【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 光探測(cè)器只能產(chǎn)生低量級(jí)的電信號(hào)，為實(shí)現(xiàn)進(jìn)一步處理，必須對(duì)該電信號(hào)進(jìn)行放大。一個(gè)光電探測(cè)器及其相應(yīng)的放大電路統(tǒng)稱為接收器。光纖系統(tǒng)的類型不同，它所采用的光探測(cè)器也不相同。最基本的要求是光信號(hào)到電信號(hào)的轉(zhuǎn)換，理想情況下這種變換呈線性關(guān)系。此外需要滿量程范圍內(nèi)具有足夠的靈敏度,在特殊應(yīng)用中應(yīng)具有一個(gè)合適波長(zhǎng)帶寬以覆蓋所要求的調(diào)制范圍。要完成光纖傳感的光電變換，根據(jù)應(yīng)用技術(shù)的不同主要采用兩類光探測(cè)器:熱電探測(cè)器和光電探測(cè)器。在熱電探測(cè)器中，光輻射引起探測(cè)器溫度上升，從而使與溫度有關(guān)的電物理量發(fā)生變化，反映的是入射光的能量或功率與輸出電量的函數(shù)關(guān)系。因?yàn)闇囟壬呤且环N積累的過程，與入射光子能量大小有關(guān)。所以探測(cè)器對(duì)光譜的響應(yīng)沒有選擇性，即從可見光到紅外波段均可響應(yīng)。在光電探測(cè)器中，光吸收過程直接由某種光量子作用產(chǎn)生，光子探測(cè)器的輸出由光量子的吸收率決定，而不是由光量子的能量來決定。為了產(chǎn)生這種光子吸收作用，光子能量需要具有某一最小值。因?yàn)閱蝹€(gè)光子能量，所以光子探測(cè)器對(duì)波長(zhǎng)響應(yīng)有閡值特性。閩值波長(zhǎng)是光子探測(cè)器吸收光子的最大工作波長(zhǎng)，超過這個(gè)波長(zhǎng)的光對(duì)其不起作用。沒有好的光電探測(cè)器，光纖傳感器不會(huì)有好的特性。探測(cè)器和接收器限制了整個(gè)系統(tǒng)的分辨率。一個(gè)光電探測(cè)器及其相應(yīng)的放大電路統(tǒng)稱為接收器，其完成從光信號(hào)到標(biāo)準(zhǔn)電信號(hào)的轉(zhuǎn)換過程，使測(cè)量信號(hào)可以在數(shù)據(jù)處理部分進(jìn)行加工、處理。在高靈敏度應(yīng)用時(shí)，雪崩光電二極管(APD)提供了一個(gè)低噪聲增益結(jié)構(gòu)，它所具有的高性能及適中的價(jià)格，使其在光纖傳感領(lǐng)域中應(yīng)用前景廣闊。普通的硅光電二極管和PIN光電二極管是沒有內(nèi)增益的光伏探測(cè)器，而在分布式光纖測(cè)量系統(tǒng)中，是對(duì)微弱的拉曼散射光信號(hào)進(jìn)行探測(cè)，采用具有內(nèi)增益的光探測(cè)器將有助于對(duì)微弱光信號(hào)的探測(cè)。雪崩光電二極管是具有內(nèi)增益的光伏探測(cè)器。它是利用光生載流子在高電場(chǎng)區(qū)內(nèi)的雪崩效應(yīng)而獲得光電流增益的，具有靈敏度高、響應(yīng)快等優(yōu)點(diǎn)。在外加反向偏壓比較低時(shí)與普通光電二極管一樣，當(dāng)外加反偏壓達(dá)到一定值、使結(jié)區(qū)電場(chǎng)足夠高時(shí)，光生載流子在漂移過結(jié)的過程中與束縛電子(價(jià)電子)發(fā)生碰撞電離，從而產(chǎn)生附加載流子。而附加載流子進(jìn)一步在高電場(chǎng)中獲取能量，動(dòng)能增加足以再次發(fā)生碰撞電離。如此循環(huán)，致使載流子數(shù)得到雪崩式增加，從而使輸出光電流得到M倍增益。雪崩光電二極管的電流增益用倍增因子M表示，通常定義為倍增的光電流I1與不發(fā)生倍增(雪崩)效應(yīng)時(shí)的光電流I0之比。倍增因子與NP結(jié)上所加的反向偏壓V和PN結(jié)的材料有關(guān)，可以表示為: （25） 式中，VB為擊穿電壓。V為外加反向偏壓:n為l3，取決于半導(dǎo)體材料、摻雜分布以及輻射波長(zhǎng)。所以，當(dāng)外加電壓V增加到接近VB時(shí)，M將趨近于無窮大，此時(shí)PN結(jié)將發(fā)生擊穿。應(yīng)用中，最佳工作電壓不宜超過冷，否則會(huì)不穩(wěn)定進(jìn)入擊穿。也不宜太小，會(huì)無雪崩倍增效應(yīng)。而且，雪崩光電二極管的擊穿電壓VB與器件的工作溫度有關(guān)。當(dāng)溫度升高時(shí)，擊穿電壓會(huì)增大。因此，為得到同樣的增益系數(shù)，不同的工作溫度就要加不同的反向偏壓。雪崩光電二極管的反向工作偏壓通常略低于PN結(jié)的擊穿電壓。無光照時(shí)，PN結(jié)不會(huì)發(fā)生雪崩效應(yīng)。只有當(dāng)外界有光照時(shí)，激發(fā)出的光生載流子才能引起雪崩效應(yīng)。若反向偏壓超過器件的擊穿電壓，器件將無法工作，甚至擊穿燒毀。使用雪崩光電二極管的要點(diǎn)就是要根據(jù)實(shí)際使用情況，選取最佳偏置電壓，使管子工作在最佳倍增因子狀態(tài)。所謂最佳倍增因子就是系統(tǒng)得到最大信噪比時(shí)所對(duì)應(yīng)的倍增因子。第3章分布式光纖溫度傳感數(shù)據(jù)處理技術(shù)分布式光纖溫度傳感系統(tǒng)的同步控制單元控制脈沖驅(qū)動(dòng)電路產(chǎn)生一電流脈沖，該脈沖驅(qū)動(dòng)半導(dǎo)體激光二極管產(chǎn)生光脈沖注入到激光器尾纖中，從激光器尾纖輸出的光脈沖經(jīng)過光路禍合器再進(jìn)入傳感光纖。光在光纖中發(fā)生散射后其攜帶有溫度信息的拉曼后向散射光返回到定向禍合器，定向禍合器不但可以將發(fā)射的光直接禍合進(jìn)光纖，而且可以將散射回的不同于發(fā)射波長(zhǎng)的拉曼散射光禍合至分光器。分光器由兩個(gè)不同中心波長(zhǎng)的光濾波器組成，過濾的兩路斯托克斯和反斯托克斯光通過濾光片后進(jìn)入光電檢測(cè)器，在ADP的作用下轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，再通過放大、濾波和A/D轉(zhuǎn)換等處理后，送入數(shù)據(jù)處理單元(計(jì)算機(jī))進(jìn)行數(shù)據(jù)處理并以圖、表等形式直觀的顯示溫度場(chǎng)的詳細(xì)信息。通過將測(cè)量控制等單元放在一個(gè)工控機(jī)箱內(nèi)，由計(jì)算機(jī)軟件完成系統(tǒng)功能，實(shí)現(xiàn)了一個(gè)虛擬儀器設(shè)計(jì)應(yīng)用。整個(gè)系統(tǒng)包括主機(jī)(光發(fā)射部分、光接受部分)、傳感光纖、數(shù)據(jù)處理部分和上位機(jī)管理等模塊。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，包括光、機(jī)、電子和計(jì)算機(jī)軟硬件等多方面的知識(shí)。一個(gè)性能優(yōu)良的系統(tǒng)，也就是要求在設(shè)計(jì)目標(biāo)確定后，綜合考慮各個(gè)?？?，實(shí)現(xiàn)各部分工作最佳。在長(zhǎng)距離皮帶傳輸線工況檢測(cè)中，為滿足對(duì)托軸及減速機(jī)等的溫度檢測(cè)，及時(shí)發(fā)現(xiàn)故障隱患，需要系統(tǒng)滿足設(shè)計(jì)指標(biāo)，同時(shí)對(duì)系統(tǒng)的各個(gè)組成部分進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，在測(cè)試量程內(nèi)達(dá)到更高的空間分辨率、溫度分辨率和短的響應(yīng)時(shí)間。分布式光纖傳感系統(tǒng)可以在一根光纖上同時(shí)監(jiān)測(cè)多點(diǎn)的溫度(或應(yīng)力等其它物理量)，并可以利用光時(shí)域反射技術(shù)對(duì)溫度場(chǎng)進(jìn)行空間定位。現(xiàn)在先進(jìn)的實(shí)用系統(tǒng)主要是基于OTRD拉曼后向散射或布里淵后向散射的分布式光纖溫度傳感器技術(shù)。理論思想在上世紀(jì)80年代初提出，在80年代未己經(jīng)出現(xiàn)實(shí)用系統(tǒng)。自發(fā)拉曼散射系統(tǒng)的主要缺點(diǎn)是其散射光信號(hào)很弱，約為入射光的，信噪比很小，測(cè)量的信息幾乎完全淹沒在噪聲中，而如此弱的信號(hào)使得信號(hào)的測(cè)量和處理變得很困難，限制了系統(tǒng)的性能指標(biāo)。所以，對(duì)微弱的檢測(cè)信號(hào)進(jìn)行有效的處理，成為分布式光纖傳感系統(tǒng)的一個(gè)重要部分。如果測(cè)量光纖為幾十公里，空間定位精度為l米，為實(shí)時(shí)反映各點(diǎn)的溫度，需要迅速對(duì)大量的測(cè)量數(shù)據(jù)進(jìn)行處理。特別是在高精度分布式測(cè)量中，數(shù)據(jù)量巨大，數(shù)據(jù)處理技術(shù)也是影響系統(tǒng)實(shí)用性的關(guān)鍵。 從測(cè)量信號(hào)特點(diǎn)來看，檢測(cè)信號(hào)非常微弱，這意味著不但信號(hào)的幅值很小，而主要是指噪聲完全淹沒了信號(hào)。只有在有效地抑制噪聲的條件下放大微弱信號(hào)的幅值，才能提取出有用信號(hào)。因此，信號(hào)處理重要的是消除噪聲的干擾，提高信噪比。為了有效的從噪聲中提取出有用信號(hào)，就要根據(jù)分布式光纖傳感系統(tǒng)的特點(diǎn)，研究噪聲的來源和性質(zhì)，分析噪聲產(chǎn)生的原因和規(guī)律以及噪聲的傳播途徑，有針對(duì)性地采取有效措施抑制噪聲，采用相應(yīng)的解決方案。 從實(shí)際應(yīng)用的角度來看，要求數(shù)據(jù)處理的速度要快。由于是分布式測(cè)量，幾乎是在同一時(shí)間測(cè)量大量的點(diǎn)(一般超過幾千個(gè))，不但測(cè)量系統(tǒng)處理的數(shù)據(jù)量大，對(duì)大量的數(shù)據(jù)處理也需要一定的時(shí)間，而實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)對(duì)時(shí)間又有比較高的要求。提高數(shù)據(jù)處理能力在分布式光纖傳感系統(tǒng)中是一個(gè)很重要的方面。在具體實(shí)現(xiàn)上，早期數(shù)據(jù)采集處理由瞬態(tài)記錄儀和微型計(jì)算機(jī)完成，但由于計(jì)算量大，對(duì)微型計(jì)算機(jī)的實(shí)時(shí)計(jì)算有很高的要求，不容易控制?，F(xiàn)在基于電子技術(shù)和DSP技術(shù)等的發(fā)展，主要采用高速數(shù)據(jù)采集卡或嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用，即采用上下位機(jī)結(jié)構(gòu)，數(shù)據(jù)的采集和處理在底層完成，數(shù)據(jù)處理速度快。測(cè)量數(shù)據(jù)的顯示、報(bào)警等，以滿足數(shù)據(jù)量大、實(shí)時(shí)性強(qiáng)的要求。同時(shí)，對(duì)測(cè)量數(shù)據(jù)的處理也出現(xiàn)了一些新的方法，如小波分解、去卷積等信號(hào)處理方法，也對(duì)數(shù)據(jù)處理的性能提高提出了一些有益的探索。 常用數(shù)據(jù)處理技術(shù)分析數(shù)字電子技術(shù)和計(jì)算機(jī)技術(shù)的迅速發(fā)展，使用數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)來完成分布式光纖溫度傳感測(cè)量中的微弱信號(hào)處理已經(jīng)成為一種必然的選擇。對(duì)微弱信號(hào)處理的關(guān)鍵是提高系統(tǒng)的信噪比，設(shè)計(jì)方案也主要解決這個(gè)問題。對(duì)測(cè)量的微弱信號(hào)(反斯托克斯和斯托克斯)處理如圖所示。 信號(hào)處理A/D放大AntiStokesAPD去噪APD放大A/D去噪AntiStokes圖31檢測(cè)信號(hào)處理框圖其中，信號(hào)處理模塊主要信號(hào)處理包括放大、A心轉(zhuǎn)換和去噪聲等功能。對(duì)APD輸出信號(hào)(信號(hào)淹沒在噪聲中)通過處理得到高的信噪比，獲得測(cè)量的反斯托克斯和斯托克斯信號(hào)并保存。雖然APD具有較大的增益，但其輸出還是非常微弱，需要對(duì)信號(hào)進(jìn)一步放大。放大器由低噪、寬頻帶放大器實(shí)現(xiàn)，要考慮其噪聲的影響。這部分電路屬于模擬電路，設(shè)計(jì)中要提高抗干擾能力，需要加屏蔽。為進(jìn)行數(shù)字化處理，需要A心轉(zhuǎn)換器。而且，A心轉(zhuǎn)換器的性能對(duì)系統(tǒng)性能具有重要影響。由于信號(hào)完全淹沒在噪聲中，所以要通過去除噪聲，提高信噪比，才能獲得有用信號(hào)。而這些去噪算法的實(shí)現(xiàn)，可以采用硬件電路、DSP或微機(jī)軟件編程實(shí)現(xiàn)。大規(guī)?？删幊唐骷透咚贁?shù)字電路技術(shù)的發(fā)展，使得可以采用設(shè)計(jì)硬件電路來處理測(cè)量的微弱信號(hào)，提高信噪比，獲得反斯托克斯和斯托克斯光強(qiáng)信號(hào)。特別是目前普遍采用累加算法來提高系統(tǒng)的信噪比，這樣，由累加器和存儲(chǔ)器即可以完成相應(yīng)的功能。從噪聲中提取微弱信號(hào)的方法屬于信號(hào)處理中的綜合技術(shù)和前沿領(lǐng)域，也是研究的熱點(diǎn)。相關(guān)研究成果一經(jīng)問世，使迅速應(yīng)用于各個(gè)應(yīng)用領(lǐng)域。在分布式光纖溫度傳感器系統(tǒng)中，由于其數(shù)據(jù)處理的特點(diǎn)，也出現(xiàn)了很多新的應(yīng)用研究。基于拉曼散射的分布式光纖溫度測(cè)量系統(tǒng)測(cè)量的溫度信號(hào)非常微弱，通過相應(yīng)的光電轉(zhuǎn)換器(APD)將其轉(zhuǎn)換為微電流或低電壓，再經(jīng)放大器放大其幅度以期指示被測(cè)量的大小。但是，由于被測(cè)量的信號(hào)微弱，傳感器的本底噪聲、放大電路及測(cè)量?jī)x器的固有噪聲以及外界的干擾噪聲往往比有用信號(hào)的幅度大得多，放大被測(cè)信號(hào)的過程同時(shí)也放大了噪聲，而且必然還會(huì)附加一些額外的噪聲，例如放大器的內(nèi)部固有噪聲和各種外部干擾的影響，因此只靠放大是不能把微弱信號(hào)檢測(cè)出來的。只有在有效地抑制噪聲的條件下增大微弱信號(hào)的幅度，才能提取出有用信號(hào)。為了達(dá)到這樣的目的，必須利用微弱信號(hào)檢測(cè)的理論、方法和設(shè)備才能達(dá)到要求的目標(biāo)。對(duì)于淹沒在噪聲中的正弦信號(hào)的幅度和相位，可以利用鎖定放大器進(jìn)行檢測(cè)。但是如果需要恢復(fù)淹沒在噪聲中的脈沖波形，則鎖定放大器是無能為力的。脈沖波形或脈動(dòng)波形的快速上升沿和快速下降沿包含豐富的高次諧波分量，鎖定放大器輸出級(jí)的低通濾波器會(huì)濾除這些高頻分量，導(dǎo)致脈沖波形的畸變。對(duì)于這類信號(hào)的測(cè)量，必須使用其他的有效方法，如取樣積分與數(shù)字式平均。為了恢復(fù)淹沒于噪聲中的快速變化的微弱信號(hào)，必須把每個(gè)信號(hào)周期分成若干個(gè)時(shí)間間隔，間隔的大小取決于恢復(fù)信號(hào)所要求的精度。然后對(duì)這些時(shí)間間隔的信號(hào)進(jìn)行取樣，并將各周期中處于相同位置(對(duì)于信號(hào)周期起點(diǎn)具有相同的延時(shí))的取樣進(jìn)行積分或平均。積分過程常用模擬電路實(shí)現(xiàn)，稱之為取樣積分。平均過程常通過計(jì)算機(jī)以數(shù)字處理的方式實(shí)現(xiàn)，稱之為數(shù)字式平均。對(duì)微弱信號(hào)檢測(cè)處理，除濾波、放大和調(diào)制解調(diào)等方法外，主要是通過取樣平均、數(shù)字式平均、相關(guān)檢測(cè)和自適應(yīng)噪聲抵消等方法，提高信號(hào)的信噪比，獲得滿意的結(jié)果。也可以采用小波變換等現(xiàn)代信號(hào)處理方法，改善信號(hào)的處理能力。而且隨著集成電路技術(shù)和計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)在微弱信號(hào)檢測(cè)中起著越來越重要的作用。（1）取樣積分取樣積分包括取樣和積分兩個(gè)連續(xù)的過程，其工作原理如下圖所示。周期為T的被測(cè)信號(hào)疊加了干擾噪聲，可測(cè)信號(hào)經(jīng)過放大輸入到取樣開關(guān)。是與被測(cè)信號(hào)同頻的參考信號(hào)，也可以是被測(cè)信號(hào)本身。觸發(fā)電路根據(jù)參考信號(hào)波形的情況(例如幅度或上升速率)形成觸發(fā)脈沖信號(hào)，觸發(fā)脈沖信號(hào)再經(jīng)過延時(shí)后，生成一定寬度幾的取樣脈沖，控制取樣開關(guān)K的開閉，完成對(duì)輸入信號(hào)的取樣。 x(t)Kr(t)積分觸發(fā)延時(shí)脈寬Tg取樣積分工作原理取樣積分的工作方式可分為單點(diǎn)式和多點(diǎn)式兩大類。單點(diǎn)式取樣在每個(gè)信號(hào)周期內(nèi)只取樣和積分一次，電路相對(duì)簡(jiǎn)單一些，但是對(duì)被測(cè)信號(hào)的利用率低，需要經(jīng)過很多信號(hào)周期才能得到測(cè)量結(jié)果。而多點(diǎn)式取樣在每個(gè)信號(hào)周期內(nèi)對(duì)信號(hào)取樣多次，并利用多個(gè)積分器對(duì)各點(diǎn)取樣分別進(jìn)行積分。因此，多點(diǎn)式電路相對(duì)復(fù)雜一些，但對(duì)被測(cè)信號(hào)的利用率高,經(jīng)過不太多的信號(hào)周期就可以得到測(cè)量結(jié)果。門積分器是取樣積分器的核心，它的特性對(duì)于系統(tǒng)的整體特性具有決定性的作用。由于取樣脈沖寬度幾可以做的很窄，對(duì)信噪比改善和測(cè)量分辨率比較好，適用于頻率較高的信號(hào)處理。但是工作于模擬方式，由于電容漏電和放大器飄移問題，會(huì)引起測(cè)量誤差。因此，基于數(shù)字電子技術(shù)的多點(diǎn)數(shù)字式平均方法獲得越來越廣泛的應(yīng)用。（2）分布式光纖測(cè)量中的數(shù)字式平均技術(shù)隨著集成電路技術(shù)和計(jì)算機(jī)技術(shù)的迅速發(fā)展，數(shù)字處理方法得到越來越廣泛的應(yīng)用。與單點(diǎn)取樣積分器系統(tǒng)相比，多點(diǎn)數(shù)字式平均方法在一個(gè)信號(hào)周期內(nèi)取樣多次，信號(hào)利用率高，利用數(shù)字式累加代替模擬電路積分，并利用數(shù)字式存儲(chǔ)器存儲(chǔ)處理結(jié)果，沒有漏電和漂移問題。這些特點(diǎn)使得數(shù)字式多點(diǎn)平均得到廣泛應(yīng)用，計(jì)算機(jī)的普及也為這種推廣應(yīng)用提供了有利條件。所以，現(xiàn)在的分布式光纖測(cè)量系統(tǒng)的應(yīng)用基本上已由多點(diǎn)數(shù)字式平均方法代替了早期的模擬取樣積分方法。在基于拉曼散射的分布式光纖傳感系統(tǒng)中，測(cè)量的斯托克斯和反斯托克斯信號(hào)非常微弱，完全淹沒在噪聲中。由于測(cè)量的溫度信息變化比較緩慢，所以測(cè)量時(shí)按某一頻率(根據(jù)光纖長(zhǎng)度確定，如測(cè)量距離為2公里，激光脈沖頻率為1kHz)發(fā)射大功率的窄的激光脈沖，每一個(gè)激光脈沖在光纖傳輸過程中都會(huì)背向散射攜帶有溫度信息的反斯托克斯信號(hào)(和斯托克斯信號(hào)，對(duì)溫度不敏感)，隨時(shí)間變化光探測(cè)器(APD)測(cè)量這些光信號(hào)，在每個(gè)脈沖傳輸時(shí)間(當(dāng)頻率為1kHz時(shí)，周期為1ms)連續(xù)取樣，即實(shí)現(xiàn)了沿傳感光纖的分布式測(cè)量。同時(shí)，在一段時(shí)間內(nèi)(如幾十秒)重復(fù)采樣并存儲(chǔ)處理這些測(cè)量信號(hào)，即通過對(duì)多次重復(fù)測(cè)量的信號(hào)進(jìn)行數(shù)字式平均，就可以改善其信噪比。數(shù)字式平均的工作過程為:由采樣保持器對(duì)被測(cè)信號(hào)進(jìn)行取樣，再由A/D轉(zhuǎn)換器將被測(cè)信號(hào)取樣值變換為數(shù)字量，并將其存儲(chǔ)在寄存器或存儲(chǔ)器中。累加平均的運(yùn)算過程由硬件電路、微處理單元(MPU)或數(shù)字信號(hào)處理器(DSP)完成，運(yùn)算結(jié)果存儲(chǔ)在寄存器或存儲(chǔ)器中，并可由D/A轉(zhuǎn)換器輸出相應(yīng)的模擬量。設(shè)傳感光纖總長(zhǎng)度為L(zhǎng)，當(dāng)頻率為f(周期為T)，寬度為的激光脈沖發(fā)射入傳感光纖中，則光探測(cè)器連續(xù)測(cè)量返回的拉曼散射信號(hào)。為計(jì)算機(jī)處理，由高速數(shù)據(jù)采集處理電路對(duì)APD輸出的電信號(hào)進(jìn)行采集，如果采樣頻率為fs，則可以確定采樣分辨率(也可以認(rèn)為是空間測(cè)量點(diǎn)的分辨率):這時(shí)的采樣周期(時(shí)間)Ts=1/fs；當(dāng)激光脈沖以v(光纖中的光速)穿過長(zhǎng)度為L(zhǎng)的傳感光纖并返回到探測(cè)器時(shí)，所需要的時(shí)間為t=2L/v，則整條傳感光纖將有:m=t/T