分布式光纤扰动监测系统信号调理技术的研究

论文摘要

分布式光纤扰动监测系统使用广泛,可用于很多需要实时监测的环境中,例如:大坝、高速路安全、桥梁、油气管道、监狱、安全敏感区域等。传统的人工监测方法不仅费工、费时、费钱,而且效果也不理想。分布式光纤监测系统经久耐用,安全可靠,由它构成的网络可以遍布所需监测之处,这些光纤网络犹如神经系统,可以感知各部位相关信息,因此发展前景极其广阔。在上述监测系统中,上位机对事件发生的判断准确程度取决于信号的算法分析和信号的质量,而信号质量的优劣则很大程度上取决于光电信号调理电路的性能。由于光电信号转换和信号调理过程中会出现诸如噪声过大从而使有用信号淹没在背景噪声中、系统带宽与噪声存在尖锐矛盾、高频系统极其不稳定等一系列影响信号质量的问题。因此,需要研究出稳定的、满足信号带宽、低噪声、高信噪比的光电转换电路。针对基本光电转换电路存在的问题和局限性,本设计展开了研究,具体内容如下:①分析了工程中常用的基本光电转换电路。详细地对其进行电路稳定性、带宽以及噪声分析。②在上述分析基本光电转换电路的基础上,对比了两种改进型的低噪声光电转换电路;最终选择性能优越,易于实现的复合运放光电转换电路。③复合运放光电转换电路与基本光电转换电路相比,在开环路径添加了一个含有零点的积分器,其作用不仅没有明显损失信号带宽,引入额外的输入噪声,并且大幅度减小了电路的输出噪声电压。④运用软件对复合运放光电转换电路进行带宽及稳定性分析,计算并对比两种电路的输出噪声指标;制作出两种电路及实际测量各项参数后,证明本设计中的复合运放光电转换电路能够起到大幅度减小输出噪声、提高信噪比的作用。

论文目录

• 中文摘要
• 英文摘要
• 1 绪论
• 1.1 本课题的研究背景
• 1.1.1 安全防卫监测的意义
• 1.1.2 现行的入侵监测手段
• 1.1.3 基于Sagnac 干涉的分布式光纤扰动监测系统原理
• 1.2 光电检测技术的重要性及设计要求
• 1.3 光电检测技术的现状及光电转换电路的选择
• 1.4 分布式光纤扰动监测系统对光电转换电路的性能要求
• 2 PIN 及基本光电转换级的稳定性分析
• 2.1 PIN 光电二极管
• 2.2 常见低带宽光电转换级
• 2.3 基本光电转换级的带宽及稳定性分析
• 2.3.1 各种因素对带宽的影响
• 2.3.2 基本光电转换电路的稳定性分析
• 2.3.3 系统信号带宽、增益峰值及稳定性之间的关系
• 2.4 总结
• 3 基本光电转换级的噪声分析
• 3.1 运放噪声模型
• 3.1.1 噪声频谱密度及其对应的噪声增益
• 3.1.2 总输出噪声电压的RMS 值
• noe 的分析'>3.2 对e_noe的分析
• noe 的分析'>3.2.1 对e_noe的分析
• 3.2.2 采用分段线性图解积分法对E noe 进行计算
• 3.3 对噪声组成成分的分析
• 3.4 总结
• 4 复合运放光电转换电路的分析
• 4.1 基本光电转换级的带宽-噪声矛盾
• 4.2 采用去耦合相位补偿的去噪声电路
• 4.3 采用复合放大器形式的去噪声电路
• 4.3.1 复合放大器的电路分析
• 4.3.2 复合放大器的信号带宽与噪声的优化
• 4.3.3 复合放大器的噪声分析
• 4.4 本章小结
• 5 实验系统设计及实验研究
• 5.1 器件选型及电路设计
• 5.2 噪声的计算及两种电路总输出噪声的对比
• 5.3 电源设计及PCB 板设计
• 5.4 噪声的测量及不同电路的性能对比（含信噪比）
• 5.5 本章小结
• 6 总结与展望
• 6.1 论文完成的主要工作和结论
• 6.2 课题展望
• 致谢
• 参考文献
• 附录