光纤声传感探头与解调系统研究-光学工程专业论文.docxVIP

III 绪论 绪论 光纤声传感探头与解调系统分析 光纤声传感探头与解调系统分析 PAGE PAGE 13 PAGE PAGE 10 第一章 绪 论 1.1 光纤传感概述 2009 年 10 月 6 日，下午 5 点 45 分许，2009 年度诺贝尔物理学奖在瑞典皇家科学院揭晓， 英国华裔科学家高锟因为在“光学通讯领域的光传输方面的突破性成就”获得今年诺贝尔物 理学奖，高锟 1966 年发现如何通过光学玻璃纤维远距离传输光信号，这成为电话和高速互联 网等现代通讯网络运行的基石[1，2]。 光导纤维传输要追溯到 19 世纪中期。1870 年，英国物理学家 John Tyndall 在其出版的 书籍中写到，全内反射特性是光的自然属性，同时还进一步说明了，光线从空气射入水中以 及从水中射入空气时的不同，他指出，当光线由水中射入空气时，如果角度大于 48 度（与法 线之间的夹角，这一角度的精确值是 48°27），那么光线将无法“逃出”水面，光线会在界 面处被完全反射[3]。随着时间的推移，大约在 19 世纪末 20 世纪初能传输光的光纤概念被提 出，其相关技术不断发展和完善，直到今天全球范围的高速光纤通信。在光纤技术发展的过 程中，其应用范围不断扩展。光纤传感技术是伴随着光导纤维和光纤通信技术发展而另辟新 径的一种崭新的传感技术。其原理就是利用光纤中传输的光波的特征参量，如振幅、相位、 偏振态、波长和模式等，对外界环境因素，如温度、压力、辐射等都很敏感。由于光波信号 和用于传输光信号光纤自身的特性使得光纤传感具有抗电磁干扰、灵敏度高、安全可靠、耐 腐蚀、可进行分布式测量、便于组网等诸多优点，成为近年来国际上发展最快的高科技应用 技术。光纤传感技术的应用已经逐步从军事领域扩展到了电力、石油、石化、交通和建筑等 各个工业领域，在公共安全、国防、工农业安全生产、环保等重大安全监测领域有着重要应 用。目前，光纤传感器已占据传感技术领域 30%以上的产业份额，并将继续扩大[4-12]。 1.2 国内外研究进展 由于光纤声传感技术优异的性能和国防上的重大应用价值，世界各国尤其是西方发达国 家很早就对光纤声传感器进行了研究。 1.2.1 国外[10,13-18,29-35] 英国，美国以及德国等西方国家很早就关注光纤传感尤其是声传感方面的研究，其中 美国是在这方面的研究起步最早，也是目前世界上光纤声传感研究水平最高的国家。美国在 光纤传感方面研究的单位非常多，就民用方面有：美国邦纳（banner）传感器集团公司成立 于 1966 年，发展至今，在光纤传感器领域已经成为世界顶级专业制造商；美国布朗大学，据 报道 1989 年 Mendez 等人首先提出了将光纤传感器用于钢筋混凝土结构和建筑检测的可能性； 美国 STOCKERYALE 公司与 IFOS 公司一直致力于光纤传感产品研发和开发，包括光纤光栅加速 度传感器、应力应变传感器、压力传感器、倾角计传感器、相对位移传感器、海底地震 计传感器、温度传感器等等。就军事方面来说，以光纤水听器为例来讲，20 世纪 70 年代末 期，美国的一些海军实验室就开始着手光纤水声传感器方面的研究，当时主要的研究内容是 光纤声场传感器，是微振动传感器一种。从上个世纪 80 年代以来，光纤通信技术和集成光学 器件以及光纤激光器等得到飞速发展，带动了光纤声传感器发展的飞跃。据相关资料报道， 20 世纪 80 年代的时候，美国的部分海军实验室就成功地实现了所谓的未封装型“玻璃板” 塑料芯轴光纤声传感器试验，紧接着在很短的时间内，完成第一个封装型“黄铜板”光纤声 传感器。在 1983 年 7 月的时候，美国海军对光纤声传感器进行部署和测试，目的是为了检测 军舰等海军装备的水声噪声，地点就在巴哈马群岛大洋舌。随着技术的不断成熟，为了得到 更多的水声信息，美国海军着手研究光纤声传感器的组阵技术，也就是将大量的光纤声传感 探头通过一些规律集中放在一起，这样就可以检测到更多的水声参数了，包括方向，振幅， 频谱范围等等。20 世纪 80 年代中期，美军海军实验室进行了探头组阵实验，其中 1987 年成 功进行了拖拽光缆和 10 单元的组阵声传感实验。通过多次实验确定了全光拖曳阵列计划的询 问方法。20 世纪 90 年代初期一种基于迈克尔逊型的光纤声传感器在潜艇上成功进行了演示， 工作带宽为 64Hz 到 50KHz，动态范围超过 120db，这种传感器是由著名的 Litton 制导和控 制公司所研制。当时试验的结果能满足甚至超过潜艇传感器系统所要求的性能指标，获得海 军的肯定。20 世纪 90 年代末期，美军组阵技术得到全面的发展进步，当时出现了采用时分 波分复用技术的可扩展至 256 个单元的阵列系统。21