)明的一種優(yōu)選方案，所述光探測器還連有溫度補償單元，用以根據(jù) 環(huán)境溫度自動調(diào)節(jié)所述光探測器偏置電壓，保持光探測器倍增因子恒定。
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)明揭示的超大長度分布式光纖傳感光接收機，
5為光纖傳感的超大動態(tài)模擬光探測設(shè)計了一種實用的超大長度分布式光纖傳感
光接收機，使光接收的接收靈敏度-65dB，帶寬為20MHz,動態(tài)范圍50dB。


圖1為本發(fā)明光纖傳感光接收機的組成示意圖。 圖2為主放大器的組成示意圖。
具體實施例方式
下面結(jié)合附圖詳細說明本發(fā)明的優(yōu)選實施例。
請參閱圖1、圖2,本發(fā)明揭示了一種超大長度分布式光纖傳感光接收機， 其包括依次連接的光探測器10、對數(shù)放大器20、主放大器30;所述對數(shù)放大器 20、主放大器30組成放大單元。
光探測器10用以實現(xiàn)光干涉信號的光電轉(zhuǎn)換與內(nèi)部增益放大功能；對數(shù)放 大器20用以完成輸入輸出信號的對數(shù)變換；主放大器30用以對經(jīng)過對數(shù)變換后 的信號做進一步的可控放大，主放大器30可采用高帶寬增益積的運放對經(jīng)過對 數(shù)變換后的信號做進一步的放大。
所述光探測器10還連有溫度補償單元11,用以根據(jù)環(huán)境溫度自動調(diào)節(jié)所述 光探測器偏置電壓，保持光探測器倍增因子恒定。
所述主放大器30包括可變增益放大器31、增益控制單元32、驅(qū)動級33。 可變增益放大器31用以對經(jīng)過對數(shù)變換后的信號做進一步的可控放大；增益控 制單元32用以調(diào)節(jié)主放大器的增益，以防止由于信號過大使得接收機進入飽和 狀態(tài)；驅(qū)動級33連接所述可變增益放大器，用以增強光接收機的驅(qū)動能力。
設(shè)計光接收機，首先面臨的問題是光檢測器的選擇。光探測器大致可分為 p-i-n光電二極管(PIN-PD)和雪崩光電二極管(APD )。
對分布式光纖振動傳感器而言，由于后向散射光信號非常弱，所以，提高光 檢測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。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的 要求。
使用雪崩光電二極管(APD).需要注意以下兩個問題
(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)計中M=9. 5。
(2) 溫度對APD倍增因子的影響
溫度對APD的影響比對P1.N的影響大。當溫度升高時，APD的擊穿電壓增 大，M—下降，倍增噪聲減?。环粗嗳?。所以，本設(shè)計采取了溫控或溫度補償 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信號動態(tài)范圍的壓縮。在超大長度分布式光纖傳 感系統(tǒng)中，探測信號往往具有很寬的動態(tài)范圍。 一般接收機前端信號動態(tài)范圍可 達120dB以上；光纖接收器前端的電流也可從"pA"級到"mA，，級。寬動態(tài)范圍 往往給應(yīng)用設(shè)計帶來很多問題。一方面，線性放大器無法處理這樣寬的動態(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)會隨動態(tài)范 圍的增大而增大。
在本應(yīng)用中，動態(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的大小無關(guān)，輸出基本保持恒定。線性壓縮的特點使 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 就是對數(shù)放大器。它是輸入輸出信號成對數(shù)關(guān)系的器件，它對信號動態(tài)范圍的壓 縮不需要像AGC系統(tǒng)那樣提取輸入信號的電平來控制增益，其增益與信號的大小 成反比。
在本應(yīng)用中，光接收機第一級的在接收寬動態(tài)范圍的光信號時，常常將其動 態(tài)范圍壓縮到一個可以處理的程度，所以，根據(jù)超大長度分布式光纖傳感光接收
7信號的特點，設(shè)計時光接收前置放大電路采用"非線性壓縮"處理光接收信號的
動態(tài)范圍，既光接收機第一級使用了 APD與對數(shù)放大器(TIA)組合成為的APD-TIA 組件
對數(shù)放大器輸入輸出呈對數(shù)關(guān)系，輸入信號的動態(tài)范圍可以很大，這個特點 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 時的分辨率為1°/。，為保證精度則在10V時分辨率就是0. 001%,為保證分辨率，至 少需要16位模數(shù)轉(zhuǎn)換器?，F(xiàn)在用對數(shù)放大器，其輸入動態(tài)范圍為3個數(shù)量級， 信號的分辨率保持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)過對數(shù)放大器，然后將信號 送入采集卡的模擬輸入端，經(jīng)電平轉(zhuǎn)換后送入ADC進行轉(zhuǎn)化。與分立元件相比， 這種組件靈敏度高，動態(tài)范圍寬，噪聲較小，可以很好的滿足本接收機的要求。
值得注意的是由于對數(shù)放大器的實質(zhì)時完成輸入輸出信號的對數(shù)變換。并不 強調(diào)其放大器的放大器能力，因此對數(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放對經(jīng)過對數(shù)變 換后的信號做進一步的放大。
主放大器設(shè)計時采用"線性壓縮"處理輸入信號的動態(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算放大器，其電壓增益 Avd = 20dB,帶寬大于20MHz。
可控增益級(可變增益放大器31)采用AD603,帶寬大于90MHz，可實現(xiàn)0-30dB之間的任意增益值。在寬帶高靈敏度光接收機中，通過對本級的控制，可 使經(jīng)過光接收機放大的信號幅度在一個合理的范圍內(nèi)。
最后的驅(qū)動級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的設(shè)計功能與主要技術(shù)指標如下
令光接收靈敏度P" 65dBm;
令光接收動態(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)； 令模擬信號輸出范圍士 500Mv，噪聲VPP<50mV。
綜上所述，本發(fā)明揭示的超大長度分布式光纖傳感光接收機，為光纖傳感的 超大動態(tài)模擬光探測設(shè)計了一種實用的超大長度分布式光纖傳感光接收機，使光 接收的接收靈敏度-65dB，帶寬為20匪z，動態(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 施例中。這里所披露的實施例的變形和改變是可能的，對于那些本領(lǐng)域的普通技 術(shù)人員來說實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、材料和部件來實現(xiàn)。在不脫離本發(fā)明范圍和 精神的情況下，可以對這里所披露的實施例進行其它變形和改變。
權(quán)利要求
1、一種超大長度分布式光纖傳感光接收機，其特征在于，其包括光探測器，用以實現(xiàn)光干涉信號的光電轉(zhuǎn)換與內(nèi)部增益放大功能；放大單元，連接所述光探測器，用以完成輸入輸出信號的對數(shù)變換，而后對經(jīng)過對數(shù)變換后的信號做進一步的可控放大。
2、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的超大長度分布式光纖傳感光接收機，其特征在于所述放大單元包括對數(shù)放大器，連接所述光探測器，用以完成輸入輸出信號的對數(shù)變換； 主放大器，連接所述對數(shù)放大器，用以對經(jīng)過對數(shù)變換后的信號做進一 步的可控放大。
3、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的超大長度分布式光纖傳感光接收機，其特征在于所述主放大器包括可變增益放大器，用以對經(jīng)過對數(shù)變換后的信號做進 一步的可控;故大。
4、 根據(jù)權(quán)利要求3所述的超大長度分布式光纖傳感光接收機，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，以防止由于信號過大使得接 收機進入飽和狀態(tài)；驅(qū)動級，連接所述可變增益放大器，用以增強光接收機的驅(qū)動能力。
5、 根據(jù)權(quán)利要求4所述的超大長度分布式光纖傳感光接收機，其特征在于所述增益控制單元采用超低噪聲高速運算放大器，其電壓增益Avd-20dB，帶寬大于20MHz;所述可變增益放大器采用AD603，帶寬大于9畫Hz,可實現(xiàn)0~ 30dB之間 的任意增益值；可使經(jīng)過光接收機放大的信號幅度在一個合理的范圍內(nèi)；所述驅(qū)動級采用OPA847，帶寬大于100MHz,增益為2dB。
6、 根據(jù)權(quán)利要求1至5任一所述的超大長度分布式光纖傳感光接收機，其特征 在于所述主放大器采用高帶寬增益積的運放對經(jīng)過對數(shù)變換后的信號做進一 步的放大。
7、 根據(jù)權(quán)利要求1至5任一所述的超大長度分布式光纖傳感光接收機，其特征 在于所述光探測器還連有溫度補償單元，用以根據(jù)環(huán)境溫度自動調(diào)節(jié)所述光 探測器偏置電壓，保持光探測器倍增因子恒定。
8、 根據(jù)權(quán)利要求1至5任一所述的超大長度分布式光纖傳感光接收機，其特征 在于所述光探測器使用雪崩光電二極管。
9、 根據(jù)權(quán)利要求8所述的超大長度分布式光纖傳感光接收機，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)明揭示一種超大長度分布式光纖傳感光接收機，其包括光探測器、對數(shù)放大器、主放大器。光探測器用以實現(xiàn)光干涉信號的光電轉(zhuǎn)換與內(nèi)部增益放大功能；對數(shù)放大器連接所述光探測器，用以完成輸入輸出信號的對數(shù)變換；主放大器連接所述對數(shù)放大器，用以對經(jīng)過對數(shù)變換后的信號做進一步的可控放大。本發(fā)明揭示的超大長度分布式光纖傳感光接收機，為光纖傳感的超大動態(tài)模擬光探測設(shè)計了一種實用的超大長度分布式光纖傳感光接收機，使光接收的接收靈敏度-65dB，帶寬為20MHz，動態(tài)范圍50dB。
文檔編號G01J1/42GK101625264SQ20091005567
公開日2010年1月13日 申請日期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 申請人:上海華魏光纖傳感技術(shù)有限公司