一种基于光纤传感器光收发系统的噪声分离方法

摘要

本发明公开了一种基于光纤传感器光收发系统的噪声分离方法，具体包括以下步骤：第一步：设计磁屏蔽装置；第二步：确定电路噪声RMS值获取方法；第三步：测量并采用第二步的RMS值获取方法得光纤传感器光收发系统端口输出总噪声及子模块本地噪声RMS值；第四步：确定噪声转化参数并分离光源强度噪声N₀；第五步：计算出每个模块噪声占光纤传感器光收发系统总噪声的比重；本发明在测量光纤传感器光收发系统总体噪声的同时，通过分离方法可分别获得其光源强度噪声和各电路模块的噪声值，并可获得其占光纤传感器光收发系统总噪声的比重。

主权项

一种基于光纤传感器光收发系统的噪声分离方法，具体包括以下步骤：第一步：设计磁屏蔽装置；将光纤传感器光收发模块置于磁屏蔽金属油漆罐中，金属油漆罐全面包地，紧密盖合盖子；同轴电缆的一端通过BNC连接器连接到光纤传感器光收发系统被检测端，同轴电缆的另一端连接真均方根表或数字频谱仪，电源和信号电缆分别采用双绞线和屏蔽同轴线连接到屏蔽壳中的电路上；第二步：确定电路噪声RMS值获取方法；当采用真均方根表测量时，仪器本底噪声RMS值为N_RO，测量得到包含仪器本底噪声的电路噪声真均方根测量值为N_RC，则去除仪器本底噪声后的电路噪声RMS值为：$N_R=\sqrt{N_{\mathrm{RC}}^2-N_{\mathrm{RO}}^2};$当采用数字频谱仪时，仪器本底噪声电压频谱密度为C₁：u₁(f)，测量得到含仪器本底噪声的电路噪声电压频谱密度为C₂：u₂(f)，单位均为根据各被测电路的带宽最大值BW_nmax，设定积分频率范围0～10BW_nmax，得去除仪器本地噪声的电路噪声RMS值为：$N_R=\sqrt{{\left[{\int }_0^{10{\mathrm{BW}}_{n\max }}{u}_2{\left(f\right)}^2\mathrm{df}\right]}^2-{\left[{\int }_0^{10{\mathrm{BW}}_{n\max }}{u}_1{\left(f\right)}^2\mathrm{df}\right]}^2};$第三步：测量并采用第二步的RMS值获取方法得光纤传感器光收发系统端口输出总噪声及子模块本地噪声RMS值；将光纤传感器光收发系统置于屏蔽装置内，接通电源并确保光纤传感器正常工作后，使用真均方根表或数字频谱仪分别测量并采用第二步的RMS值获取方法，得第二端口输出总噪声RMS值N₂及第三端口输出总噪声RMS值N₃；接着将光源恒流驱动电路与光源断开，并将光源输入端及前放的输入端接地，使用真均方根表或数字频谱仪分别测量光源恒流驱动电路噪声N_D、光电探测器组件噪声RMS值N_PF及前放噪声RMS值N_OPA；第四步：确定噪声转化参数并分离光源强度噪声N₀；光纤传感器光收发系统内噪声叠加关系为：光源恒流驱动电路噪声N_D以电流噪声形式驱动光源后转变为αN_D，与光源强度噪声N_O叠加得第一端口输出总噪声N₁:$N_1=\sqrt{{\left(\alpha N_D\right)}^2+N_O^2},$其中，α为光源特性参数；第一端口输出总噪声N₁经光电探测器组件光电转化为βRN₁，βRN₁与光电探测器组件本底噪声N_PF叠加形成第二端口输出总噪声N₂：$N_2=\sqrt{{\left(\beta {\mathrm{RN}}_1\right)}^2+N_{\mathrm{PF}}^2}=\sqrt{[{\left(\alpha N_D\right)}^2+N_O^2]{\beta }^2{R}^2+N_{\mathrm{PF}}^2},$其中，β为光电探测器组件响应度，R为光电探测器组件跨阻增益，噪声N₂通过前放进行放大γ倍后与前放噪声N_OPA叠加，形成前放输出总噪声N₃：$N_3=\sqrt{{\left(\gamma N_2\right)}^2+N_{\mathrm{OPA}}^2}=\sqrt{{\alpha }^2{\gamma }^2{\beta }^2{N}_D^2+{\beta }^2{\gamma }^2{R}^2{N}_O^2+{\gamma }^2{N}_{\mathrm{PF}}^2+N_{\mathrm{OPA}}^2},$其中γ为前放信号增益；首先确定噪声转化参数：光源特性参数α、前放信号增益γ、光电探测器组件响应度β、光电探测器组件跨阻增益R；测量光纤传感器光源出纤功率P‑驱动电流I关系曲线，当光纤传感器正常工作时光源驱动电流I_a时，光源出纤功率为P_a,此时关系曲线点(I_a，P_a)处斜率k_a，即为光源特性参数α。；将信号发生器产生的交流信号V_in接入前放电路输入端，用示波器检测输出信号V_out，则前放信号增益γ＝V_in/V_out；根据光电探测器组件说明书得为光电探测器组件响应度β和前放信号增益γ；然后根据上述光收发系统噪声叠加顺序原理，得光源强度噪声N_O分离公式为：$N_O=\sqrt{N_3^2-{\alpha }^2{\beta }^2{\gamma }^2{N}_D^2-{\gamma }^2{N}_{\mathrm{PF}}^2-N_{\mathrm{OPA}}^2}/\mathrm{\beta \gamma R},$其中N₃为前放输出前所有模块的总噪声RMS值；N_D为光源恒流驱动电路噪声RMS值；N_PF为光电探测器组件电路噪声RMS值；N_OPA为前放噪声；α为光源特性参数；β为光电探测器组件响应度；γ为前放信号增益；R为光电探测器组件跨阻增益；将噪声转化参数及第三步测量得到的噪声值N₂、N₃、N_D、N_PF、N_OPA代入，分离出光源强度噪声N_O；第五步：计算出每个模块噪声占光纤传感器光收发系统总噪声的比重；源恒流驱动电路噪声占光纤传感器光收发系统总噪声的比重为：${\eta }_D=\sqrt{{(N_D\times \mathrm{\alpha \beta }{R}_{\gamma })}^2/N_3^2};$光源噪声占光纤传感器光收发系统总噪声的比重为：${\eta }_O=\sqrt{(N_2^2-N_{\mathrm{PF}}^2-{\alpha }^2{\beta }^2{R}^2{N}_D^2){\gamma }^2/N_3^2};$光电探测组件噪声占光纤传感器光收发系统总噪声的比重为：前放占光纤传感器光收发系统总噪声的比重为：