应用于海洋环境和海洋工程的光纤传感技术

刘甲林+颜士民+刘俊生

摘 要：随着经济的发展，海洋污染问题越来越严重，各国越来越重视对海洋环境的保护。利用光纤传感技术，能够提高对海洋的监测能力，对海洋的风险进行预测，对海洋环境污染进行治理，有利于海洋资源的开发，能够促进我国的经济发展。本文针对应用于海洋环境与海洋工程的光纤传感技术进行研究，论述了光纤水听器在海洋工程中的应用，以及水位传感技术与光纤振动在海底地震海啸监测中的应用。

关键词：海洋环境；海洋工程；光纤传感技术；原理

一、光纤水听器在海洋工程中的应用

核潜艇技术与潜射导弹技术在不断进步，使用产生的噪音也越来越低，压电声纳的灵敏度已经邻近极限，探潜能力具有一定的局限性。以美国为主的西方国家，对光纤水听器进行了精细的研究，并且取得了一定的成果，对于我国的海洋工程具有借鉴意义[1]。国内投资大量资金，成立专门的研究小组进行研究，目前还处于初级阶段。光纤光栅传感器不仅具有普通传感器的功能，还能够根据光波波长的调制机理，不被光源强度的强弱影响。采用特定的技术，可以在一根光纤上串接多个光纤光栅，从而去对陈列式的水听声纳传感进行检测。

（一）光纤光栅水听器的传感原理。光纤布拉格光栅水听声纳，采用的是FBG传感特性设计，其属于水中声波传感器。其传感原理是，在特殊的声压敏感器上面安装FBG，声压敏感器会收集水中的声波作用于FBG，导致其发生应变，FBG的周期会被改变中心波长会发生偏移。光纤光栅调节系统能够精准的测算出波长的变化量，从而去确定水声信号的变化量。光源会发出带宽比较宽的光波，进入到光纤光栅内，其会将特定波长的光波进行反射，主要是由于其具有波长选择性，只要检测反射光的波长偏移量即可完成传感过程。

（二）光纤光栅水听器系统介绍。如下图1所示，是非平衡M-Z干涉解调光纤光栅水听器的基本构造图。其主要是采用非平衡的M-Z干涉结构，使得传感光栅中的中心波長变化量转换成为相位的变化值，再进行调解干涉输出的光波相位信号，从而去得到波长的变化，提升系统探测的灵敏度。图1中光源发出的宽带光，通过环行器进入到传感光栅，再通过光栅反射的窄带光波进入到非平衡干涉结构，在3X3光纤耦合器形成干涉。

（三）光纤光栅水听器技术总结。为使得光纤光栅水听器具有机械与光学的稳定性，需要对光纤光栅进行环境试验。试验的过程是，将其放在温度为90摄氏度，相对湿度为90%的恒温恒湿温度箱中2000h；并在-40～85℃的温度中循环2000次，看其光学性能的变化。若是其光学性能无明显变化，则证明光纤光栅水听器具有机械与光学的稳定性。判断光纤光栅的使用寿命，可以采用加速老化的办法，根据可以预测光纤光栅反射以及透射率随时间环境因素的变化关系去进行判断。光纤光栅水听器使用的海底环境相对复杂，需要采用适合环境的封装材料与光纤光栅粘结材料。利用多参量同时测量的方式，能够消除光纤光栅对温度、应力等的交叉敏感性。可以采用SLED光源去扩大光纤光栅水听器的探测范围，扩大光源的输出功率，提高检测信号的强度。光纤光栅水听器的敏感度，主要是敏感材料的性能来决定，同时也受波长调节系统的灵敏度影响。

二、水位传感技术与光纤振动

水位传感技术与光纤振动，主要是应用于海底地震海啸监测。海底地震监测，属于超低频、大移位的振动测量，并且测量区域较为复杂，需要长期的进行监测，过程难度较大，构建海底网络监测的成本巨大，维护需要耗费的成本较高。但若是海底地震海啸监测系统一旦建成，会给人类带来不可估量的利益。光学式地震计与光学式水位计利用的是光纤作为传播介质，用其建造的海底地震海啸监测网络，比其它的地震波检测仪器功能更加强大。

（一）光纤干涉原理。利用光纤干涉原理建成的传感器，是目前我国最为先进的测量技术之一，其具有超高的准确性，能够对海底复杂的环境与海底地震进行全面的监测。全光纤观测网络的构成，能够满足海底监测的需求，普遍在国际上应用，并且在不断研发中。光纤干涉式检波器，主要是利用弹性膜片与弹性顺变柱。海底环境的振动变化，或者是压力会导致膜片与顺变柱变形，使得膜片与顺变柱耦合的光纤折射率与长度发生改变，从而引起干涉光强度的改变。

（二）光纤干涉检波系统。光纤干涉检波系统的工作原理是：光源发出具有强制信号的连续光，通过长距离的传输作用于海底传感单元内部2X2耦合器；再分成两道光束进入到光纤干涉臂。若是检波器对于外界的地震信号进行响应，干涉臂的反馈信号中则会含有振动信息的振动信号；此信号再通过长距离的传输，返回到主机内部的光电探测器，经过放大之后，生成电信号由于调制信号，再传递给数据收集卡，从而转化为数字信息；经过分析解调之后得到最终的振频，以及相关的原始数据。

三、结论

综上所述，光纤水听器在海洋工程中的应用，主要包括光纤光栅水听器的传感原理，光纤光栅水听器系统介绍，以及光纤光栅水听器技术总结。水位传感技术与光纤振动，通过光纤干涉原理建成的传感器，能够实现对海底地震海啸的监测。

参考文献：

[1]崔洪亮，于淼，常天英，等.应用于海洋环境和海洋工程的光纤传感技术[J].吉林大学学报（地球科学版），2017，01：279-293.