應(yīng)用于海洋環(huán)境和海洋工程的光纖傳感技術(shù)

劉甲林+顏士民+劉俊生

摘 要：隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，海洋污染問題越來越嚴(yán)重，各國越來越重視對海洋環(huán)境的保護(hù)。利用光纖傳感技術(shù)，能夠提高對海洋的監(jiān)測能力，對海洋的風(fēng)險進(jìn)行預(yù)測，對海洋環(huán)境污染進(jìn)行治理，有利于海洋資源的開發(fā)，能夠促進(jìn)我國的經(jīng)濟(jì)發(fā)展。本文針對應(yīng)用于海洋環(huán)境與海洋工程的光纖傳感技術(shù)進(jìn)行研究，論述了光纖水聽器在海洋工程中的應(yīng)用，以及水位傳感技術(shù)與光纖振動在海底地震海嘯監(jiān)測中的應(yīng)用。

關(guān)鍵詞：海洋環(huán)境；海洋工程；光纖傳感技術(shù)；原理

一、光纖水聽器在海洋工程中的應(yīng)用

核潛艇技術(shù)與潛射導(dǎo)彈技術(shù)在不斷進(jìn)步，使用產(chǎn)生的噪音也越來越低，壓電聲納的靈敏度已經(jīng)鄰近極限，探潛能力具有一定的局限性。以美國為主的西方國家，對光纖水聽器進(jìn)行了精細(xì)的研究，并且取得了一定的成果，對于我國的海洋工程具有借鑒意義[1]。國內(nèi)投資大量資金，成立專門的研究小組進(jìn)行研究，目前還處于初級階段。光纖光柵傳感器不僅具有普通傳感器的功能，還能夠根據(jù)光波波長的調(diào)制機理，不被光源強度的強弱影響。采用特定的技術(shù)，可以在一根光纖上串接多個光纖光柵，從而去對陳列式的水聽聲納傳感進(jìn)行檢測。

（一）光纖光柵水聽器的傳感原理。光纖布拉格光柵水聽聲納，采用的是FBG傳感特性設(shè)計，其屬于水中聲波傳感器。其傳感原理是，在特殊的聲壓敏感器上面安裝FBG，聲壓敏感器會收集水中的聲波作用于FBG，導(dǎo)致其發(fā)生應(yīng)變，F(xiàn)BG的周期會被改變中心波長會發(fā)生偏移。光纖光柵調(diào)節(jié)系統(tǒng)能夠精準(zhǔn)的測算出波長的變化量，從而去確定水聲信號的變化量。光源會發(fā)出帶寬比較寬的光波，進(jìn)入到光纖光柵內(nèi)，其會將特定波長的光波進(jìn)行反射，主要是由于其具有波長選擇性，只要檢測反射光的波長偏移量即可完成傳感過程。

（二）光纖光柵水聽器系統(tǒng)介紹。如下圖1所示，是非平衡M-Z干涉解調(diào)光纖光柵水聽器的基本構(gòu)造圖。其主要是采用非平衡的M-Z干涉結(jié)構(gòu)，使得傳感光柵中的中心波長變化量轉(zhuǎn)換成為相位的變化值，再進(jìn)行調(diào)解干涉輸出的光波相位信號，從而去得到波長的變化，提升系統(tǒng)探測的靈敏度。圖1中光源發(fā)出的寬帶光，通過環(huán)行器進(jìn)入到傳感光柵，再通過光柵反射的窄帶光波進(jìn)入到非平衡干涉結(jié)構(gòu)，在3X3光纖耦合器形成干涉。

（三）光纖光柵水聽器技術(shù)總結(jié)。為使得光纖光柵水聽器具有機械與光學(xué)的穩(wěn)定性，需要對光纖光柵進(jìn)行環(huán)境試驗。試驗的過程是，將其放在溫度為90攝氏度，相對濕度為90%的恒溫恒濕溫度箱中2000h；并在-40～85℃的溫度中循環(huán)2000次，看其光學(xué)性能的變化。若是其光學(xué)性能無明顯變化，則證明光纖光柵水聽器具有機械與光學(xué)的穩(wěn)定性。判斷光纖光柵的使用壽命，可以采用加速老化的辦法，根據(jù)可以預(yù)測光纖光柵反射以及透射率隨時間環(huán)境因素的變化關(guān)系去進(jìn)行判斷。光纖光柵水聽器使用的海底環(huán)境相對復(fù)雜，需要采用適合環(huán)境的封裝材料與光纖光柵粘結(jié)材料。利用多參量同時測量的方式，能夠消除光纖光柵對溫度、應(yīng)力等的交叉敏感性?？梢圆捎肧LED光源去擴大光纖光柵水聽器的探測范圍，擴大光源的輸出功率，提高檢測信號的強度。光纖光柵水聽器的敏感度，主要是敏感材料的性能來決定，同時也受波長調(diào)節(jié)系統(tǒng)的靈敏度影響。

二、水位傳感技術(shù)與光纖振動

水位傳感技術(shù)與光纖振動，主要是應(yīng)用于海底地震海嘯監(jiān)測。海底地震監(jiān)測，屬于超低頻、大移位的振動測量，并且測量區(qū)域較為復(fù)雜，需要長期的進(jìn)行監(jiān)測，過程難度較大，構(gòu)建海底網(wǎng)絡(luò)監(jiān)測的成本巨大，維護(hù)需要耗費的成本較高。但若是海底地震海嘯監(jiān)測系統(tǒng)一旦建成，會給人類帶來不可估量的利益。光學(xué)式地震計與光學(xué)式水位計利用的是光纖作為傳播介質(zhì)，用其建造的海底地震海嘯監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)，比其它的地震波檢測儀器功能更加強大。

（一）光纖干涉原理。利用光纖干涉原理建成的傳感器，是目前我國最為先進(jìn)的測量技術(shù)之一，其具有超高的準(zhǔn)確性，能夠?qū)５讖?fù)雜的環(huán)境與海底地震進(jìn)行全面的監(jiān)測。全光纖觀測網(wǎng)絡(luò)的構(gòu)成，能夠滿足海底監(jiān)測的需求，普遍在國際上應(yīng)用，并且在不斷研發(fā)中。光纖干涉式檢波器，主要是利用彈性膜片與彈性順變柱。海底環(huán)境的振動變化，或者是壓力會導(dǎo)致膜片與順變柱變形，使得膜片與順變柱耦合的光纖折射率與長度發(fā)生改變，從而引起干涉光強度的改變。

（二）光纖干涉檢波系統(tǒng)。光纖干涉檢波系統(tǒng)的工作原理是：光源發(fā)出具有強制信號的連續(xù)光，通過長距離的傳輸作用于海底傳感單元內(nèi)部2X2耦合器；再分成兩道光束進(jìn)入到光纖干涉臂。若是檢波器對于外界的地震信號進(jìn)行響應(yīng)，干涉臂的反饋信號中則會含有振動信息的振動信號；此信號再通過長距離的傳輸，返回到主機內(nèi)部的光電探測器，經(jīng)過放大之后，生成電信號由于調(diào)制信號，再傳遞給數(shù)據(jù)收集卡，從而轉(zhuǎn)化為數(shù)字信息；經(jīng)過分析解調(diào)之后得到最終的振頻，以及相關(guān)的原始數(shù)據(jù)。

三、結(jié)論

綜上所述，光纖水聽器在海洋工程中的應(yīng)用，主要包括光纖光柵水聽器的傳感原理，光纖光柵水聽器系統(tǒng)介紹，以及光纖光柵水聽器技術(shù)總結(jié)。水位傳感技術(shù)與光纖振動，通過光纖干涉原理建成的傳感器，能夠?qū)崿F(xiàn)對海底地震海嘯的監(jiān)測。

參考文獻(xiàn)：

[1]崔洪亮，于淼，常天英，等.應(yīng)用于海洋環(huán)境和海洋工程的光纖傳感技術(shù)[J].吉林大學(xué)學(xué)報（地球科學(xué)版），2017，01：279-293.