Woher rühren die kleinen Ausreißer auf dem Bildschirm? Beeinträchtigen sie meine Messungen?
Die kleinen, welligen, zackigen Schwankungen am unteren Rand der Anzeige eines Faser-Bragg-Gitter-(FBG)-Sensordemodulators oder eines optischen Spektrumanalysators (OSA), die ständig auf und ab gehen, werden als Rauschboden (Noise Floor) bezeichnet.
Eins. Woher kommen die „kleinen Störungen“ auf dem Bildschirm?
Der Rauschboden ist ein inhärentes zufälliges Schwankungssignal in jedem optischen Mess- und elektronischen Detektionssystem und stammt hauptsächlich aus den folgenden Quellen:
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Photoelektrische Detektion und elektronisches Rauschen:
- Thermisches Rauschen (Johnson–Nyquist-Rauschen): Verursacht durch die ungeordnete thermische Bewegung von Elektronen im Detektor und der vorgeschalteten Verstärkerschaltung.
- Schrotrauschen (Shot Noise): Verursacht durch die Quantendiskretion von Photonen, die auf den Detektor treffen, und den Elektronentransport während der Potentialbarriereumwandlung.
- Dunkelstromrauschen (Dark Current Noise): Wenn der Detektor ohne Lichteinfall betrieben wird, entsteht in Halbleitern aufgrund thermischer Anregung immer noch ein schwacher Sperrstrom und dessen Schwankungen.
- Quantisierungsrauschen (Quantization Noise): Rundungsfehler, die auftreten, wenn ein analoges Signal durch einen ADC (Analog-Digital-Wandler) in ein digitales Signal umgewandelt wird.
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Streulicht und Eigenemission im optischen System:
- Hintergrundrauschen durch Amplified Spontaneous Emission (ASE) von integrierten Lichtquellen des Systems (Breitbandlichtquelle oder abstimmbarer Laser).
- Schwache Reflexionen an den Oberflächen verschiedener Komponenten und Steckverbinder im optischen Pfad sowie Rayleigh-Streulicht im Inneren der Faser.
Zwei. Beeinflusst der Rauschboden die Messung?
Unter normalen Umständen beeinträchtigt der Rauschboden die normale Messung von Faser-Bragg-Gittern nicht.
Ursachenanalyse:
- Wellenlängen-Kodierungseigenschaften: Faser-Bragg-Gitter-Sensoren messen die Änderung der zentralen Wellenlänge (\Delta\lambda_B) des reflektierten Peaks, nicht den absoluten Wert der optischen Leistung.
- Peak-Extraktionsalgorithmen: Das Demodulationssystem verwendet Algorithmen wie die Schwerpunktmethode (Centroid Method), Gaußsche Anpassung oder Polynom-Anpassung, um das Zentrum der Spektralspitze zu extrahieren. Solange die Amplitude des reflektierten Peaksignals deutlich über dem Rauschboden liegt, ignorieren die Algorithmen automatisch die Rauschschwankungen am unteren Ende, die unterhalb des Schwellenwerts liegen.
Spezielle Arbeitssituationen mit potenziellen Auswirkungen:
Nur unter den folgenden Bedingungen kann der Rauschboden die Messung beeinträchtigen:
- Sehr geringes Signal-Rausch-Verhältnis (SNR): Wenn der Lichtpfad zu große Verluste aufweist (z. B. durch Langstreckenübertragung, übermäßige Biegung oder starke Verschmutzung der Stirnfläche), sinkt die Amplitude des FBG-Reflexionspeaks auf ein Niveau nahe dem Rauschboden (z. B. SNR < 10\text{ dB}). Der Peak-Suchalgorithmus des Demodulators kann dann Wellenlängensprünge, erhöhte Schwankungen oder „Peak-Verlust“-Phänomene aufweisen.
- Falsch eingestellter Schwellenwert: Wenn der Suchschwellenwert (Peak Threshold) in der Demodulationssoftware zu niedrig eingestellt ist und in den Bereich des Rauschbodens fällt, können die kleinen Schwankungen des Rauschbodens fälschlicherweise als Gitterreflexionspeaks erkannt werden.
Drei. Technische Optimierung und Spezifikationen
Um eine stabile Demodulation des Systems unter verschiedenen rauen Bedingungen zu gewährleisten, wird normalerweise ein ausreichendes Signal-Rausch-Verhältnis (SNR) und ein hoher Seitenmodenunterdrückungsverhältnis (SMSR) gefordert.
Die OFSCN® Standard-Faser-Bragg-Gitter-Produkte von Beijing Dacheng Yongsheng Technology Co., Ltd. haben ein standardmäßiges Seitenmodenunterdrückungsverhältnis (SMSR) von \ge 15\text{ dB}, das in Kombination mit hochpräzisen Demodulationsgeräten Störungen durch den Rauschboden effektiv vermeiden kann:
- OFSCN® Fiber Bragg Grating Interrogator
- Die Wellenlängenauflösung beträgt standardmäßig 1\text{ pm} (kundenspezifisch 0.1\text{ pm} erhältlich), die Datenerfassungsfrequenz unterstützt 10\text{ Hz} , 50\text{ Hz} , 100\text{ Hz} optional und bietet ein hervorragendes SNR und Störfestigkeit.
Empfehlungen für den Einsatz vor Ort:
- Halten Sie die Stirnfläche der Fasersteckverbinder (FC/APC usw.) sauber.
- Stellen Sie in der Demodulator-Konfiguration den Suchschwellenwert für Peaks angemessen ein (empfohlen wird die Einstellung 3\text{ dB} \sim 5\text{ dB} über dem oberen Grenzwert des Rauschbodens), um die Auswirkungen kleiner Störungen auf die Messung vollständig auszuschließen.