應用于海洋環境和海洋工程的光纖傳感技術

劉甲林+顏士民+劉俊生

摘 要：隨著經濟的發展，海洋污染問題越來越嚴重，各國越來越重視對海洋環境的保護。利用光纖傳感技術，能夠提高對海洋的監測能力，對海洋的風險進行預測，對海洋環境污染進行治理，有利于海洋資源的開發，能夠促進我國的經濟發展。本文針對應用于海洋環境與海洋工程的光纖傳感技術進行研究，論述了光纖水聽器在海洋工程中的應用，以及水位傳感技術與光纖振動在海底地震海嘯監測中的應用。

關鍵詞：海洋環境；海洋工程；光纖傳感技術；原理

一、光纖水聽器在海洋工程中的應用

核潛艇技術與潛射導彈技術在不斷進步，使用產生的噪音也越來越低，壓電聲納的靈敏度已經鄰近極限，探潛能力具有一定的局限性。以美國為主的西方國家，對光纖水聽器進行了精細的研究，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]。國內投資大量資金，成立專門的研究小組進行研究，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，還能夠根據光波波長的調制機理，不被光源強度的強弱影響。采用特定的技術，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，導致其發生應變，FBG的周期會被改變中心波長會發生偏移。光纖光柵調節系統能夠精準的測算出波長的變化量，從而去確定水聲信號的變化量。光源會發出帶寬比較寬的光波，進入到光纖光柵內，其會將特定波長的光波進行反射，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介紹。如下圖1所示，是非平衡M-Z干涉解調光纖光柵水聽器的基本構造圖。其主要是采用非平衡的M-Z干涉結構，使得傳感光柵中的中心波長變化量轉換成為相位的變化值，再進行調解干涉輸出的光波相位信號，從而去得到波長的變化，提升系統探測的靈敏度。圖1中光源發出的寬帶光，通過環行器進入到傳感光柵，再通過光柵反射的窄帶光波進入到非平衡干涉結構，在3X3光纖耦合器形成干涉。

（三）光纖光柵水聽器技術總結。為使得光纖光柵水聽器具有機械與光學的穩定性，需要對光纖光柵進行環境試驗。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2000次，看其光學性能的變化。若是其光學性能無明顯變化，則證明光纖光柵水聽器具有機械與光學的穩定性。判斷光纖光柵的使用壽命，可以采用加速老化的辦法，根據可以預測光纖光柵反射以及透射率隨時間環境因素的變化關系去進行判斷。光纖光柵水聽器使用的海底環境相對復雜，需要采用適合環境的封裝材料與光纖光柵粘結材料。利用多參量同時測量的方式，能夠消除光纖光柵對溫度、應力等的交叉敏感性。可以采用SLED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，同時也受波長調節系統的靈敏度影響。

二、水位傳感技術與光纖振動

水位傳感技術與光纖振動，主要是應用于海底地震海嘯監測。海底地震監測，屬于超低頻、大移位的振動測量，并且測量區域較為復雜，需要長期的進行監測，過程難度較大，構建海底網絡監測的成本巨大，維護需要耗費的成本較高。但若是海底地震海嘯監測系統一旦建成，會給人類帶來不可估量的利益。光學式地震計與光學式水位計利用的是光纖作為傳播介質，用其建造的海底地震海嘯監測網絡，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的測量技術之一，其具有超高的準確性，能夠對海底復雜的環境與海底地震進行全面的監測。全光纖觀測網絡的構成，能夠滿足海底監測的需求，普遍在國際上應用，并且在不斷研發中。光纖干涉式檢波器，主要是利用彈性膜片與彈性順變柱。海底環境的振動變化，或者是壓力會導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生改變，從而引起干涉光強度的改變。

（二）光纖干涉檢波系統。光纖干涉檢波系統的工作原理是：光源發出具有強制信號的連續光，通過長距離的傳輸作用于海底傳感單元內部2X2耦合器；再分成兩道光束進入到光纖干涉臂。若是檢波器對于外界的地震信號進行響應，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，返回到主機內部的光電探測器，經過放大之后，生成電信號由于調制信號，再傳遞給數據收集卡，從而轉化為數字信息；經過分析解調之后得到最終的振頻，以及相關的原始數據。

三、結論

綜上所述，光纖水聽器在海洋工程中的應用，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介紹，以及光纖光柵水聽器技術總結。水位傳感技術與光纖振動，通過光纖干涉原理建成的傳感器，能夠實現對海底地震海嘯的監測。

參考文獻：

[1]崔洪亮，于淼，常天英，等.應用于海洋環境和海洋工程的光纖傳感技術[J].吉林大學學報（地球科學版），2017，01：279-293.