基于隧道監測的光模塊設計與研究

徐磊+孫婧+趙寶亮

【摘 要】為實現一種針對隧道等特殊環境的監測方案，設計了一種光纖傳輸方式，主要包括常溫光收發模塊、高溫光收發模塊及多模光纖鏈路三部分。在分析案例應用場景及高溫光收發模塊耐溫狀況、傳輸距離、帶寬等條件下，研究了微弱光電信號的抗噪放大電路，并設計了在高溫中快速實時傳輸語音、視圖等信息的方案。該方案證實了能夠提供寬帶、遠程、緊湊、強抗電磁干擾的全雙工傳輸，對于極端環境（比如隧道監測、油田測井等）施工、運營現場的實時監控、方案的調整或優化、生產效率的提高具有重要的經濟價值和社會效益。

【關鍵詞】隧道監測 高溫光收發模塊 光纖通信

doi：10.3969/j.issn.1006-1010.2017.08.010 中圖分類號：TN721.5 文獻標志碼：A 文章編號：1006-1010（2017）08-0049-05

引用格式：徐磊，孫婧，趙寶亮. 基于隧道監測的光模塊設計與研究[J]. 移動通信， 2017，41（8）： 49-53.

Design and Research of Optical Module Based on Tunnel Monitoring

XU Lei SUN Jing ZHAO Baoliang

[Abstract] transmission mode was designed in this paper， which includes three parts of normal-temperature transceiver module， high-temperature transceiver module and multimode optical fiber link. Based on analyses on case application scenarios， heat-resistant status of high-temperature optical transceiver module， transmission distance and bandwidth， the anti-noise amplifier circuit of weak electro-optical signal was investigated. A scheme on fast real-time transmission of voice and video in high temperature was designed， which can provide the full-duplex transmission with broadband， remote， compact and strong anti-electromagnetic interference. It has the important economic value and social benefit for the real-time monitoring， scheme adjustment and optimization of the spots of construction and operation in the extreme environments such as tunnel monitoring and oil field logging.

[Key words]tunnel monitoring high-temperature transceiver module fiber communications

1 引言

在各種通用、專用通信與傳感領域，利用光纖感知和傳輸各類信息越來越引起人們的重視。光纖比常規同軸電纜及微波傳輸有更多優點：首先，光纖的低衰減和寬頻帶性能允許長距離傳輸和大容量傳輸；其次，光纖作為絕緣傳輸媒介，光發射機和光接收機之間電氣上是絕緣的，并且可以不受來自強電磁場及其他線路的干擾，從而提高了信號傳輸質量。本系統采用的高溫光元器件（發光二極管和光電二極管）均可工作在不低于150 ℃的環境中，高溫光模塊電路板耐溫值更是高達280 ℃。因此基于特殊環境監測中的光模塊設計與研究在隧道監測[1]、隨鉆測井等需要高可靠性、實時性、大容量的工業控制中具有潛在的應用價值。

2 高溫寬帶傳輸方案的總體設計

本系統具體實現原理及過程如下：上位機或監控上位機發送控制指令信號至常溫光收發模塊的發送部分，轉換成光信號經下行光纖鏈路傳輸至下位機或遠程終端的高溫光收發模塊的接收部分，恢復出所述的控制指令；下位機或遠程終端將采集到的現場視圖、溫濕度、壓力等參數發送到高溫光收發模塊的發送部分，轉換成光信號經上行光纖鏈路傳輸至常溫光收發模塊的接收部分，然后在上位機恢復出上述的數據參數[2]。

3 非對稱光收發模塊的設計

常溫、高溫光電收發模塊由光收發模塊的發送部分和接收部分組成：其中常溫光收發模塊的發送部分由相應的光發射驅動電路和常溫發光二極管組成，接收部分則由常溫光電探測器和二次放大電路構成。該常溫光收發模塊設有指令發送和數據接收端，分別與上位機的發送和接收端口對應連接。高溫光收發模塊的發送部分則由對應的光發送驅動電路和高溫發光二極管組成，接收部分則由光電信號前置放大電路和主放大電路以及高溫光電二極管構成，該模塊配合正負電壓轉換芯片，數據發送和指令接收端分別與下位機的發送和接收端口對應連接。

由于常溫、高溫光收發模塊發送部分的光源工作波長均在850 nm附近，所以這里選用多模光纖，光纖長3 km。高溫光元器件特性以及光纖長度導致光功率衰減損耗為3 dB/km（多模光纖損耗相比單模光纖較大），通過選擇恰當的發光二極管驅動芯片、高溫光電二極管光電信號放大芯片以及前置主放大電路、常溫光電探測器及其二次放大電路以達到上位機和下位機接收端口可以識別的電平信號值。同時使得上行鏈路數據傳輸帶寬達到2 MHz以上，該速率已經可以應用在對帶寬要求較高的場合，進而實現了上位機指令的發送與下位機數據的反饋所共同形成的全雙工寬帶通信鏈路[3]。

3.1 常溫光收發模塊的設計

對于常溫光收發模塊發送部分的光源，選用工業級發光二極管，其應用領域主要包括上位機監控[4]、工業控制鏈路等，耐溫值在-40 ℃～85 ℃內，并且數據速率可達DC～5 Mbps范圍，完全符合本系統的需要。

由于一般的邏輯門電路不能直接驅動發光二極管，所以本系統利用具有四路二輸入與非門的芯片作為驅動電路的主要器件。因為，單門邏輯驅動器的最大灌電流有限，故利用三路與非門并聯來同時驅動發光二極管進行工作，最終選擇了74F3037系列芯片作為理想的驅動器。由于74系列和54系列芯片只是耐溫值不同，故選擇74系列作為常溫光收發模塊的發送部分的驅動芯片，而54系列則作為高溫光收發模塊的發送部分的驅動芯片。

對于上行鏈路數據采集傳輸的接收，選用響應波長范圍在300 nm～1100 nm的大帶寬（DC～10 Mbps）、高靈敏度（優于-35 dBm）的常溫光電探測器作為常溫光收發模塊的接收部分的主要器件，由于其輸出電壓較小，所以設計了如圖3所示的二次放大電路對其進行微弱電壓的二次放大。

常溫光收發模塊接收部分的二次放大器的篩選一定要選擇具有較大增益帶寬積的放大器芯片。常溫模塊所選擇的光電探測器具有高靈敏度、頻響范圍寬的優勢，并且對外界溫度要求不高，但受到下位機端高溫發光二極管特性的限制，再加上3 km多模光纖傳輸，接收數據波形發生了較大畸變，故只能放大恢復到兩兆赫茲的水平。因為該常溫光電探測器輸出電壓只有18.5 mV，要達到TTL識別電平還要放大一百多倍，所以選擇了大帶寬，電壓反饋型放大器OPA690。該放大器增益帶寬積為500 MHz，轉換速率為1800 V/μs，完全滿足本系統需要，故采用常規同相二次放大電路，使其輸出電壓符合TTL電平，同時實現了2 MHz以上寬帶通信，以便實現音頻、視圖等大容量數據的傳輸。

結合上述分析，由圖3可以得出OUT端輸出電壓為：

（1）

其中Vi為常溫光電探測器輸出電壓，由該式得出最終輸出電壓輸入上位機的接收端口，完成數據的傳輸。

3.2 高溫光收發模塊的設計

由于考慮特殊環境的需要，對光元件溫度要求也比較高，所以這里選用耐高溫系列光電元器件（紅外發光二極管和光電二極管），并且經過耦合封裝之后使用，帶有多模尾纖。

光源采用高溫發光二極管，耐溫值達150℃，經封裝耦合后發光功率為5 μW，光功率雖小，但是對于高靈敏度的常溫光電探測器來說可以檢測得到經過數公里傳輸后微弱的光信號（400 nW ～500 nW），所以選擇耐溫值高的高溫發光二極管，作為高溫光收發模塊的發射部分的光源。

對于光電二極管，這里利用靈敏度高（優于-32 dBm），耐溫值可達150℃的PIN高溫光電二極管作為高溫光收發模塊的接收部分的二極管，其較高的靈敏度可以檢測到常溫發光二極管經數公里傳輸后的微弱光信號，并進行有效的光電轉換。

對于工作在高溫環境下的放大器，不僅要求功耗小，而且噪聲也要足夠低，本系統利用低功率、低噪聲、低漂移的場效應晶體管前置運算放大器AD645，將光電流轉化成微弱的電壓信號。而主放大器選用了具有超低偏壓特性的放大器OP77對電壓進行進一步的放大，以致恢復出原來的電信號。同時，還匹配了供源電壓轉換芯片，保證放大器在高溫下的正常工作。

在微弱光電信號的探測系統中，前置放大是必不可少的環節之一，除了對微弱信號的充分放大之外，精確設計也是非常重要的，特別是要考慮與后級放大和濾波的匹配問題。因此，前置放大器的設計需要注意放大器選型以及電路的合理設計等，才能盡量避免主放大電路中噪聲等干擾信號的疊加放大對整個系統性能的影響[5]。

針對光功率為幾百納瓦的微弱信號檢測，分析各項參數，設計了實際二級放大電路。

對于所選結電容、暗電流值都較小的PIN型高溫光電二極管光電信號的精密放大，該電路選擇了具有跨接電阻的光電壓模式。該模式具有線性度好、零偏置的優點，同時還設置了負反饋T型、電流/電壓轉換的前置放大電路。在一定程度上反饋電阻越大，輸出信噪比也越大，但反饋電阻R1的選取也不要過大，否則會增加測量時間并導致電路穩定性變差，該系統中的反饋電阻設定了1 MΩ大小。同時，與反饋電阻并聯了一個1 pF的電容C9，用來抑制噪聲干擾，加快衰減速度，并且可以對因光電二極管結電容、負載電容引起的相位滯后進行相位補償[6]，因此確保了測量放大倍數，達到了精確測量放大的要求。接下來的主放大電路就是對前置放大的微小電壓進行二次放大[7]，一般要進行幾十或上百倍的再次放大，放大的同時會放大噪聲，所以去噪[8]濾波顯得十分重要。

結合上述分析。

其中ID為高溫光電二極管接收光信號后輸出的光電流，由該式所得最終輸出電壓輸入下位機的接收端口，完成指令的傳輸。

同時，采用高Tg印制PCB電路板來滿足高溫光收發模塊長期工作在高溫極端環境下的需要，該系統選用Tg280作為PCB板材選型，耐溫值可達280 ℃，保證了本系統的可行性。

4 非對稱光收發模塊帶寬測試

對于光電收發模塊特別是上行鏈路的傳輸帶寬測試，顯得尤為重要。

因為大容量數據是由下位機（高溫部分）發送到上位機（常溫部分）的，故通過數字信號源發生器設置不同速率且占空比為50%的方波。觀察驅動高溫發光二極管經過單向3 km多模光纖傳輸至常溫光電探測器，再經放大還原出電信號波形。根據波形顯示情況，如幅值頻率、誤差畸變情況來判斷該系統的帶寬大小。

按照上述框圖搭建該測試系統，常溫探測器直接輸出與實際放大后波形對比如圖7所示，由圖7可知對于峰峰值18.7 mV（上方）的探測器直接輸出電壓放大至-0.15 V～2.8 V的峰峰值2.95 V（下方）的信號，經測試滿足串口識別要求。

5 結束語

綜上所述，基于隧道監測的光模塊設計與研究，通過搭建以高溫光纖傳輸鏈路為基礎的傳輸平臺，實現光電信號的轉換，可將遠程的視圖等多媒體信息回傳至監控主機端。經測試高溫光模塊能夠長期工作在不低于125 ℃的高溫環境下，系統運行平穩且抗干擾性能較強，整個系統的傳輸距離長達3 km，可滿足一般隧道的要求。同時，上行串行數據傳輸帶寬可達兆赫茲量級，匹配恰當的放大電路等組成的非對稱光收發模塊實現了真正的高溫、長距離、寬帶隧道通信，為隧道監測、油田測井[9-10]等需要高可靠性、實時性的工業控制場合提供重要的參考價值。

參考文獻：

[1] 吳忠杰，羅根傳，劉新喜. 隧道監測系統研究現狀及其發展趨勢[J]. 吉首大學學報：自然科學版， 2012，33（6）： 70-76.

[2] 張成平，張頂立，駱建軍，等. 地鐵車站下穿既有線隧道施工中的遠程監測系統[J]. 巖土力學， 2009（6）： 1861-1866.

[3] 阮林波，張忠發. 雙向數據光纖傳輸收發模塊的設計[J]. 光通信研究， 2004（2）： 34-35.

[4] 林志鋒，黃華燦. 基于光纖傳輸的數字音視頻監控系統[J]. 機械與電子， 2008（10）： 65-68.

[5] 龔涵，陳浩宇. 微弱光信號檢測電路的設計與實現[J]. 科技信息：科學·教研， 2007（27）： 87-89.

[6] 占建明，汶德勝，王宏，等. 瞬變光探測系統前置放大電路的設計[J]. 紅外， 2011，32（3）： 14-18.

[7] 吳劍明，張小康，黃身欽，等. 兩級放大反饋自動增益控制電路設計[J]. 儀表技術與傳感器， 2016（8）： 97-99.

[8] 王立剛，張殿元. 低噪聲光電檢測電路的研究與設計[J]. 電測與儀表， 2007（8）： 63-66.

[9] 周新磊. 高精度光纖傳感系統及其在油田測井中的應用[D]. 大連： 大連理工大學， 2012.

[10] 付華，謝森，徐耀松，等. 光纖布拉格光柵傳感技術在隧道火災監測中的應用研究[J]. 傳感技術學報， 2013（1）： 133-137.