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海洋前沿▏应用于海洋环境和海洋工程的光纤传感技术
相比较人类易于生存的陆地而言,海洋显得变幻莫测、充满神
秘,具有众多有待研究的任务、有待勘探开发的资源以及需要监测的
系统和工程,所以,适合于海洋环境的传感检测技术的发展、成熟和
实用化,对整个海洋科学的发展具有重大意义,也有助于人类社会的
进一步发展。针对海洋环境的恶劣,基于光纤传感技术的诸多优点,
本文详细介绍了光纤传感技术在海洋中的具体应用。
自1970年康宁公司用高纯度石英首次研制成功耗损率为
0.2dB/km的光纤后,光纤通讯技术得到飞快的发展,各种光器件、光
电器件也相继得到成功研制和改进,光纤传感技术相应地得到飞速发
展。1977年美国海军研究所(NRL)开始执行由查尔斯M•戴维斯博士主
持的foss(光纤传感器系统)计划,光纤传感器问世。光纤传感技术
与传统的传感技术相比,具有如下优势:响应速度快,灵敏度高;检
测频带宽,动态范围大;可靠性强,使用寿命长;本征无源、安全;
抗电磁、射频干扰;耐腐蚀,能在恶劣的环境下工作;传输距离远;
尺寸小,并且易封装成各种形状的传感器;测量对象广泛;易实现分
布式测量,便于复用,易于成网,等等。
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目前最常用的光纤传感技术包括布拉格光纤光栅传感技术、基于
散射光的分布式光纤传感技术、基于干涉原理的光纤振动传感技术、
基于光谱吸收的光纤气体传感技术、基于表面等离子共振原理的光纤
折射传感技术等。上述技术大多得到深入研究,部分已经产业化,在
陆地上得以实际应用;但适用于海洋领域的光纤传感器还在探索研究
中,离实用距离尚远。
本文就光纤传感在海洋中的应用进行具体介绍,包括应用于海防
水中不明物体识别与预警的光纤水听器、应用于海底地震海啸监测的
光纤振动和水位传感器、应用于海底能源勘探安全监测的光纤气体传
感器、应用于海底长输管道防盗采和防破坏的基于光纤干涉的振动传
感器、应用于海底光电缆及桥梁和隧道健康质量监测的分布式光纤传
感器以及应用于海洋生态环境保护的光纤SPR溢油检测传感器。本文
力求使读者对光纤传感在海洋领域中的广泛应用有一个基本认识,以
及对应用于海洋领域光纤传感技术有一个更深入的了解。
一、海防水中不明物体识别与预警——光纤水听器
随着世界各国对海洋领域保护意识的增强,核潜艇技术以及潜射导弹
技术得到了迅速的发展,其产生的噪声日益降低。常规形式压电声纳的灵
敏度已经接近极限值,探潜能力凸显不足。目前,美国和欧盟各国都已经
对光纤水听器进行了全面而深入的研究,并且已经获得了很多具有参考和
借鉴意义的研究成果;国内也投入了大量物力、人力、财力进行研究,但
还处于起步阶段。
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光纤光栅传感器除了具有目前所有普通传感器的各项优点外,其基于
光波波长的调制机理,不受光源强度变化的影响,结合波分或时分复用技
术在同一根光纤中可串接多个光纤光栅进行准分布式的测量,适合于阵列
式的水听声纳传感检测。2015年,新加坡光纤通信学院报道的光纤光栅水
听器,在100~1000Hz频率范围内,声压相位灵敏度可达-
132.7dB·rad/μPa,波动范围小于1.5dB。
⒈传感原理
光纤布拉格光栅(FBG)水听声纳是利用FBG的优良传感特性设计而
成的水中声波传感器。将FBG封装于特殊的声压敏感器件时,水中的声波
通过声压敏感器件作用于FBG,使其产生应变,从而改变FBG的周期,使
其中心波长发生相应偏移,然后通过光纤光栅解调系统可以准确地解调出
波长变化量,进而得到水声信号变化量。
图1是FBG传感检测基本原理图,由光源发出的具有较宽带宽的光波
注入到光纤光栅,由于其所具有的
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