声学学报光纤光栅水听器

声学学报光纤光栅水听器

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与光纤传感器有联系的设备：干涉型、谐振型和布里渊型，这是三代光纤陀螺的代表。第一代干涉型光纤陀螺，21世纪初期，该项技术就已经成熟，适合进行批量生产和商品化。第二代谐振型光纤陀螺，暂时还处于实验室研究向实用化推进的发展阶段。第三代布里渊型，它还处于理论研究阶段。
光纤陀螺结构根据所采用的光学元件有3种实现方法：小型分立元件系统、全光纤系统和集成光学元件系统。21世纪初期，分立光学元件技术已经基本退出，全光纤系统用在开环低精度、低成本的光纤陀螺中，集成光学器件陀螺由于其工艺简单、总体重复性好、成本低，所以在高精度光纤陀螺很受欢迎，是其主要实现方法。
(2)光纤光栅传感器
目前国内外光纤传感器领域的研究热点之一光纤布拉格光栅传感器。传统光纤传感器基本上可分为2种类型：光强型和干涉型。光强型传感器的缺点在于光源不稳定，而且光纤损耗和探测器容易老化。干涉型传感器由于要求两路干涉光的光强同等，所以需要固定参考点而导致应用不方便。21世纪初期开发的以光纤布拉格光栅为主的光纤光栅传感器可以避免出现上面两种情况，其传感信号为波长调制、复用能力强。在建筑健康检测、冲击检测、形状控制和振动阻尼检测等应用中，光纤光栅传感器是最理想的灵敏元件。光纤光栅传感器在地球动力学、航天器、电力工业和化学传感中有广泛的应用。
(3)光纤电流传感器
电力工业的迅猛发展带动电力传输系统容量不断增加，运行电压等级也越来越高，电流也越来越大，这样测量起来就非常困难，这就显现出光纤电流传感器的优点了。在电力系统中，传统的用来测量电流的传感器是以电磁感应为基础，存在以下缺点：它容易爆炸以至引起灾难性事故;大故障电流会造成铁芯磁饱和;铁芯发生共振效应;频率响应慢;测量精度低;信号易受干扰;体积重量大、价格昂贵等等，已经很难满足新一代数字电力网的发展需要。这个时候光纤电流传感器应运而生，并且被广泛使用。
(4)光纤水听器
光纤水听器主要用来测量水下声信号，它通过高灵敏度的光纤相干检测，将水声信号转换为光信号，并通过光纤传至信号处理系统进行识别。与传统水听器相比，光纤水听器具有灵敏度高、响应带宽宽、不受电磁干扰等特点，广泛用在军事和石油勘探、环境检测等领域，具有很大的发展潜力。

几种光纤传感器的介绍及特点

目前国内市场上，应用最为广泛的光纤传感技术当属布拉格光纤光栅和基于光时域反射的分布式传感器，这种技术基本上可以满足中低端市场的需求。而现在光谱线宽窄至2kHz的单频光纤激光器及其引申出来的最新一代光传感技术，这与传统的光纤传感有很大的区别,它可以进行超远距离的传输，精度和敏感度能达到更高的要求，这在高端市场上需求很大，目前该项技术在国内尚处于立项和预研阶段。国内市场上光纤传感器应用主要在以下四种：光纤陀螺、光纤光栅传感器、光纤电流传感器和光纤水听器。下面对这四种产品分别介绍一下。 一、光纤光栅传感器。 目前国内外传感器领域的研究热点之一光纤布拉格光栅传感器。传统光纤传感器基本上可分为两种类型：光强型和干涉型。光强型传感器的缺点在于光源不稳定，而且光纤损耗和探测器容易老化；干涉型传感器由于要求两路干涉光的光强同等，所以 需要固定参考点而导致应用不方便。目前开发的以光纤布拉格光栅为主的光纤光栅传感器可以避免出现上面两种情况，其传感信号为波长调制、复用能力强。在建筑健康检测、冲击检测、形状控制和振动阻尼检测等应用中，光纤光栅传感器是最理想的灵敏元件。光纤光栅传感器在地球动力学、航天器、电力工业和化学传感中有广泛的应用。 二、光纤陀螺。 光纤陀螺按原理可分为干涉型、谐振型和布里渊型，这是三代光纤陀螺的代表。第一代干涉型光纤陀螺，目前该项技术已经成熟，适合进行批量生产和商品化；第二代谐振型光纤陀螺，暂时还处于实验室研究向实用化推进的发展阶段；第三代布里渊型，它还处于理论研究阶段。光纤陀螺结构根据所采用的光学元件有三种实现方法：小型分立元件系统、全光纤系统和集成光学元件系统。目前分立光学元件技术已经基本退出，全光纤系统用在开环低精度、低成本的光纤陀螺中，集成光学器件陀螺由于其工艺简单、总体重复性好、成本低，所以在高精度光纤陀螺很受欢迎，是其主要实现方法。 三、光纤水听器。 光纤水听器主要用来测量水下声信号，它通过高灵敏度的光纤相干检测，将水声信号转换为光信号，并通过光纤传至信号处理系统进行识别。与传统水听器相比，光纤水听器具有灵敏度高、响应带宽宽、不受电磁干扰等特点，广泛用于军事和石油勘探、环境检测等领域，具有很大的发展潜力。光纤水听器按原理可分为干涉型、强度型、光栅型等。干涉型光纤水听器关键技术已经逐步发展成熟，在部分领域形成产品；光纤光栅水听器则是当前研究的热点，研究的关键技术涉及光源、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。 四、光纤电流传感器。电力工业的迅猛发展带动电力传输系统容量不断增加，运行电压等级也越来越高，电流也越来越大，这样测量起来就非常困难，这就显现出光纤电流传感器的优点了。在电力系统中，传统的用来测量电流的传感器是以电磁感应为基础，这就存在以下缺点：它容易爆炸以至引起灾难性事故；大故障电流会造成铁芯磁饱和；铁芯发生共振效应；频率响应慢；测量精度低；信号易受干扰；体积重量大、价格昂贵等等，已经很难满足新一代数字电力网的发展需要。这个时候光纤电流传感器应运而生。 光纤传感器技术是建立在光纤、光通信和光电子技术的基础上发展起来的，电磁干扰和腐蚀作用对它的影响很小，还能适应各种恶劣的气象环境，不要额外的电源进行供电，就可以长距离的进行传输，已成为传感器行业的研究热点。

几种主要光纤传感器发展现状

光纤陀螺 光纤陀螺分干涉型、谐振型和布里渊型，干涉型光纤陀螺是第一代，技术上已经趋于成熟，正处于推进批量生产和商品化阶段；谐振型光纤陀螺是第二代，处于实验室研究向实用化推进的发展阶段；布里渊型是第三代，尚处于理论研究阶段。光纤陀螺结构根据所采用的光学元件有三种实现方法：小型分立元件系统、全光纤系统和集成光学元件系统。目前分立光学元件方案已经基本消失，全光纤系统用在开环低精度、低成本的光纤陀螺中，集成光学器件陀螺以工艺简单，总体重复性好、低成本成为国际中高精度光纤陀螺主要方案。 光纤陀螺主要由光源、探测器等有源器件和光纤耦合器、相位调制器等无源器件以及光纤组成。国外从1976年开始研究，到90年代中期已经有各种精度的光纤陀螺出售，率先在航天及军事领域获得应用，目前许多产品已经应用于民用飞机和汽车工业。国内在保偏光纤、耦合器、多功能集成光学调制器（Y波导）等领域已经取得较大成果， 接近或达到国际先进水平。在光源方面还在研究，在实验室条件下超发射激光二极管能够满足要求，在工程应用还存在可靠性和温度特性等问题。限于半导体技术，目前国内主要研究集中在1300nm波段。国内和国外差距主要是在产品化上，技术不成熟，没有形成大规模生产能力；元器件的性能和生产能力有待提升。 西安飞秒光电研发主管米磊对光纤在线表示：“我国已经量产千分之一精度的光纤陀螺，目前主要用于导弹等中低精度领域，用于机载的高精度光纤陀螺正在研发。航天时代集团光纤陀螺年销售额已经超过2亿元，全国有不少企业在这个领域发展，主要集中在中精度领域。目前核心器件的相位调制器，主要由北京世维通公司生产，重庆44所也在生产，西安光机所也在研发。光纤绕环一般是各家厂商自产，武汉长盈通公司专门做光纤绕环。LED光源主要是武汉光迅，深圳飞康等厂商生产。” 可以预计，光纤陀螺将在中低精度和中高精度领域逐渐取代传统的机电陀螺，未来在航天、军事、汽车等领域具有巨大的发展潜力。 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，将水声信号转换为光信号，并通过光纤传至信号处理系统转换为声信号信息。相比传统水听器具有灵敏度高、响应带宽宽、不受电磁干扰等特点，广泛用于军事和石油勘探、环境检测等领域，具有很大的发展潜力。 光纤水听器按原理可分为干涉型，强度型，光栅型等。干涉型光纤水听器关键技术已经逐步发展成熟，在部分领域形成产品；光纤光栅水听器则是当前研究热点。研究的关键技术涉及光源、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。 光纤水听器研究始于上世纪70年代末美国海军实验室，各发达国家相继投入了大量人力物力做研究，取得了很多成果。在军事应用上，随着潜艇噪声降低，电声纳探测灵敏度接近极限值，光纤水听器将大有用武之地。我国的光纤水听器研究也已取得较大进展，在一些技术指标上达到国际水平，但主要处于理论和实验阶段，实用化、工程化光纤水听器还未见报道。 光纤光栅传感器 光纤光栅传感器尤其是光纤Bragg光栅传感器是最近几年国内外传感器领域的研究热点。传统光纤传感器绝大部分属于光强型和干涉型，光强型传感器存在光源不稳定，光纤损耗和探测器老化等问题，干涉型传感器由于要求两路干涉光的光强相等需要固定参考点应用不便。以光纤布拉格光栅为主的光纤光栅传感器传感信号为波长调制以及复用能力强，避免了上述传统光纤传感器存在的问题。在建筑健康检测、冲击检测、形状控制和振动阻尼检测等应用，光纤光栅传感器是最理想的灵敏元件。光纤光栅传感器在地球动力学、航天器、船舶航运、民用工程结构、电力工业、医药和化学传感中有广泛的应用。 光纤光栅传感器研究方向主要有：（1）对具有高灵敏度、高分辨率，且能同时感测应变和温度变化的传感器研究；（2）开发低成本、小型化、可靠且灵敏的探测技术系统研究；（3）实际应用研究，包括封装技术、温度补偿技术、传感器网络技术。目前某些类型的光纤光栅传感器已经商业化，但在性能和功能方面需要提高。但可以说，光纤光栅传感技术已经向成熟阶段接近。我国对光纤光栅传感器研究相对较晚，但已经有较大发展，随着实用、廉价的波长解调技术进一步发展完善，光纤光栅传感器将有广阔的发展前景。 北京拓普光研的沈旷轶经理表示，光纤光栅传感器主要应用于油罐测温、土方测应力，电力设备测温等市场，处于小公司割据的状态，理工光科和品傲光电等公司做的相对较大。以拓普光研10年行业经验分析，今后3~5年光纤光栅传感器市场将是分行业、分地域的中小型公司占据。大型电信设备制造商目前兴趣主要在广电的宽带市场，暂时不会考虑进入这一领域。 光纤电流传感器 电力工业的迅猛发展带动电力传输系统容量不断增加，运行电压等级越来越高，不得不面临强大电流的测量问题。在高电压、大电流和强功率的电力系统中，以电磁感应为基础的传统电流传感器（简称CT）暴露出一系列严重缺点：爆炸引起灾难性事故；大故障电流引起铁芯磁饱和；铁芯共振效应；滞后效应；精度不高；易受干扰；体积大、重量大、价格昂贵等，已经难以满足新一代数字电力网的发展需要。光纤电流传感器成为解决上述难题的最好办法。 沈经理认为光纤电流传感器衍生自光纤陀螺仪的技术方案，是军用技术民用化的例子，现在技术方案还都没有定型，处于摸索-定型-再摸索阶段。武汉长盈通技术总监汪洪海博士表示，光纤电流传感器市场目前国内有3~4个厂家有小批量出货，今年的国家电网招标情况大概在1000个左右。相对来说，用量还是很小。当前阻碍真正规模使用的还是其稳定性，尤其是温度稳定性。 未来发展趋势 光纤通信的迅猛发展带动新型光器件和材料的不断涌现，为光纤传感系统的开发提供了必要的基础。光纤传感技术30多年来的发展已经取得了长足的进步，主要体现在：进入了实用化阶段；新的传感原理不断出现。但是发展现状仍然远远不能满足实际需要，还有许多待研究的课题：（1）实用化研究，尤其是性价比；（2）应用研究；（3）新型光纤传感器的研究；（4）新型敏感材料的研究，新型专用光电子器件研究。因此，光纤传感器的可能发展趋势有：（1）以传统传感器无法解决的问题作为光纤传感器的主要研究对象；（2）集成化光纤传感器；（3）多功能全光纤控制系统；（4）开辟新领域。 对于光纤传感器的价格，汪博士表示光纤传感器种类众多，具体到光纤陀螺和光纤电流互感器，大概是同级别传统传感器的2~3倍。应用的长期稳定性和可靠性不够、价格较高和对所获得数据的智能化处理不足是阻碍大规模应用的重要原因。 具体到行业应用发展上，沈经理对光纤在线表示，传感技术应用到各行各业，每个企业的市场进入能力是有限的，所以现在遍地开花，传统传感器行业有成熟的产业链和利益链条，光纤传感产业化要有长期抗战的准备。光纤传感器价格昂贵与规模相关，但光纤传感背靠光通信产业，长期来看降成本没有问题。光纤传感的工程化研究是热点，技术成熟度、成本、行业接受程度、是否有隐患，都需要时间的考验。一个产业要遵循生命周期，光纤传感还有很长的路要走。

朱物华的主要成就

朱物华还亲自编著了《信息论》。早在30年代初期，朱物华编写了内容包括发电机和电动机原理、构造和设计方法的《应用电学》，1930年，他编著的《无线电原理》，编写的《电信网络》。中华人民共和国成立之后，并先后翻译出版了中国第一套《动力系统自动化》，《动力系统中频率的自动调整》，《电力网习题集》等参考书。编著了《电力系统中的高频技术》一书，并亲自在国内首次开设了这门课程。他还先后编著了《输配电工程》，《电力系统中频率及有功功率自动调整及经济分配》，《无线电技术基础》，《微波技术》等教材。1 朱物华，“电子显微镜之原理”，电工，1947，16(1）：1～5。2 朱物华，《电力网络习题集》，龙门联合书局，1953。3 朱物华，《电力系统自动化》，电力出版社，1954。4 朱物华，《动力系统中的频率自动调整》，燃料工业出版社，1955。5 朱物华，《电气自动学》，电力工业出版社，1957。6 朱物华、江庚和、马国强，“电力线路上使用的阻带滤液器式宽频带阻波器设计中的电气参数选择的商榷”，哈尔滨工业大学学报，1958(4）：1～16。7 朱物华，《无线电技术基础》，哈尔滨工业大学出版，1960。8 朱物华，《信息论》，上海交通大学出版，1963年。9 朱物华，《信息论》，上海交通大学油印本，1963。10 朱物华，“电力线路上载波通道中噪声的相关分析”，电子学报，1965(4）：333～352。11 朱物华，《水声工程原理》，上海交通大学出版，1971年。12 朱物华，《声全息技术》，电子技术，1979(1）：1～4。13 朱物华，《电子战争》，电子技术，1979(2）：2～11。14 朱物华，《介绍电磁场与天线方面的一些理论》，电工技术，1979，6：241～246。15 朱物华，“船舶螺旋桨空化噪声预报初步”，声学学报，1984，9(4）：209～215页。16 朱物华、汪鸿振等，“用双水听器声强法测量水声功率”，上海交通大学学报，1984，18(2）：41～52。 朱物华治学严谨。70年代他为研究开设的“水声工程原理”课，教材中的声压单位原先用的是微巴（μbar），而当时国际上最新资料中，声学单位已采用帕（Pa）为单元（1Pa=10μbar）。为使教材中有关的物理表述符合国际标准，朱物华不厌其烦地把10多万字的教材仔细检查，修改了105处，重新计算了11个例子，增加了7个图表，使教材更加准确完善。他在对研究生的日常教学中尽力为学生解惑的精神，更是屡屡为人所称道。有一次，同学们对书上计算有点疑问，朱物华晚饭不吃，立即验算，把来龙去脉写成补充讲义，印发给学生。联系到此时的朱物华已是一位年愈古稀的老翁，不由得令人肃然起敬。朱物华自1927年学成回国后，68年如一日，呕心沥血，辛勤耕耘在大学教学第一线。先后在中山大学、唐山交通大学、北京大学、西南联合大学、上海交通大学、哈尔滨工业大学等6所著名院校任教。他为这些学校开设并主讲的课程如：高等物理，应用电学，电信网络，无线电原理，电工学，电力系统自动化，输配电工程，电视学，电力系统中高频技术，电力系统中频率及有功功率自动调整及经济分配，无线电技术基础，微波技术，飞行器中变速恒频电气设备，飞行器中电源设备可靠度的概率顺序分析，天线，自动控制理论，电力系统的自动装置，电力系统远动技术，电力系统自动监视和控制，声全息，水声工程原理，信息论等，不仅跨越了众多学科，而且有许多是开当时国内先河的前沿课程。朱物华自1927年开始教学和研究工作，60多年来培养了大批科学技术人才，学生中如杨振宁、马大猷、刘恢先、严恺、张维、邓稼先等都是国内外著名学者。 1926年，朱物华以论文广义网络瞬态及在电滤波器中的应用获美国哈佛大学博士学位。在当时这是属于电子学科领域中有待解决的重要课题。研究内容引起了美国、日本科技界的重视。此论文曾在1928年日本东京万国会议上宣读。30年代中期，朱物华针对韦伯和迪托尔（E．Weber和M．J．Ditoro）等关于有限段终端无损耗低通滤波器瞬流计算的局限，首次提出了终端有损耗的T形低通与高通滤波器瞬流计算公式，在当时十分简陋的实验条件下，创造性地拍摄了直流与交流场合下的瞬流图，取得了理论计算与实验数据相符的好结果。1938年10月，美国无线电工程师学会的学术期刊《Proc．ofIRE》发表了这篇论文。40年代中期，朱物华在国内大学任教时，指导研究生完成旨在解决阴极烧毁问题的《电子枪式磁控管分析与设计》课题，在理论上把电子源与Em作用空间分开，开辟了新方向。在50年代初，法国科学家才发表关于注入式磁控管的论文，而国际上的该类产品在50年代末才刚问世。中华人民共和国成立后，朱物华根据电力线路上测试的噪声频谱密度数据，提出用相对功率谱密度和逐段积分的计算方法，得出了相关系数ρ与相差时间τ的关系曲线，揭示出了使电力线路传输较高频率的载波信号不致降低信噪比的内在关系。朱物华还提出了计及电感分布电容来选取电路参数和提高滤波器性能的新设计方法。这些都为中国电力工业的发展作出了贡献。1979年，年逾古稀的朱物华参加了中国电子学会赴美回访团。他仔细考察了美国一些理工科大学、电子和计算机工厂。回国后，他提出的关于重视科学技术发展、重视培养人才、重视提高管理水平的建议，以及关于应为研究开发大规模集成电路创造条件、缩短中国计算机与世界水平的差距、改革高等学校电子教学结构、密切教育界与工业界的联系、加强国防科教界同行互访等见解，为缩短中国电子学科与世界水平的差距起了促进作用。

光纤水听器的特点

1、灵敏度高，频响特性好;2、动态范围大;3、抗电磁干扰与信号串扰能力强;4、适于远距离传输与组阵;5、信号传感与传输一体化,提高系统可靠性;6、工程应用条件降低.