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摘 要

Abstract II

第一章 绪论 1

1.1 研究背景和意义 1

1.2 国内外的研究进展 1

1.3 拉曼分布式测温系统对光电转化及放大电路的性能要求 1

1.4主要研究内容 2

第二章 光电二极管前置放大电路设计 4

2.1 光电二级管器件选型 4

2.1.1 光电二级管工作原理 4

2.1.2 几种光电二级管的比较 4

2.1.3 雪崩光电二级管的特点 4

2.2 放大电路的设计 5

2.2.1运算放大器要点与选型 5

2.2.2 前置放大电路设计 6

2.2.3 中间放大电路设计 9

2.2.4 差分电路设计 10

2.2.5 Multisim仿真 11

2.3 本章小结 12

第三章 电源的电路设计 13

3.1电源设计 13

3.1.1 总电源设计 13

3.1.2 stm32单片机电源设计 14

3.1.3 运算放大器负电源设计 14

3.2可调偏压APD供电设计 15

3.3 PCB电路布局 17

3.4 本章小结 17

第四章 基于stm32的控制模块设计 18

4.1 stm32f103c8t6简介 18

4.2 ADC信号采集设计 18

4.3 DAC驱动设计 18

4.4 串口程序的设计 19

4.5 本章小结 20

第五章 整体电路实验与分析 21

5.1电路实验的分析 21

5.2本章小结 25

第六章 总结和展望 26

6.1 总结 26

6.2 展望 26

致 谢 27

参考文献 28

摘要

拉曼分布式光纤测温系统由于其出色的抗干扰能力、低廉的价格和简单的安装方法得到广泛应用和发展。而分布式光纤测温系统前端放大电路是拉曼分布式测温系统的重要组成部分，测温系统所注重的空间分辨率和温度分辨率与测温系统前端放大电路紧密相关。测温系统的空间分辨率受制于放大电路的带宽，温度分辨率受制于放大电路的信噪比。

本文对分布式测温系统前端放大电路进行了研究。本文首先对光电二极管的一些性能参数做出了分析，然后着重研究分析了几种前置放大电路、运算放大器的各个性能参数和放大电路中的噪声来源。根据放大电路的需求设计了雪崩光电二极管的偏压电路，单片机和运算放大器的供电电路。本文使用Multisim对放大电路进行设计和仿真，并且使用MATLAB对雪崩光电二极管倍增因子与偏压、温度的关系进行拟合与分析。结合单片机设计出能自动稳定倍增因子的前端放大电路，带宽达100MHz，能够放大约-45dBm∽-36dBm的光信号。

关键词：雪崩光电二极管，前置放大，倍增因子，偏压调节

Abstract

The Raman distributed fiber optic temperature measurement system is widely used and developed due to its excellent anti-interference ability, low price and simple installation method. The front-end amplifier circuit is an important part of the Raman distributed temperature measurement system. The spatial resolution and temperature resolution of the temperature measurement system are closely related to the front-end amplification circuit. The spatial resolution of the temperature measurement system is limited by the bandwidth of the amplification circuit, and the temperature resolution is limited by the signal-to-noise ratio of the amplification circuit.

This paper studies the front-end amplifier circuit of distributed temperature measurement system. In this paper, some performance parameters of photodiodes are analyzed. The performance parameters of preamplifier circuits and operational amplifiers are analyzed. According to the requirements of the amplifier circuit, the bias circuit of the avalanche photodiode, the power supply circuit of the single chip microcomputer and the operational amplifier are designed. In this paper, Multisim is used to design and simulate the amplifying circuit, and MATLAB is used to fit and analyze the relationship between the avalanche photodiode multiplication factor and the bias voltage and temperature. Combined with the single-chip microcomputer, the front-end amplifying circuit capable of automatically stabilizing the multiplication factor is designed, and the bandwidth is up to 100MHz, and the optical signal of -45dBm ∽-36dBm can be placed.

Key words: avalanche photodiode, preamplifier, multiplication factor, bias regulation

第一章 绪论

1.1 研究背景和意义

自高锟先生开启光纤通讯的纪元之后，光通信技术得到不断的发展。与此同时，传统温度传感器虽然精度较高，但易受干扰，难以进行大范围连续测温。光纤分布式温度传感系统具有测量距离长，不易受电磁干扰、耐腐蚀、布线方便、成本较低等优点，得到充分研究，且迅速形成产品，石油、电力系统、隧道、化工等行业得到了广泛的应用，同时也获得国防和军事领域相关部门的重视^[1-4]。

对微弱光信号进行探测的光电探测器是光纤分布式测温系统中的一个重要环节。光电转化与前端放大电路的输出信号直接与AD采集卡相连，其输出信号的质量直接影响到AD采集卡采集数据的准确性，同时优良的光电探测器有利于减轻后续数据处理的复杂程度，从而缩短数据处理时间，并为提高整个传感系统探测精度和探测距离等性能做出一定贡献，为此对低噪声，较高宽带的光电探测器前端放大电路进行了研究设计。

1.2 国内外的研究进展

上世纪90年代英国南安普顿大学首次提出了利用光纤实现分布式传感系统。1985年，Dakin等人利用后向拉曼散射的Stokes和Anti-Stokes信号研制出了拉曼分布式光纤测温系统^[5]。2011年，Marcelo A. Soto等人研究了一种基于拉曼技术光脉冲编码技术，实现了26km单模光纤中1m的空间分辨率和3℃的温度分辨率。最近几年，分布式光纤测温系统得到了较快的发展。国内在这方面的研究起步稍晚，首先展开这方面研究的是重庆大学，随后中国计量学院等也对分布式光纤测温系统展开了研究。[5]目前国内有不少企业在进行这方面的研究。据了解目前国内亚天光电科技有限公司所做的单模光纤DTS测温系统测量距离达30km，1m的空间分辨率，0.8℃的测温精度。多模光纤DTS系统测温距离达25km。

1.3 拉曼分布式测温系统对光电转化及放大电路的性能要求

拉曼分布式温度传感系统其原理是激光发射器打出一束激光脉冲于光纤中，光在光纤中发生拉曼散射，光探测器在接收端接收反射回来的拉曼散射光。温度的变化对反斯托克斯拉曼后向散射光影响较大，而对斯托克斯拉曼后向散色光影响不明显^[1,2]。理论上可以直接使用反斯托克斯拉曼散射信号来监测温度的变化。但弯折、震动、拉伸等环境因素也会对光信号产生影响，只采用反斯托克斯拉曼散射信号的测温系统极其不稳定^[4]。而采用斯托克斯拉曼后向散射信号与反斯托克斯拉曼后向散射信号的比值可以消除温度以外的大多数外界环境影响。通过两者的比值来提取温度可以提高系统的稳定性和可靠度。在光纤分布式系统中有两个很关键的因素一个是温度分辨率一个是空间分辨率^[6]。空间分辨率受三个方面的限制：激光脉冲的宽度、光电探测器的响应速度和AD采集的速率。光电探测器确定的空间分辨率可以表示为公式（1.1）

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