设计了一种光纤传输方式，主要包括常温光收发模块、高温光收发模块及多模光纤链路三部分。在分析案例应用场景及高温光收发模块耐温状况、传输距离、带宽等条件下，研究了微弱光电信号的抗噪放大电路，并设计了在高温中快速实时传输语音、视图等信息的方案。该方案证实了能够提供宽带、远程、紧凑、强抗电磁干扰的全双工传输，对于极端环境（比如隧道监测、油田测井等）施工、运营现场的实时监控、方案的调整或优化、生产效率的提高具有重要的经济价值和社会效益。
【关键词】隧道监测 高温光收发模块 光纤通信
doi：10.3969/j.issn.1006-1010.2017.08.010 中图分类号：TN721.5 文献标志码：A 文章编号：1006-1010（2017）08-0049-05
引用格式：徐磊，孙婧，赵宝亮. 基于隧道监测的光模块设计与研究[J]. 移动通信， 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、专用通信与传感领域，利用光纤感知和传输各类信息越来越引起人们的重视。光纤比常规同轴电缆及微波传输有更多优点：首先，光纤的低衰减和宽频带性能允许长距离传输和大容量传输；其次，光纤作为绝缘传输媒介，光发射机和光接收机之间电气上是绝缘的，并且可以不受来自强电磁场及其他线路的干扰，从而提高了信号传输质量。本系统采用的高温光元器件（发光二极管和光电二极管）均可工作在不低于150 ℃的环境中，高温光模块电路板耐温值更是高达280 ℃。因此基于特殊环境监测中的光模块设计与研究在隧道监测[1]、随钻测井等需要高可靠性、实时性、大容量的工业控制中具有潜在的应用价值。
2 高温宽带传输方案的总体设计
本系统具体实现原理及过程如下：上位机或监控上位机发送控制指令信号至常温光收发模块的发送部分，转换成光信号经下行光纤链路传输至下位机或远程终端的高温光收发模块的接收部分，恢复出所述的控制指令；下位机或远程终端将采集到的现场视图、温湿度、压力等参数发送到高温光收发模块的发送部分，转换成光信号经上行光纤链路传输至常温光收发模块的接收部分，然后在上位机恢复出上述的数据参数[2]。
3 非对称光收发模块的设计
常温、高温光电收发模块由光收发模块的发送部分和接收部分组成：其中常温光收发模块的发送部分由相应的光发射驱动电路和常温发光二极管组成，接收部分则由常温光电探测器和二次放大电路构成。该常温光收发模块设有指令发送和数据接收端，分别与上位机的发送和接收端口对应连接。高温光收发模块的发送部分则由对应的光发送驱动电路和高温发光二极管组成，接收部分则由光电信号前置放大电路和主放大电路以及高温光电二极管构成，该模块配合正负电压转换芯片，数据发送和指令接收端分别与下位机的发送和接收端口对应连接。
由于常温、高温光收发模块发送部分的光源工作波长均在850 nm附近，所以这里选用多模光纤，光纤长3 km。高温光元器件特性以及光纤长度导致光功率衰减损耗为3 dB/km（多模光纤损耗相比单模光纤较大），通过选择恰当的发光二极管驱动芯片、高温光电二极管光电信号放大芯片以及前置主放大电路、常温光电探测器及其二次放大电路以达到上位机和下位机接收端口可以识别的电平信号值。同时使得上行链路数据传输带宽达到2 MHz以上，该速率已经可以应用在对带宽要求较高的场合，进而实现了上位机指令的发送与下位机数据的反馈所共同形成的全双工宽带通信链路[3]。
3.1 常温光收发模块的设计
对于常温光收发模块发送部分的光源，选用工业级发光二极管，其应用领域主要包括上位机监控[4]、工业控制链路等，耐温值在-40 ℃～85 ℃内，并且数据速率可达DC～5 Mbps范围，完全符合本系统的需要。
由于一般的逻辑门电路不能直接驱动发光二极管，所以本系统利用具有四路二输入与非门的芯片作为驱动电路的主要器件。因为，单门逻辑驱动器的最大灌电流有限，故利用三路与非门并联来同时驱动发光二极管进行工作，最终选择了74F3037系列芯片作为理想的驱动器。由于74系列和54系列芯片只是耐温值不同，故选择74系列作为常温光收发模块的发送部分的驱动芯片，而54系列则作为高温光收发模块的发送部分的驱动芯片。
对于上行链路数据采集传输的接收，选用响应波长范围在300 nm～1100 nm的大带宽（DC～10 Mbps）、高灵敏度（优于-35 dBm）的常温光电探测器作为常温光收发模块的接收部分的主要器件，由于其输出電压较小，所以设计了如图3所示的二次放大电路对其进行微弱电压的二次放大。
常温光收发模块接收部分的二次放大器的筛选一定要选择具有较大增益带宽积的放大器芯片。常温模块所选择的光电探测器具有高灵敏度、频响范围宽的优势，并且对外界温度要求不高，但受到下位机端高温发光二极管特性的限制，再加上3 km多模光纤传输，接收数据波形发生了较大畸变，故只能放大恢复到两兆赫兹的水平。因为该常温光电探测器输出电压只有18.5 mV，要达到TTL识别电平还要放大一百多倍，所以选择了大带宽，电压反馈型放大器OPA690。该放大器增益带宽积为500 MHz，转换速率为1800 V/μs，完全满足本系统需要，故采用常规同相二次放大电路，使其输出电压符合TTL电平，同时实现了2 MHz以上宽带通信，以便实现音频、视图等大容量数据的传输。
结合上述分析，由图3可以得出OUT端输出电压为：
（1）
其中Vi为常温光电探测器输出电压，由该式得出最终输出电压输入上位机的接收端口，完成数据的传输。
3.2 高温光收发模块的设计
由于考虑特殊环境的需要，对光元件温度要求也比较高，所以这里选用耐高温系列光电元器件（红外发光二极管和光电二极管），并且经过耦合封装之后使用，带有多模尾纤。
光源采用高温发光二极管，耐温值达150℃，经封装耦合后发光功率为5 μW，光功率虽小，但是对于高灵敏度的常温光电探测器来说可以检测得到经过数公里传输后微弱的光信号（400 nW ～500 nW），所以选择耐温值高的高温发光二极管，作为高温光收发模块的发射部分的光源。
对于光电二极管，这里利用灵敏度高（优于-32 dBm），耐温值可达150℃的PIN高温光电二极管作为高温光收发模块的接收部分的二极管，其较高的灵敏度可以检测到常温发光二极管经数公里传输后的微弱光信号，并进行有效的光电转换。
对于工作在高温环境下的放大器，不仅要求功耗小，而且噪声也要足够低，本系统利用低功率、低噪声、低漂移的场效应晶体管前置运算放大器AD645，将光电流转化成微弱的电压信号。而主放大器选用了具有超低偏压特性的放大器OP77对电压进行进一步的放大，以致恢复出原来的电信号。同时，还匹配了供源电压转换芯片，保证放大器在高温下的正常工作。
在微弱光电信号的探测系统中，前置放大是必不可少的环节之一，除了对微弱信号的充分放大之外，精确设计也是非常重要的，特别是要考虑与后级放大和滤波的匹配问题。因此，前置放大器的设计需要注意放大器选型以及电路的合理设计等，才能尽量避免主放大电路中噪声等干扰信号的叠加放大对整个系统性能的影响[5]。
针对光功率为几百纳瓦的微弱信号检测，分析各项参数，设计了实际二级放大电路。
对于所选结电容、暗电流值都较小的PIN型高温光电二极管光电信号的精密放大，该电路选择了具有跨接电阻的光电压模式。该模式具有线性度好、零偏置的优点，同时还设置了负反馈T型、电流/电压转换的前置放大电路。在一定程度上反馈电阻越大，输出信噪比也越大，但反馈电阻R1的选取也不要过大，否则会增加测量时间并导致电路稳定性变差，该系统中的反馈电阻设定了1 MΩ大小。同时，与反馈电阻并联了一个1 pF的电容C9，用来抑制噪声干扰，加快衰减速度，并且可以对因光电二极管结电容、负载电容引起的相位滞后进行相位补偿[6]，因此确保了测量放大倍数，达到了精确测量放大的要求。接下来的主放大电路就是对前置放大的微小电压进行二次放大[7]，一般要进行几十或上百倍的再次放大，放大的同时会放大噪声，所以去噪[8]滤波显得十分重要。
结合上述分析。
其中ID为高温光电二极管接收光信号后输出的光电流，由该式所得最终输出电压输入下位机的接收端口，完成指令的传输。
同时，采用高Tg印制PCB电路板来满足高温光收发模块长期工作在高温极端环境下的需要，该系统选用Tg280作为PCB板材选型，耐温值可达280 ℃，保证了本系统的可行性。
4 非对称光收发模块带宽测试
对于光电收发模块特别是上行链路的传输带宽测试，显得尤为重要。
因为大容量数据是由下位机（高温部分）发送到上位机（常温部分）的，故通过数字信号源发生器设置不同速率且占空比为50%的方波。观察驱动高温发光二极管经过单向3 km多模光纤传输至常温光电探测器，再经放大还原出电信号波形。根据波形显示情况，如幅值频率、误差畸变情况来判断该系统的带宽大小。
按照上述框图搭建该测试系统，常温探测器直接输出与实际放大后波形对比如图7所示，由图7可知对于峰峰值18.7 mV（上方）的探测器直接输出电压放大至-0.15 V～2.8 V的峰峰值2.95 V（下方）的信号，经测试满足串口识别要求。
5 结束语
综上所述，基于隧道监测的光模块设计与研究，通过搭建以高温光纤传输链路为基础的传输平台，实现光电信号的转换，可将远程的视图等多媒体信息回传至监控主机端。经测试高温光模块能够长期工作在不低于125 ℃的高温环境下，系统运行平稳且抗干扰性能较强，整个系统的传输距离长达3 km，可满足一般隧道的要求。同时，上行串行数据传输带宽可达兆赫兹量级，匹配恰当的放大电路等组成的非对称光收发模块实现了真正的高温、长距离、宽带隧道通信，为隧道监测、油田测井[9-10]等需要高可靠性、实时性的工业控制场合提供重要的参考价值。
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