本实用新型涉及激光探测技术领域，尤其涉及基于平衡探测器的光信号发射与探测系统。
背景技术：
激光探测广泛应用在工业、医疗及传感等行业，包括光发射与接收系统。光发射与接收系统的基本组成应包括：光发射模块、光接收模块以及信号处理模块。光发射模块提供稳定的激光输出，光信号在光纤内传输并受到调制，光接收模块探测被调制后的光信号，并通过信号处理模块进行数据处理。其中，激光光源的微小波动会引起被测量的较大偏移，从而产生较大的测量误差。因此，光接收模块在探测光信号时，容易受到光发射模块中光源波动等影响引起误差。因此，为解决上述问题，本实用新型提供基于平衡探测器的光信号发射与探测系统，通过采用参考光作为校准信号，与其他探测光进行差分，降低光源波动等引起的误差。
技术实现要素：
有鉴于此，本实用新型提出了基于平衡探测器的光信号发射与探测系统，通过采用参考光作为校准信号，与其他探测光进行差分，降低光源波动等引起的误差。
本实用新型的技术方案是这样实现的：本实用新型提供了基于平衡探测器的光信号发射与探测系统，其包括激光器、光分束器、若干根光纤、探测器和处理器，探测器包括选通开关、电流差分电路和放大电路；
激光器输出光信号并通过光纤与光分束器连接，光分束器将激光器输出的光信号分成若干束平行光束，将其中一束平行光束作为参考光并通过光纤输出并被电流差分电路探测，剩余平行光束作为探测光并通过若干根光纤与选通开关的若干个输入端一一对应连接，由选通开关选通输出探测光，该探测光被电流差分电路探测，电流差分电路将该参考光和探测光转换为光电流并做差分处理，电流差分电路将处理后的光电流信号输出至放大电路的输入端，放大电路的输出端与处理器的模拟输入端电性连接。
在以上技术方案的基础上，优选的，光分束器将激光器输出的光信号按照光信号强度等分成四束平行光束，其中一束平行光束作为参考光，剩余三束平行光束作为探测光。
在以上技术方案的基础上，优选的，电流差分电路包括光电二极管d10、光电二极管d11、电阻r43、电阻r44、正向供电电源和反向供电电源；
光电二极管d10探测参考光并转换为光电流，光电二极管d10的负极通过电阻r43与反向供电电源电性连接，光电二极管d10的正极与放大电路的输入端电性连接；
光电二极管d11探测探测光并转换为光电流，光电二极管d11的正极通过电阻r44与正向供电电源电性连接，光电二极管d11的负极与放大电路的输入端电性连接。
在以上技术方案的基础上，优选的，放大电路包括跨阻放大器、高通滤波器和同相放大器；
跨阻放大器的输入端与电流差分电路的输出端电性连接，跨阻放大器的输出端与高通滤波器的输入端电性连接，高通滤波器的输出端通过同相放大器与处理器的模拟输入端电性连接。
进一步优选的，高通滤波器包括：电阻r47、电阻r48和电容c37；
跨阻放大器的输出端通过顺次连接的电容c37和电阻r47与同相放大器的输入端电性连接，电阻r48的一端与同相放大器的输入端电性连接，电阻r48的另一端接地。
进一步优选的，同相放大器包括：运算放大器tl0821、电阻r49和电阻r50；
跨阻放大器的输出端通过顺次连接的电容c37和电阻r47与运算放大器tl0821的引脚5电性连接，电阻r48的一端与运算放大器tl0821的引脚5电性连接，电阻r49并联在运算放大器tl0821的引脚6及其引脚7之间，电阻r50的一端与运算放大器tl0821的引脚6电性连接，电阻r50的另一端接地，运算放大器tl0821的引脚7与处理器的模拟输入端电性连接。
在以上技术方案的基础上，优选的，还包括第一光功率检测电路和第二光功率检测电路；
第一光功率检测电路检测电阻r43两端的电压，并进行放大处理输出至处理器的模拟输入端；
第二光功率检测电路检测电阻r44两端的电压，并进行放大处理输出至处理器的模拟输入端。
本实用新型的基于平衡探测器的光信号发射与探测系统相对于现有技术具有以下有益效果：
(1)光分束器将激光器输出的光信号分成若干束平行光束，将其中一束平行光束作为参考光并通过光纤输出并被电流差分电路探测，剩余光束作为探测光并由选通开关选通输出探测光，该探测光被电流差分电路探测，电流差分电路将参考光作为校准信号，将其转换后的光电流与探测光转换后光电流做减法处理，以降低光源波动等引起的误差；
(2)通过在电流差分电路设置两个参数一样的光电二极管探测参考光和探测光，并分别以反向供电电源和正向供电电源作为供电电源，使两路光电流信号的符号相反，起到差分放大的作用，实现两路光电流中的直流部分相减，交流信号相加，进而降低光源波动等引起的误差；
(3)通过设置第一光功率检测电路和第二光功率检测，当两者输出电压不同时，则通过调整光分束器的耦合效率，解决分光系统引起的分光不均匀导致的信噪比降低的问题。
附图说明
为了更清楚地说明本实用新型实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本实用新型的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本实用新型基于平衡探测器的光信号发射与探测系统的结构图；
图2为本实用新型基于平衡探测器的光信号发射与探测系统中探测器的电路图。
具体实施方式
下面将结合本实用新型实施方式，对本实用新型实施方式中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施方式仅仅是本实用新型一部分实施方式，而不是全部的实施方式。基于本实用新型中的实施方式，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施方式，都属于本实用新型保护的范围。
如图1所示，本实用新型的基于平衡探测器的光信号发射与探测系统，其包括激光器、光分束器、若干根光纤、探测器和处理器。
激光器，输出功率稳定的光信号。优选的，激光器为半导体激光器。
光分束器，将激光器输出的光信号分成若干束平行光束，将其中一束平行光束作为参考光并通过光纤输出并被电流差分电路探测，剩余光束作为探测光并通过若干根光纤传输，若干根光纤同时检测不同物理量，在被测物理量的特性影响下，受到强度调制后输出探测光，并被探测器探测。考虑到光信号在光纤中的损耗、检测范围和测量精度等问题，光分束器分束的数量不宜过多。优选的，本实施例中，光分束器将激光器输出的光信号按照光信号强度等分成四束平行光束，其中一束平行光束作为参考光，剩余三束平行光束作为探测光，每路的检测范围为0-40db，测量精度高于1％。
探测器，用于探测参考光和探测光，将参考光转换后的电信号与一路探测光转后的电信号进行差分、放大和滤波处理。本实施例中，探测器包括选通开关、电流差分电路和放大电路。
选通开关，将多束探测光选通输出一路。本实施例中，若干束探测光通过若干根光纤与选通开关的若干个输入端一一对应连接，由选通开关选通输出探测光，该探测光被电流差分电路探测。本实施例中，选通开关可以采用现有技术实现，在此不再累述。
电流差分电路，分别探测参考光和探测光，将参考光作为校准信号，并与一束探测光进行差分，以降低光源波动等引起的误差。本实施例中，如图2所示，电流差分电路包括光电二极管d10、光电二极管d11、电阻r43、电阻r44、正向供电电源和反向供电电源；具体的，光电二极管d10探测参考光并转换为光电流，光电二极管d10的负极通过电阻r43与反向供电电源电性连接，光电二极管d10的正极与放大电路的输入端电性连接；光电二极管d11探测探测光并转换为光电流，光电二极管d11的正极通过电阻r44与正向供电电源电性连接，光电二极管d11的负极与放大电路的输入端电性连接。其中，光电二极管d10和光电二极管d11采用响应度和响应时间特性相同、光电二极管参数相同的光电二极管，可以使光电探测器的随机噪声尽可能相同，以便通过差分处理降低系统的噪声；光电二极管d10探测参考光并转换为光电流，光电二极管d11探测探测光并转换为光电流，光电二极管d10和光电二极管d11分别以反向供电电源和正向供电电源作为供电电源，使两路光电流信号的符号相反，起到差分放大的作用，实现两路光电流中的直流部分相减，交流信号相加，进而降低光源波动等引起的误差。本实施例中，正向供电电源标记v+，反向供电电源标记v-。
优选的，由于光分束器存在分光不均匀的问题，因此，易导致系统信噪比降低。为了解决上述问题，本实施例中设置了第一光功率检测电路和第二光功率检测电路，第一光功率检测电路检测电阻r43两端的电压，并进行放大处理输出至处理器的模拟输入端；第二光功率检测电路检测电阻r44两端的电压，并进行放大处理输出至处理器的模拟输入端。当第一光功率检测电路和第二光功率检测的输出电压不同，则通过调整光分束器的耦合效率，解决分光系统引起的分光不均匀导致的信噪比降低的问题。本实施例中，第一光功率检测电路和第二光功率检测电路可以采用现有技术实现，在此不再累述。
放大电路，对电流差分电路输出的光电流信号进行放大和滤波处理。优选的，放大电路包括：跨阻放大器、高通滤波器和同相放大器。
跨阻放大器，将光电流信号转换为电压信号，并实现微弱差分光电流的一次放大，并将放大后的信号输出至高通滤波器。跨阻放大器可以采用现有技术实现，优选的，本实施例中，跨阻放大器如图2所示。由于跨阻放大器的输入电阻较小，在同样的带宽下，反馈电阻值可以较大，因此减小了噪声电流，有利于提高探测的灵敏度。
高通滤波器，只允许跨阻放大器输出信号中的中低频信号通过，滤掉高频信号，使信号频带减小，并降低噪声。优选的，本实施例中，如图2所示，高通滤波器包括：电阻r47、电阻r48和电容c37；具体的，跨阻放大器的输出端通过顺次连接的电容c37和电阻r47与同相放大器的输入端电性连接，电阻r48的一端与同相放大器的输入端电性连接，电阻r48的另一端接地。
同相放大器，对高通滤波器输出的电压信号进行放大处理。本实施例中，如图2所示，同相放大器包括：运算放大器tl0821、电阻r49和电阻r50；具体的，跨阻放大器的输出端通过顺次连接的电容c37和电阻r47与运算放大器tl0821的引脚5电性连接，电阻r48的一端与运算放大器tl0821的引脚5电性连接，电阻r49并联在运算放大器tl0821的引脚6及其引脚7之间，电阻r50的一端与运算放大器tl0821的引脚6电性连接，电阻r50的另一端接地，运算放大器tl0821的引脚7与处理器的模拟输入端电性连接。其中，经过同相放大器放大后的电压信号被放大了11倍；同相放大器的输出标记为out，并输出至处理器的模拟输入端。
本实施例的工作原理为：激光器输出光信号并通过光纤传输至光分束器，光分束器将激光器输出的光信号分成若干束平行光束，将其中一束平行光束作为参考光并通过光纤输出并被电流差分电路探测，剩余光束作为探测光并通过若干根光纤传输，若干根光纤同时检测不同物理量，在被测物理量的特性影响下，受到强度调制后输出探测光，由选通开关选通输出探测光，该探测光被电流差分电路探测，电流差分电路将该参考光和探测光转换为光电流并做差分处理，电流差分电路将处理后的光电流信号输出至跨阻放大器，跨阻放大器将光电流信号转换为电压信号，该电压信号通过高通滤波器滤波和同相放大器放大后输出至处理器的模拟输入端电性连接，处理器对其进行模数转换。
本实施例的有益效果为：光分束器将激光器输出的光信号分成若干束平行光束，将其中一束平行光束作为参考光并通过光纤输出并被电流差分电路探测，剩余光束作为探测光并由选通开关选通输出探测光，该探测光被电流差分电路探测，电流差分电路将参考光作为校准信号，将其转换后的光电流与探测光转换后光电流做减法处理，以降低光源波动等引起的误差；
通过在电流差分电路设置两个参数一样的光电二极管探测参考光和探测光，并分别以反向供电电源和正向供电电源作为供电电源，使两路光电流信号的符号相反，起到差分放大的作用，实现两路光电流中的直流部分相减，交流信号相加，进而降低光源波动等引起的误差；
通过设置第一光功率检测电路和第二光功率检测，当两者输出电压不同时，则通过调整光分束器的耦合效率，解决分光系统引起的分光不均匀导致的信噪比降低的问题。
以上所述仅为本实用新型的较佳实施方式而已，并不用以限制本实用新型，凡在本实用新型的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。
1.基于平衡探测器的光信号发射与探测系统，其包括激光器、光分束器、若干根光纤、探测器和处理器，其特征在于：所述探测器包括选通开关、电流差分电路和放大电路；
所述激光器输出光信号并通过光纤与光分束器连接，光分束器将激光器输出的光信号分成若干束平行光束，将其中一束平行光束作为参考光并通过光纤输出并被电流差分电路探测，剩余平行光束作为探测光并通过若干根光纤与选通开关的若干个输入端一一对应连接，由选通开关选通输出探测光，该探测光被电流差分电路探测，电流差分电路将该参考光和探测光转换为光电流并做差分处理，电流差分电路将处理后的光电流信号输出至放大电路的输入端，放大电路的输出端与处理器的模拟输入端电性连接。
2.如权利要求1所述的基于平衡探测器的光信号发射与探测系统，其特征在于：所述光分束器将激光器输出的光信号按照光信号强度等分成四束平行光束，其中一束平行光束作为参考光，剩余三束平行光束作为探测光。
3.如权利要求1所述的基于平衡探测器的光信号发射与探测系统，其特征在于：所述电流差分电路包括光电二极管d10、光电二极管d11、电阻r43、电阻r44、正向供电电源和反向供电电源；
所述光电二极管d10探测参考光并转换为光电流，光电二极管d10的负极通过电阻r43与反向供电电源电性连接，光电二极管d10的正极与放大电路的输入端电性连接；
所述光电二极管d11探测探测光并转换为光电流，光电二极管d11的正极通过电阻r44与正向供电电源电性连接，光电二极管d11的负极与放大电路的输入端电性连接。
4.如权利要求1所述的基于平衡探测器的光信号发射与探测系统，其特征在于：所述放大电路包括跨阻放大器、高通滤波器和同相放大器；
所述跨阻放大器的输入端与电流差分电路的输出端电性连接，跨阻放大器的输出端与高通滤波器的输入端电性连接，高通滤波器的输出端通过同相放大器与处理器的模拟输入端电性连接。
5.如权利要求4所述的基于平衡探测器的光信号发射与探测系统，其特征在于：所述高通滤波器包括：电阻r47、电阻r48和电容c37；
所述跨阻放大器的输出端通过顺次连接的电容c37和电阻r47与同相放大器的输入端电性连接，电阻r48的一端与同相放大器的输入端电性连接，电阻r48的另一端接地。
6.如权利要求5所述的基于平衡探测器的光信号发射与探测系统，其特征在于：所述同相放大器包括：运算放大器tl0821、电阻r49和电阻r50；
所述跨阻放大器的输出端通过顺次连接的电容c37和电阻r47与运算放大器tl0821的引脚5电性连接，电阻r48的一端与运算放大器tl0821的引脚5电性连接，电阻r49并联在运算放大器tl0821的引脚6及其引脚7之间，电阻r50的一端与运算放大器tl0821的引脚6电性连接，电阻r50的另一端接地，运算放大器tl0821的引脚7与处理器的模拟输入端电性连接。
7.如权利要求3所述的基于平衡探测器的光信号发射与探测系统，其特征在于：还包括第一光功率检测电路和第二光功率检测电路；
所述第一光功率检测电路检测电阻r43两端的电压，并进行放大处理输出至处理器的模拟输入端；
所述第二光功率检测电路检测电阻r44两端的电压，并进行放大处理输出至处理器的模拟输入端。
技术总结