FBG傳感器微弱信號預處理

摘要 針對光纖Bragg光柵(FBG)傳感器微弱信號，設計了一種具有電流電壓轉換，多級放大和濾波功能的低噪聲光電信號預處理電路。仿真實驗表明，該電路具有增益大、信嗓比大、靈敏度高等特點，滿足FBG傳感系統(tǒng)的要求，可實現(xiàn)nW級微弱光信號檢測。
關鍵詞 FBG傳感器；F—P可調諧濾波器；信號預處理

FBG傳感器是目前光纖光柵傳感領域的研究熱點之一，在煤礦圍巖、橋粱建筑、航空航天、石油化學工業(yè)等領域有著良好的應用前景。光纖F-P可調諧濾波器(Fiber Fabry—Perot Tunable Filter，F(xiàn)FP-TF)解調方法具有靈敏度高、調諧范圍大等優(yōu)點，是對FBG傳感光信號進行解調的有效方法之一，可直接輸出FBG中心波長所對應的光解調信號。
輸出的光信號由于光纖的插入損耗、端面反射等原因，十分微弱，在nW數(shù)量級，還存在器件噪聲、電路噪聲、背景噪聲等于擾因素，因此微弱信號的預處理是FBG傳感系統(tǒng)的一個關鍵問題。針對此問題，文中設計了一種具有增益大、信噪比高、精度高、靈敏度好、抗干擾能力強的微弱信號預處理電路，實現(xiàn)了傳感器信號的放大與濾波。

1 電路基本原理
1．1 光電二極管的工作模式
(Positive-Intrinsic-Nvgative，PIN)光電二極管組成的光電檢測電路，實際上是一個光一電流一電壓變換器。該檢測電路所用的關鍵器件是FC型光電二極管(PIN A-07-13)，它由PIN光電二極管和FC連接器通過透鏡耦合而成，正常響應范圍為1 000～1 650 nm，光譜響應度≥0．8A／W(1 550 nm)，線性范圍-40～+30dBm，暗電流≤10nA，插接偏差±0．1 dB。
光電二極管的工作模式有光導模式和光伏模式，如圖1和圖2所示。

在光導模式下，光電二極管可實現(xiàn)較高的切換速度，但線性度較差。實際上，在反偏置條件下，即使無光照，也會有暗電流，并且由于導電產(chǎn)生的散粒噪聲成為附加的噪聲源。
在光伏模式下，光電二極管處于零偏置狀態(tài)，沒有暗電流、噪聲小，光信號和光電流可成良好的線性關系。
由于FBG解調信號比較微弱，暗電流的影響會明顯，因此采用光伏模式，此時主要噪聲為分壓阻的熱噪聲。
1．2 前置放大器的噪聲分析
當PIN管工作在光伏模式下時，放大器噪聲模型如圖3所示。

圖3中虛線框中的部分為光電二極管的等效電路，其中Rp為等效電阻；Cp為結電容。把放大器的所有噪聲源都折算到輸入端，則En為噪聲電壓源；In為噪聲電流源；Rs為信號源電阻；Et為信號源電阻的熱噪聲電壓；Zi為放大器的輸入電阻。一個信號源與放大器組成的系統(tǒng)噪聲源可歸結為3個，即En、In、Et，它們的共同作用效果用Eni來表示。