2.作品结构方案
2.1、光纤传感器
2.1.1、激光发射器
激光器是控制受激原子的光子释放方式的设备。“Laser”是light amplification by stimulated emission of radiation（受激辐射光放大）的简称。这一名称简要的描述了激光器的工作原理。 虽然激光器种类繁多，但它们都有一些基本特征。激光器中，激光介质须经过泵激使原子处于激发状态。一般来说，高强度闪光或放电可以泵激介质，进而产生大量激发状态的原子（含高能电子的原子）。而激光器要有效运行就必须要有大量处于激发状态的原子。一般来说，原子必须受激上升到基态以上两到三个能量层级。这就提高了粒子数反转的程度。粒子数反转是指处于激发态的原子和处于基态的原子之间的数量比。激光介质受到泵激后，其中就包括一批带有激发态电子的原子。受激电子所含能量比低层级电子的能量高。就像电子可以吸收一定能量达到激发态一样，电子也可以释放这种能量。如下图所示，电子只要向低层级跃迁，就会释放部分能量。释放的能量转化为光子（光能）的形式。发射出的光子具有特定的波长。
反射镜光的振幅反射镜?2n输出?O光强初始位置?光LXL激光器的构成和工作原理
图2.1.1激光器的构成和工作原理
激光器的工作类型
激光器的种类很多，可分为固体、气体、液体、半导体等几种类型。 半导体激光器体积小、重量轻、寿命长、结构简单。半导体激光器可以通过外加的电场、磁场、温度、压力等改变激光的波长，能将电能直接转换为激光能，可以在恶劣条件下稳定工作，因此选择半导体激光器作为激光光源。
2.1.2、光电转换器
传感器技术中很重要的一类称为光传感器。光传感器通常是指紫外到红外波长范围的传感器，其类型可分为量子探测器和热探测器两类。本实验将介绍常用的量子探测器或称光子探测器，它是利用材料的光电效应制作成的探测器，故也称为光电转换器。其主要参数有响应度（灵敏度）、光谱响应范围、响应时间和可探测的最小辐射功率等。
光电转换器件主要是利用光电效应将光信号转换成电信号。自光电效应发现至今，光电转换器件获得了突飞猛进的发展，目前各种光电转换器件已广泛地应用在各行各业。常用的光电效应转换器件有光敏电阻、光电倍增器、光电池、PIN管、CCD等。 ⑴光电效应
? 光电转换器件主要是利用物质的光电效应，即当物质在一定频率的光的照射下，释放出光电子的现象。当光照射金属、金属氧化物或半导体材料的表面时，会被这些材料内的电子所吸收，如果光子的能量足够大，吸收光子后的电子可挣脱原子的束缚而逸出材料表面，这种电子称为光电子，这种现象称为光电子发射，又称为外光电效应。有些物质受到光照射时，其内部原子释放电子，但电子仍留在物体内部，使物体的导电性增加，这种现象称为内光电效应。 ⑵光电导效应
? 某些半导体材料在光的照射下，内部电子吸收光子后，挣脱原子的束缚而形成自由电子，使其导电性能增加，电阻率下降，这种半导体器件称为光敏电阻，这种现象称为光电导效应。当光停止辐照后，自由电子又被失去电子的原子所俘获，其电阻率恢复原值。利用光敏电阻的这种特性制成的光控开关在我们日常生活中随处可见。 ⑶二次电子发射效应
? 当电子轰击某物体时，如果该电子的动能足够大，被轰击物体将会有新的电子发射出来，该现象称为二次电子发射效应。轰击物体的电子称为一次电子，物体吸收一次电子后激励体内的电子到高能态，这些高能电子的一部分向物体表面运动，到达表面时仍具有足够的能量克服表面势垒而发射出来的电子称为二次电子。
? 常用的光电转换器件主要有光敏电阻、光电倍增管、光电二极管等。 ⑷光电二极管
? 光电二极管是典型的光电效应探测器，具有量子噪声低、响应会、使用方便等特点，广泛用于激光探测器。
外加反偏电压于结内电场方向一致，当pn结及其附近被光照射时，就会产生载流子（即电子－空穴对）。结区内的电子－空穴对在势垒区电场的作用下，电子被拉向n区，空穴被拉向p区而形成光电流。同时势垒区一侧一个扩散长度内的光生载流子先向势垒区扩散，然后在势垒区电场的作用下也参与导电。当入设光强变化时，光生载流子的浓度及通过外回路的光电流也随之发生相应的变化。这种变化在入射光强很大的动态范围内仍能保持线性关系。 ⑸伏安特性
当没有光照射时，光电二极管相当于普通的二极管。其伏安特性是
式中为流过二极管的总电流，为反向饱和电流，为电子电荷，为玻尔兹 曼常量，为工作温度，为加在二极管两端的电压。
对于外加正向电压，I随V指数增长，称为正向电流；当外加电压反向时，在反向击穿电压之内，反向饱和电流基本上是个常数。对于硅光二极管来说，其伏安特性可表示为
式中是流过硅光电二极管的总电流，是反向光电流，是电流灵敏度，是入射光功率，因硅光二极管是反向偏压工作，故上式可简化为
硅光电二极管的伏安特性曲线相当于把普通二极管的伏安特性曲线向下平移。 2.1.3、光纤耦合器
光波在光纤传输过程中，当光纤受到外界作用时，将对光波的传输特性产生影响。围绕周界敷设一条光缆，利用光缆中的三条单膜光纤基于马赫．增特光纤干涉仪原理构成分布式微振动测试传感器，用于测试周界附近的振动信号。光缆中的两条光纤构成光纤干涉仪的两条测试光纤，而第三条光纤用于信号传输。其测试系统组成如图所示。
隔离器光电探测传感光纤1耦合器光源信号调理传感光纤2光源驱动及光源驱动及保护电路耦合器信号传输光纤分布式光纤微振动传感器（传感光缆）图2.1.3测试系统组成图
光源发出的连续光波从传感器的一端分为光强为l：l的两束光波在两条 测试光纤中同时传播，在光纤传感器另一端汇合形成干涉信号，由第三条光纤将干涉信号传输到光电检测器，将光信号转换成电信号，通过放大和滤波电路对信号进行处理后，将信号传输到DSP中进行下一步的分析和处理。
在图中所示的周界远程监控分布式光纤传感器中，两条测试光纤中传播的光波为相干光波。干涉型分布式微振动测试传感器中的两条传感光纤受到周界附近振动信号的作用时会产生应力应变，在两条传感光纤中传播的相干波束会分别产生相位变化，但两条光纤受到外界同一事件作用时所产生的应变并不完全相同，因而在两条光纤中传播的相干波束所产生的相位变化也不完全相同，所以会引起两光纤汇合处所形成的干涉光的变化。在小区远程监控分布式光纤检测系统中，分布式光纤传感器探测的信号源为小区附近的振动信号，传播的振动波振幅方程为
式中，为振动波的最大振幅；为振动波角频率，成为振动波的传播常数；为振动波的初始波程。
周界附近发生事件产生的振动波作用到光缆中的两条单模光纤所组成的传感器上，设两条测试光纤周界附近同一振动信号影响所产生的光波相位调制量分别为，沿两条测试光纤传播的两束相干光波均是简谐振动，光纤中传播的受到调制的光波波动方程可分别表示为：
式中：为两束相干光波的场强；为光波振幅；为光波角频率；为两束光波的初始相位。叠加后的光波振幅为：
2A2?A12?A2?2A1A2cos?s1?t??s2?t????1??2??
设两束相干光波的强度分别为。则
I1?A，I2?A，?s?t??s1?t??s2?t?,????1??22122
两束相干光波干涉后的光强为：
I?I1?I2?2I1I2cos??s?t?????
设而为输入到两条测试光纤中的总光强；两相干光波的混合效率。则有
I?t??I0?1??cos??s?t??????
如果仅考虑交流光强，上式可简化为：
通过光电检测器将光强信号转化为电流信号，光电流的交流量为：
式中为光电二极管的响应度。
在上式中△砸常为一常数，称为直流偏置或正交偏置。在此偏置处，光电流和检测相位变化斜率最大，在无检测信号的情况下两个传感光纤的光保持正交，检测灵敏度最高。测试信号是两束相干光波相位调制差的函数，由于两条测试光纤在光缆中排列位置不同，当测试光缆受到振动作用时，产生的应力应变也不相同，因而在两条传感光纤中传播的两束相干光波产生的相位变化也不完全相同，是一个变量，通过实时的检测干涉光信号的变化，则可以检测出小区周围产生的振动信号，从而实现了小区的实时监测。
光纤传感器的传感光缆，主要由沿周界周围敷设的测试光缆中的两条传感光纤和一条信号传输光纤组成，传感光纤和传输光纤均为单模光纤。其中两条单模测试光纤构成马赫-增特光纤干涉仪，用于检测周界附近的振动信号。信号传输光纤主要用于传输光波和测试的光波相位调制信号。分布式光纤传感系统主要由光源、光隔离器、光源驱动和保护电路、光电探测器和信号调理电路组成。光源主要用于向分布式光纤微振动传感器中发射光波。光源采用一个半导体激光二极管，光源产生的光波为连续光波，其频率为光源本身的固有频率。光隔离器主要是用来隔离光纤中的反射光向光源中传输。光源驱动电路中，通过一个光电二极管监视半导体激光器的功率的输出并产生控制信号，同时采用功率自动控制电路调整激光器的驱动电流，保持光源输出的功率恒定。光源保护电路主要由光源慢启动保护、光源过流保护和反向冲击电流保护电路组成，以防止光源的损坏，使光源长期稳定、可靠地工作。‘分布式光纤微振动检测系统的光电检测电路采用高灵敏度的光电二极管，检测来自传感器的信号。通过光电检测器可以将分布式光纤传感器中的光信号转化为电信号，并以电压的形式输出。为了能使数字信号处理器更好地分析光纤传感器中采集的信号，设计了一个信号调理电路，包括抗混叠滤波电路和一个主放大器，将光电探测电路产生的电压值滤波后进一步放大，以获得适合数字信号处理器分析的电压值。
2.2、信号调理电路
光纤传感器的光电探测器完成测试信号的光电转换后，获得了周界周围的环境情况的电信号，但是此时的测试信号中仍含有一部分噪声电压，需要采用滤波