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光纤传感技术及其军事应用

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光纤传感技术及其军事应用
林之华 1, 李朝锋 1, 刘甲春 2
(1. 中国电子科技集团公司第三十四研究所,广西 桂林 541004 ; 2. 61416 部队) 摘要 : 着重介绍光纤传感技术和光纤传感网络系统技术的研制发展, 并叙述了光纤传感技术在军事上的

重要应用状况, 最后简述了光纤传感技术的发展趋势。 关键词:光纤传感技术; 光纤; 光纤陀螺;
中图分类号:TP 212.14 文献标识码:A 文章编号:1002-5561(2011)07-0004-03

optical fiber sensing technology and its application in militarily
LIN Zhi-hua,LI Chao-feng,LIU Jia-chun (1.China Electronics Technology Group Corporation No.34 Research Institute,Guilin Guangxi 541004,China; 2. Unit 61416)
Abstract:This article introduced emphatically the optical fiber sensing technology and the optical fiber sensing network system technology development, and narrated important application of the optical fiber sensing technology in militarily.Finally briefed the optical fiber sensing technology trend of development. Key words: optical fiber sensing technology; optical fiber ;fiber optic gyro

0 引言
光纤传感技术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。 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
[1]

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 )。

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。

1.2 光纤传感器件
在光纤传感网络系统中,经常需要控制光波的偏 振态、光波的波长、频率、相位以及光波的强度等 。 为 此在使用中必须选择合适的光纤器件,因为它是保障 传感系统整体性能的关键。

1 光纤传感技术研发进展
1.1 光纤传感技术 [2-4]
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, 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
收稿日期:2011-01-13 。 作者简介 : 林之华 (1969-), 男 , 工程师 , 主要从事光通信研究工作。

1.3 光纤传感器技术 [2,5] 1.3.1 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 * 理 论 极 限 的 光纤陀螺仪。 目 前 ,对 光 纤 陀 螺 仪 研 究 了 三 种 不 同 技 术 ,即 小



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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。 这三种技术各有其优缺点。 从目前 来看,只有分立光学元件光纤陀螺仪和全光陀螺仪已 实用化,集成化全光纤陀螺仪仍处于研究阶段。

1.4.2 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。

1.3.2 光纤水声传感器 [2,5]
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。

1.4.3 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

1.3.3 分布式光纤传感器

[5]

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 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。

1.3.4 智能复合材料中的光纤传感器

[6]

PGC 的时分复用技术可以组成大规模阵列,但其噪声
特性不够理想。 最*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。

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。

1.4.4 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 C3I (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
[2,3,5]

1.3.5 光纤光栅传感器

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。

在研究早期,光纤布喇格(Bragg )光栅被认为是理 想的传 感元件,适 合 于 检 测 静 态 和 动 态 参 量 ,其 检 测 信息为波长编码的绝对测量,可使传感自校准。 经实 验证明,采 用光 纤 光 栅 传 感 器 构 成 的 传 感 系 统 ,不 但 具有抗干扰能力强, 而且具有很高的可靠性和稳定 , 因此,它在军事上有很大的应用潜力。

1.4 光纤传感网络系统技术 [2,5] *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 *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 * 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* 台上的局部传感器进行信息融合。 舰艇和攻击潜艇采
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1.4.1 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。



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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。

2.4 智能复合材料中的应用 [2,8]
为了满足信息化战争的要求,各种大型武器装备 逐步采用智能复合材料来制造。 因为在智能复合材料 中植入智能结构, 其中包含各种传感器的探测元件、 微处理控制器和驱动元件等,称之为智能蒙皮。 采用 智能蒙皮制造的各种武器装备,具有能获取来自敌方 的各种信息的功能,它将起到监视、预警、隐身和通信 等重要作用。

2 光纤传感技术在军事上的运用
2.1 航空和航天领域的应用
[7]

光纤传感器在航空和航天领域中的应用种类逐 渐增多,范围逐渐扩大,效果越来越显著。 美国已将光 线陀螺仪是 用于 民 航 机 ,日 本 已 用 于 无 人 机 ,法 国 已 用于 PIVAIR 潜望镜,英国已用于 CMOLO 光电桅杆。 对于战术导弹,也采用了光线陀螺仪来构成惯性 测量组件, 主要用于测量导弹运动过程中的俯仰角、 偏航角和横滚角,以引导导弹准确命中目标。 目前,世 界各 国 军 方 普 遍 认 识 到 制 导 化 是 实 施 精 确 打 击 的 重 要技 术 措 施 。 美 国 首 先 采 用 光 线 陀 螺 仪 精 确 制 导 炸 弹,在伊拉克等战场上已取得了较好的效果。 在航空武器中,光线陀螺仪还应用于雷达无人控 制直升机的姿态控制。 稳定机载摄像机、稳定机载雷 达无线和机载合成孔径雷达的运动补偿等。 在航空和航天领域中,美国国家航空和宇宙航行局在

3 光纤传感技术发展趋势
于 1997 年, 国家自然科学基金委员会政策局在 光子学与光子技术发展战略报告中指出
[3]

:21 世纪的

光子 产业上,光纤 传 感 将 与 光 纤 通 信 * 分 市 场 ,并 有 可能逐步超过后者。 我国对光纤传感技术的发展之所 以如此高度重视,其原因一是看清楚了发展我国光纤 传感技术的重要性和紧迫性,二是广阔的市场和社会 需求也是强劲的推动力。 在这样的大好形势下 ,光纤 传感技术将会出现产品商品化、 集成化和全光纤化、 网络化和研发特种光纤的发展趋势 [5,9]

X-33 型航天飞机上,安装了光纤光栅传感器,以对航
天飞机进行实时健康检测。

4 结束语
通过以上叙述,我们可以看到光纤传感技术的发 展现状和发展前景。 而我国目前光纤传感器的产业水 *和 大 规 模 推 广 应 用 方 面 还 远 远 不 能 满 足 民 用 和 军 用的需求,所以我国在“十五”计划中已经将传感器列 为重点发展的产业之一。 我国光纤传感器的市场需求 和发展潜力 是巨 大 的 ,预 计 在 不 久 的 将 来 ,该 技 术 领 域将会呈现出前所未有的灿烂和辉煌。 参考文献:
[1] 靳伟 , 阮双琛 . 光纤传感技术新进展 [M]. 北京:科学出版社 ,2005. [2] 赵勇 . 光纤传感原理与应用技术 [M]. 北京 : 清华大学出社 ,2007. [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] 苑力波 . 光纤实验技术 [M]. 哈尔滨 : 哈尔滨工程大学出版社 ,2005. [5] 廖 延 彪 , 黎 敏 , 张 敏 , 等 . 光 纤 传 感 技 术 与 应 用 [M]. 北 京 : 清 华 大 学 出 版
社 ,2009.

2.2 海防领域的应用

[5]

目前能广泛应用于海防领域的光纤传感器是研 发最早、发展 最 快 的 光 纤 水 声 传 感 器 ,它 是 一 种 新 型 声呐器件,由于它具有高灵敏度、宽频带范围等特点, 已成为海防领域中不可缺少的传感器。 由光纤传感器 构成的海防传感网络系统,是目前正在开发的新型防 卫系统,该系统已开始用于海上边防和重要军事地区 的海防警戒。 美国早在 1980 年就进行了光纤水声传感器的应 用试验。 1991 年底,美国 Litton 公司将研制的光纤水 声传 感 器 阵 列 装 备 在 海 浪 级 潜 艇 上 的 反 潜 艇 战 斗 系 统。 由此可见,美国正在加快水听器及其阵列的军事 应用步伐。

2.3 国家安全防卫中的应用 [6]
在现代反恐斗争中,高新技术的应用彻底改变了 传统的安全防卫的许多概念,并导致了安全防卫系统 的重大变革。 *几年来,发展起来的基于光纤传感技 术的 光 纤 网 络 安 全 警 戒 系 统 也 开 始 在 边 防 及 重 点 区 域防卫中得到推广应用。 目前,世界上发达国家使用 的安 全 防 卫 系 统 就 是 基 于 分 布 式 光 纤 传 感 网 络 系 统 的安 全防卫技术 ,该 技 术 利 用 了 激 光 、光 纤 传 感 和 光 通信等高新技术构成警戒网络和安全报警系统。

[6] 李鹏 , 郭 裕 强 , 余 峰 , 等 . 光 纤 传 感 器 在 智 能 复 合 材 料 中 的 应 用 [J]. 玻 璃
钢复合材料 ,2005 ,(3):49-52.

[7] 周世勤 . 光纤陀螺仪在航天 , 航海和航空上的应用 [J]. 飞弹导航 ,1997,8: 42-50. [8] 坑 俊 健 , 贾 丽 萍 , 朱 月 红 , 等 . 光 电 子 技 术 应 用 [M]. 天 津 : 天 津 大 学 出 版
社 ,2007.

[9] LEE B.Review of the Present Status of Optical Fiber Sensors[J].Optical Fiber Technology ,2003, 9:57-79.



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