1、光電技術概論光電傳感光電傳感&光通信技術導論光通信技術導論 Introduction to the Technology of Optical Communication and Optoelectronic Sensors元秀華 內容提要 引言信息光電子概述 光電傳感器件與系統技術及其應用 光通信器件與系統技術及其應用引言信息光電子概述光電子科學與技術信息光電子能量光電子消費光電子生物光電子信息光電子概述 從功能上分：通信，傳輸，信息獲取、數據處理，存儲等 從器件上分：有源器件光源、光探測器、光放大器等；無源器件光纖、光學鏡頭、耦合器、環行器等。 器件與系統的關系 器件保障與提高系統水平，新

2、型系統促進器件發展。電磁波譜及光電技術應用覆蓋范圍可見光700nm微波200nm110nm紅外紫外線1mm調幅廣播x射線THz波宇航10cm光電傳感器件與系統技術及其應用Optoelectronic Sensors and its Application內容提要一、發展傳感器的動力與趨勢二、傳感技術的發展三、紅外傳感技術四、傳感技術的應用五、光纖光柵傳感器六、基于硅基傳感材料的光纖應變傳感器一、發展傳感器的動力與趨勢1、科學技術是第一生產力！ 鄧小平同志1988年指出：科學技術是第一生產力！ 江澤民同志1998年11月出訪俄羅斯，在新西伯利亞科學城演講： “人類的智慧無有窮盡。科學技術作為這種

3、智慧的一座光芒四射的燈塔，經過無數科學家們的艱辛努力，正在不斷地透過層層疊嶂照耀到更高的群峰之上?！?形象地描繪出科學技術的巨大作用及其發展趨勢。2、從歷史發展來看趨勢第一次工業革命： 從18世紀中葉到19世紀中葉，蒸汽機的廣泛使用，標志著科學技術成了第一次產業革命的前提和先導，機器大工業出現了，生產力的發展進入第一個突飛猛進時期。第二次工業革命： 從19世紀中葉到20世紀中葉，電磁學的發展導致了第二次產業革命電力技術革命。在第二次產業革命時期，人類開發和完善了鋼鐵、化工和電力生產三大技術，建立和發展了汽車、飛機和無線電技術三大產業，生產力的發展實現了又一次飛躍，科學技術和生產的關系日益緊密。

4、第三次浪潮：從20世紀中葉至今 以六大科技群體的崛起為標志，科學技術的發展開始進入全面突破、綜合創新的階段，科技與經濟的結合日益緊密，產業技術升級加快，高新技術產業在整個經濟中的比重不斷增加。科學技術在生產力發展中的作用發生質的突變，它逐步成為決定生產力總體水平高低的首要因素。 微電子等信息科技核能等新能源科技超導等新材料科技人造衛星等空間科技基因工程等生物科技海洋科技傳統： “生產技術科學”的發展模式，這種模式發揮主導作用持續相當長時期?，F在： 由于科學技術的進步與發展，出現了“科學技術生產”的發展趨勢?？茖W技術與生產的關系 4、科學技術對發展生產力的作用表現在四個方面：1）科學技術對生產力

5、發展具有加速效應。 從科學技術與各要素對生產力的促進作用看，科學技術對生產力的提高起著加速和倍增器的作用。 在生產力系統中，科學技術作為一個活躍的因素，通過對生產力其他各要素的滲透，從而使得生產力諸要素無論從量上還是質上都發生了根本性的飛躍，為生產力的飛速發展創造條件。 2）科學技術對生產力發展具有先導效應 今天，科學技術已經走在了生產的前頭，而且為生產的發展提供了各種可能的途徑，對生產的發展起著引導作用。 同時，科學技術的發展也推動了管理的科學化，把生產管理的科學化提到了一個全新的階段。 3）科學技術對其他生產要素具有提升效應。 作為生產力諸因素中的一個重要方面，生產資料的素質和效能的提高，

6、生產資料中的關鍵因素生產工具的改進和革新，都要依靠科技進步。 在現代化大生產中，科學技術強烈地改變著勞動者本身，改變著人。 4）科學技術對生產環境具有變革效應。 縱觀人類文明的發展史，科學技術的每一次重大突破，都會引起人們生活、生產環境的變化，并進而促進生產力的進一步發展和人類社會進步的加速。當今世界正經歷著一場以信息技術為代表的新的技術革命。新技術的普遍應用，正在把世界推進到一個新的時代。這種生活生產環境變革的結果，必然導致生產力的進一步加速發展。 恩格斯斷言： “生產力中也包括科學?！?“在馬克思看來，科學是一種在歷史上起推動作用的、革命的力量。任何一門理論科學中的每一個新發現它的實際應用

7、也許還根本無法預見都使馬克思感到衷心喜悅，而當他看到那種對工業、對一般歷史發展立即產生革命性影響的發現的時候，他的喜悅就非同尋常了?！?二、傳感器技術的發展 傳感技術事信息發展的產物，隨著現代信息社會的發展，傳感器作為一種高新信息技術，其地位、作用日益顯著。 上世紀80年代，美國認為世界進入傳感器時代，而日本也將傳感器技術列為十大技術之首。 我國，“八.五”期間已將傳感器技術列為重點科技攻關項目。1、傳感器技術涉及的應用領域遙感測量國防軍事應用航空、航天技術醫學應用環境監測交通、鐵路、能源多種測量儀器2、傳感器技術基本知識1) 傳感器定義：國際GB766587標準定義：能感受規定的被測量，并按

8、一定規律將其轉換為可用輸出信號的器件和裝置，一般由敏感元件、轉換元件組成。轉換元件敏感元件測量對象輸出信號2）傳感器分類： 按外界輸入信號變換為電信號采用的效應分類，可分為 物理傳感器； 化學傳感器 生物傳感器等按輸出量分類 位移、速度、角度、壓力、濃度、電流（電壓）、 濕度、溫度、真空、光、熱、氣體成分、 液面傳感器等多種。3、常見形式傳感器1)、光纖傳感器 原理： 利用光纖檢測外界被測量（電、溫度、壓力等）的變化引起的光纖中傳輸的光波參量（強度、相位、波長、偏振狀態等）按一定規律的變化，達到檢測外界物理量的目的。兩種檢測方式： 直接利用光纖檢測出其物理參量（折射率等）隨外界被測量的變化；

9、檢測光纖中傳輸的光信號的變化，光纖僅起傳輸作用。特點： 靈敏度高，響應速度快，動態范圍大，防電磁干擾，超高壓絕緣，機械強度高，體積小，重量輕，便于安裝，安全可靠，應用范圍寬，成本低等。應用范圍： 物理量測量：如溫度、大電流、超高壓、應力檢測等； 生物測量、生化分析、環境檢測 光纖傳感器的一般結構調制器光源入射光纖出射光纖光電轉換信號輸出 光譜、化學、熒光、射線等 多普勒、粒子運動 強度遮擋 偏振態聲光調制光纖信號探測原理 在晶體（如YAG、石英、LiNbO3等）的凹槽中嵌入光纖，形成連續的Hertzian接觸面，采用13.5GHz的超聲波作用于晶體上，晶體和光纖形成布拉格光柵，在晶體凹槽和光纖

10、表面對齊的情況下，光纖中的光信號發生布拉格衍射，部分光信號射出光纖，在該位置放置光電檢測器（如光電倍增管、光電池等）將檢測到出射的光信號，改變超聲波頻率將獲得對應的光纖信號，作出相應的曲線，即可實現對光纖信號的探測。 另一種應用類型的光纖傳感器探測原理高頻率的超聲波進入聲光晶體和光纖，形成Bragg光柵，在光纖中的光信號，在和超聲波波矢量滿足Bragg衍射的條件下，會溢出光纖，進入晶體或相反方向，設 為超聲波頻率， 為超聲波波長， ， 為輸入光纖中的光信號頻率， 為光信號波長， 為超聲波和光纖形成的角度， 為溢出光信號與光纖光軸間的夾角，則：(1 cos )sinlskk sss2sskllk

11、2探測時，0000000000sincossincos2coscos2ssssssssssssdkkdAAAkkdd溢出光信號振幅為000.89cossssd對應-3dB的響應點，可以通過下列關系式得到： tappeduntappedPP可以通過下面公式求溢出光效率：實驗模型探測效率與超聲頻率關系分布式光纖傳感器（1）靈敏度高，頻帶寬，動態范圍大。（2）電絕緣性能優良，抗電磁干擾好。（3）耐高壓，耐腐蝕，在易燃易爆環境中使用安全。（4）光纖柔軟，纖細，可以做成任意形狀的陣列，以實現多點、分布 式傳感。（5）信息容量大，可以與光纖遙感技術相配合，實現遠距離多通道的測量與控制。（6）光纖傳感系統易

12、于與計算機系統相連接，以實現多功能、智能化的測量。（7）傳感器體積小，結構緊湊，重量輕等特點。 分布式傳感系統可以定義為： 能在整個連續的光纖長度上，以距離的連續函數的形式傳感出被測參數隨光纖長度方向變化的儀器或者系統。分布式溫度傳感系統通常是將光纖沿溫度場排布，測量光在光纖中傳輸時產生的攜帶溫度信息的散射光，同時采用OTDR（Optical Time Domain Reflectometer）技術，就可以對沿光纖傳輸路徑上的溫度空間分布和隨時間變化的信息進行測量和監控。 基于拉曼散射的分布式光纖溫度傳感器基于布里淵散射的分布式光纖溫度傳感器拉曼散射譜基于拉曼散射的分布式光纖傳感原理后向散射正

13、斯托克思散射反斯托克斯散射分布式光纖溫度傳感器系統示意圖 1exp114xTkvhcIBasas xTkvhcIBssexp1114 xxTTxTPxTPxTRsasasssasexpexp04 xxTTxTRsasassexpexp1041 xTRxTRTxTxT101ln111Anti-Storkes光強與溫度關系Storkes光強與溫度關系二者比值恒溫條件下比值關系測量溫度值基于布里淵散射的分布式光纖傳感原理布里淵散射原理 布里淵頻移的大小 02/Ban其中，其中， 為布里淵頻移，為布里淵頻移，n為光纖纖芯折射率，為光為光纖纖芯折射率，為光纖中的聲波速度，為入射光在真空中的波長。纖中的聲

14、波速度，為入射光在真空中的波長。 對于對于普通的硅玻璃光纖：普通的硅玻璃光纖：n1.46， 5945 m/s，當注入，當注入光纖泵浦光的波長為光纖泵浦光的波長為1550 nm時，布里淵頻移時，布里淵頻移v11.2 GHz；1310 nm時，布里淵頻移時，布里淵頻移v13 GHz。Baa頻移和溫度的關系頻移和溫度的關系頻率掃描部分 微波源與信號在混頻器微波源與信號在混頻器中進行混頻，輸出的中頻信中進行混頻，輸出的中頻信號經低通濾波器濾波，采集號經低通濾波器濾波，采集處理后輸出顯示。調節可調處理后輸出顯示。調節可調微波源的中心頻率，可以改微波源的中心頻率，可以改變輸出中頻頻率，從而得到變輸出中頻頻

15、率，從而得到一系列對應不同頻率的輸出一系列對應不同頻率的輸出波形對沿光纖分布的每個點波形對沿光纖分布的每個點擬合出如圖所示的洛倫茲曲擬合出如圖所示的洛倫茲曲線，通過洛倫茲曲線上最大線，通過洛倫茲曲線上最大點對應的頻率值就可以得到點對應的頻率值就可以得到布里淵頻移信息，從而解析布里淵頻移信息，從而解析出溫度或應變信息。出溫度或應變信息。 因為布里淵頻移一般為因為布里淵頻移一般為11 GHz左右，所以該左右，所以該系統選擇的微波源為系統選擇的微波源為10-12 GHz可調微波源，以使可調微波源，以使混頻輸出的頻率落在較低的通帶內?；祛l輸出的頻率落在較低的通帶內。掃頻后進行傅里葉變化看到頻譜： 模擬

16、方案2、紅外傳感器 類型：熱型、熱釋電、光電型。特點：熱型，工作于室溫，靈敏度與波長無關；光電型，即半導體型，靈敏度高（與波長有關），響應速度快。應用范圍： 溫度、成像，半導體紅外傳感器主要用于軍事目標偵察，制導，夜視鏡，空對空/空對地（響尾蛇導彈）3、生物傳感器多種類型，如： 酶傳感器、細菌傳感器、微生物傳感器、免疫傳感器等。應用：識別各種有生命的生物高分子； 模擬生物具有的優秀感覺功能； 識別化學物質。4、醫學傳感器按對人體采樣分類： 體內、體外按功能分類：臨床化學、形態等按診療目的：一般檢查、預防、患者監視按工程分類：物理、化學醫療儀器應用： 現代醫學診斷是儀器診斷，有X-CT，超聲波，

17、核磁共振，閃爍檢查，放射性檢查，光學檢查、電氣化學、氙氣檢查5、納米傳感器 利用納米材料的特殊性質，制作特殊傳感器。 納米材料的四個基本效應：大表面特性，小尺度效應，量子尺寸效應，宏觀量子隧道效應 尺寸：1nm到200nm。同一種材料，不同尺寸，效果完全不一樣！主要應用： 納米生物傳感，微電機械（MEMS），微機器人。 例如：藥物定向靶向輸送，原子力測試，原子囚禁，微機器人操作等。6、家庭電子傳感器 居室條件：空調、取暖、電氣沙發、電熱吹風等 洗衣機、電熨斗、電熱水器、冰箱、電飯煲等 電視、音響 各類遙控家用電子設備 汽車防盜7、海洋科學傳感器 應用環境惡劣，對傳感器結構和可靠性要求極高。如：

18、防水、機械強度，抗干擾性能，耐腐蝕等。應用：水下攝影，測距、海底電纜，光纜，水中機器人操作等。8、原子能傳感器核電、核醫學。工農業測量；放射性環境監測、放射性防護；軍事防護；核反應堆監控；核材料管理等9、傳感器研究方向1、研究敏感元件，從傳感器材料的物理、化學特性，研究敏感元件本身；2、研究傳感器系統，包括敏感元件、轉換元件以及信號處理，不包括對敏感元件本身的研制（應用）10、傳感器技術的發展趨勢 量子化。目前傳感器檢測極限迅速延伸，如，核磁共振磁吸收傳感器能測地球磁場的千萬分之一，而利用約瑟夫效應的SQOTO磁傳感器，則可測到地球磁場的1/1011；采用同樣效應的熱噪聲計，則可測10-3K的

19、低溫。這就是傳感器利用量子化效應提高的精度。 多功能、集成化敏感元件、測試電路集成； 如，霍爾元件測試電路，溫度傳感放大電路，光電檢測器前置放大等； 半導體傳感器放大器信號處理。多功能集成： 如同時完成測溫、測應力應變等功能。 智能化自診斷功能軟件、硬件相結合接口功能數據處理、傳輸功能人機對話顯示報警掉電保護 傳感技術系統化 智能化、集成化、多維化信息傳感器必然是一個功能強大、而且復雜的系統，各個部分有機地形成一個整體，因此，傳感技術必然走向系統化。三、紅外傳感技術1、基本概念 紅外波長：0.75um1mm。2、特點： 非可見光（實際上，800nm還微弱可見） 長波長，不易散射，透射性強； 能

20、量小，相當于分子振動、轉動能量，可用于測試、識別分子 放射物質多，任何物體都能發出紅外輻射。紅外放射來自0K以上溫度的物質，故可實現無源檢測。敏感元件材料與特性熱型、熱釋電、光電型。熱型：工作于室溫，靈敏度與波長無關；光電型：即半導體型，靈敏度高（與波長有關），響應速度快。類型紅外傳感器分類按照功能可分成五類：（1）輻射計，用于輻射和光譜測量；（2）搜索和跟蹤系統，用于搜索和跟蹤紅外目 標，確定其空間位置并對它的運動進行跟蹤；（3）熱成像系統，可產生整個目標紅外輻射的分布圖象；（4）紅外測距和通信系統；（5）混合系統，是指以上各類系統中的兩個或者多個的組合。紅外傳感器量子點傳感器。量子點傳感器

21、加拿大麥基爾大學(McGill University)找到了在量子點(quantum dots)中控制壓電效應的方法，旨在實現振動轉換為有用信號的納米傳感器或是電源。 麥基爾大學教授Patanjali Kambhampati的團隊已經發現了一種能在硒化鎘(cadmium selenide)量子點中，通過在其外圍組裝電荷的方式制造大型電場的方法。由于量子點的尺寸很小僅有1050個原子大，或是直徑約10納米該內部電場可以非常巨大，并在1兆分之一秒(a trillionth of a second)的時間內產生立即的擴張與收縮周期；在量子點表面的電荷遷移會產生壓電力，導致量子點振動；在量子點表面的電

22、荷數目越多，振動的振幅也越大目前正在研究控制所誘發的振動的頻率與規模的方法，并關注未來采用該種效應之電子組件的開關時間控制。一旦達成對該振動的控制，研究人員打算嘗試倒轉該效應，并期望能由微小、環境導致的壓縮產生相對較大的電壓。相關應用可能包括以非侵入式的方法添加壓電式量子點，來測量流體壓力；方法是將那些量子點以激光激發，然后測量以壓電產生的振動。3、紅外成像傳感器半導體紅外傳感器，光電型系統技術復雜，器件生產難度較大。器件技術：紅外焦平面陣列，1978年，尺寸是32x32，現在為1024x1024，可能向大平面顯示器接近。與動態隨機存儲器(DRAM)技術相關。 紅外成像器件尺寸水平落后于DRA

23、M。DRAM每存儲單元約一個晶體管，而紅外成像傳感器讀出部件每單元約二到三只或更多晶體管，且生產線是非標準的。CCD尺寸水平已和DRAM接近。（標準生產線）紅外焦平面陣列紅外敏感元件尺寸隨時間的演變結構圖能帶圖波長與量子效率光譜響應480 x640芯片900K時的平均輻射譜新的圖像傳感器 賽普拉斯公司2010年9月推出一款用于高端機器視覺市場的高敏感度、高速CMOS圖像傳感器VITA25K傳感器。特點： 5120 x 5120有效像素，像素尺寸為4.5 m x 4.5 m。 250萬像素，帶有流水線和觸發式全域快門。 具有32個10-bit數字低壓差分信號（LVDS）輸出，可以允許圖像數據通過

24、標準的工業協議進行低功耗、低噪聲傳輸。 每個通道以620Mbps的速率運行，從而實現53幀每秒（fps）的無畸變高幀頻和快速讀出。 VITA25K是高端機器視覺應用的理想選擇，適用于檢驗機、生物檢測（如下一代掌紋讀取儀）以及智能交通系統等。 光學尺寸為35mm，具有單色或彩色輸出。流水線全域快門可以在讀出時進行曝光，從而減少運動產生的模糊效應。該傳感器還可以工作在滾動快門模式，通過相關雙采樣（CDS）減少噪聲并提高動態范圍。可以根據需要將傳感器圖像的畫面分割為最多32塊感興趣的區域，進行更詳細的觀察。 紅外傳感器工作原理根據待側目標的紅外輻射特性可進行紅外系統的設定。 系統核心，根據物質和紅外

25、相互作用的物理效應探測紅外輻射不同的檢測對象、檢測方式和不同的傳感器，信號處理技術就不一樣被動式系統主動式紅外光源紅外成像傳感熱像儀熱釋電人體紅外傳感器90年代后，研究進展迅速。響應速度低，0.110Hz波長范圍窄，515um。 只對外界紅外輻射和自身溫度變化敏感，或對運動人體紅外輻射敏感，對靜止輻射體，沒有信號輸出。探測原理：熱輻射定律。 普朗克輻射公式，維恩位移定律，瑞利輻射公式。器件視圖敏感單元人體靜止或陽光等干擾照射時，P1、P2電荷數量相等，符號相反，傳感器無信號輸出。熱釋電傳感器應用：檢測放大電路和上圖組合，構成實用電路。可報警等擴展電路，可構成其它多種應用電路，用于各種場合。單穩

26、紅外傳感技術應用（一般應用）紅外人體檢測存在紅外安全測量紅外溫度檢測紅外空調紅外測距應用實例1、光讀出紅外傳感器原理圖攝像器結構光讀出系統關鍵參數靈敏度噪聲透過率（紅外透鏡、基板透過率）2、紅外溫度傳感熱電元件和溫度補償二極管封裝在一起輸出：10mv/c03、其它應用軍用問題光電傳感器： 能否將發射器件做為接收器件？光纖光柵傳感器光纖光柵傳感器Fiber Optical Grating Sensor 光源（光纖光柵傳感器需用大功率寬帶光源或可調諧光源（光纖光柵傳感器需用大功率寬帶光源或可調諧光源）光源） 光纖光柵基本性質（光纖光敏本質的機理，靈敏度、光纖光柵基本性質（光纖光敏本質的機理，靈敏度

27、、動態范圍）動態范圍） 進一步完善、發展光柵的寫入方法。進一步完善、發展光柵的寫入方法。 光纖光柵傳感頭的設計。光纖光柵傳感頭的設計。 信號解調技術。信號解調技術。 光纖光柵傳感器在實際應用中需解決的問題光纖光柵傳感器在實際應用中需解決的問題光纖光柵的發展過程：光纖光柵的發展過程： 19781978年，加拿大通信研究中心的年，加拿大通信研究中心的K.O.HillK.O.Hill及其同事首次報道了及其同事首次報道了光纖的光敏現象。這種方法只能制作光纖的光敏現象。這種方法只能制作BraggBragg波長與寫入波長相波長與寫入波長相同的光纖光柵，缺乏實用性。同的光纖光柵，缺乏實用性。 1989198

28、9年，美國東哈特福德聯合技術研究中心年，美國東哈特福德聯合技術研究中心MetlzMetlz等人發明了等人發明了紫外側寫入技術，這項技術大大提高了寫入效率，而且可以自紫外側寫入技術，這項技術大大提高了寫入效率，而且可以自由控制布拉格波長。由控制布拉格波長。 19931993年，年，K.O.HillK.O.Hill等人及美國等人及美國AT&TAT&T貝爾實驗室的貝爾實驗室的D.AndersonD.Anderson幾幾乎同時提出了位相掩模寫入技術。使得光柵的批量生產成為可乎同時提出了位相掩模寫入技術。使得光柵的批量生產成為可能。能。 19931993年年P. LemaireP. Lemaire等人提

29、出了一種提高光纖敏感性的簡單有效等人提出了一種提高光纖敏感性的簡單有效的方法的方法低溫高壓載氫技術。在普通通信光纖上就可以很容低溫高壓載氫技術。在普通通信光纖上就可以很容易地寫制出高反射率的光纖布拉格光柵。易地寫制出高反射率的光纖布拉格光柵。 光纖光柵的分類：光纖光柵的分類： 均勻周期布拉格光纖光柵均勻周期布拉格光纖光柵 變跡光纖光柵變跡光纖光柵 MoireMoire光纖光柵光纖光柵 啁啾光纖光柵啁啾光纖光柵 相移光纖光柵相移光纖光柵 超結構光纖光柵超結構光纖光柵( (取樣光柵）取樣光柵） 閃耀光纖光柵閃耀光纖光柵 光纖光柵的制作技術：雙光束全息干涉橫向成柵法 相位掩模法 逐點寫入法 在線成柵

30、法 振幅掩模法 光纖光柵的應用：光纖光柵的應用： 民用： 民用工程中的結構檢測是光纖光柵傳感器應用最活躍的領域?；A結構的狀態、力學參數的測量對于橋梁、大壩、隧道、高層建筑和運動場館的維護是至關重要的，通過測量建筑物的分布應變，可以預知局部載荷的狀態。光纖光柵傳感器既可以貼在現存結構的表面，也可以在澆筑時埋入結構中對結構進行實時測量，監視結構缺陷的形成和生長。 例如，1999年，美國新墨西哥Las Cruces 10號州際高速公路的一座鋼結構橋梁上安裝120個光纖光柵傳感器，創造了當時在一座橋梁上使用光纖光柵傳感器最多的紀錄。 光纖光柵的應用：光纖光柵的應用： 航空航天業中的應用： 航空航天業

31、是一個使用傳感器密集的地方，一架飛行器為了監測壓力、溫度、振動、燃料液位、起落架狀態、機翼和方向舵的位置等，所需要使用的傳感器超過100個，因此傳感器的尺寸和重量變得非常重要。光纖光柵傳感器只有1根光纖，敏感元件(光柵)制作在纖芯中，從尺寸小和重量輕的優點來講，幾乎沒有其他傳感器可以與之相比。 美國國家航空和宇宙航行局對光纖光柵傳感器的應用非常重視，他們在航天飛機X-33上安裝了測量應變和溫度的光纖光柵傳感器網絡 。光纖光柵的應用：光纖光柵的應用：船舶航運業中的應用： 先進的復合材料越來越多的被引入到船舶的設計和制造中來，它可以極大的減輕船舶的重量，另外復合材料具有可抗疲勞、抗腐蝕、容易成型等

32、優點。為了獲得復合材料結構的強度和成本的優化，必須了解這種結構的完整性和行為特性。使用模型測量，然后將測量結果按比例推算到實際船舶是一種常用方法。例如：Hjelme等人用光纖光柵傳感器系統對一個按比例縮小的雙體船模型進行了測量，記錄了濕甲板和海浪之間的沖擊力、結構的動態載荷及彎曲力矩。光纖光柵的應用：光纖光柵的應用： 石油化工業中的應用： 石油化工業屬于易燃易爆的領域，電類傳感器用于諸如油氣罐、油氣井、油氣管等地方的測量存在不安全的因素。光纖光柵傳感器因其本質安全性非常適合在石油化工領域里應用。例如：“邊鉆邊測”系統25對鉆井作業非常有利，Weis等人用光纖光柵制作了一個井下光纖光柵調制器，用

33、于跟蹤鉆井過程中絞盤頭的幅度變化。美國馬里蘭州大學工程學院靈巧材料和結構研究中心用光纖光柵開發了一個分布式氫氣泄漏傳感系統，系統中有40個光纖光柵氫氣傳感器。 光纖光柵的應用：光纖光柵的應用： 醫學應用： 目前廣泛用于醫學的絕大多數傳感器都是電氣有源傳感器，因此不適合大量的醫學領域，尤其在高頻/微波領域，即超聲波及與高溫手術有關的激光輻射環境。由于傳感頭的局部發熱和存在著金屬導體以及導體中電流與電壓的電磁干擾，導致錯誤的讀數。但由于光纖傳感器是絕電體，故它可以克服這些問題。新加坡總醫院將南洋理工大學生物醫學工程研究中心研制成的一種光纖光柵壓力傳感器用于外科校正，以便幫助醫生監視患者的健康。埋有

34、光纖光柵陣列的腳壓傳感墊配以繪圖設備可以繪出外科校正壓力的空間圖形，能用于監視患者站立時的腳底壓力分布。 光纖光柵的應用：光纖光柵的應用：核工業中的應用： 核工業是個高輻射的地方，核泄漏對人類是一個極大的威脅，貝爾格利核電站泄漏的影響至今還沒有消除，因此對于核電站的安全檢測是非常重要的。由子核裝置的老化，需要更多的維護和修理，最終必須被拆除，所有這些都不能在設計時預見，因此需要更多的傳感器以便遙控設備，處理不確定情況。同時核廢料的管理也變得越來越重要，需要有監測網絡來監視核廢料站的狀況，對監視網絡長期穩定的要求也是前所未有的。日本核能研究院1999年4月至2000年3月的年度報告中提到，他們正

35、在日本測試反應堆，通過輻射環境測試確保光纖光柵用于核電廠設備和管道的傳感，并能在幾乎整個反應堆壽命期間忍耐核輻射。光纖光柵的應用：光纖光柵的應用：其它方面的應用： 如同其它光纖傳感器一樣，FBG由于其抗電磁干擾能力，用于電力工業也是十分理想的。此外，FBG可刻寫在標準的1.55m波長的通信光纖上，由于光傳輸損耗低，可進行遠距離遙測。有人己經開始研究用FBG傳感器來測量高壓線負荷、變壓器線圈溫度以及大電流等。FBG傳感器也可用于化學傳感，基本原理是通過FBG與周圍化學物質之間的損耗場相互作用，FBG的中心波長隨折射率(即化學濃度)變化而變化。在其它領域，光纖光柵傳感器還可在氣體管道、自來水管道及

36、地質勘測中發揮重要作用。隨著應用的增加，制作成本也將迅速下降，必將導致光纖光柵傳感器應用于更多的新領域。光纖光柵的應用：光纖光柵的應用： 光纖激光器中的應用 外腔半導體激光器中的應用 在濾波器中的應用 在波分復用/解復用中的應用 光編碼/解碼應用 在Raman激光器和Raman放大器中的應用 在光纖放大器中的應用 在色散補償器中的應用 在增益均衡器中的應用 在傳感領域中的應用 光纖光柵的基本特性光纖光柵結構圖光纖光纖BraggBragg光柵反射率：光柵反射率：2 22 2c c2 22 2c c2 22 22 22 2c c2 22 22 22 22 2* *2 2c c2 2 k k( (S

37、 SL L) )c co os sh hk k s si in nh h( (S SL L) )k k k k( (S SL L) )c co os sh hS S( (S SL L) )s si in nh h ( (S SL L) )s si in nh hk kA A( (0 0) )B B( (0 0) )R R其中：其中：2 22 2c c0 0 k ks s由此得到光柵的最大反射率為：由此得到光柵的最大反射率為： )(tanh2maxSLR0246810121416182000.10.20.30.40.50.60.70.80.91L(mm)Rmaxcoeff=0.5mmcoeff=

38、0.4mmcoeff=0.2mmcoeff=0.1mm00.20.40.60.811.21.41.61.8200.10.20.30.40.50.60.70.80.91Kc(mm-1)RmaxL=10mmL=4mm L=2mm L=1mm 光纖光纖BraggBragg光柵峰值反射率與耦合系數和光柵長度的關系曲線光柵峰值反射率與耦合系數和光柵長度的關系曲線峰值反射率峰值反射率-耦合系數耦合系數峰值反射率峰值反射率-光柵長度光柵長度00.511.522.533.544.55x 10-400.10.20.30.40.50.60.70.80.91nRmaxL=4mm L=2mm L=1mm L=0.5m

39、m00.20.40.60.811.21.41.61.82x 10600.10.20.30.40.50.60.70.80.91L(nm)Rmaxdn1=10(-3) dn2=0.5*10(-3)dn3=1*10(-4) dn4=0.5*10(-4)光纖光纖BraggBragg光柵峰值反射率與折射率調制深度和光柵長度的關系曲線光柵峰值反射率與折射率調制深度和光柵長度的關系曲線峰值反射率峰值反射率折射率調制深度折射率調制深度峰值反射率峰值反射率-光柵長度光柵長度00.511.522.533.544.55x 10-400.20.40.60.811.21.4n(nm)0.20.40.60.811.21.

40、41.61.822.2x 10600.511.522.533.54L(nm)(nm)光纖光纖BraggBragg光柵反射帶寬與折射率調制深度和光柵長度光柵反射帶寬與折射率調制深度和光柵長度的關系曲線的關系曲線反射帶寬調制深度反射帶寬調制深度反射帶寬光柵長度反射帶寬光柵長度軸向應力作用下光纖光柵的傳感模型軸向應力作用下光纖光柵的傳感模型: : zeBBz)1 (12111222PPvneffe 其中有效彈光系為：其中有效彈光系為：應變靈敏度系數：應變靈敏度系數：0.7841e應力靈敏度系數：應力靈敏度系數：0.786/E1)()(211212112vnEKpeff橫向應力作用下光纖光柵的傳感模型

41、：橫向應力作用下光纖光柵的傳感模型： zzeffBBPPPnz121212121120.587/E2) 1() 13(2111122vPvPvnEKpeff應變靈敏度系數：應變靈敏度系數：1.72612121212112PPPnKeff應力靈敏度系數：應力靈敏度系數：體應力作用下的傳感模型：體應力作用下的傳感模型： 122112112effnv122112112effnv壓力靈敏度系數為：壓力靈敏度系數為：光纖光柵的溫度傳感模型：光纖光柵的溫度傳感模型： TPPnkneffwgeffB22112113理想情況下的傳感模型：理想情況下的傳感模型： 表示熱光系數表示熱光系數表示線性熱膨脹系數表示線

42、性熱膨脹系數 溫度靈敏度系數：溫度靈敏度系數： CPPnknKeffwgeff/106965. 0221512113理想情況下的溫度靈敏度數：理想情況下的溫度靈敏度數：C105 . 76光纖光柵溫度傳感的實驗系統光纖光柵溫度傳感的實驗系統 寬譜光源寬譜光源 （BBSBBS） 光譜分析儀光譜分析儀 （OSAOSA）耦合器耦合器IMGIMGFBGFBGIMGIMG水水溫度計溫度計20304050607080901001550.915511551.11551.21551.31551.41551.51551.61551.71551.81551.9Temperature(C)Wavelength(nm)

43、線性擬合的結果為：線性擬合的結果為： )(713.15500102. 0nmT 光柵的溫度靈敏度為：光柵的溫度靈敏度為： CK610578.6光柵中心波長隨溫度變化的擬合曲線：光柵中心波長隨溫度變化的擬合曲線：中心波長為中心波長為1550nm1550nm的光柵單位溫度變化下引起的波長漂移為的光柵單位溫度變化下引起的波長漂移為0.0102nm/0.0102nm/，與理論計算，與理論計算0.0108nm/0.0108nm/基本吻合?；疚呛?。 光纖光柵應力傳感的實驗系統光纖光柵應力傳感的實驗系統 寬譜光源寬譜光源（BBSBBS）光譜分析儀光譜分析儀 （OSAOSA）耦合器耦合器折射率匹配液折射率匹

44、配液 （IMGIMG）FBGFBG砝碼砝碼光纖夾具光纖夾具01020304050607080901001550.815511551.21551.41551.61551.815521552.21552.4Stress(g)Wavelength(nm)光柵中心波長隨壓力變化的擬合曲線：光柵中心波長隨壓力變化的擬合曲線：線性擬合的結果為：線性擬合的結果為： )(0131. 0840.1550nmG光柵的應力靈敏度為：光柵的應力靈敏度為： 610447.8F中心波長為中心波長為1550nm1550nm的光柵單位壓力變化下引起的波長漂移為的光柵單位壓力變化下引起的波長漂移為0.0131nm/g0.013

45、1nm/g，與理論計算的，與理論計算的0.0118nm/g0.0118nm/g基本吻合?；疚呛?。 對光纖光柵的溫度、應力傳感特性進對光纖光柵的溫度、應力傳感特性進行了重復實驗，證明光纖光柵的溫度、行了重復實驗，證明光纖光柵的溫度、應力傳感具有很好的重復性。應力傳感具有很好的重復性。 光纖光柵的壓力增敏：光纖光柵的壓力增敏： 有機聚合物基底有機聚合物基底光纖光柵光纖光柵封裝后：封裝后：pKEpeBB)21)(1 (封裝前：封裝前：pKEpe)1(121EEpp因此有：因此有：光纖光柵的聚合物封裝材料的選擇光纖光柵的聚合物封裝材料的選擇 1234567891000.050.10.150.20.2

46、50.30.350.4E(109N/m2)Kp(10-3/MPa)1=0.252=0.353=0.4 4=0.45光纖光柵壓力靈敏度系數與封裝材料彈性光纖光柵壓力靈敏度系數與封裝材料彈性模量的關系曲線模量的關系曲線聚丙烯作為基底材料聚丙烯作為基底材料 ：E=1.4GpaE=1.4Gpa，=0.27,=0.27,從理論上可以算出在理想封裝從理論上可以算出在理想封裝情況下壓力靈敏度系數為情況下壓力靈敏度系數為25.62825.62810105/MPa5/MPa，是裸光柵是裸光柵靈敏度系數的靈敏度系數的129129倍倍. . 聚偏氟乙烯作為基底材料聚偏氟乙烯作為基底材料: :E=0.834GpaE=

47、0.834Gpa，=0.30,=0.30,在理想封裝情況下壓力靈敏在理想封裝情況下壓力靈敏度系數為度系數為37.41037.41010105/MPa5/MPa，是裸光柵靈敏度系數的是裸光柵靈敏度系數的189189倍倍 . .光柵封裝工藝中偏心度對光柵壓力靈敏度的影響光柵封裝工藝中偏心度對光柵壓力靈敏度的影響 光柵的受力分析光柵的受力分析: : P P1 1PsinPsinP P2 2=Pcos=PcosP PFBGFBG )(122122112212112CosSinnCosSinPPneffeffallBB壓力靈敏度系數：壓力靈敏度系數：假設光柵的偏心度為假設光柵的偏心度為5 5估算出光柵的

48、壓力靈敏度系數為估算出光柵的壓力靈敏度系數為1.1591.15910104/MPa 4/MPa ，由此可見，偏心度對光柵的靈敏度影由此可見，偏心度對光柵的靈敏度影響較大，封裝時要特別注意。響較大，封裝時要特別注意。 介質膜濾波片用于波長漂移檢測的原理：介質膜濾波片用于波長漂移檢測的原理：/nm/nmR R多層介質膜濾波片的透射率曲線多層介質膜濾波片的透射率曲線利用濾波片的線性段，利用濾波片的線性段，而且傾斜度越大，被檢而且傾斜度越大，被檢測波長有一微小的變化，反射率即有一大的變測波長有一微小的變化，反射率即有一大的變化，從而可以提高檢測精度?；?，從而可以提高檢測精度。實驗用光柵的特性譜實驗用光

49、柵的特性譜光電探測器光電探測器2 2介質膜濾波片測量光柵傳感器的波長漂移系統介質膜濾波片測量光柵傳感器的波長漂移系統寬譜光源寬譜光源 （BBSBBS）耦合器耦合器光纖光柵光纖光柵隔離器隔離器IMGIMG數據處理數據處理準直器準直器濾波片濾波片光電探測器光電探測器1 1準直器準直器準直器準直器放大器放大器放大器放大器IMGIMG1212PDPDPDPD檢測原理：檢測原理：設入射到濾波片的光功率為P，濾波片的透射率與波長的關系為T（），反射率與波長的關系為R（），兩探測器的功能特性幾乎一樣，其光電轉換波長與電流的關系為I（），設第一、第二路的放大倍數分別為K1和K2，模擬除法器的輸出為K，在電路設

50、計時使K1K2，則有： 1221TRRTK)(RRK該方法檢測由于波長變化引起的光強的變化，屬于光強檢測的一種屬于光強檢測的一種方法，但其測量結果與光源的功率無關，從而可以消去光源的擾動方法，但其測量結果與光源的功率無關，從而可以消去光源的擾動對測量的影響對測量的影響。另外可以看出，該方法實現的是波長的絕對測量波長的絕對測量，當外界溫度或應力發生變化時，測得發生變化后的波長，再計算出B，由的大小，依據第三章的結論，即可求得溫度或應力的變化大小。電路部分的設計：（采用電路部分的設計：（采用AD538AD538作為模擬除法器）作為模擬除法器） 電路模型電路模型m(Ln Vzm(Ln VzLn Vx

51、)Ln Vx)m(Ln Vzm(Ln VzLn Vx)+LnVyLn Vx)+LnVyLOGeLOGeLn VzLn VzLn VxLn VxLOGeLOGeANTILOGeANTILOGeV0=Vy(Vz/Vx)V0=Vy(Vz/Vx)m mLOGeLOGeIyIyVyVy0.2m50.2m5 檢測系統的電路設計部分：檢測系統的電路設計部分：123456ABCD654321DCBATitleNumberRevisionSizeBDate:22-Dec-2002Sheet of File:D:Design Explorer 99WORKmylw.DdbDrawn By:2374618U1OP3

52、7D1PHOTOR11.5R52KR275R31.5R4+15-152374618U2OP37R61.5kR102KR7150kR81kR9+15-152374618U3OP37AD2PHOTOR111.5R152KR1275R131.5R14+15-152374618U4OP37AR161.5kR202KR17150kR181kR19+15-152374618U5OP07RRR/3R21+15-152374618U6OP07RR2/RR22+15-15R2374618U7OP07RRRR23+15-15RIz1Vz2B3+10V4+2V5+Vs6-Vs7V08I9Vy10Iy11C12GND

53、13GND14Vx15Ix16D17A18AD538U8PD1PD2PD1+PD2PD2-PD1D1IN4148+15-15OUTPUT光纖光柵傳感網絡解調原理(a) FBG反射信號(b) FFP濾波器掃描(c) 光電探測器輸出信號圖4-5 解調原理頻譜示意圖 分布式光纖Bragg光柵傳感系統實時監測界面基于光纖激光器的激光雷達基于光纖激光器的激光雷達空間探測技術空間探測技術內容內容1、引言2、激光雷達發射要求3、激光雷達接收機噪聲分析4、總結1、引言 空間碎片對航天器等構成威脅 碎片數量超過數萬以上，1cm以上者10萬 每年按2000個增長 國內外建立了空間探測，國外發展激光雷達 國內地基探

54、測發展較慢，激光雷達則更少 地基激光雷達空間碎片探測技術需要研究光纖激光器雷達特點 光纖激光器具有良好的性能和低成本、低功耗和小體積以及輕重量等一系列技術優勢，其本身的研制技術也已成熟。是今后航天、航空應用的主流激光器。 1引言引言 空間碎片以空間垃圾的形式，已經對空間軌道飛行器（衛星等）的安全構成嚴重威脅。 110cm尺寸的空間碎片威脅為大，微波雷達難以探測。 亞毫米級碎片數量的信息只限于高度在600km 以下。尤其在8001000km 碎片最稠密的低地球軌道以及靜止軌道區，亞毫米碎片的數量信息無從得到。 激光波長短，可以探測110cm尺度的軌道碎片，600公里軌道定位精度可達3050米。微

55、波雷達精度在2公里左右。1引言引言 對于空間碎片的測量可以分為天基測量和地基測量。天基空間碎片監視系統的優點是不受地理位置和氣象條件限制，分辨率高，探測效果好，且戰時生存能力強，但造價高，星上信息處理能力有限，功率也無法和地基監視系統相比。 地基微波雷達的探測精度非常有限，分辨率低，難以獲得110cm碎片的信息。且功耗大，體積龐大，造價高。世界發達國家如美國、法國、德國、日本以及澳大利亞等都在進行激光雷達研究，試圖準確測量空間碎片的分布及其它信息。1引言引言 激光雷達是解決空間110cm尺度碎片探測的最佳方案！引言國外激光雷達簡介 美國麻省理工學院研制的“火池雷達”，于60年代末研制的。70年

56、代初，林肯實驗室演示了火池雷達精確跟蹤衛星，獲得多普勒影像的能力。 國外激光雷達簡介 在法國政府和英國政府的倡議下，由法國達索電子公司和英國GEC-馬可尼航空電子學公司雷達系統分部組成的聯合體研制一種緊湊的激光雷達（CLARA）。國外激光雷達簡介 達索公司、GEC-馬可尼公司、馬可尼意大利公司和蔡司公司又聯合研制了一種用于直升機障礙物報警的激光雷達，可提前10秒鐘對直徑5毫米的纜線報警，并具有地形導航功能。引言激光雷達的優勢 激光雷達角分辨率高，速度分辨率高和距離分辨率高；抗干擾能力強，隱蔽性好；激光雷達的波長短，可以在分子量級上對目標探測；在功能相同的情況下，比微波雷達體積小、重量輕，結構簡

57、單，不受電磁干擾影響。 發展激光雷達地基監測技術有特殊意義！?；鹦腔鹦堑厍虻厍蚪?00倍地球直徑1/10地球直徑光斑示意圖微波波束光束對準情況，光傳輸能量集中，接收功率遠大于微波傳輸。距離較遠時，稍有抖動，光斑即偏離探測器，但仍能接收微波信號。探測器光斑微波波束光束與微波傳輸示意圖解決辦法 搜索、跟蹤、瞄準（ATP） 寬視場角光學天線陣列結構信號探測器二維萬向架伺服電機跟蹤控制器跟蹤探測器激光器光學天線PBSATP系統光纖激光器雷達優點1、輸出光束質量好、線寬窄，對準容易，必其它激光器更有利于和光學系統配合，從而簡化系統；2、結構簡單，其發射波長為大氣低損耗窗口，對人眼安全， 3、相干長度長；

58、易實現高精度目標檢測。4、低噪聲、高可靠性，功耗低、無需水冷，可在惡劣環境下工作。5、可對超遠距離的目標進行超高精度的相干探測6、體積小、重量輕，便于工程化實現。7、可實現高靈敏、快速檢測，數據可實現高速傳輸， 系統的器件和技術和光纖通信系統兼容。8、其波長優勢使其在微弱信號時可采用光放大器。2、激光雷達發射要求光發射機一般要求 探測距離遠，對近地軌道600km左右高的空間碎片實行地基觀測 具有捕獲目標、克服大氣衰減的能力。 激光波長要適合大氣低損耗窗口； 發射功率應能在多數氣候條件下滿足軌道碎片探測要求； 光束發散角應滿足探測要求； 光學系統損耗小、具有一定增益； 目標定位精度在50米；探測

59、目標尺度10到50厘米。 2.1、大氣光傳輸特性簡介大氣光傳輸特性：衰減、吸收、散射，湍流等。對不同波長表現出不同衰減特性。大氣透射譜2.2 探測原理 碎片有效反射面 S 光斑直徑 D 大氣 光學收發天線 圖 2 地基激光雷達空間碎片探測示意圖 在大氣衰減情況下，不同發射功率時，接收功率的變化。 進入光接收機的能量不僅僅是目標返回光，還有大氣中的后向散射光，這部分光形成噪聲！地基探測可分為兩個過程2.2、探測原理大氣輻射方程( , , )( , , )( , , )dI zcosI zJ zk dz I表示光強度；k表示質量消光截面，是大氣物質密度。Z是光束傳輸方向，表示相對于向上垂線的傾角，

60、表示相對于z軸的方位角。在上行及下行光都為垂直入射時，cos0或1。 J（z,)是源函數。( , , )jJ zk 2.3、發射功率估算2()0exp( )hSttLPPkd120exp( )(/4)httSPPkdD22202220cosexp( )(/4)cosexp 2( )(/4)hrthtSdPPrkdhDS dP rkdhD S h d 圖 4 從碎片返回能量立體角 2exp()()rrtAPPLL雷達接收到的光功率為目標返回功率為從光源發射到達軌道目標光功率為光傳輸鏈路方程2.3、發射功率估算 具體設計參數實例： 設光探測器最小接收光靈敏度為90dBm，這就是要求從碎片返回光接收