光纖傳感技術(shù)及其在軍事中的應(yīng)用

1、 中國(guó)地質(zhì)大學(xué)（武漢） 姓 名： 班 級(jí)： 學(xué) 號(hào)： 指導(dǎo)教師： 李剛 光電檢測(cè)技術(shù)論文2020年10月24日0 引言31 光纖的結(jié)構(gòu)及其分類31.1 光纖的結(jié)構(gòu)31.2 光纖的分類41.2.1 按光纖的材料分類41.2.2 按光纖的折射率分類41.2.3 按光纖的傳輸模式分類42 光纖傳感器的工作原理42.1 光纖的傳光原理42.2 光纖傳感器基本構(gòu)成及原理53 光纖傳感器的分類63.1 按傳感原理分類63.1.1 非功能型傳感器63.1.2 功能型傳感器63.2 其他分類方法64 光纖傳感器的特點(diǎn)65 光纖彎曲損耗75.1 微彎損耗75.2 宏彎損耗76 光纖傳感技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀與軍事應(yīng)用7

2、6.1 光纖傳感技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀76.2 光纖傳感技術(shù)的軍事應(yīng)用86.2.1光纖陀螺86.2.2光纖智能結(jié)構(gòu)106.2.3光纖水聽器116.2.4軍用機(jī)器人127結(jié)論.12 光纖傳感技術(shù)及其在國(guó)防軍事中的應(yīng)用 0 引言 近年來，全球傳感器的產(chǎn)量和年增長(zhǎng)率均保持在 10%以上，目前全球從事傳感器生產(chǎn)和研制的單位達(dá)5000多家。傳感技術(shù)作為當(dāng)今世界迅猛發(fā)展起來的技術(shù)之一，已經(jīng)成為衡量一個(gè)國(guó)家科學(xué)技術(shù)水平發(fā)展的重要標(biāo)志。先進(jìn)傳感器朝著靈敏、精巧、適應(yīng)性強(qiáng)、智能化和網(wǎng)絡(luò)化方向發(fā)展。光纖傳感技術(shù)是 20 世紀(jì) 70 年代末興起的技術(shù)領(lǐng)域，在全世界成為研究熱門，已與光纖通信并駕齊驅(qū)1。作為被測(cè)量信號(hào)載體的光

3、波和作為光波傳播媒質(zhì)的光纖，具有一系列獨(dú)特的、其他載體和媒質(zhì)難以相比的優(yōu)點(diǎn)，例如：具有抗電磁和原子輻射干擾的性能；徑細(xì)、質(zhì)軟、質(zhì)量輕的機(jī)械性能；絕緣、無感應(yīng)的電氣性能；耐水、耐高溫、耐腐蝕的化學(xué)性能等，它能夠在人達(dá)不到的地方（如高溫區(qū)）或者對(duì)人有害的地區(qū)（如核輻射區(qū)），起到人的耳目的作用，而且還能超越人的生理界限，接收人的感官所感受不到的外界信息。因此，光纖傳感技術(shù)一問世就受到極大重視，幾乎在各個(gè)領(lǐng)域得到研究與應(yīng)用，成為傳感技術(shù)的先導(dǎo)，推動(dòng)著傳感技術(shù)蓬勃發(fā)展2。光纖傳感技術(shù)是以光電子學(xué)器件為基礎(chǔ)、以光纖通訊和集成光學(xué)的技術(shù)為前提創(chuàng)造性地發(fā)展起來的。光通訊技術(shù)的發(fā)展也促進(jìn)了光纖傳感器的發(fā)展3。1

4、 光纖的結(jié)構(gòu)及其分類1.1 光纖的結(jié)構(gòu)光纖是光導(dǎo)纖維的簡(jiǎn)稱。目前最主要的通信光纖的材質(zhì)是高純度的石英玻璃為主，摻少量雜質(zhì)鍺、硼、磷等。光纖的典型結(jié)構(gòu)是一種細(xì)長(zhǎng)多層同軸圓柱形實(shí)體復(fù)合纖維。自內(nèi)向外為：纖芯、包層、涂覆層、護(hù)套。一般纖芯采用石英纖維，包層采用玻璃，涂覆層采用聚氨基甲酸乙酯或硅酮樹脂，護(hù)套采用尼龍或聚乙烯等塑料4。核心部分為纖芯和包層，二者共同構(gòu)成介質(zhì)光波導(dǎo)，形成對(duì)光信號(hào)的傳導(dǎo)和約束，實(shí)現(xiàn)光的傳輸，所以又將二者構(gòu)成的光纖稱為裸光纖。涂覆層又稱被覆層，是一層高分子涂層，主要對(duì)裸光纖提供機(jī)械保護(hù)，因裸光纖的主要成分為二氧化硅，它是一種脆性易碎材料，抗彎曲性能差、韌性差。為提高光纖的抗微彎

5、性能，涂覆一層高分子涂層。另外，如將若干根裸光纖集束成一捆，相互間極易產(chǎn)生磨損，導(dǎo)致光纖表面損傷而影響光纖的傳輸性能，為防止這種損傷，采取的有效措施就是在裸光纖表面涂一層高分子材料。光纖是用光透射率高的電介質(zhì)（如石英、玻璃、塑料等）構(gòu)成的光通路，纖芯的折射率比包層的折射率稍大，這樣利用全反射的原理把光約束在纖芯內(nèi)并沿著光纖軸線傳播。當(dāng)入射光線在纖芯和包層界面滿足全反射條件時(shí)，光波就能沿著纖芯向前傳播5。1.2 光纖的分類1.2.1 按光纖的材料分類（1） 高純度石英（SiO2）玻璃纖維：這種材料的光損耗比較小，在適當(dāng)波長(zhǎng)時(shí)，最低損耗約為0.47 d B/km。鍺硅光纖，包層用硼硅材料，其損耗約

6、為0.5 d B/km。（2） 多組分玻璃光纖：用常規(guī)玻璃制成，損耗也很低。如硼硅酸鈉玻璃光纖，在適當(dāng)波長(zhǎng)時(shí)，最低損耗為3.4 d B/km。 （3）塑料光纖：用人工合成導(dǎo)光塑料制成，其損耗較大，可達(dá)到 100200 d B/km。但其質(zhì)量輕，成本低，柔軟性好，適用于短距離導(dǎo)光。1.2.2 按光纖的折射率分類根據(jù)光纖纖芯與包層折射率的分布情況，可把光纖分為階躍型光纖和漸變折光纖兩類4。（1）階躍型光纖：這種光纖的纖芯和包層的折射率都是一個(gè)常數(shù)，纖芯的折射率高于包層的折射率，折射率在纖芯與包層的界面處有一個(gè)突變。進(jìn)入這種光纖的光線只要滿足全反射原理，就會(huì)在纖芯中沿折線路徑向前傳播。（2）漸變型光

7、纖：這種光纖包層的折射率為一常數(shù)，纖芯的折射率從中心開始隨其半徑的增加而逐漸變小，到包層與纖芯的界面處折射率下降到包層的折射率。進(jìn)入這種光纖的光線因入射角不同將沿著波浪形曲線路徑向前傳播。1.2.3 按光纖的傳輸模式分類根據(jù)光纖的傳輸模式，可把光纖分為單模和多模兩種4。光纖的傳輸模式是指光進(jìn)入光纖的入射角度。當(dāng)光在直徑為幾十倍光波長(zhǎng)的纖芯中傳播時(shí)，以各種不同角度進(jìn)入光纖的光線，從一端傳至另一端時(shí)，其折射或彎曲的次數(shù)不盡相同，這種以不同角度進(jìn)入纖芯的光線的傳輸方式稱為多模式傳輸。可傳輸多模式光波的光纖稱為多模光纖。如果光纖的纖芯直徑為 510 m，只有所傳光波波長(zhǎng)的幾倍，則只能有一種傳輸模式，即

8、沿著纖芯直線傳播，這類光纖稱為單模光纖。多模光纖可以是階躍型，也可以是漸變型，而單模光纖大多為階躍型。2 光纖傳感器的工作原理2.1 光纖的傳光原理光的全反射現(xiàn)象是研究光纖傳光原理的基礎(chǔ)。根據(jù)幾何光學(xué)原理，當(dāng)光線以較小的入射角1由光密介質(zhì) 1 射向光疏介質(zhì) 2（即 n1n2）時(shí)（見圖1），則一部分入射光將以折射角2折射入介質(zhì) 2，其余部分仍以1反射回介質(zhì)1。依據(jù)光折射和反射的斯涅爾（Snell）定律，當(dāng)1逐漸增大，直至1=c時(shí)，透射入介質(zhì)2的折射光也逐漸折向界面，直至沿界面?zhèn)鞑?。?duì)應(yīng)于折射角2=90時(shí)的入射角1稱為臨界角c；當(dāng)1c時(shí)，光線將不再折射入介質(zhì)2，而在介質(zhì)1（纖芯）內(nèi)產(chǎn)生連續(xù)向前的全

9、反射，直至由終端面射出。這就是光纖傳光的工作原理。光在纖芯和包層的界面處的全反射是光在光纖中傳播的必要條件。在全反射情況下，光在光纖中的傳輸功率可達(dá) 99.9%。如果光纖制造不理想，在纖芯與包層界面處有缺陷，就會(huì)導(dǎo)致有折射光進(jìn)入包層，從而造成光的功率損耗4。2.2 光纖傳感器基本構(gòu)成及原理光纖傳感器是利用光導(dǎo)纖維的傳光特性，把被測(cè)量轉(zhuǎn)換為光特性（強(qiáng)度、相位、偏振態(tài)、頻率、波長(zhǎng)）改變的傳感器。光纖傳感器一般由光源、入射光纖、出射光纖、光調(diào)制器、光探測(cè)器及解調(diào)器等組成（如圖 2所示）。其基本工作原理是將來自光源的光經(jīng)過入射光纖送入調(diào)制區(qū)，光在調(diào)制區(qū)內(nèi)與外界被測(cè)量相互作用，使光的光學(xué)性質(zhì)（如光的強(qiáng)度

10、、波長(zhǎng)、頻率、相位、偏振態(tài)等）發(fā)生變化而成為被調(diào)制的信號(hào)光，再經(jīng)出射光纖送入光探測(cè)器、解調(diào)器而獲得被測(cè)參數(shù)6。3 光纖傳感器的分類3.1 按傳感原理分類光纖傳感器按傳感原理可分為兩類：一類是傳光型（或稱非功能型）傳感器；另一類是傳感型（或稱功能型）傳感器6。3.1.1 非功能型傳感器非功能型傳感器是利用其他敏感元件感受被測(cè)量的變化，光纖僅作為信息的傳輸介質(zhì)，常采用單模光纖。光纖在其中僅起導(dǎo)光作用，光照在光敏感元件上受被測(cè)量調(diào)制7。其優(yōu)點(diǎn)是無需特殊光纖及其他特殊技術(shù)，比較容易實(shí)現(xiàn)，成本低。缺點(diǎn)是靈敏度較低。因此，常用于靈敏度要求不太高的場(chǎng)合。目前實(shí)際應(yīng)用的光纖傳感器大多是非功能型的。3.1.2

11、功能型傳感器功能型傳感器是利用光纖本身的特性把光纖作為敏感元件，被測(cè)量對(duì)光纖內(nèi)傳輸?shù)墓膺M(jìn)行調(diào)制，使傳輸光的強(qiáng)度、相位、頻率或偏振態(tài)等特性發(fā)生變化，再通過對(duì)被調(diào)制過的信號(hào)進(jìn)行解調(diào)，從而得出被測(cè)信號(hào)。光纖在其中不僅是導(dǎo)光媒質(zhì)，而且也是敏感元件，光纖同時(shí)具有“傳”和“感”的功能，光在光纖內(nèi)受被測(cè)量調(diào)制，多采用多模光纖7。其優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)緊湊，靈敏度高。缺點(diǎn)是須用特殊光纖，成本高。典型例子，如光纖陀螺等。3.2 其他分類方法光纖傳感器按被調(diào)制的光波參數(shù)不同可以分為強(qiáng)度調(diào)制光纖傳感器、相位調(diào)制光纖傳感器、頻率調(diào)制光纖傳感器、偏振調(diào)制光纖傳感器和波長(zhǎng)（顏色）調(diào)制光纖傳感器。光纖傳感器按被測(cè)對(duì)象的不同可以分為光

12、纖溫度傳感器、光纖壓力傳感器、光纖位移傳感器、光纖濃度傳感器、光纖電流傳感器、光纖流速傳感器等8。4 光纖傳感器的特點(diǎn)光纖傳感器用光纖作為傳遞信息的媒介，具有光纖和光學(xué)測(cè)量的一些特點(diǎn)9：（1）抗電磁干擾。光纖傳感器應(yīng)用光纖的光學(xué)特性，因此可以抵抗電磁干擾，特別適用于大電流、強(qiáng)磁場(chǎng)、強(qiáng)輻射等環(huán)境，能夠解決很多傳統(tǒng)傳感器無法解決的問題；（2）電絕緣。光纖傳感器中的光纖是電介質(zhì)，敏感元件也可用電介質(zhì)制作，因此具有良好的電絕緣性，特別適合高壓供電系統(tǒng)的測(cè)量；（3）高靈敏度。利用光作為信息載體，具有光學(xué)測(cè)量高靈敏度的特點(diǎn)，可以實(shí)現(xiàn)某些精密測(cè)量；（4）低損耗。由于光纖的傳輸損耗很小，因此利用光纖傳感器技術(shù)

13、可實(shí)現(xiàn)對(duì)被測(cè)量的遠(yuǎn)距離監(jiān)控。例如光纖溫度傳感器，與傳統(tǒng)的溫度傳感器相比，它具有許多優(yōu)點(diǎn)：電絕緣、抗電磁干擾、非侵入性和高靈敏度，容易實(shí)現(xiàn)對(duì)被測(cè)信號(hào)的遠(yuǎn)距離監(jiān)控。其幾何形狀有多方面的適應(yīng)性，傳輸頻帶寬，可以是一個(gè)電氣無源系統(tǒng)。因此還具有耐水性好、抗腐蝕性強(qiáng)、可高密度傳輸數(shù)據(jù)等特點(diǎn)10。5 光纖彎曲損耗在實(shí)際使用光纖的過程中不可避免地存在彎曲，此外為了獲取具有某些特殊性質(zhì)的器件，也需要將光纖彎曲（如光纖偏振器）。因此，研究光纖彎曲對(duì)其特征參量的影響非常重要11。當(dāng)光纖彎曲曲率大到一定程度后，光的傳輸途徑會(huì)改變，一部分光滲透到包層中或者穿過包層成為輻射模向外泄漏損失掉，從而產(chǎn)生彎曲損耗12。光纖彎曲

14、損耗分為微彎損耗和宏彎損耗兩種。5.1 微彎損耗微彎損耗是光纖的曲率半徑比光纖直徑小，通常是光纖軸產(chǎn)生微米級(jí)的彎曲（微彎）引起的附加損耗。光纖微彎傳感器是利用光纖的微彎損耗效應(yīng)來探測(cè)外界物理量的變化，是典型的強(qiáng)度調(diào)制型光纖傳感器。目前，光纖微彎傳感已是較成熟的傳感手段。但是光纖微彎傳感系統(tǒng)需要外加變形器來形成有效的傳感部位，要求變形器具有很高的精度；同時(shí)在一些特殊場(chǎng)合，例如智能結(jié)構(gòu)中的應(yīng)用就受到了限制；而且微彎光纖彎曲部分的尺寸只在微米級(jí)，這使微彎傳感器只能在很小的位移范圍內(nèi)操作，所能感測(cè)的外界變化量較小12。5.2 宏彎損耗當(dāng)光纖彎曲時(shí)，光在彎曲部分中進(jìn)行傳輸，要想保持同相位的電磁場(chǎng)在一個(gè)平

15、面里，則傳導(dǎo)模的平面波前必須以彎曲光纖的曲率中心為中心旋轉(zhuǎn)，故越靠近外側(cè)，其沿光纖軸的縱向速度必須越大，當(dāng)超過某個(gè)臨界曲率時(shí)，相速度就會(huì)大于包層平面波的相速度，傳導(dǎo)模就會(huì)變成輻射模，從而引起光束功率的損耗，這就是宏彎損耗13。宏彎損耗是光纖的曲率半徑比光纖直徑大的多的彎曲（宏彎）引起的附加損耗。相比之下，光纖宏彎傳感器具有使用時(shí)不需要外加變形器、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、易操作、靈敏度高、穩(wěn)定性好等優(yōu)點(diǎn)，因此，應(yīng)用范圍更加廣泛12。6 光纖傳感技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀與軍事應(yīng)用6.1 光纖傳感技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀近年來，隨著研究的深入和技術(shù)的創(chuàng)新，光纖傳感技術(shù)取得了較快的發(fā)展，其中比較突出地體現(xiàn)在以下四個(gè)方面14。（1） 光

16、纖光柵傳感器2，15。光纖光柵傳感器是最近幾年國(guó)內(nèi)外傳感器領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)之一。常見的光纖光柵傳感器通過測(cè)量布喇格波長(zhǎng)的漂移實(shí)現(xiàn)對(duì)被測(cè)量的檢測(cè)。光纖光柵傳感器具有靈敏度高，易構(gòu)成分布式結(jié)構(gòu)，在一根光纖內(nèi)可以實(shí)現(xiàn)多點(diǎn)測(cè)量，可對(duì)大型構(gòu)件進(jìn)行實(shí)時(shí)安全監(jiān)測(cè)，也可以代替其他類型結(jié)構(gòu)的光纖傳感器，用于化學(xué)、壓力、加速度傳感中。光纖光柵傳感器由于其獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)，適用于多種場(chǎng)合測(cè)量。國(guó)內(nèi)外對(duì)其進(jìn)行了大量的研究，主要集中在以下幾個(gè)方面：對(duì)具有高靈敏度、高分辨率，且能同時(shí)感測(cè)應(yīng)變和溫度變化的傳感器研究；開發(fā)低成本、小型化、可靠且靈敏的探測(cè)技術(shù)系統(tǒng)的研究；實(shí)際應(yīng)用研究，包括封裝技術(shù)、溫度補(bǔ)償技術(shù)、傳感網(wǎng)絡(luò)技術(shù)。目前，隨

17、著實(shí)用、廉價(jià)的波長(zhǎng)解調(diào)技術(shù)進(jìn)一步發(fā)展完善，光纖光柵傳感技術(shù)已經(jīng)向成熟階段接近，部分也已經(jīng)商用化。但在性能和功能方面需要提高。（2） 陣列復(fù)用傳感系統(tǒng)16-17。陣列式光纖傳感系統(tǒng)即采用波分復(fù)用、空分復(fù)用、時(shí)分復(fù)用等方式，將單點(diǎn)光纖傳感器陣列化，實(shí)現(xiàn)空間多點(diǎn)的同時(shí)或者分時(shí)傳感，也稱為準(zhǔn)分布式系統(tǒng)。目前應(yīng)用最為廣泛的是光纖光柵陣列傳感和基于干涉結(jié)構(gòu)的陣列光纖傳感系統(tǒng)。陣列化光纖傳感的優(yōu)點(diǎn)是可以實(shí)現(xiàn)大范圍、長(zhǎng)距離多點(diǎn)傳感，是大規(guī)模光纖傳感發(fā)展的一個(gè)重要趨勢(shì)。今后，陣列式光纖傳感系統(tǒng)的研究方向是綜合復(fù)用方式的應(yīng)用，如相干光纖光柵組結(jié)構(gòu)，將光纖光柵高波長(zhǎng)選擇性能、易與光纖耦合、插入損耗低的優(yōu)點(diǎn)與干涉型結(jié)

18、構(gòu)靈敏度高、檢測(cè)速度快的優(yōu)點(diǎn)相結(jié)合，非常適合大規(guī)模組網(wǎng)傳感。而陣列化的發(fā)展方向也對(duì)各個(gè)傳感元的靈敏度、穩(wěn)定性、批量制作可重復(fù)性、解調(diào)的快捷準(zhǔn)確等提出新的要求。（3）分布式光纖傳感系統(tǒng)17-18。分布式光纖傳感系統(tǒng)是根據(jù)沿線光波分布參量，同時(shí)獲取在傳感光纖區(qū)域內(nèi)隨時(shí)間和空間變化的被測(cè)量的分布信息，可以實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)距離、大范圍的連續(xù)、長(zhǎng)期傳感，也是當(dāng)今光纖傳感發(fā)展的一個(gè)重要趨勢(shì)。目前，基于各種散射機(jī)理的分布式傳感系統(tǒng)是光纖傳感領(lǐng)域的一個(gè)研究熱點(diǎn)，包括后向瑞利散射分布式光纖傳感技術(shù)、基于自發(fā)及受激拉曼散射的分布式傳感技術(shù)、基于自發(fā)及受激布里淵散射的分布式光纖傳感技術(shù)、前向傳輸模耦合技術(shù)等。不同技術(shù)具有自身

19、的特點(diǎn)，在具體應(yīng)用中應(yīng)該根據(jù)需要恰當(dāng)選擇。分布式光纖傳感系統(tǒng)在空間上具備測(cè)量的連續(xù)性，避免使用大量分立的傳感元件，降低了傳感部分的系統(tǒng)成本。（4）智能化光纖傳感系統(tǒng)17，19。目前光纖傳感的智能化主要體現(xiàn)在光纖傳感與通信技術(shù)及計(jì)算機(jī)技術(shù)的融合，實(shí)現(xiàn)各種功能的智能化，實(shí)現(xiàn)信號(hào)獲取、存儲(chǔ)、傳輸、處理于一體。智能化光纖傳感系統(tǒng)在許多新型應(yīng)用領(lǐng)域受到廣泛關(guān)注，如智能材料、環(huán)境感知、聲發(fā)射檢測(cè)、石油測(cè)井等?；诠饫w傳感的智能材料可以實(shí)現(xiàn)對(duì)周圍環(huán)境變化的自判斷性、自適應(yīng)性、自診斷性、自修復(fù)性等諸多性能，在汽車工業(yè)、航空航天、醫(yī)療、安防、體育及土木工程等領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用。6.2 光纖傳感技術(shù)的國(guó)防軍事應(yīng)用

20、6.2.1光纖陀螺光纖陀螺20(OFG)是隨著光纖技術(shù)迅速發(fā)展而出現(xiàn)的一種新型光纖旋轉(zhuǎn)傳感器。由于它的相位調(diào)制傳感方式具有極高靈敏度以及精巧和高機(jī)械強(qiáng)度的實(shí)用性,將成為航天、航空、航海等諸多領(lǐng)域中最具有發(fā)展前景的慣性部件。光纖陀螺與傳統(tǒng)的機(jī)械陀螺相比具有以下優(yōu)點(diǎn):(1)沒有運(yùn)動(dòng)部件,不存在磨損,因此壽命長(zhǎng),啟動(dòng)快; (2)構(gòu)造簡(jiǎn)單,可靠性高;(3)耗電小;(4)動(dòng)態(tài)范圍寬等。近幾年出現(xiàn)的光纖陀螺是應(yīng)用Sagnac效應(yīng)做傳感原理,把旋轉(zhuǎn)傳感器的靈敏度提高了幾個(gè)數(shù)量級(jí),展現(xiàn)出極大的開發(fā)潛力。如圖3所示是由N匝光纖線圈構(gòu)成的光纖陀螺簡(jiǎn)單原理結(jié)構(gòu)。激光器發(fā)射的光由分光器(或合光器)分為二束光,分別被耦

21、合到光纖線圈的兩端,并沿相反的方向傳送,最后再由同一分光器(作合光器用)組合在一起送到光電檢測(cè)器。當(dāng)系統(tǒng)不旋轉(zhuǎn)時(shí),二束光將產(chǎn)生相消或相長(zhǎng)的干涉(取決于分光器類型)。當(dāng)光纖線圈以角速度順時(shí)針旋轉(zhuǎn)(或逆時(shí)針旋轉(zhuǎn),其結(jié)論是相同的)時(shí),由二光束到達(dá)檢測(cè)器時(shí)的相差就可確定角速度。 圖3光纖陀螺原理結(jié)構(gòu)圖就原理結(jié)構(gòu)而言,光纖陀螺儀可分為干涉型光纖陀螺儀(IFOG)、環(huán)形諧振腔式光纖陀螺儀(RFOG)和利用光纖諧振腔中產(chǎn)生的受激布里淵散射得到激光振蕩,從其振蕩頻率變換中檢測(cè)出載體旋轉(zhuǎn)的第3代光纖陀螺儀(BFOG)。環(huán)形諧振腔式光纖陀螺儀又分為全光纖型和集成光學(xué)型兩種類型,由于它利用了高精度光纖諧振腔結(jié)構(gòu),其

22、靈敏度與光纖長(zhǎng)度無關(guān),所以用短光纖(5 10m)就能達(dá)到很高的精度,而且能減小由于溫度分布不均勻所導(dǎo)致的輸出偏移,同時(shí)降低成本。干涉型光纖陀螺儀采用低相干(寬頻帶)光源,諧振腔光纖陀螺儀則采用高相干(窄頻帶)光源,所以其穩(wěn)定性優(yōu)于干涉型光纖陀螺儀。第3代光纖陀螺儀是利用光纖環(huán)形諧振腔中產(chǎn)生的受激布里淵散射得到環(huán)形諧振器,以此實(shí)現(xiàn)陀螺功能。當(dāng)光纖環(huán)中傳輸?shù)墓鈴?qiáng)度達(dá)到一定程度就會(huì)產(chǎn)生布里淵散射,散射光的頻率由于受到Sagnac效應(yīng)的影響而隨光纖環(huán)的旋轉(zhuǎn)角速度發(fā)生變化。檢測(cè)順時(shí)針和逆時(shí)針光產(chǎn)生的散射光頻率,并進(jìn)行拍頻處理,就可以得到光纖環(huán)的旋轉(zhuǎn)角速度。由于這種光纖陀螺儀直接給出頻率,所以特別適合捷聯(lián)

23、系統(tǒng),這種方式期待能簡(jiǎn)化光路結(jié)構(gòu),目前正處于研究階段。光纖陀螺是慣性導(dǎo)航系統(tǒng)中應(yīng)用最多,也是決定該系統(tǒng)成本、精度的一個(gè)重要部件。據(jù)美國(guó)軍事專家預(yù)測(cè), 21世紀(jì)初,不僅全部飛機(jī)、艦艇、潛艇以及導(dǎo)彈均將裝備光纖陀螺進(jìn)行導(dǎo)航和制導(dǎo),而且衛(wèi)星、宇宙飛船也將裝備光纖陀螺,進(jìn)行與地形跟蹤、匹配和導(dǎo)向,以及用于火箭“升空”途徑的確定等。光纖制導(dǎo)導(dǎo)彈(FOG- M)的概念提出于1972年,但其發(fā)展是在80年代初期。美國(guó)陸軍的項(xiàng)目主要用于反坦克和反武裝直升飛機(jī)。早期設(shè)計(jì)的射程僅10km。美國(guó)海軍的項(xiàng)目則主要用于空對(duì)空、空對(duì)地及艦對(duì)艦作戰(zhàn)。美國(guó)陸軍在1989 1991年用于FOG- M的開發(fā)經(jīng)費(fèi)都在1億美元左右。

24、進(jìn)行了40次以上的點(diǎn)火試驗(yàn),后因研制費(fèi)用太高而于1991年項(xiàng)目被取消。海灣戰(zhàn)爭(zhēng)中,美軍在用輕武器抗衡重武器或裝甲編隊(duì)時(shí)意識(shí)到,需要一種可以展開又保持攻擊裝甲編隊(duì)所需殺傷力的輕、重應(yīng)急武器,而FOG- M正好能滿足這種極有殺傷力、存活率、高度可展開和靈活的系統(tǒng)的需要。為了給陸軍快速反應(yīng)部隊(duì)提供對(duì)付遠(yuǎn)距離的直升機(jī)和坦克的手段,美國(guó)又恢復(fù)了FOG- M的研制。計(jì)劃于1994年初進(jìn)入演示與驗(yàn)證階段, 1997 1998財(cái)政年度開始低速生產(chǎn)。最近有報(bào)道,美國(guó)陸軍導(dǎo)彈司令部正在對(duì)遠(yuǎn)程光纖制導(dǎo)導(dǎo)彈進(jìn)行技術(shù)演示,該導(dǎo)彈能擊中100km外的運(yùn)動(dòng)目標(biāo)。FOG- M不僅受到美國(guó)軍方的重視,德國(guó)也進(jìn)行了開發(fā)研究,并得

25、到了法國(guó)的合作,意大利也加入其中,三國(guó)共同制定了三邊光纖導(dǎo)彈(TRIFOM)計(jì)劃。其中Polypheme20型用于對(duì)付師級(jí)裝甲車、直升機(jī),可裝在輕型或高機(jī)動(dòng)車輛上,射程為15km;Polypheme60型用于殺傷縱深特定的固定或低機(jī)動(dòng)性的目標(biāo),射程為60km; PolyphemeSM型用于潛艇水下數(shù)百米深處發(fā)射,反直升機(jī)或飛機(jī),射程為10km。在1996年10月于巴黎舉辦的歐洲艦艇博覽會(huì)上,法國(guó)宇航公司導(dǎo)彈部展出了新研制的光纖制導(dǎo)多用途艦載導(dǎo)彈。巴西也在1995年的巴黎航空展覽會(huì)上展出了20km射程的FOG- M。光纖制導(dǎo)魚雷與光纖制導(dǎo)導(dǎo)彈一樣,光纖制導(dǎo)魚雷能大大改善魚雷的攻擊性能。美國(guó)海軍海

26、洋系統(tǒng)中心試驗(yàn)的光纖制導(dǎo)魚雷,制導(dǎo)距離5km,速度18節(jié)(33km/h),進(jìn)一步的試驗(yàn)將達(dá)70節(jié)(130km/h),射程則將擴(kuò)大到100km。其關(guān)鍵是光纜及其放線技術(shù)和先進(jìn)的光纖水聽器,法國(guó)也進(jìn)行了成功的光纖制導(dǎo)魚雷的試驗(yàn),制導(dǎo)距離達(dá)到了20km。6.2.2光纖智能結(jié)構(gòu)智能結(jié)構(gòu)是近幾年在國(guó)際上興起的由多學(xué)科交叉發(fā)展的新興科學(xué)領(lǐng)域。所謂智能結(jié)構(gòu),就是將傳感和驅(qū)動(dòng)元件緊密融合在材料或結(jié)構(gòu)中,同時(shí)也將控制、邏輯、信號(hào)放大及處理等電路集成于結(jié)構(gòu)中,通過外界的激勵(lì)與控制,使其除具有承受載荷的能力外,還具有識(shí)別、分析、處理及控制等多種功能,從而使結(jié)構(gòu)本身能按智能的方式進(jìn)行自診斷、自適應(yīng)、自學(xué)習(xí),并在其受到

27、損傷時(shí)具有自修復(fù)、自增值、自衰減等的能力21。所以,智能結(jié)構(gòu)具有巨大的應(yīng)用前景。在國(guó)防領(lǐng)域,智能結(jié)構(gòu)適應(yīng)了航空航天技術(shù)的需求,不僅可增強(qiáng)結(jié)構(gòu)的功能,優(yōu)化結(jié)構(gòu)形式,減輕重量,提高生存能力,更重要的是它能促使飛行器制造、維護(hù)等觀念的更新。傳感器是關(guān)系到結(jié)構(gòu)功能好壞的關(guān)鍵之一,而光纖傳感器由于具有尺寸小、重量輕、可撓曲、耐腐蝕、電絕緣、不受電磁干擾、集傳輸和傳感于一體等特點(diǎn),被認(rèn)為是智能結(jié)構(gòu)中最受青睞的傳感器22,所以說光纖傳感器對(duì)于智能結(jié)構(gòu)的實(shí)現(xiàn)意義重大。9 0年代初23,美國(guó)軍方看到了智能結(jié)構(gòu)的價(jià)值,提出了一些計(jì)劃項(xiàng)目以開發(fā)智能材料和智能結(jié)構(gòu),并證明系統(tǒng)的可行性。主要目標(biāo)集中于航空航天結(jié)構(gòu)上,但

28、美國(guó)陸?？杖?、國(guó)防高級(jí)研究計(jì)劃局和NASA都提出了一些目的用于飛機(jī)、直升飛機(jī)和潛艇的項(xiàng)目。應(yīng)用的目標(biāo)包括空氣動(dòng)力學(xué)和流體力學(xué)的流量控制、振動(dòng)和噪聲抑制、升力表面的最優(yōu)化及飛行表面的控制等。例如,智能機(jī)翼(SmartWing)計(jì)劃的目標(biāo)是用于控制機(jī)翼的扭轉(zhuǎn)和曲面。其中就使用了光纖壓力計(jì)、光纖應(yīng)變儀和壓電致動(dòng)器。結(jié)構(gòu)完好性的監(jiān)測(cè)是近期最可能實(shí)施的領(lǐng)域,因?yàn)椴捎霉饫w傳感器已證明比聲發(fā)射傳感器更靈敏,能夠檢測(cè)翼梁中用常規(guī)應(yīng)變規(guī)不能檢測(cè)出來的小量扭矩。這種技術(shù)用于F/A- 18飛機(jī)艙壁的全面疲勞試驗(yàn)可提高安全性和減少維護(hù)量,僅F- 18機(jī)群預(yù)計(jì)就可節(jié)省3500萬(wàn)美元。光纖智能結(jié)構(gòu)也激發(fā)了海軍的好奇心。

29、美國(guó)海軍研究實(shí)驗(yàn)室正在進(jìn)行監(jiān)測(cè)救生筏復(fù)合物外殼的研究,其中埋置了大約100個(gè)布拉格光柵傳感器,以檢測(cè)應(yīng)變,然后找出此信息與外殼損傷的相互關(guān)系。NASA打算選擇光纖傳感器用于X- 33,要重新使用空間飛船以減輕飛船的重量,并用埋置光纖布拉格光柵傳感器的光纖智能結(jié)構(gòu)技術(shù)來監(jiān)測(cè)其內(nèi)部氫燃料罐的“健康”。該系統(tǒng)采用16根有源光纖,每根光纖帶20到25個(gè)單點(diǎn)布拉格光柵傳感器。而采用非本征法布里-珀羅傳感器則最多只能安排4個(gè)。美國(guó)已將基于光纖傳感器的智能結(jié)構(gòu)技術(shù)在F- 18, F- 22, JSF等戰(zhàn)斗機(jī)、X- 33航天飛機(jī)、DALTAII火箭上進(jìn)行了初步應(yīng)用研究。歐洲在聯(lián)合研制的Eurofight200

30、0新型戰(zhàn)斗機(jī)上亦采用了基于光纖傳感器的結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)技術(shù)24。光纖智能結(jié)構(gòu)/蒙皮是指在飛行器的結(jié)構(gòu)部件/外殼內(nèi)埋置(或安裝)有光纖傳感網(wǎng)絡(luò),該網(wǎng)絡(luò)與計(jì)算機(jī)相連,可對(duì)飛行器各處應(yīng)力、溫度等諸多參量進(jìn)行實(shí)時(shí)檢測(cè),若再將計(jì)算機(jī)與執(zhí)行系統(tǒng)相連,則可動(dòng)態(tài)調(diào)整飛行器的結(jié)構(gòu),以獲得最佳的飛行性能。自1985年美國(guó)空軍提出“智能蒙皮”這項(xiàng)具有創(chuàng)新意識(shí)的新技術(shù)構(gòu)想之后,美國(guó)空軍、海軍、宇航中心、波音公司以及美國(guó)各高等院校及相關(guān)研究機(jī)構(gòu)都投入大量人力和物力進(jìn)行可行性預(yù)研。該項(xiàng)目的提出也引起了國(guó)際學(xué)術(shù)界的高度重視,英國(guó)、法國(guó)、加拿大、意大利等國(guó)也對(duì)該項(xiàng)目進(jìn)行了大量的研究。并已造出第一架具有損傷評(píng)估系統(tǒng)的飛機(jī)(DASH

31、- 8),美國(guó)的X- 30航天智能結(jié)構(gòu)飛機(jī)也可望于不久的將來試飛。據(jù)美國(guó)航空周刊網(wǎng)站報(bào)道,傳感器經(jīng)營(yíng)公司與西門子集團(tuán)下屬的一個(gè)主要防御公司合作開發(fā)靈巧蒙皮,并準(zhǔn)備在今后2 3年內(nèi)進(jìn)行首次飛行試驗(yàn)。靈巧蒙皮將形成一層輕重量、低能量的敏捷天線,使飛機(jī)的整個(gè)蒙皮成為一個(gè)通信和雷達(dá)系統(tǒng),并可從各個(gè)方向接收電子信號(hào)。該公司與英國(guó)航宇系統(tǒng)公司具有緊密的合作關(guān)系,正在為歐洲戰(zhàn)斗機(jī)的樣機(jī)進(jìn)行靈巧蒙皮的研制工作。該蒙皮有3個(gè)作用:充當(dāng)雷達(dá)、輔助通信以及作為主動(dòng)隱身系統(tǒng)。公司已經(jīng)在移動(dòng)電話和衛(wèi)星通信技術(shù)上開發(fā)了必要的技術(shù),目前的困難是如何使用驅(qū)動(dòng)此技術(shù)所必需的波導(dǎo)算法把這些技術(shù)集成到一起。系統(tǒng)試驗(yàn)擬在一個(gè)吊艙構(gòu)件

32、上進(jìn)行,因?yàn)樵谡麄€(gè)機(jī)身表面進(jìn)行試驗(yàn)的費(fèi)用相當(dāng)昂貴。6.2.3光纖水聽器光纖水聽器是利用光纖的傳光特性以及它與周圍環(huán)境相互作用產(chǎn)生的種種調(diào)制效應(yīng),在海洋中偵聽聲場(chǎng)信號(hào)的儀器25。它與傳統(tǒng)的壓電水聽器相比,具有極高的靈敏度(高出3個(gè)數(shù)量級(jí))、足夠大的動(dòng)態(tài)范圍、本質(zhì)的抗電磁干擾能力、無阻抗匹配要求、系統(tǒng)“濕端”質(zhì)量輕和結(jié)構(gòu)的任意性等優(yōu)勢(shì),因此足以應(yīng)付來自潛艇靜噪技術(shù)不斷提高的挑戰(zhàn),適應(yīng)了各發(fā)達(dá)國(guó)家反潛戰(zhàn)略的要求,被視為國(guó)防技術(shù)重點(diǎn)開發(fā)項(xiàng)目之一。光纖水聽器所探測(cè)的信號(hào)源為水下目標(biāo)發(fā)出或反射的聲波。水聲波牽動(dòng)水粒子位移引起的水密度變化產(chǎn)生水聲波壓變化。水聲波壓對(duì)光纖水聽器產(chǎn)生調(diào)制,形成水聽器的探測(cè)信號(hào)。

33、光纖水聽器所采用的調(diào)制類型主要有光強(qiáng)調(diào)制、偏振調(diào)制和相位調(diào)制。由于相位調(diào)制具有靈敏度高、易于實(shí)現(xiàn)全光纖化等一系列優(yōu)點(diǎn),基于相位調(diào)制的干涉型水聽器成為當(dāng)前光纖水聽器研究開發(fā)的主導(dǎo)型。近年來隨著光纖光柵技術(shù)的迅速發(fā)展,光纖光柵水聽器及光纖光柵水聽器的研究也取得進(jìn)展,如光纖布喇隔光柵激光水聽器等。光強(qiáng)調(diào)制型光纖水聽器研究開發(fā)比較早,主要有微彎光纖水聽器、多模耦合波導(dǎo)光纖水聽器、受抑內(nèi)反射(FTIR)光纖水聽器、光柵光纖水聽器等。其中微彎光纖水聽器的檢測(cè)閾值已達(dá)到60dB(相對(duì)于1Pa)。相位調(diào)制型光纖水聽器屬于功能型調(diào)制,其基本原理是將傳感光纖置于待測(cè)水體中,當(dāng)受到水聲波擾動(dòng)時(shí),傳感光纖受水聲壓作用

34、導(dǎo)致光纖長(zhǎng)度、直徑和折射率發(fā)生變化而產(chǎn)生光波相位變化,測(cè)量傳感光纖中光波相位的變化即可知相應(yīng)的水聲壓。因?yàn)楣饫w干涉儀是光纖水聽器中測(cè)量相位差的必需手段,通常將相位調(diào)制型光纖水聽器稱為干涉型光纖水聽器,相位調(diào)制型光纖水聽器的解調(diào)結(jié)構(gòu)也主要是指采用的光纖干涉儀的結(jié)構(gòu)形式。干涉型光纖水聽器是目前國(guó)內(nèi)外研究最多,技術(shù)較為成熟的光纖水聽器?，F(xiàn)代光纖水聽器,一般都是指這種類型的水聽器。其最大優(yōu)點(diǎn)是靈敏度高,通常比傳統(tǒng)壓電水聽器高3個(gè)量級(jí)以上;而且抗電磁干擾,容易實(shí)現(xiàn)全光纖化,適合組成拖曳陣列。光纖水聽器技術(shù)的研究在80年代初就引起各國(guó)的高度重視,其在軍事上的主要應(yīng)用為:全光纖水聽器拖曳陣列;全光纖海底聲監(jiān)

35、視系統(tǒng)(Ariaden計(jì)劃);全光纖輕型潛艇和水面艦船共形水聽器陣列;超低頻光纖梯度水聽器;海洋環(huán)境噪聲及安靜型潛艇噪聲測(cè)量。美國(guó)對(duì)這項(xiàng)技術(shù)的研究尤為重視,到1992財(cái)政年度已投入超過1億美元的研究和開發(fā)經(jīng)費(fèi)。美國(guó)海軍研究實(shí)驗(yàn)室(NRL)、海軍水下裝備中心(NUWC)、Gould公司海事系統(tǒng)分公司、Litton制導(dǎo)和控制公司聯(lián)合開發(fā)了全光纖水聽器拖曳陣列(AOTA)、潛艇和水面艦船共形水聽器陣列(LW-PA)等各種不同反潛應(yīng)用類型的海試系統(tǒng),經(jīng)過大量海上試驗(yàn),已達(dá)可以部署的狀態(tài)。目前他們正在開發(fā)大規(guī)模(幾百個(gè)單元)的全光纖水聽器陣列系統(tǒng)及其相關(guān)技術(shù)。近10年來,美國(guó)已對(duì)全光纖水聽器及其陣列的各

36、種應(yīng)用場(chǎng)合都進(jìn)行了試驗(yàn),試驗(yàn)結(jié)果很成功。英國(guó)對(duì)水聽器的研究主要由Plessey國(guó)防研究分公司、海軍系統(tǒng)分公司和馬可尼水下系統(tǒng)有限公司承擔(dān),開發(fā)了全光纖水聽器拖曳陣列、海底聲監(jiān)視系統(tǒng)等各種不同反潛應(yīng)用的海試系統(tǒng),也進(jìn)行了一系列海上試驗(yàn)。6.2.4軍用機(jī)器人軍用機(jī)器人26是泛指用于軍事目的的機(jī)器人系統(tǒng),如用于排雷機(jī)器人及陸上掃雷坦克,用于接觸爆炸物品和處理報(bào)廢化學(xué)武器的防爆機(jī)器人及防化機(jī)器人,用于戰(zhàn)場(chǎng)自動(dòng)化補(bǔ)給彈藥及軍工生產(chǎn)中采用的軍用機(jī)器人等。由于光纖具有的獨(dú)特優(yōu)點(diǎn),光纖技術(shù)其中包括光纖傳感技術(shù)開始越來越多地在軍用機(jī)器人中得到應(yīng)用。目前開始研制或已經(jīng)研制的軍用機(jī)器人光纖傳感器,主要有機(jī)器人觸覺傳

37、感器和接近覺傳感器。觸覺是機(jī)器人知覺系統(tǒng)的一個(gè)重要組成部分,隨著光纖傳感技術(shù)的發(fā)展,國(guó)內(nèi)外已經(jīng)開發(fā)出一些實(shí)用的光纖機(jī)器人觸覺傳感器或與其它類型傳感方法聯(lián)合使用的組合式機(jī)器人觸覺傳感器。光纖傳感器有功能型和非功能型之分:功能型光纖機(jī)器人觸覺傳感器,如利用光纖微彎損耗機(jī)理研制的機(jī)器人觸須式光纖觸覺傳感器。非功能型光纖觸覺傳感器如用于敏感機(jī)器人手抓觸覺,主要有兩種類型:一種是位移式(反射式)光強(qiáng)調(diào)制型機(jī)器人觸覺傳感器,另一種是受抑全內(nèi)反射式光調(diào)制型光纖機(jī)器人觸覺傳感器。機(jī)器人在使用中幾乎都要求手爪開環(huán)運(yùn)行機(jī)械系統(tǒng)能高精度定位,這就要求手爪對(duì)接近被抓物體的距離進(jìn)行感知,即所謂接近覺。特別是對(duì)于防爆機(jī)器

38、人,所抓物體一般是易燃、易碎物,需要盡量減小抓握時(shí)的沖擊力,以便緩慢、對(duì)稱的定位,因而在手爪上需要配置感知接近被抓物體距離的接近覺傳感器。光纖接近覺傳感器由于光纖具有的特殊優(yōu)點(diǎn),如體積小、重量輕、可以任意彎曲、抗電磁干擾等,不失為一種合適的選擇。如圖4所示是一種漫反射式防爆機(jī)器人光纖接近覺傳感器系統(tǒng)。根據(jù)所掌握的資料及信息,當(dāng)前國(guó)內(nèi)外光纖接近覺傳感技術(shù)的發(fā)展27將以強(qiáng)度調(diào)制光纖傳感機(jī)理為主,同時(shí)具有傳感功能集成(位姿型)化、測(cè)量范圍的擴(kuò)大化、動(dòng)態(tài)性能和魯棒性能的增強(qiáng)化以及傳感信息融合化的特點(diǎn)。 圖4防爆機(jī)器人光纖接近覺傳感器系統(tǒng)示意圖7結(jié)論 光纖傳感技術(shù)由于其諸多優(yōu)點(diǎn)，被投入越來越多的研究。雖

39、然沒有像光纖通信技術(shù)那樣非常成功地商業(yè)化，但已經(jīng)取得了長(zhǎng)足的進(jìn)步，主要體現(xiàn)在：進(jìn)入了實(shí)用化階段；新的傳感原理不斷出現(xiàn)。但是發(fā)展現(xiàn)狀仍然不能滿足實(shí)際需要，還有許多待研究的課題：（1）實(shí)用化研究，尤其是性價(jià)比；（2）應(yīng)用研究；（3）多用途，即對(duì)多種物理量進(jìn)行同時(shí)測(cè)量；（4）提高分布式傳感器的空間分辨率、靈敏度，降低成本，設(shè)計(jì)復(fù)雜的傳感器網(wǎng)絡(luò)工程；（5）新型傳感傳感技術(shù)的研究；（6）在惡劣環(huán)境下低成本傳感器的開發(fā)和應(yīng)用；因此，光纖傳感器可能發(fā)展趨勢(shì)有：（1）以傳統(tǒng)傳感器無法解決的問題作為光纖傳感器的主要研究對(duì)象；（2）集成化光纖傳感器；（3）多功能全光纖控制系統(tǒng)；（4）開辟新領(lǐng)域。而國(guó)防軍用光纖傳感

40、技術(shù)經(jīng)過多年的研究開發(fā)已取得了豐碩的成果,經(jīng)過了海灣戰(zhàn)爭(zhēng)的考驗(yàn),現(xiàn)在已進(jìn)入實(shí)用階段,并逐步裝備部隊(duì)?？梢灶A(yù)見, 21世紀(jì)光纖傳感技術(shù)的軍事應(yīng)用將對(duì)部隊(duì)的建設(shè)、武器裝備的改善起到舉足輕重的作用,成為軍隊(duì)現(xiàn)代化的標(biāo)志之一。光纖傳感技術(shù)的軍事應(yīng)用引起了各國(guó)軍方的重視,光纖制導(dǎo)導(dǎo)彈、光纖遙控武器、光纖陀螺、光纖水聽器等發(fā)展較早的技術(shù)將能逐步裝備部隊(duì)。光控相控陣?yán)走_(dá)、光控飛行、光纖智能結(jié)構(gòu)和蒙皮、光纖光柵技術(shù)等新技術(shù)尚在研究階段,需要投入更多的人力、物力與財(cái)力才能真正在軍事裝備上得到應(yīng)用。參考文獻(xiàn):1 張森，王臻，劉孟華，等.光纖傳感技術(shù)的發(fā)展及應(yīng)用J.光纖與電纜及其應(yīng)用技術(shù)，2007（3）:6-8.2 侯俊芳，裴麗，李卓軒，等.光纖傳感