FBG传感器微弱信号预处理

摘要 针对光纤Bragg光栅(FBG)传感器微弱信号，设计了一种具有电流电压转换，多级放大和滤波功能的低噪声光电信号预处理电路。仿真实验表明，该电路具有增益大、信嗓比大、灵敏度高等特点，满足FBG传感系统的要求，可实现nW级微弱光信号检测。
关键词 FBG传感器；F—P可调谐滤波器；信号预处理

FBG传感器是目前光纤光栅传感领域的研究热点之一，在煤矿围岩、桥粱建筑、航空航天、石油化学工业等领域有着良好的应用前景。光纤F-P可调谐滤波器(Fiber Fabry—Perot Tunable Filter，FFP-TF)解调方法具有灵敏度高、调谐范围大等优点，是对FBG传感光信号进行解调的有效方法之一，可直接输出FBG中心波长所对应的光解调信号。
输出的光信号由于光纤的插入损耗、端面反射等原因，十分微弱，在nW数量级，还存在器件噪声、电路噪声、背景噪声等于扰因素，因此微弱信号的预处理是FBG传感系统的一个关键问题。针对此问题，文中设计了一种具有增益大、信噪比高、精度高、灵敏度好、抗干扰能力强的微弱信号预处理电路，实现了传感器信号的放大与滤波。

1 电路基本原理
1．1 光电二极管的工作模式
(Positive-Intrinsic-Nvgative，PIN)光电二极管组成的光电检测电路，实际上是一个光一电流一电压变换器。该检测电路所用的关键器件是FC型光电二极管(PIN A-07-13)，它由PIN光电二极管和FC连接器通过透镜耦合而成，正常响应范围为1 000～1 650 nm，光谱响应度≥0．8A／W(1 550 nm)，线性范围-40～+30dBm，暗电流≤10nA，插接偏差±0．1 dB。
光电二极管的工作模式有光导模式和光伏模式，如图1和图2所示。

在光导模式下，光电二极管可实现较高的切换速度，但线性度较差。实际上，在反偏置条件下，即使无光照，也会有暗电流，并且由于导电产生的散粒噪声成为附加的噪声源。
在光伏模式下，光电二极管处于零偏置状态，没有暗电流、噪声小，光信号和光电流可成良好的线性关系。
由于FBG解调信号比较微弱，暗电流的影响会明显，因此采用光伏模式，此时主要噪声为分压阻的热噪声。
1．2 前置放大器的噪声分析
当PIN管工作在光伏模式下时，放大器噪声模型如图3所示。

图3中虚线框中的部分为光电二极管的等效电路，其中Rp为等效电阻；Cp为结电容。把放大器的所有噪声源都折算到输入端，则En为噪声电压源；In为噪声电流源；Rs为信号源电阻；Et为信号源电阻的热噪声电压；Zi为放大器的输入电阻。一个信号源与放大器组成的系统噪声源可归结为3个，即En、In、Et，它们的共同作用效果用Eni来表示。