光纤传感技术及其在军事中的应用

中国地质大学（武汉）

光电检测技术论文

2016年1月10日

0 引言 .............................................................................................................................................. 3

1 光纤的结构及其分类 ................................................................................................................... 3

1.1 光纤的结构 ........................................................................................................................ 3

1.2 光纤的分类 ........................................................................................................................ 3

1.2.1 按光纤的材料分类 ................................................................................................. 3

1.2.2 按光纤的折射率分类 ............................................................................................. 4

1.2.3 按光纤的传输模式分类 ......................................................................................... 4

2 光纤传感器的工作原理 ............................................................................................................... 4

2.1 光纤的传光原理 ................................................................................................................ 4

2.2 光纤传感器基本构成及原理 ............................................................................................ 5

3 光纤传感器的分类 ....................................................................................................................... 5

3.1 按传感原理分类 ................................................................................................................ 5

3.1.1 非功能型传感器 ..................................................................................................... 5

3.1.2 功能型传感器 ......................................................................................................... 5

3.2 其他分类方法 .................................................................................................................... 5

4 光纤传感器的特点 ....................................................................................................................... 6

5 光纤弯曲损耗 ............................................................................................................................... 6

5.1 微弯损耗............................................................................................................................ 6

5.2 宏弯损耗............................................................................................................................ 6

6 光纤传感技术的发展现状与军事应用 ....................................................................................... 6

6.1 光纤传感技术的发展现状 ................................................................................................ 6

6.2 光纤传感技术的军事应用 ................................................................................................ 7

6.2.1光纤陀螺 .................................................................................................................. 7

6.2.2光纤智能结构 .......................................................................................................... 9

6.2.3光纤水听器 ............................................................................................................ 10

6.2.4军用机器人 ............................................................................................................ 11

7结论..............................................................................................................................................11

光纤传感技术及其在国防军事中的应用

0 引言

近年来，全球传感器的产量和年增长率均保持在 10%以上，目前全球从事传感器生产和研制的单位达5000多家。传感技术作为当今世界迅猛发展起来的技术之一，已经成为衡量一个国家科学技术水平发展的重要标志。先进传感器朝着灵敏、精巧、适应性强、智能化和网络化方向发展。光纤传感技术是 20 世纪 70 年代末兴起的技术领域，在全世界成为研究热门，已与光纤通信并驾齐驱[1]。

作为被测量信号载体的光波和作为光波传播媒质的光纤，具有一系列独特的、其他载体和媒质难以相比的优点，例如：具有抗电磁和原子辐射干扰的性能；径细、质软、质量轻的机械性能；绝缘、无感应的电气性能；耐水、耐高温、耐腐蚀的化学性能等，它能够在人达不到的地方（如高温区）或者对人有害的地区（如核辐射区），起到人的耳目的作用，而且还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，光纤传感技术一问世就受到极大重视，几乎在各个领域得到研究与应用，成为传感技术的先导，推动着传感技术蓬勃发展[2]。光纤传感技术是以光电子学器件为基础、以光纤通讯和集成光学的技术为前提创造性地发展起来的。光通讯技术的发展也促进了光纤传感器的发展[3]。 1 光纤的结构及其分类

1.1 光纤的结构

光纤是光导纤维的简称。目前最主要的通信光纤的材质是高纯度的石英玻璃为主，掺少量杂质锗、硼、磷等。光纤的典型结构是一种细长多层同轴圆柱形实体复合纤维。自内向外为：纤芯、包层、涂覆层、护套。一般纤芯采用石英纤维，包层采用玻璃，涂覆层采用聚氨基甲酸乙酯或硅酮树脂，护套采用尼龙或聚乙烯等塑料[4]。核心部分为纤芯和包层，二者共同构成介质光波导，形成对光信号的传导和约束，实现光的传输，所以又将二者构成的光纤称为裸光纤。涂覆层又称被覆层，是一层高分子涂层，主要对裸光纤提供机械保护，因裸光纤的主要成分为二氧化硅，它是一种脆性易碎材料，抗弯曲性能差、韧性差。为提高光纤的抗微弯性能，涂覆一层高分子涂层。另外，如将若干根裸光纤集束成一捆，相互间极易产生磨损，导致光纤表面损伤而影响光纤的传输性能，为防止这种损伤，采取的有效措施就是在裸光纤表面涂一层高分子材料。光纤是用光透射率高的电介质（如石英、玻璃、塑料等）构成的光通路，纤芯的折射率比包层的折射率稍大，这样利用全反射的原理把光约束在纤芯内并沿着光纤轴线传播。当入射光线在纤芯和包层界面满足全反射条件时，光波就能沿着纤芯向前传播[5]。

1.2 光纤的分类

1.2.1 按光纤的材料分类

（1）高纯度石英（SiO2）玻璃纤维：这种材料的光损耗比较小，在适当波长时，最低损耗约为0.47 d B/km。锗硅光纤，包层用硼硅材料，其损耗约为0.5 d B/km。

（2）多组分玻璃光纤：用常规玻璃制成，损耗也很低。如硼硅酸钠玻璃光纤，在适当波长时，最低损耗为3.4 d B/km。

（3）塑料光纤：用人工合成导光塑料制成，其损耗较大，可达到 100~200 d B/km。但其质量轻，成本低，柔软性好，适用于短距离导光。

1.2.2 按光纤的折射率分类

根据光纤纤芯与包层折射率的分布情况，可把光纤分为阶跃型光纤和渐变折光纤两类

[4]。

（1）阶跃型光纤：这种光纤的纤芯和包层的折射率都是一个常数，纤芯的折射率高于包层的折射率，折射率在纤芯与包层的界面处有一个突变。进入这种光纤的光线只要满足全反射原理，就会在纤芯中沿折线路径向前传播。（2）渐变型光纤：这种光纤包层的折射率为一常数，纤芯的折射率从中心开始随其半径的增加而逐渐变小，到包层与纤芯的界面处折射率下降到包层的折射率。进入这种光纤的光线因入射角不同将沿着波浪形曲线路径向前传播。

1.2.3 按光纤的传输模式分类

根据光纤的传输模式，可把光纤分为单模和多模两种[4]。光纤的传输模式是指光进入光纤的入射角度。当光在直径为几十倍光波长的纤芯中传播时，以各种不同角度进入光纤的光线，从一端传至另一端时，其折射或弯曲的次数不尽相同，这种以不同角度进入纤芯的光线的传输方式称为多模式传输。可传输多模式光波的光纤称为多模光纤。如果光纤的纤芯直 径为 5~10 μm，只有所传光波波长的几倍，则只能有一种传输模式，即沿着纤芯直线传播，这类光纤称为单模光纤。多模光纤可以是阶跃型，也可以是渐变型，而单模光纤大多为阶跃型。

2 光纤传感器的工作原理

2.1 光纤的传光原理

光的全反射现象是研究光纤传光原理的基础。根据几何光学原理，当光线以较小的入射角θ1由光密介质 1 射向光疏介质 2（即 n1＞n2）时（见图1），则一部分入射光将以折射角θ2折射入介质 2，其余部分仍以θ1反射回介质1。

依据光折射和反射的斯涅尔（Snell）定律，当θ1逐渐增大，直至θ1=θc时，透射入介质2的折射光也逐渐折向界面，直至沿界面传播。对应于折射角θ2=90°时的入射角θ1称为临界角θc；当θ1＞θc时，光线将不再折射入介质2，而在介质1（纤芯）内产生连续向前的全反射，直至由终端面射出。这就是光纤传光的工作原理。光在纤芯和包层的界面处的全反射是光在光纤中传播的必要条件。在全反射情况下，光在光纤中的传输功率可达 99.9%

。如果光纤制造不理想，在纤芯与包层界面处有缺陷，就会导致有折射光进入包层，

从而造成光的功率损耗[4]。

2.2 光纤传感器基本构成及原理

光纤传感器是利用光导纤维的传光特性，把被测量转换为光特性（强度、相位、偏振态、频率、波长）改变的传感器。光纤传感器一般由光源、入射光纤、出射光纤、光调制器、光探测器及解调器等组成（如图 2所示）。其基本工作原理是将来自光源的光经过入射光纤送入调制区，光在调制区内与外界被测量相互作用，使光的光学性质（如光的强度、波长、频率、相位、偏振态等）发生变化而成为被调制的信号光，再经出射光纤送入光探测器、解调器而获得被测参数[6]。

3 光纤传感器的分类

3.1 按传感原理分类

光纤传感器按传感原理可分为两类：一类是传光型（或称非功能型）传感器；另一类是传感型（或称功能型）传感器[6]。

3.1.1 非功能型传感器

非功能型传感器是利用其他敏感元件感受被测量的变化，光纤仅作为信息的传输介质，常采用单模光纤。光纤在其中仅起导光作用，光照在光敏感元件上受被测量调制[7]。其优点是无需特殊光纤及其他特殊技术，比较容易实现，成本低。缺点是灵敏度较低。因此，常用于灵敏度要求不太高的场合。目前实际应用的光纤传感器大多是非功能型的。

3.1.2 功能型传感器

功能型传感器是利用光纤本身的特性把光纤作为敏感元件，被测量对光纤内传输的光进行调制，使传输光的强度、相位、频率或偏振态等特性发生变化，再通过对被调制过的信号进行解调，从而得出被测信号。光纤在其中不仅是导光媒质，而且也是敏感元件，光纤同时具有“传”和“感”的功能，光在光纤内受被测量调制，多采用多模光纤[7]。其优点是结构紧凑，灵敏度高。缺点是须用特殊光纤，成本高。典型例子，如光纤陀螺等。

3.2 其他分类方法

光纤传感器按被调制的光波参数不同可以分为强度调制光纤传感器、相位调制光纤传感器、频率调制光纤传感器、偏振调制光纤传感器和波长（颜色）调制光纤传感器。光纤传感器按被测对象的不同可以分为光纤温度传感器、光纤压力传感器、光纤位移传感器、光纤浓度传感器、光纤电流传感器、光纤流速传感器等[8]。

4 光纤传感器的特点

光纤传感器用光纤作为传递信息的媒介，具有光纤和光学测量的一些特点[9]：（1）抗电磁干扰。光纤传感器应用光纤的光学特性，因此可以抵抗电磁干扰，特别适用于大电流、强磁场、强辐射等环境，能够解决很多传统传感器无法解决的问题；（2）电绝缘。光纤传感器中的光纤是电介质，敏感元件也可用电介质制作，因此具有良好的电绝缘性，特别适合高压供电系统的测量；（3）高灵敏度。利用光作为信息载体，具有光学测量高灵敏度的特点，可以实现某些精密测量；（4）低损耗。由于光纤的传输损耗很小，因此利用光纤传感器技术可实现对被测量的远距离监控。例如光纤温度传感器，与传统的温度传感器相比，它具有许多优点：电绝缘、抗电磁干扰、非侵入性和高灵敏度，容易实现对被测信号的远距离监控。其几何形状有多方面的适应性，传输频带宽，可以是一个电气无源系统。因此还具有耐水性好、抗腐蚀性强、可高密度传输数据等特点[10]。

5 光纤弯曲损耗

在实际使用光纤的过程中不可避免地存在弯曲，此外为了获取具有某些特殊性质的器件，也需要将光纤弯曲（如光纤偏振器）。因此，研究光纤弯曲对其特征参量的影响非常重要[11]。当光纤弯曲曲率大到一定程度后，光的传输途径会改变，一部分光渗透到包层中或者穿过包层成为辐射模向外泄漏损失掉，从而产生弯曲损耗[12]。光纤弯曲损耗分为微弯损耗和宏弯损耗两种。

5.1 微弯损耗

微弯损耗是光纤的曲率半径比光纤直径小，通常是光纤轴产生微米级的弯曲（微弯）引起的附加损耗。光纤微弯传感器是利用光纤的微弯损耗效应来探测外界物理量的变化，是典型的强度调制型光纤传感器。目前，光纤微弯传感已是较成熟的传感手段。但是光纤微弯传感系统需要外加变形器来形成有效的传感部位，要求变形器具有很高的精度；同时在一些特殊场合，例如智能结构中的应用就受到了限制；而且微弯光纤弯曲部分的尺寸只在微米级，这使微弯传感器只能在很小的位移范围内操作，所能感测的外界变化量较小[12]。

5.2 宏弯损耗

当光纤弯曲时，光在弯曲部分中进行传输，要想保持同相位的电磁场在一个平面里，则传导模的平面波前必须以弯曲光纤的曲率中心为中心旋转，故越靠近外侧，其沿光纤轴的纵向速度必须越大，当超过某个临界曲率时，相速度就会大于包层平面波的相速度，传导模就会变成辐射模，从而引起光束功率的损耗，这就是宏弯损耗[13]。宏弯损耗是光纤的曲率半径比光纤直径大的多的弯曲（宏弯）引起的附加损耗。相比之下，光纤宏弯传感器具有使用时不需要外加变形器、结构简单、易操作、灵敏度高、稳定性好等优点，因此，应用范围更加广泛[12]。

6 光纤传感技术的发展现状与军事应用

6.1 光纤传感技术的发展现状

近年来，随着研究的深入和技术的创新，光纤传感技术取得了较快的发展，其中比较突出地体现在以下四个方面[14]。

（1）光纤光栅传感器[2，15]。光纤光栅传感器是最近几年国内外传感器领域的研究热

点之一。常见的光纤光栅传感器通过测量布喇格波长的漂移实现对被测量的检测。光纤光栅传感器具有灵敏度高，易构成分布式结构，在一根光纤内可以实现多点测量，可对大型构件进行实时安全监测，也可以代替其他类型结构的光纤传感器，用于化学、压力、加速度传感中。光纤光栅传感器由于其独特的优势，适用于多种场合测量。国内外对其进行了大量的研究，主要集中在以下几个方面：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；开发低成本、小型化、可靠且灵敏的探测技术系统的研究；实际应用研究，包括封装技术、温度补偿技术、传感网络技术。目前，随着实用、廉价的波长解调技术进一步发展完善，光纤光栅传感技术已经向成熟阶段接近，部分也已经商用化。但在性能和功能方面需要提高。

（2）阵列复用传感系统[16-17]。阵列式光纤传感系统即采用波分复用、空分复用、时分复用等方式，将单点光纤传感器阵列化，实现空间多点的同时或者分时传感，也称为准分布式系统。目前应用最为广泛的是光纤光栅阵列传感和基于干涉结构的阵列光纤传感系统。阵列化光纤传感的优点是可以实现大范围、长距离多点传感，是大规模光纤传感发展的一个重要趋势。今后，阵列式光纤传感系统的研究方向是综合复用方式的应用，如相干光纤光栅组结构，将光纤光栅高波长选择性能、易与光纤耦合、插入损耗低的优点与干涉型结构灵敏度高、检测速度快的优点相结合，非常适合大规模组网传感。而阵列化的发展方向也对各个传感元的灵敏度、稳定性、批量制作可重复性、解调的快捷准确等提出新的要求。

（3）分布式光纤传感系统[17-18]。分布式光纤传感系统是根据沿线光波分布参量，同时获取在传感光纤区域内随时间和空间变化的被测量的分布信息，可以实现长距离、大范围的连续、长期传感，也是当今光纤传感发展的一个重要趋势。目前，基于各种散射机理的分布式传感系统是光纤传感领域的一个研究热点，包括后向瑞利散射分布式光纤传感技术、基于自发及受激拉曼散射的分布式传感技术、基于自发及受激布里渊散射的分布式光纤传感技术、前向传输模耦合技术等。不同技术具有自身的特点，在具体应用中应该根据需要恰当选择。分布式光纤传感系统在空间上具备测量的连续性，避免使用大量分立的传感元件，降低了传感部分的系统成本。

（4）智能化光纤传感系统[17，19]。目前光纤传感的智能化主要体现在光纤传感与通信技术及计算机技术的融合，实现各种功能的智能化，实现信号获取、存储、传输、处理于一体。智能化光纤传感系统在许多新型应用领域受到广泛关注，如智能材料、环境感知、声发射检测、石油测井等。基于光纤传感的智能材料可以实现对周围环境变化的自判断性、自适应性、自诊断性、自修复性等诸多性能，在汽车工业、航空航天、医疗、安防、体育及土木工程等领域有着广泛的应用。

6.2 光纤传感技术的国防军事应用

6.2.1光纤陀螺

光纤陀螺[20](OFG)是随着光纤技术迅速发展而出现的一种新型光纤旋转传感器。由于它的相位调制传感方式具有极高灵敏度以及精巧和高机械强度的实用性,将成为航天、航空、航海等诸多领域中最具有发展前景的惯性部件。光纤陀螺与传统的机械陀螺相比具有以下优点:(1)没有运动部件,不存在磨损,因此寿命长,启动快; (2)构造简单,可靠性高;(3)耗电小;(4)动态范围宽等。近几年出现的光纤陀螺是应用Sagnac效应做传感原理,把旋转传感器的灵敏度提高了几个数量级,展现出极大的开发潜力。如图3所示是由N匝光纤线圈构成的光纤陀螺简单原理结构。激光器发射的光由分光器(或合光器)分为二束光,分别被耦合到光纤线圈的两端,并沿相反的方向传送,最后再由同一分光器(作合光器用)组合在一起送到光电检测器。当系统不旋转时,二束光将产生相消或相长的干涉(取决于分光器类型)。当光纤

线圈以角速度ω顺时针旋转(或逆时针旋转,其结论是相同的)时,由二光束到达检测器时的相差就可确定角速度ω。

图3 光纤陀螺原理结构图

就原理结构而言,光纤陀螺仪可分为干涉型光纤陀螺仪(IFOG)、环形谐振腔式光纤陀螺仪(RFOG)和利用光纤谐振腔中产生的受激布里渊散射得到激光振荡,从其振荡频率变换中检测出载体旋转的第3代光纤陀螺仪(BFOG)。环形谐振腔式光纤陀螺仪又分为全光纤型和集成光学型两种类型,由于它利用了高精度光纤谐振腔结构,其灵敏度与光纤长度无关,所以用短光纤(5～ 10m)就能达到很高的精度,而且能减小由于温度分布不均匀所导致的输出偏移,同时降低成本。干涉型光纤陀螺仪采用低相干(宽频带)光源,谐振腔光纤陀螺仪则采用高相干 (窄频带)光源,所以其稳定性优于干涉型光纤陀螺仪。第3代光纤陀螺仪是利用光纤环形谐振腔中产生的受激布里渊散射得到环形谐振器,以此实现陀螺功能。当光纤环中传输的光强度达到一定程度就会产生布里渊散射,散射光的频率由于受到Sagnac效应的影响而随光纤环的旋转角速度发生变化。检测顺时针和逆时针光产生的散射光频率,并进行拍频处理,就可以得到光纤环的旋转角速度。由于这种光纤陀螺仪直接给出频率,所以特别适合捷联系统,这种方式期待能简化光路结构,目前正处于研究阶段。

光纤陀螺是惯性导航系统中应用最多,也是决定该系统成本、精度的一个重要部件。据美国军事专家预测, 21世纪初,不仅全部飞机、舰艇、潜艇以及导弹均将装备光纤陀螺进行导航和制导,而且卫星、宇宙飞船也将装备光纤陀螺,进行与地形跟踪、匹配和导向,以及用于火箭“升空”途径的确定等。光纤制导导弹(FOG- M)的概念提出于1972年,但其发展是在80年代初期。美国陆军的项目主要用于反坦克和反武装直升飞机。早期设计的射程仅10km。美国海军的项目则主要用于空对空、空对地及舰对舰作战。美国陆军在1989～ 1991年用于FOG- M的开发经费都在1亿美元左右。进行了40次以上的点火试验,后因研制费用太高而于1991年项目被取消。海湾战争中,美军在用轻武器抗衡重武器或装甲编队时意识到,需要一种可以展开又保持攻击装甲编队所需杀伤力的轻、重应急武器,而FOG- M正好能满足这种极有杀伤力、存活率、高度可展开和灵活的系统的需要。为了给陆军快速反应部队提供对付远距离的直升机和坦克的手段,美国又恢复了FOG- M的研制。计划于1994年初进入演示与验证阶段, 1997～ 1998财政年度开始低速生产。最近有报道,美国陆军导弹司令部正在对远程光纤制导导弹进行技术演示,该导弹能击中100km外的运动目标。FOG- M不仅受到美国军方的重视,德国也进行了开发研究,并得到了法国的合作,意大利也加入其中,三国共同制定了三边光纤导弹(TRIFOM)计划。其中Polypheme20型用于对付师级装甲车、直升机,可装在轻型或高机动车辆上,射程为15km;Polypheme60型用于杀伤纵深特定的固定或低机动性的目标,射程为60km; PolyphemeSM型用于潜艇水下数百米深处发射,反直升机或飞机,

射程

为10km。在1996年10月于巴黎举办的欧洲舰艇博览会上,法国宇航公司导弹部展出了新研制的光纤制导多用途舰载导弹。巴西也在1995年的巴黎航空展览会上展出了20km射程的FOG- M。

光纤制导鱼雷与光纤制导导弹一样,光纤制导鱼雷能大大改善鱼雷的攻击性能。美国海军海洋系统中心试验的光纤制导鱼雷,制导距离5km,速度18节(33km/h),进一步的试验将达70节(130km/h),射程则将扩大到100km。其关键是光缆及其放线技术和先进的光纤水听器,法国也进行了成功的光纤制导鱼雷的试验,制导距离达到了20km。

6.2.2光纤智能结构

智能结构是近几年在国际上兴起的由多学科交叉发展的新兴科学领域。所谓智能结构,就是将传感和驱动元件紧密融合在材料或结构中,同时也将控制、逻辑、信号放大及处理等电路集成于结构中,通过外界的激励与控制,使其除具有承受载荷的能力外,还具有识别、分析、处理及控制等多种功能,从而使结构本身能按智能的方式进行自诊断、自适应、自学习,并在其受到损伤时具有自修复、自增值、自衰减等的能力[21]。所以,智能结构具有巨大的应用前景。在国防领域,智能结构适应了航空航天技术的需求,不仅可增强结构的功能,优化结构形式,减轻重量,提高生存能力,更重要的是它能促使飞行器制造、维护等观念的更新。传感器是关系到结构功能好坏的关键之一,而光纤传感器由于具有尺寸小、重量轻、可挠曲、耐腐蚀、电绝缘、不受电磁干扰、集传输和传感于一体等特点,被认为是智能结构中最受青睐的传感器[22],所以说光纤传感器对于智能结构的实现意义重大。

9 0年代初[23],美国军方看到了智能结构的价值,提出了一些计划项目以开发智能材料和智能结构,并证明系统的可行性。主要目标集中于航空航天结构上,但美国陆海空三军、国防高级研究计划局和NASA都提出了一些目的用于飞机、直升飞机和潜艇的项目。应用的目标包括空气动力学和流体力学的流量控制、振动和噪声抑制、升力表面的最优化及飞行表面的控制等。例如,智能机翼(SmartWing)计划的目标是用于控制机翼的扭转和曲面。其中就使用了光纤压力计、光纤应变仪和压电致动器。结构完好性的监测是近期最可能实施的领域,因为采用光纤传感器已证明比声发射传感器更灵敏,能够检测翼梁中用常规应变规不能检测出来的小量扭矩。这种技术用于F/A- 18飞机舱壁的全面疲劳试验可提高安全性和减少维护量,仅F- 18机群预计就可节省3500万美元。

光纤智能结构也激发了海军的好奇心。美国海军研究实验室正在进行监测救生筏复合物外壳的研究,其中埋置了大约100个布拉格光栅传感器,以检测应变,然后找出此信息与外壳损伤的相互关系。NASA打算选择光纤传感器用于X- 33,要重新使用空间飞船以减轻飞船的重量,并用埋置光纤布拉格光栅传感器的光纤智能结构技术来监测其内部氢燃料罐的“健康”。该系统采用16根有源光纤,每根光纤带20到25个单点布拉格光栅传感器。而采用非本征法布里-珀罗传感器则最多只能安排4个。美国已将基于光纤传感器的智能结构技术在F- 18, F- 22, JSF等战斗机、X- 33航天飞机、DALTAII火箭上进行了初步应用研究。欧洲在联合研制的Eurofight2000新型战斗机上亦采用了基于光纤传感器的结构健康监测技术[24]。

光纤智能结构/蒙皮是指在飞行器的结构部件/外壳内埋置(或安装)有光纤传感网络,该网络与计算机相连,可对飞行器各处应力、温度等诸多参量进行实时检测,若再将计算机与执行系统相连,则可动态调整飞行器的结构,以获得最佳的飞行性能。自1985年美国空军提出“智能蒙皮”这项具有创新意识的新技术构想之后,美国空军、海军、宇航中心、波音公司以及美国各高等院校及相关研究机构都投入大量人力和物力进行可行性预研。该项目的提出也引起了国际学术界的高度重视,英国、法国、加拿大、意大利等国也对该项目进行了大量的研究。并已造出第一架具有损伤评估系统的飞机(DASH- 8),美国的X- 30航天智能结构飞机也可望于不久的将来试飞。

据美国《航空周刊》网站报道,传感器经营公司与西门子集团下属的一个主要防御公司合作开发灵巧蒙皮,并准备在今后2～ 3年内进行首次飞行试验。灵巧蒙皮将形成一层轻重量、低能量的敏捷天线,使飞机的整个蒙皮成为一个通信和雷达系统,并可从各个方向接收电子信号。该公司与英国航宇系统公司具有紧密的合作关系,正在为欧洲战斗机的样机进行灵巧蒙皮的研制工作。该蒙皮有3个作用:充当雷达、辅助通信以及作为主动隐身系统。公司已经在移动电话和卫星通信技术上开发了必要的技术,目前的困难是如何使用驱动此技术所必需的波导算法把这些技术集成到一起。系统试验拟在一个吊舱构件上进行,因为在整个机身表面进行试验的费用相当昂贵。

6.2.3光纤水听器

光纤水听器是利用光纤的传光特性以及它与周围环境相互作用产生的种种调制效应,在海洋中侦听声场信号的仪器[25]。它与传统的压电水听器相比,具有极高的灵敏度(高出3个数量级)、足够大的动态范围、本质的抗电磁干扰能力、无阻抗匹配要求、系统“湿端”质量轻和结构的任意性等优势,因此足以应付来自潜艇静噪技术不断提高的挑战,适应了各发达国家反潜战略的要求,被视为国防技术重点开发项目之一。

光纤水听器所探测的信号源为水下目标发出或反射的声波。水声波牵动水粒子位移引起的水密度变化产生水声波压变化。水声波压对光纤水听器产生调制,形成水听器的探测信号。光纤水听器所采用的调制类型主要有光强调制、偏振调制和相位调制。由于相位调制具有灵敏度高、易于实现全光纤化等一系列优点,基于相位调制的干涉型水听器成为当前光纤水听器研究开发的主导型。近年来随着光纤光栅技术的迅速发展,光纤光栅水听器及光纤光栅水听器的研究也取得进展,如光纤布喇隔光栅激光水听器等。光强调制型光纤水听器研究开发比较早,主要有微弯光纤水听器、多模耦合波导光纤水听器、受抑内反射(FTIR)光纤水听器、光栅光纤水听器等。其中微弯光纤水听器的检测阈值已达到60dB(相对于1μPa)。相位调制型光纤水听器属于功能型调制,其基本原理是将传感光纤置于待测水体中,当受到水声波扰动时,传感光纤受水声压作用导致光纤长度、直径和折射率发生变化而产生光波相位变化,测量传感光纤中光波相位的变化即可知相应的水声压。因为光纤干涉仪是光纤水听器中测量相位差的必需手段,通常将相位调制型光纤水听器称为干涉型光纤水听器,相位调制型光纤水听器的解调结构也主要是指采用的光纤干涉仪的结构形式。干涉型光纤水听器是目前国内外研究最多,技术较为成熟的光纤水听器。现代光纤水听器,一般都是指这种类型的水听器。其最大优点是灵敏度高,通常比传统压电水听器高3个量级以上;而且抗电磁干扰,容易实现全光纤化,适合组成拖曳阵列。

光纤水听器技术的研究在80年代初就引起各国的高度重视,其在军事上的主要应用为:全光纤水听器拖曳阵列;全光纤海底声监视系统(Ariaden计划);全光纤轻型潜艇和水面舰船共形水听器阵列;超低频光纤梯度水听器;海洋环境噪声及安静型潜艇噪声测量。美国对这项技术的研究尤为重视,到1992财政年度已投入超过1亿美元的研究和开发经费。美国海军研究实验室(NRL)、海军水下装备中心(NUWC)、Gould公司海事系统分公司、Litton制导和控制公司联合开发了全光纤水听器拖曳阵列(AOTA)、潜艇和水面舰船共形水听器阵列(LW-PA)等各种不同反潜应用类型的海试系统,经过大量海上试验,已达可以部署的状态。目前他们正在开发大规模(几百个单元)的全光纤水听器阵列系统及其相关技术。近10年来,美国已对全光纤水听器及其阵列的各种应用场合都进行了试验,试验结果很成功。英国对水听器的研究主要由Plessey国防研究分公司、海军系统分公司和马可尼水下系统有限公司承担,开发了全光纤水听器拖曳阵列、海底声监视系统等各种不同反潜应用的海试系统,也进行了一系列海上试验。

6.2.4军用机器人

军用机器人[26]是泛指用于军事目的的机器人系统,如用于排雷机器人及陆上扫雷坦克,用于接触爆炸物品和处理报废化学武器的防爆机器人及防化机器人,用于战场自动化补给弹药及军工生产中采用的军用机器人等。由于光纤具有的独特优点,光纤技术其中包括光纤传感技术开始越来越多地在军用机器人中得到应用。目前开始研制或已经研制的军用机器人光纤传感器,主要有机器人触觉传感器和接近觉传感器。触觉是机器人知觉系统的一个重要组成部分,随着光纤传感技术的发展,国内外已经开发出一些实用的光纤机器人触觉传感器或与其它类型传感方法联合使用的组合式机器人触觉传感器。光纤传感器有功能型和非功能型之分:功能型光纤机器人触觉传感器,如利用光纤微弯损耗机理研制的机器人触须式光纤触觉传感器。非功能型光纤触觉传感器如用于敏感机器人手抓触觉,主要有两种类型:一种是位移式(反射式)光强调制型机器人触觉传感器,另一种是受抑全内反射式光调制型光纤机器人触觉传感器。

机器人在使用中几乎都要求手爪开环运行机械系统能高精度定位,这就要求手爪对接近被抓物体的距离进行感知,即所谓接近觉。特别是对于防爆机器人,所抓物体一般是易燃、易碎物,需要尽量减小抓握时的冲击力,以便缓慢、对称的定位,因而在手爪上需要配置感知接近被抓物体距离的接近觉传感器。光纤接近觉传感器由于光纤具有的特殊优点,如体积小、重量轻、可以任意弯曲、抗电磁干扰等,不失为一种合适的选择。如图4所示是一种漫反射式防爆机器人光纤接近觉传感器系统。根据所掌握的资料及信息,当前国内外光纤接近觉传感技术的发展[27]将以强度调制光纤传感机理为主,同时具有传感功能集成(位姿型)化、测量范围的扩大化、动态性能和鲁棒性能的增强化以及传感信息融合化的特点。

图4 防爆机器人光纤接近觉传感器系统示意图

7结论

光纤传感技术由于其诸多优点，被投入越来越多的研究。虽然没有像光纤通信技术那样非常成功地商业化，但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）多用途，即对多种物理量进行同时测量；（4）提高分布式传感器的空间分辨率、灵敏度，降低成本，设计复杂的传感器网络工程；（5）新型传感传感技术的研究；（6）在恶劣环境下低成本传感器的开发和应用；因此，光纤传感器可能发展趋势有：（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。

而国防军用光纤传感技术经过多年的研究开发已取得了丰硕的成果,经过了海湾战争的考验,现在已进入实用阶段,并逐步装备部队。可以预见, 21世纪光纤传感技术的军事应用将对部队的建设、武器装备的改善起到举足轻重的作用,成为军队现代化的标志之一。光纤传感技术的军事应用引起了各国军方的重视,光纤制导导弹、光纤遥控武器、光纤陀螺、光纤水听器等发展较早的技术将能逐步装备部队。光控相控阵雷达、光控飞行、光纤智能结构和蒙皮、光纤光栅技术等新技术尚在研究阶段,需要投入更多的人力、物力与财力才能真正在军事装备上得到应用。

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