分布式光纤测温系统前端放大电路研究文献综述

文献综述（或调研报告）：

20世纪70年代随着光纤通信的发展，光纤传感技术也得到了快速的发展，在光纤传感技术中，信息的载体是光波，传播媒质是光纤，光在光纤里传播的过程中，会受某些环境因素的影响，从而使光波携带了某些信号。光纤传感技术就是将这些信号提取出来。传统的温度传感器一般适合于单点测量、并且易受电磁干扰的影响。[1-4]与之相比，基于拉曼散色的分布式温度传感系统具有不易受电磁干扰的影响、可以进行多点的测量和长距离测量的优点。正是基于这些优点，拉曼分布式传感器得到了广泛得应用。其原理主要是利用后向拉曼散色反斯托克斯光(Anti-Stokes)对温度敏感和后向拉曼散色斯托克斯光(Stokes)对温度不敏感的特性，采用两者的比值来实现温度的探测。并且一些改进的方法中采用了瑞利反向散射信号强度来代替拉曼斯托克斯信号强度，其原理大致相同。[1-4]1981年，南安普顿大学提出分布式光纤温度传感系统。1983年，J.P.Dakin博士提出了运用后向拉曼散射方法的分布式光纤温度传感系统。1985年，Dakin等人，采用反斯托克斯和斯托克斯拉曼散色信号分析方法，成功研制分布式光纤温度测量系统。上世纪80年代至90年代初，英国的York公司将分布式光纤测温系统推向市场。[5]近十年来，分布式光纤测温系统得到了较快的发展。与国外相比，国内在此方面的研究基础较为薄弱。1987年，重庆大学首先对分布式光纤测温系统进行了研究。2005年中国计量学院的王剑锋、张在宣与韩国电气技术研究源合作，提出了新的基于放大自发拉曼散射光脉冲信号的测量原理。最近，分布式测温系统研究十分火热，国内的许多企业对分布式测温系统进行了研究，并且推出了各具特色的分布式测温系统产品。[5]分布式测温系统广泛应用于电力系统、隧道、石油化工等行业。

而在拉曼分布式测温系统中，对微弱光信号进行探测和放大的光电探测器是其中一个不可缺少的环节，[1-4]在光电探测器中有两个部分，一部分是光电二极管的选择另外一部分是放大电路的设计。光电二极管是一种光电转换器件，主要是使用PN的单向导电性和光生伏特效应制成。无光照时，二级管不导通只有微弱的反向饱和电流，当有光照时，受光子的影响，PN结的少数载流子迅速增加，在电场的作用下产生较大的反向电流，电流的大小与光照的强弱相关。光电二极管有PIN型光电二极管、APD光电二极管、PMT光电倍增管。[13,16]PIN型光电二极管不同之处在于将耗尽区做得很厚，扩散区宽度很薄，结电容较小，能承受较大的反偏电压，并且具有更高的光生电流效率和响应速度和较高的带宽。[9,13]缺点是输出电流非常小不利于探测。主要应用有光通讯和激光技术、扫描辐射计、生物医疗测试设备。APD雪崩光电二级管能使光生电流在其内部先进行放大，减小了外部放大噪声的引入，其原理是利用雪崩倍增效应使光生电流进行了倍增。其特点是灵敏度高、高增益、且噪声较大。[13,16]常用的APD主要有三种材料：Ｓｉ、Ｇｅ、ＩｎＧａＡｓ。使用硅材料能探测的波长范围是４００－１０００ｎｍ，使用锗材料能探测的波长范围是８００－１６５０ｎｍ，使用ＩｎＧａＡｓ能探测的波长范围是１１００－１７００ｎｍ。其主要应用于激光测距、共焦显微镜检查、高速分析仪器、通信、分布式温度传感器等领域。PMT光电倍增管是一种真空器件，利用光电效应和二次电子发射现象制成。[13]具有极高的灵敏度和极低的噪声，但响应频率不能过高，且对高压供电电源稳定性要求高，体积大、价格昂贵。可应用与极微弱光探测、扫描电镜、生化分析仪等仪器设备中。

光电探测的另一个部分就是放大电路的设计，它的功能是将微弱的电流信号放大为较高的电压信号方便于AD采集卡进行后续的采集工作。[16]光电二级管接收到的信号极为微弱，往往被噪声所掩埋。因此需要对微弱信号进行放大、滤波、再放大后提供给后续电路进行处理。光电探测器中，确保检测到输入信号的情况下，减小噪声的引入，和降低噪声是一个重要的设计因素。[6]噪声的来源有APD光电二级管产生的噪声，运算放大器噪声，电阻产生的噪声。[7,10,14]

据了解一般采用的前置放大电路为跨组式前置放大电路[8,11,14]，其主要是接在负反馈端的光电二级管产生的电流流经反馈电阻，根据电流与电阻的乘积可得出转换后的电压值。[8]为降低引入的噪声有几种不同前置放大电路设计方法，一种是在负反馈电阻两端并联一个补偿电容，进行相位补偿减小产生振荡的可能性和减小高频达到限制噪声的目的。[15]另一种方法是使用高精度的小阻值电阻构建等效大阻值T型反馈电阻，其目的是降低电阻的热噪声，提高信噪比。[11,12]在跨组式放大电路中一般会在运算放大器的正反馈端与地之间串联一个电阻来减小较大的负反馈电阻带来的直流偏置影响。

另一种前置放大电路设计是采用两个运放来组成复合放大电路，由内反馈电路与外反馈电路组成，可以在不影响信号频带的情况下降低噪声的带宽。还有一种方法是应用差分电路，多设计一路放大电路，将有光照的光电二级管输出信号与无光照的光电二级管输出信号通过差分运算放大器相减输出，可以消除光电二级管所带来的噪声。

噪声对分布式温度传感系统的温度分辨率和空间分辨率影响很大，光电探测器所带来的噪声只是其中的一个方面，对于噪声的消除，还可以在后续的处理中采用不同的算法来弥补。[1,4]

参考文献：