相位调制型光纤传感器.ppt

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1、第一节,相位调制型光纤传感器,第五章,第一节,5.1 引言,优点：以波长为度量单位，灵敏度高、分辨力高,传统相位调制干涉仪,目前的光电探测器不能直接探测光的相位变化，必须采用干涉测量技术，使相位变化转换为强度变化，才能实现对外界物理量的检测。,缺点：以自由空间作为相干光路的一般干涉仪，体积大，且易受空气扰动、温度、地面振动等环境因素的影响，使干涉测量不稳定，精度下降，同时调整困难，限制在一般场合的实用性。,相位调制型光纤传感器,利用外界因素引起光纤中光波相位变化来探测外界物理量及其变化量的光纤传感器。,定义：,通过被测能量场的作用，使光纤内传播的光波相位发生变化，再用干涉测量技术把相位变化转换

2、为光强变化，从而检测出待测的物理量。,传感原理：,优点,相位调制光纤传感器,灵敏度高。可用加长光纤的方法提高系统灵敏度，可获得比普通光学干涉仪更高的灵敏度。使用方便。封闭式光路，不受外界干扰，减少了干涉仪的长臂安装和校准的固有困难，可使干涉仪小型化。灵活多样。光纤本身是传感器的敏感部分，其探头的形状可按使用要求设计成不同形状。对象广泛。不论何种物理量，只要对干涉仪中的光程产生影响，就可用于传感。,缺点,需相干光源，单模光纤以及高精度光电检测系统,第一节,5.2 一般调制原理及方式,5.2 一般调制原理及方式,相位调制光纤传感器要求有相应的干涉仪来完成相位检测过程,相位调制干涉型光纤传感器的必要

3、组成,敏感光纤,干涉仪,5.2 一般调制原理及方式,相位调制干涉型光纤传感器基本结构,被测场,5.2 一般调制原理及方式,若设参考光和传感光的光矢量值分别为,当两光束满足相干条件时，合成光矢量为,其中，,若分束器采用3dB耦合器（即半反半透透镜），有 I1=I2，则,因为光电探测器探测的是光强，从而可得,5.2 一般调制原理及方式,即,其中，相位差,通过测 I 就可以测得相位差,。,第一节,5.3 光纤相位调制机理,5.3 光纤相位调制机理,敏感光纤作为相位调制元件,决定相位变化的参数：,影响相位变化的基础物理效应：应力应变、温度,萨格纳克(Sagnac)效应,光纤的物理长度、折射率及分布、波

4、导横向几何尺寸,k0nL（k0为光在真空中波数，n为传播路径上的折射率，L为传播路径上的长度）,光波通过长度为L的光纤，出射光波的相位延迟为,为光波在光纤中的传播常数，是光波在光纤中的传播波长，是光波在真空中的传播常数，a为纤芯半径。,光波在外界因素的作用下，相位的变化为,应变效应或热胀效应,光弹效应或热光效应,泊松效应（灵敏度小，一般不用）,5.3 光纤相位调制机理,第一节,5.4 光纤干涉仪,5.3 光纤干涉仪,典型干涉测量仪与光纤干涉传感器：,常用光纤干涉传感器是利用上述原理由光纤实现的干涉型光纤传感器。,迈克耳逊在工作,迈克耳逊（）美籍德国人,因创造精密光学仪器，用以进行光谱学和度量学

5、的研究，并精确测出光速，获1907年诺贝尔物理奖。,迈克尔逊干涉仪,传感器,迈克尔逊干涉仪,由激光器输出的单色光由分束器（把光束分成两个独立光束的光学元件）分成为光强相等的两束光;,1,1,2,2,光束1射向固定反射镜然后反射回分束器，再被分束器分解；透射,部分那束光由光探测器接收，反射的那部分光又返回到激光器。,迈克尔逊干涉仪原理,迈克尔逊干涉仪,由激光器输出，经分束器透射的另一束光2入射到可移动反射镜上，也反射回分束器上，经分束器反射的一部分光传至光探测器上，而另一部分光则经由分束器透射，也返回到激光器。当两反射镜到分束器间的光程差小于激光的相干长度时，射到光探测器上的两相干光束即产生干涉

6、。两相干光的相位差为,式中：K0光在空气中的传播常数 2nl两相干光的光程差,迈克尔逊干涉仪,M,M,2,2,当,M,M,2,2,与,之间距离变大时，圆形干涉条纹向外扩张,干涉条纹变密。,之,干涉条纹 的移动,M,M,2,2,当,M,M,2,2,与,之间距离变大时，圆形干涉条纹向外扩张,干涉条纹变密。,之,干涉条纹 的移动,M,M,2,2,干涉条纹 的移动,当,M,M,2,2,与,之间距离变大时，圆形干涉条纹向外扩张,干涉条纹变密。,之,M,M,2,2,干涉条纹 的移动,当,M,M,2,2,与,之间距离变大时，圆形干涉条纹向外扩张,干涉条纹变密。,之,M,M,2,2,干涉条纹 的移动,当,M,

7、M,2,2,与,之间距离变大时，圆形干涉条纹向外扩张,干涉条纹变密。,之,1,M,M,2,2,干涉条纹 的移动,当,M,M,2,2,与,之间距离变大时，圆形干涉条纹向外扩张,干涉条纹变密。,之,1,M,M,2,2,干涉条纹 的移动,当,M,M,2,2,与,之间距离变大时，圆形干涉条纹向外扩张,干涉条纹变密。,之,1,M,M,2,2,干涉条纹 的移动,当,M,M,2,2,与,之间距离变大时，圆形干涉条纹向外扩张,干涉条纹变密。,之,1,M,M,2,2,干涉条纹 的移动,当,M,M,2,2,与,之间距离变大时，圆形干涉条纹向外扩张,干涉条纹变密。,之,1,M,M,2,2,干涉条纹 的移动,当,M,

8、M,2,2,与,之间距离变大时，圆形干涉条纹向外扩张,干涉条纹变密。,之,1,M,M,2,2,干涉条纹 的移动,当,M,M,2,2,与,之间距离变大时，圆形干涉条纹向外扩张,干涉条纹变密。,之,1,M,M,2,2,干涉条纹 的移动,当,M,M,2,2,与,之间距离变大时，圆形干涉条纹向外扩张,干涉条纹变密。,之,1,M,M,2,2,干涉条纹 的移动,当,M,M,2,2,与,之间距离变大时，圆形干涉条纹向外扩张,干涉条纹变密。,之,1,M,M,2,2,干涉条纹 的移动,当,M,M,2,2,与,之间距离变大时，圆形干涉条纹向外扩张,干涉条纹变密。,之,1,M,M,2,2,干涉条纹 的移动,当,M,

9、M,2,2,与,之间距离变大时，圆形干涉条纹向外扩张,干涉条纹变密。,之,1,M,M,2,2,干涉条纹 的移动,当,M,M,2,2,与,之间距离变大时，圆形干涉条纹向外扩张,干涉条纹变密。,之,1,M,M,2,2,干涉条纹 的移动,当,M,M,2,2,与,之间距离变大时，圆形干涉条纹向外扩张,干涉条纹变密。,之,1,M,M,2,2,干涉条纹 的移动,当,M,M,2,2,与,之间距离变大时，圆形干涉条纹向外扩张,干涉条纹变密。,之,1,M,M,2,2,干涉条纹 的移动,当,M,M,2,2,与,之间距离变大时，圆形干涉条纹向外扩张,干涉条纹变密。,之,1,M,M,2,2,干涉条纹 的移动,当,M,

10、M,2,2,与,之间距离变大时，圆形干涉条纹向外扩张,干涉条纹变密。,之,1,M,M,2,2,干涉条纹 的移动,当,M,M,2,2,与,之间距离变大时，圆形干涉条纹向外扩张,干涉条纹变密。,之,1,M,M,2,2,干涉条纹 的移动,当,M,M,2,2,与,之间距离变大时，圆形干涉条纹向外扩张,干涉条纹变密。,之,迈克尔逊干涉仪,优点：结构简单，只需用一个半反半透镜,缺点：两路光均有一部分返回光源，产生相干噪声；光程差必须小于光源的相干长度.,光纤迈克尔逊干涉仪,以3dB耦合器取代分束器，光纤光程取代空气光程，以敏感光纤作为相位调制元件。,特点,敏感光纤置于被测能量场中，由于被测场与敏感光纤的相

11、互作用，导致光纤中的光相位的变化或光的相位调制。,调制原理,光纤迈克尔逊干涉仪,光源发射光经3dB光纤耦合器被分成功率相等的两部分，分别进入信号臂光纤与参考臂光纤，然后分别被端面的反射镜反射回各自的光纤中，在信号臂光纤中传输的光波相位被调制，在参考臂光纤中传输的光波相位与外界无关。被反射回来的光波在3dB耦合器另一端汇合，产生干涉条纹，信号由与此端相连的探测器接收。,工作原理：,光纤迈克尔逊干涉仪,探测器,光纤耦合器,样品,光纤聚焦器,反射镜,传感器,与迈克尔逊干涉仪相似，从激光器输出的光先分后合；两束光由移动平面镜的位移获得两相干光束的相位差，在光检测器上产生干涉。,马赫-曾德尔干涉仪,1,

12、2,传感器,马赫-曾德尔干涉仪,1,2,没有激光返回激光器，噪声小，稳定性好，对 干涉影响小。,独特优点：,可利用分束器2上水平反射光和垂直透射光获得 干涉光强信号，增强使用的方便性。,马赫-曾德尔光纤干涉仪,应用：光纤力传感器、光纤压力传感器，光纤加速度 传感器，光纤磁场或电流传感器等,萨格纳克干涉仪,激光经分束器分为反射和透射两部分。这两束光均由反射镜反射形成传播方向相反的闭合光路，并在分束器上会合，送入光探测器，同时也有一部分返回到激光器。,萨格纳克效应,理论基础：,工作过程：,在这种干涉仪中，两光束的光程长度相等。根据双束光干涉原理，在光电探测器上探测不到干涉光强的变化。,萨格纳克干涉

13、仪,当把这种干涉仪装在一个可绕垂直于光束平面轴旋转的平台上时，两束传播方向相反的光束到达光电探测器就有不同的延迟。若平台以角速度顺时针旋转，则在顺时针方向传播的光较逆时针方向传播的光延迟大。这个相位延迟量可表示为：,工作过程：,为旋转率；A为光路围成的面积；c为真空中光速；0为真空中的光波长,通过检测干涉光强的变化，可确定旋转角速度，是目前惯性导航系统所用的环形激光陀螺和光线陀螺的设计基础。,萨格纳克光纤干涉仪,萨格纳克光纤干涉仪,萨格奈克光纤应变干涉仪基本光路原理图,法布里-泊罗（F-P）干涉仪,由部分反射、部分透射、平行放置的两块反射镜组成。两个相对的反射镜表面镀有反射膜，其反射率常达95

14、以上。激光入射到干涉仪，在两个相对反射面作多次反射，透射出来的平行光束由光电探测器接收。,扩展源,准直透镜,会聚透镜,接收屏,分束板，内侧镀膜,G1,G2间,间距h可调法布里-珀罗干涉仪,G1,G2间,间距h固定法布里-珀罗标准具,多光束相干光在L2焦平面上形成等倾圆环条纹,法布里-泊罗（F-P）干涉仪,与前几种双光束干涉仪不同，这种干涉仪是多光束干涉。根据多光束干涉原理，探测器探测到干涉光强度的变化为,式中:R 反射镜的反射率；相邻光束间的相位差。,法布里-泊罗（F-P）干涉仪,当 时，干涉光强有最小值,当（n为整数）时，干涉光强有最大值Imax=I0,透射的干涉光强的最大值与最小值之比,反

15、射率R越大，干涉光强越显著，分辨力越高。,特点：精细度高；光谱分辨率高；调整精度要求低。,法布里-泊罗（F-P）干涉仪,反射率与光强的关系,法布里-泊罗（F-P）干涉仪,与一般法布里珀罗干涉仪的区别在于以光纤光程代替空气光程，以光纤特性变化来调制相位代替以传感器控制反射镜移动实现调相。且因为采用单根光纤，利用多光束干涉来检测应变，避免了前几种传感器所需双光纤配对的问题，且比迈克尔逊型更适合低频应变信号的测量。,法布里-泊罗光纤干涉仪,法布里-泊罗光纤干涉仪,单光纤与镜面形成的F-P腔,其中,：光波波长R：F-P腔端面反射率：光纤数值孔径NA=sinn：折射率（空气中n=1）,法布里-泊罗光纤干

16、涉仪,1、光波波长改变,仿真条件：F-P腔端面平行NA=0.1R=0.6,特征参数对归一化光强特性影响,干涉后光强变化以半波长为周期，波长改变不会影响光强输出的强度，波长越小灵敏度越高。,法布里-泊罗光纤干涉仪,仿真条件：F-P腔端面平行NA=0.1=1500nm,特征参数对归一化光强特性影响,2、F-P腔端面的反射率R改变,可以通过增大反射镜面的反射率来获得较大的输出信号值，同时可以提高传感器的灵敏度。灵敏度与线性范围成反比，选用1530nm保证线性范围。,特征参数对归一化光强特性影响,法布里-泊罗光纤干涉仪,3、光纤数值孔径NA改变,仿真条件：F-P腔端面平行R=0.6=1500nm,特征

17、参数对归一化光强特性影响,光纤数值孔径对灵敏度影响较小，在对于单调线性位移测量时，可以忽略不计。,P16,特征参数对归一化光强特性影响,法布里-泊罗光纤干涉仪,法布里-珀罗光纤干涉仪是由两端面具有高反射膜的一段光纤构成。此高反射膜可以直接镀在光纤端面上，也可以把镀在基片上的高反射膜粘贴在光纤端面上。,法布里-珀罗光纤干涉结构,法布里-泊罗光纤干涉仪,法布里-泊罗光纤干涉仪,F-P光纤传感器分类,本征型F-P光纤传感器,非本征型F-P光纤传感器,缺点：加工难度大折射率与长度多变量,优点：加工简单消除折射率影响,设计灵活：薄膜厚度与直径,应用：位移、振动、压力等高精度测量领域,灵敏度38mV/nm

18、,由于光纤的导波作用,法布里-珀罗光纤干涉仪的腔长可达几十米。因此它在工业测量上,尤其是桥梁、高速公路、大坝水库等民用基础设施的状态监测、航天航空等领域,得到了越来越广泛应用。,法布里-泊罗光纤干涉仪,法布里-珀罗光纤干涉仪在检测混凝土结构在养护期的热应变和温度、结构内部应力应变、结构的振动参数、裂缝宽度和结构整体性估计等方面也有广泛应用。,智能材料的最为重要的组成部分之一。,单位动态范围一般很小；由于测量系统在重新启动时无法识别出干涉级的级数，只能进行相对测量,即只能用作变化量的测量,而不能用于状态量的测量。系统对温度、湿度、压力等外界环境要求苛刻，结构复杂，成本高,总 结,优点,灵敏度高，

19、精度可达纳米级甚至亚纳米级,缺点,高相干激光相位调制型光纤传感器,白光干涉仪,可用于绝对值测量；动态范围大，精度和分辨力高；系统抗干扰能力强，系统分辨力与光源波长稳定性、光源功率波动、光线的扰动等因素无关；用于系统的低相干光源及多模光纤价格便宜；易于多路复用,特点,白光干涉测量，又称为低相干测量方法，它使用低相干、宽谱带光源，例如半导体激光器(LD)或发光二极管(LED)。同所有的干涉原理一样，光程的改变可以通过观测干涉条纹来进行分析。,白光干涉仪的发展,原理在1975年首次被提出，并于1976年在光纤通信领域中实现了可能的传输方案；在传感技术中的应用首次报道于1983年；第一个完整的基于白光

20、干涉技术的位移传感系统是在1984年报道的。该工作显示出白光干涉测量技术可以应用于任何可以转换成绝对位移的物理量的测量，并且具有很高的测量精度。在1985一1989年其间，基于白光干涉原理的传感器被广泛用于压力,温度,和应变测量的研究中。自从1990年以后，光纤白光测量技术已经持续发展，并逐渐形成了一个研究方向。,白光干涉仪的基本结构,白光干涉仪一般由两个干涉仪(参考干涉仪和传感干涉仪)串联而成，如:FP/FP,MZ/FP,MZ/MZ,Michelson/FP,Michelson/Michelson等。,参考干涉仪,宽带光源,白光干涉仪的基本工作原理,传感干涉仪将被测物理量的变化转换为光程差的

21、变化;参考干涉仪将来自传感干涉仪的互不相干的光信号重合并产生干涉.,白光干涉仪的基本工作原理,白光干涉仪的基本工作原理,输出端观察代表白光干涉仪输出信号的干涉条纹:输出光强在两干涉条纹的光程差相等时有最大值，对应的条纹对比度也最大，称为中心条纹.,为满足低相干度光源的获得和零级干涉条纹的检测两大问题，要求所用光源的相干长度应满足既远小于两个干涉仪的光程差，又大于两个干涉仪光程差的差值.,在系统测量过程中，通过改变微位移仪，使参考干涉仪的光程差值与传感干涉仪的光程差值相等的方法，直接得到传感干涉仪光程差的变化值，从而实现对被测量的绝对测量.,白光干涉仪的基本工作原理,Michelson-FP结构

22、,白光干涉仪的基本工作原理,F-P光纤干涉仪作为传感头,放在被测量点，同时又作为第二个干涉仪(Michelson干涉仪)的传感臂;Michelson干涉仪的另一支臂作为参考臂,放在远离现场的控制室,提供相位补偿。每个干涉仪的光程差都大于光源的相干长度；,具体解释：,白光干涉仪的基本工作原理,假设图中A 为O到A点的等光程点，B 为O到B点的等光程点。当反射镜C从左向右通过A位置时，在Michelson干涉仪的接收端将出现白光零级干涉条纹；同理，当反射镜C通过B位置时，会再次出现白光零级条纹。,具体解释：,白光干涉仪的基本工作原理,两次零级干涉条纹所对应的位置A、B之间的位移就是F-P腔的光程。

23、用适当方法测出A、B的间距，可确定F-P腔的光程的绝对值,具体解释：,FP-FP结构的干涉仪原理图,白光干涉仪应用于测量桥梁应变,FP-FP结构的白光干涉仪测量桥梁应变,第一节,5.4 光纤干涉仪的应用实例,第一节,5.4.1 光纤位移传感器,光纤位移传感器,光纤位移传感器,利用固定在光纤上的电致伸缩材料，可以构成光纤电压传感器；,利用粘接或涂覆在光纤上的磁致伸缩材料，就可以构成光纤磁场传感器；,利用涂覆在光纤上的金属薄膜，可以构成电流传感器；,利用固定在光纤上的质量块可以构成光纤加速度计。,温度场,单模光纤位相干涉型温度传感器,激光器,扩束器,分光板,耦合透镜,干涉场,光纤温度传感器,光纤流

24、速传感器,血液速度测量,v,血管,探测器,分光镜,发射镜,多普勒频移,第一节,5.5.2 光纤陀螺,光纤陀螺（Fiber Optic Gyro）,陀螺仪（gyroscope）作为一种主要的惯性敏感器件，用于测量运载体的姿态角和角速度，是构成惯性系统的基础核心器件，是决定其性能的关键。,光纤陀螺(FOG)是一种基于Sagnac原理的光纤角速度传感器，与传统的陀螺相比，它内部没有机械旋转元件，工作启动时间短，稳定性好，寿命长，动态范围宽，质量轻，易于微型化，保持着较高的性价比。,光纤陀螺（Fiber Optic Gyro）,目前，光纤陀螺已经发展成为惯性技术领域具有划时代特征的新型主流仪表，其原理

25、、工艺及其关键技术与传统的机电式仪表有很大的差别，我国已经将光纤陀螺列为惯性技术领域重点发展的关键技术之一。,陀螺惯性导航的关键部件,机械陀螺,激光陀螺,激光陀螺,光纤陀螺的优点,零部件少，仪器牢固稳定，具有较强的耐冲击和抗加速度运动的能力；绕制的光纤增长了激光束的检测光路，使检测灵敏度和分辨率比激光陀螺仪提高了好几个数量级，从而有效地克服了激光陀螺仪的闭锁问题；无机械传动部件，不存在磨损问题，因而具有较长的使用寿命；,光纤陀螺的优点,相干光束的传播时间极短，在原理上可瞬间启动；易于采用集成光路技术，信号稳定可靠，且可直接用数字输出，并与计算机接口联接；具有较宽的动态范围；结构简单，价格低。体

26、积小，重量轻。,FOG光纤传感器应用的典范,光纤传感器应用的典范。体积小、重量轻、精度高、寿命长、抗电磁干扰、启动时间短等优点，最为集中的体现了光纤传感器的优势，是光纤传感器应用中最为成功的范例之一。各学科交叉、物理内涵丰富。光纤光学、偏振光学、非线性光学、光电子学、电子学；Sagnac效应、Kerr效应等。,FOG光纤传感器应用的典范,几乎涵盖光纤传感器的全部关键技术。光源高稳定度驱动技术、微弱信号探测技术、信号调制解调技术、信号处理技术、传感器的封装与固化技术。推动光纤有源与无源器件的发展。保偏光纤、耦合器、调制器、起偏器、消偏器、光源、探测器。,FOG涉及相关学科,FOG的物理内涵丰富,

27、FOG关键技术,FOG的关键器件,光纤陀螺的基本概念,陀螺在静止状态下，其输出信号可以看作是由一个噪声信号和一个缓慢变化的均值（零漂）信号的叠加。,光纤陀螺的基本概念,随机游走（噪声）：用单位带宽角速率的标准差表示，单位：deg/h1/2零漂：缓慢变化的均值信号的峰峰值，用deg/h表示噪声与零漂的相对重要性取决于应用场合。如对稳定性或控制用的速率陀螺，带宽相对较宽，噪声的大小相对重要。而对于导航应用来说，重要的是角速度积分后的方向信号，积分过程降低了噪声信号，使零漂显得比较重要。标度因子的线性度和稳定性。标度因子为陀螺仪输出量与输入角速度的比值，反映陀螺的灵敏度。,光纤陀螺的性能,速率级(r

28、ate grade):1010000 deg/h 战术级(Tactical grade):0.01 10deg/h 慣导级(Navigation grade):0.01 deg/h动态范围(Dynamic area):few Hz 500Hz,按照零漂（biasdrift）分类：,FOG光源的要求,宽谱光源，两束相干光时间相干性不强；从测量光纤陀螺的标度因数考量，要求光源平均波长稳定性要好，要求光谱平坦；考虑到陀螺仪在空间有三个轴，为保持一致性，最好三个陀螺使用同一光源，所以所需要的光源应该具有大的功率；,光源半导体激光器（LD）发光二极管（LED）超辐射发光二极管（SLD）掺铒光纤光源 探测

29、器PIN光电二极管,技术发展趋势敏感环使用光子晶体光纤,第一节,5.4.3 光纤水听器,光纤水听器,光纤水听器是一种建立在光纤、光电子技术基础上的水下声信号传感器。它通过高灵敏度的光纤相干检测，将水声信号转换成光信号，并通过光纤传至信号处理系统提取声信号信息。光纤水听器主要用于海洋声学环境中的声传播、噪声、混响、海底声学特性、目标声学特性等的监测。它既可用于海洋、陆地石油天然气勘探，也可用于海洋、陆地地震波检测以及海洋环境检测，它又是现代海军反潜作战及水下兵器试验的先进检测手段。,光纤水听器,光纤水听器与传统水听器相比，在未来的声纳系统中作为接收阵列显示了更大的吸引力。它可以将大量单元的信号经

30、由一单根光纤传输,并具有大规模成阵的能力和水听器单元设计的灵活性。另外，它还具有灵敏度高，响应的带宽宽，单元及信号传输不受电磁干扰的影响等重要特点。,光纤水听器,光纤水听器的特点,1.低噪声特性.光纤水听器采用光学原理构成,灵敏度高,由于其自噪声低的特性决定了其可检测的最小信号比传统压电水听器要高2 3 个数量级，这使弱信号探测成为可能.2.动态范围大.压电水听器的动态范围一般在8090dB,而光纤水听器的动态范围可以到120140dB.,光纤水听器的特点,3.抗电磁干扰与信号串扰能力强.全光光纤水听器信号传感与传输均以光为载体，几百兆赫以下的电磁干扰影响非常小，各通道信号串扰也十分小。4.适

31、于远距离传输与组阵.光纤传输损耗小,适于远距离传输.光纤水听器采用频分、波分及时分等技术进行多路复用,适于水下阵列的大规模组阵.,光纤水听器的特点,5.信号传感与传输一体化,提高系统可靠性.激光由光源发出,经光纤传输至光纤水听器,并在拾取声信号后再经光纤传回到岸上或船上的信号处理设备,水下无电子设备.另外,光纤对水密性要求低,耐高温、抗腐蚀,这些都将大大提高系统的可靠性.6.工程应用条件降低.采用全光光纤水听器的声纳系统,探测缆及传输缆皆为光缆,重量轻体积小,系统容易收放,使过去无法实现的方案成为可能,特别对拖曳阵列,由于工程应用条件的降低而使许多问题简单化。,光纤水听器的关键技术,光源;关键

32、光纤器件;探头技术;抗偏振衰落技术;抗相位衰落技术;信号处理技术;多路复用技术以及工程技术等。,光纤水听器的关键技术,光源下面是在实际光纤水听器系统中采用过的光源：He-Ne 激光光源，波长6328nm；分布式反馈(DFB)激光二极管，波长1310nm；Nd:YAG固体激光器，波长1319nm；半导体激光二极管，波长810850nm；半导体激光二极管，波长1550nm；光纤激光器,高性能、高质量的激光光源,要求光源的频率高度稳定，因为频率不稳定将会产生相位噪声，尤其在比较低的频率（低于0.1Hz 1.0MHz）上，相位噪声会使背景噪声电平明显地增加，而且这种噪声与干涉仪两臂的初始光程呈现强烈的

33、依赖关系，随光程差增加而增加。,高性能、高质量的激光光源,要求光源有高度的振幅稳定性，因为振幅噪声信号与声致相位调制信号无法区分，在干涉仪的工作带宽内，光强度漂移2%将产生1度左右的相位移，只能采用限制振幅噪声的技术措施，来消除干扰。在非工作频率范围内，光强漂移将表现为干涉仪标度因数的变化，故一般要采取适当的滤波以减小其影响。,高性能、高质量的激光光源,要求光源有高度的单色性，以达到足够相干长度，尤其是单环干涉型光纤水听器对光源的单色性要求更苛刻，波长漂移将直接导致相位漂移。光源不允许返回光功率输入，否则引起光频不稳(线宽变宽)，如这种扰动使激光器进入多模工作状态，则激光频率将大幅度飘移，输出

34、噪声陡增而无法正常工作。一般说光源与藕合器之间要有隔离度不小于40dB的光隔离器，把回输光隔开。,高性能、高质量的激光光源,与信号处理问题相联系，要求激光源要有良好的频率调制特性。要有足够的输出平均光功率(将视组阵的规模而定)。,“三高”：高频率稳定性、高振幅稳定性及高度单色性,光纤水听器的关键技术,光纤器件 光纤器件受光纤通信技术的推动而迅速发展，决定未来光纤水听器系统将处于不断的变革中。光纤隔离器、环路器及光开关；光纤放大器(EDFA)；波分(WDM)及密集波分(DWDM)波分器与波合器；光纤喇曼光栅；光纤耦合器及连接器；保偏光纤及保偏光纤偏振器；光电探测器及阵列,光纤水听器,光纤水听器按

35、原理可分为干涉型、强度型、光栅型等。在光纤水听器的结构中,干涉型光纤水听器的接收灵敏度最高。其典型结构是基于M-Z(Mach-Zehnder)结构,采用相位载波产生(PGC)解调技术。另外,Michelson干涉仪,Fabry-Perot干涉仪和Sagnac干涉仪等也得到发展。干涉型光纤水听器关键技术已经逐步发展成熟，在部分领域已经形成产品，而光纤光栅水听器则是当前光纤水听器研究的热点。,由激光器发出的激光经3dB光纤耦合器分为两路:一路构成光纤干涉仪的传感臂,接受声波的调制,另一路则构成参考臂,提供参考相位.两束波经后端反射膜反射后返回光纤耦合器,发生干涉,干涉的光信号经光电探测器转换为电信

36、号,经过信号处理就可以拾取声波的信息。,基于Michelson光纤干涉仪光纤水听器,光纤水听器,激光经3dB 光纤耦合器分为两路,分别经过传感臂与参考臂,由另一个耦合器合束发生干涉,经光电探测器转换后拾取声信号。,基于Mach-Zehnder光纤干涉仪光纤水听器,光纤水听器,由两个反射镜或一个光纤布拉格光栅等形式构成一个FabryPerot干涉仪，激光经该干涉仪时形成多光束干涉，通过解调干涉的信号得到声信号。,基于Fabry-Perot光纤干涉仪光纤水听,光纤水听器,该型光纤水听器的核心是由一个33 光纤耦合器构成的Sagnac光纤环，顺时针或逆时针传播的激光经信号臂时对称性被破坏,形成相位差

37、,返回耦合器时干涉,解调干涉信号得到声信号。,基于Sagnac光纤干涉仪光纤水听器,光纤水听器,探头结构设计,光纤水听器的探头将直接对声场信号进行检测，因此探头设计与结构将直接影响到光纤水听器系统的性能。探头结构必须满足使用条件及声学要求，适应实际工作条件，如水深、频响、方向性之间相互矛盾的要求。目前光纤水听器探头的结构类型主要有：芯轴型、平面型和椭球型等几大类。,探头结构设计,结构原理：位于基元中心处的是芯轴，光纤缠绕在芯轴上作为参考臂，芯轴的外层是空气腔，这样参考臂上的光纤就不受外界声场的影响，空气腔的外层是弹性筒，光纤缠绕在弹性筒上作为传感臂，感受外界声场的作用。,水听器基元机构图,探头

38、结构设计,第一节,5.4.4 落石监测,落石监测,原因：因地质的不坚实，山区公路常有落石灾难事件发生目的：以光纤干涉仪的高灵敏特性，做落石监测系统。,光纤的低损耗及宽频特性,干涉仪高灵敏度,长距离、微弱信号检测,落石监测,灾害照片,落石监测,光纤干涉仪的优点,光纤细小、质轻，抗电磁干扰；集传输与传感于一体，且耐高温、抗腐蚀等；山区供电不易，使得传统的传感系统布建困难，且因距离遥远，信号长途传输容易衰减，从而考虑用光纤取代；,落石监测,光纤干涉仪的优点,灵敏度高，准确性好；易于光通信网络连接；分布式，适合大面积、长距离测量,落石监测,落石监测,光纤干涉仪组成：(1)光源单元：其组成为宽频光源和光隔离器；(2)探测单元：包括FBG探测器的马赫曾德尔干涉仪；(3)信号解调单元：包括循环器，光探测器和信号处理系统。,落石监测,落石监测,路径一：1 3 5 7 9 10 9 7 6 4 2路径二：1 4 6 7 9 10 9 7 5 3 2,光路路径图,第一节,谢谢！,