光纤传感技术及其军事应用

光纤传感技术及其军事应用

王丹阳

（电子工程学院 20123949）

摘要：文章简述了光纤传感技术和光纤传感器在军事上的重要应用状况，以光纤陀螺为例进行了详细说明，最后简述了光纤传感技术在军事上的发展趋势。 关键词：光纤传感技术 光纤传感器 光纤传感网络 光纤陀螺

1.引言

随着传统通信技术的发展和成熟，光通信技术正朝着超高速、大容量通信的方向发展。而光纤传感技术正是伴随着光纤技术和光纤通信技术的发展而发展起来的一种传感技术【1】。

早在 20 世纪60年代中期就出现了第一个关于光纤传感器专利以来，至今几十年，传感技术成为一项令当今世人瞩目的迅猛发展的高新技术之一，也是当代科学技术发展的一个重要标志，它与通信技术和计算机技术构成信息产业的三大支柱。

2.光纤传感技术研发进展 2.1光纤传感技术

随着光纤传感技术的发展，传统的通信用光纤及光纤器件已经无法满足传感技术日益发展的需要，在一定程度上制约了光纤传感技术发展速度【2-3】。因而，世界各国将传感用光纤列为光纤技术领域中的重要研究课题之一。

目前,主要通过5种途径研发传感光纤：①对石英光纤进行某些特殊处理，使之获得传感器所需要的特性，这是早期光纤传感器所需要的光纤。②改变光纤结构，获得两种工作类型的传感光纤，一种是保偏光纤，另一种是偏振光纤。③改变光纤的掺杂材料，可以制成具有新特性的传感光纤，即在石英光纤种利用掺杂稀土金属离子，可制造出多种传感光纤。 ④液芯光纤，是一种具有新型结构的光纤，它是用于传输紫外光波段光线的液芯光纤，现已开始用于研制测量温度、电压和折射率等参量的光纤传感器。⑤光子晶体光纤（PCF）。

2.2光纤传感器

光纤传感器是利用光纤优良的传输性能和奇特的传感功能来感测各种物理

1

量和机械量，由于其具有灵敏度高、固有安全性、抗电磁干扰性强、高绝缘性、质轻柔软和集传感与传输于一体，以及能与数字通信系统兼容、防爆性好、光路可挠曲、易于与计算机连接、便于遥测、结构简单、体积小、重量轻、耗电少等诸多优点，在军事领域有着极其广泛的应用前景。

2.3光纤传感器技术

2.3.1光纤陀螺仪（或称光纤转动传感器）

于1976年，美国Utah大学的Vali和R.W.Shorithi成功地制作了第一个光纤陀螺（FOG），它标志着第二代光学陀螺－光纤陀螺的诞生（第一代光学陀螺为激光陀螺）。30多年来获得了很大的研究进展，大部分技术问题基本上得到解决，其灵敏度提高了4个数量级，其角速度测量精度从最初的15°/h提高到了现在的0.001°/h的量级。下一步要解决的技术问题是在如何构成低成本、小尺寸，而且其性能接近理论极限的光纤陀螺仪。

光纤陀螺 【4】(OFG) 是随着光纤技术迅速发展而出现的一种新型光纤旋转传感器。由于它的相位调制传感方式具有极高灵敏度以及精巧和高机械强度的实用性,将成为航天、航空、航海等诸多领域中最具有发展前景的惯性部件。

它是由N匝光纤线圈构成的光纤陀螺简单原理结构。激光器发射的光由分光器(或合光器)分为二束光,分别被耦合到光纤线圈的两端 ,并沿相反的方向传送 , 最后再由同一分光器 (作合光器用) 组合在一起送到光电检测器。当系统不旋转时 , 二束光将产生相消或相长的干涉 (取决于分光器类型) 。当光纤线圈以角速度ω顺时针旋转 (或逆时针旋转 , 其结论是相同的)时 , 由二光束到达检测器时的相差就可确定角速度ω。目前，对光纤陀螺仪研究了三种不同技术，即小型化分立光学元件光纤陀螺仪，全光纤陀螺仪和集成化全光纤陀螺仪。

2.3.2光纤水声传感器

目前，对光纤水声传感器的研究主要集中在4种类型，微型光纤水声传感器， 强度型光纤水声传感器，干涉型光纤水声传感器和光栅型光纤水声传感器。这4种光纤水声传感器中各有其优缺点，从发展趋势来看，其中光栅型光纤水声传感器有更大的发展潜力。

2.3.3分布式光纤传感器

分布式光纤传感器是利用光波在光纤中的传输特性，可沿光纤长度方向上连

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续地传感被测量，如温度、压力、应力、应变等，此时光纤既是传感介质，又是传输介质，传感光纤长度从1千米到几百千米。

2.3.4智能复合材料中的光纤传感器

美国正在为未来的弹道导弹使用的智能复合材料开展研究工作，其中一项重要研究项目是如何将光纤传感器植入智能复合材料中，经研究证明，设计和制作标准化，模块化的光纤传感层是解决智能复合材料中使用的传感器的有效途径之一，目前有两种比较好的集成制作方法，一种是用聚酰亚胺薄膜与光纤传感器阵列的集成，另一种方式是采用聚合物光纤材料如含氟聚酰亚胺，按集成光学的方法制作传感层 将光路和敏感元件集成在一起，从而实现传感系统高度模块化和集成化。

2.4光纤传感网络系统技术

近几年来，随着光纤传感器技术和光纤网络技术的迅速发展，促使了将多个光纤传感器构成的光纤传感网络系统的发展，以满足军用和民用对多点、多参量和大空间范围的传感网络的需求。

2.4.1网络的连接技术

多传感器构成光传感网络的首要问题是如何解决将多个光纤传感器构成一个网络系统的连接技术问题。网络的连接涉及到光纤与光纤、光纤与有源和无源器件以及光纤与传感器等元器件之间的连接。

2.4.2成网技术

对于成网技术，基本上可以引用光纤通信网络系统技术来构建光纤传感网络，其实是利用了现有的光纤局域网络技术 将多个光纤传感器连接成一个复杂的传感网络，以满足大型构件进行大范围的多点、多参量测量要求，这也是一种可行的组网方式，目前可用于光纤传感网络的光纤传感器有4种：点式光纤传感器、积分式光纤传感器、分布式光纤传感器和传感器的复用。

2.4.3光传感信号处理技术

光传感信号处理技术是光传感网络系统中的关键技术之一， 目前研究重点集中在利用光纤水声传感器的传感合一特性 实现了水下全光阵列，其中有一个关键技术就是传感器的复用和解复用技术，最早研究的是频分复用技术，但阵列规模小，不够理想，利用PGC的时分复用技术可以组成大规模阵列，但其噪声特

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性不够理想，最近的研究重点是时分波分相结合的复用方法，但研究结果离实用化还有相当距离。

2.4.4多光纤传感器信息融合技术

多光纤传感器信息融合技术，又称多光纤传感器数据融合技术（MSDF），是20世纪70年代迅速发展起来的一门学科，在现代C31（指挥、控制、通信与情报）系统中，光纤传感系统中的一些信息融合节点处理传感器的检测数据，并与其它节点交换传感器的检测数据和目标数据，其中包括以下两个信息融合节点。

①陆基中心的信息融合节点。陆基中心接收来自卫星和其他信息源数据，以对潜艇在港口或者在海上预期作战任务和开机时间等信息的舰队级估计、布置，在必经航线上的固定水下声纳系统提供确认潜艇出入港口的航线检测，把这些数据与所有信息源确认的观测和检测信息进行融合，以维持监视范围内的舰队的最高态势估计，就融合结构而论，陆基监视中心一般是分布式或混合式结构。

②指挥舰上的信息融合节点。海上舰艇编队的指挥舰上建立一个海上信息融合中心，收集来自其他附近海域舰艇、潜艇和飞机的数据，为海上编队提供一个地区性态势估计，由其他海上部队和陆基中心观察到的目标航迹可以用来预测正在接近外围周界的威胁，这个融合中心提供了海上指挥员所关心区域内所有目标，包括空中、水面、水下面的全部情况， 该节点是一个多级式结构。

至于每个独立舰艇、飞机和潜艇都需要对各自平台上的局部传感器进行信息融合，舰艇和攻击潜艇采用安装在舰体上的和拖挂配置的声纳及（ESM）传感器进行被动侦察。

3.光纤传感技术在军事上的运用

3.1光纤陀螺

光纤陀螺(OFG)是随着光纤技术迅速发展而出现的一种新型光纤旋转传感器。由于它的相位调制传感方式具有极高灵敏度以及精巧和高机械强度的实用性,将成为航天、航空、航海等诸多领域中最具有发展前景的惯性部件。光纤陀螺与传统的机械陀螺相比具有以下优点:(1)没有运动部件,不存在磨损,因此寿命长,启动快;(2)构造简单,可靠性高;(3)耗电小;(4)动态范围宽等。近几年出现的光纤陀螺是应用

Sagnac

效应做传感原理,把旋转传感器

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的灵敏度提高了几个数量级,展现出极大的开发

潜力。

如图1所示是由N匝光纤线圈构成的光纤陀螺简单原理结构。激光器发射的光由分光器(或合光器)分为二束光,分别被耦合到光纤线圈的两端,并沿相反的方向传送,最后再由同一分光器(作合光器用)组合在一起送到光电检测器。当系统不旋转时,二束光将产生相消或相长的干涉(取决于分光器类型)。当光纤线圈以角速度ω顺时针旋转(或逆时针旋转,其结论是相同的)时,由二光束到达检测器时的相差就可确定角速度ω。 3.2光纤智能结构

智能结构

【5】

是近几年在国际上兴起的由多学科交叉发展的新兴科学领域。

所谓智能结构,就是将传感和驱动元件紧密融合在材料或结构中,同时也将控制、逻辑、信号放大及处理等电路集成于结构中,通过外界的激励与控制,使其除具有承受载荷的能力外,还具有识别、分析、处理及控制等多种功能,从而使结构本身能按智能的方式进行自诊断、自适应、自学习 , 并在其受到损伤时具有自修复、自增值、自衰减等的能力。所以,智能结构具有巨大的应用前景。在国防领域,智能结构适应了航空航天技术的需求,不仅可增强结构的功能,优化结构形式,减轻重量,提高生存能力,更重要的是它能促使飞行器制造、维护等观念的更新。传感器是关系到结构功能好坏的关键之一,而光纤传感器由于具有尺寸小、重量轻、可挠曲、耐腐蚀、电绝缘、不受电磁干扰、集传输和传感于一体等特点 , 被认为是智能结构中最受青睐的传感器, 所以说光纤传感器对于智能结构的实现意义重大。 3.3光纤水听器

光纤水听器是利用光纤的传光特性以及它与周围环境相互作用产生的种种

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调制效应,在海洋中侦听声场信号的仪器。它与传统的压电水听器相比,具有极高的灵敏度 (高出3个数量级) 、足够大的动态范围、本质的抗电磁干扰能力、无阻抗匹配要求、系统“湿端”质量轻和结构的任意性等优势,因此足以应付来自潜艇静噪技术不断提高的挑战,适应了各发达国家反潜战略的要求,被视为国防技术重点开发项目之一。

光纤水听器所探测的信号源为水下目标发出或反射的声波。水声波牵动水粒子位移引起的水密度变化产生水声波压变化。水声波压对光纤水听器产生调制,形成水听器的探测信号。光纤水听器所采用的调制类型主要有光强调制、偏振调制和相位调制。由于相位调制具有灵敏度高、易于实现全光纤化等一系列优点,基于相位调制的干涉型水听器成为当前光纤水听器研究开发的主导型。

光纤水听器技术的研究在80年代初就引起各国的高度重视, 其在军事上的主要应用为:全光纤水听器拖曳阵列;全光纤海底声监视系统 (Ariaden 计划) ;全光纤轻型潜艇和水面舰船共形水听器阵列;超低频光纤梯度水听器;海洋环境噪声及安静型潜艇噪声测量。

4.结论

军用光纤传感技术经过多年的研究开发已取得了丰硕的成果,甚至经过了战争的考验,现在已进入实用阶段,并逐步装备部队。可以预见,21世纪光纤传感技术的军事应用将对部队的建设、武器装备的改善起到举足轻重的作用,成为军队现代化的标志之一。光纤传感技术的军事应用引起了各国军方的重视,光纤制导导弹、光纤遥控武器、光纤陀螺、光纤水听器等发展较早的技术将能逐步装备部队。光控相控阵雷达、光控飞行、光纤智能结构和蒙皮、光纤光栅技术等新技术尚在研究阶段，但一旦列装部队，势必引起国际局格的改变，加紧研究步伐，以实现“中国梦，强军梦”的目标不断努力。

参考文献

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[3]鲍振武,刘钊,刘晶.传感器用特种光纤[J].光纤与光缆及其应用技术,2000,(1):26-33. [4]张兴周.Sagnac效应光纤陀螺[J].传感器技术,1998,17(1):59-62. [5]陶宝祺.智能材料结构[M].北京:国防工业出版社,1997.

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本文来源：https://www.bwwdw.com/article/8tr8.html