PIN模块线性度测量方法及测量误差分析

　　0 引言

　　近年来,光纤陀螺大量应用于航天、航空、航海等领域,其中光纤陀螺中的微弱光电信号探测、放大是由PIN模块完成。通常使用PIN模块时,主要关注的参数是噪声、带宽、动态范围;随着光纤陀螺的发展,中、高精度光纤陀螺对PIN模块的直流参数性能的优劣备受关注。在PIN模块的研究和生产中,要求光电探测器的光特性具有良好的线性度(光功率与输出电压的变化关系),并且线性范围尽可能宽。测量线性度指标的重要性逐渐地被认识,其测量仪器的种类较多。在具体制订测量方案、选择仪器组建测量系统的过程中,通常要考虑测量精度、信号带宽、动态范围、测量速度和测量成本等方面的因素[1],才能够完成测试任务。建立一套性能良好的测量系统,对于保证测量结果的准确性十分重要。

　　1 PIN模块线性度测量

　　线性度 —输入光功率与PIN模块输出直流电位的变化关系。它通常可以等效为:Vout=PK+b。式中,Vout为输出电压幅值,P为输入光功率,K为PIN模块响应度,b为PIN模块直流偏置电压。

　　1.1 PIN模块电路原理图

　　PIN组件主要由光电探测器和前置放大电路组成。其中光信号是通过光纤耦合进入PIN光电探测器,光电探测器完成光电转换,信号通过低噪放大电路放大输出,然后传送给后续电路进行处理[2]。模块电路原理图如图1所示。

　　1.2 最小二乘法

　　目前线性度的测量方法,通常采用多点测量的方式,完成各对应点的输入光功率与输出直流电位的测量,最后采用最小二乘法进行拟合,完成该曲线的线性度计算。

　　最小二乘法是一种应用于各个领域中对测定数据处理的一种估算方法。

　　对已知n组数据(xi,yi),将它们作为二维点画在平面直角坐标系中,得到散点图,若呈现直线型,则称为线性模型。按最小二乘法的求算方法,拟合直线与定标曲线相应点输出量偏差的平方和为最小。整理后的数学表达式为

　　对拟合直线进行最优化检验,即计算判定系数(或称可决系数)r2的值,可由公式(2)计算。其中TSS是总变差(或称总离差平方和),ESS是由模型回归线做出解释的变差,称为回归平方和。拟合程度越好,由样本回归做出解释的离差平方和(即回归平方和ESS)在总离差平方和TSS中占的比重越大,r越接近于1。

　　1.3 PIN模块线性度测量方法

　　首先,稳定化光源发出对应波长的光信号,光信号经光衰减器衰减到规定值时,输入到PIN模块输入端,模块输出端连接高精度数字表,其输出信号幅值由高精度数字表同步读出,这样就完成了一个单点的测量[3]。为了保证线性度指标的测量精度要求,需进行多次不同光功率条件下的测量。由于测量数据和测量仪器较多,采用测控技术是十分必要的[4]。为此建立了自动测量系统,该测量系统主要由稳定化光源、光衰减器、光功率计、高精度数字表和直流稳压源等仪器组成[5-6]。其原理框图如图2。其测试过程如下:计算机逐个依照操作者预定的光功率,通过设定衰减器的衰减量的方式,将被测器件处的光功率调节到预定值附近,并通过光功率计进行实时监测[7],同时,被测器件的输出信号幅值也被高精度数字表同步读出,与光功率计的读数一起被处理和保存。