光电技术-光电信息

1、光电技术概论光电传感光电传感&光通信技术导论光通信技术导论 Introduction to the Technology of Optical Communication and Optoelectronic Sensors元秀华 内容提要 引言信息光电子概述 光电传感器件与系统技术及其应用 光通信器件与系统技术及其应用引言信息光电子概述光电子科学与技术信息光电子能量光电子消费光电子生物光电子信息光电子概述 从功能上分：通信，传输，信息获取、数据处理，存储等 从器件上分：有源器件光源、光探测器、光放大器等；无源器件光纤、光学镜头、耦合器、环行器等。 器件与系统的关系 器件保障与提高系统水平，新

2、型系统促进器件发展。电磁波谱及光电技术应用覆盖范围可见光700nm微波200nm110nm红外紫外线1mm调幅广播x射线THz波宇航10cm光电传感器件与系统技术及其应用Optoelectronic Sensors and its Application内容提要一、发展传感器的动力与趋势二、传感技术的发展三、红外传感技术四、传感技术的应用五、光纤光栅传感器六、基于硅基传感材料的光纤应变传感器一、发展传感器的动力与趋势1、科学技术是第一生产力！ 邓小平同志1988年指出：科学技术是第一生产力！ 江泽民同志1998年11月出访俄罗斯，在新西伯利亚科学城演讲： “人类的智慧无有穷尽。科学技术作为这种

3、智慧的一座光芒四射的灯塔，经过无数科学家们的艰辛努力，正在不断地透过层层叠嶂照耀到更高的群峰之上。” 形象地描绘出科学技术的巨大作用及其发展趋势。2、从历史发展来看趋势第一次工业革命： 从18世纪中叶到19世纪中叶，蒸汽机的广泛使用，标志着科学技术成了第一次产业革命的前提和先导，机器大工业出现了，生产力的发展进入第一个突飞猛进时期。第二次工业革命： 从19世纪中叶到20世纪中叶，电磁学的发展导致了第二次产业革命电力技术革命。在第二次产业革命时期，人类开发和完善了钢铁、化工和电力生产三大技术，建立和发展了汽车、飞机和无线电技术三大产业，生产力的发展实现了又一次飞跃，科学技术和生产的关系日益紧密。

4、第三次浪潮：从20世纪中叶至今 以六大科技群体的崛起为标志，科学技术的发展开始进入全面突破、综合创新的阶段，科技与经济的结合日益紧密，产业技术升级加快，高新技术产业在整个经济中的比重不断增加。科学技术在生产力发展中的作用发生质的突变，它逐步成为决定生产力总体水平高低的首要因素。 微电子等信息科技核能等新能源科技超导等新材料科技人造卫星等空间科技基因工程等生物科技海洋科技传统： “生产技术科学”的发展模式，这种模式发挥主导作用持续相当长时期。现在： 由于科学技术的进步与发展，出现了“科学技术生产”的发展趋势。科学技术与生产的关系 4、科学技术对发展生产力的作用表现在四个方面：1）科学技术对生产力

5、发展具有加速效应。 从科学技术与各要素对生产力的促进作用看，科学技术对生产力的提高起着加速和倍增器的作用。 在生产力系统中，科学技术作为一个活跃的因素，通过对生产力其他各要素的渗透，从而使得生产力诸要素无论从量上还是质上都发生了根本性的飞跃，为生产力的飞速发展创造条件。 2）科学技术对生产力发展具有先导效应 今天，科学技术已经走在了生产的前头，而且为生产的发展提供了各种可能的途径，对生产的发展起着引导作用。 同时，科学技术的发展也推动了管理的科学化，把生产管理的科学化提到了一个全新的阶段。 3）科学技术对其他生产要素具有提升效应。 作为生产力诸因素中的一个重要方面，生产资料的素质和效能的提高，

6、生产资料中的关键因素生产工具的改进和革新，都要依靠科技进步。 在现代化大生产中，科学技术强烈地改变着劳动者本身，改变着人。 4）科学技术对生产环境具有变革效应。 纵观人类文明的发展史，科学技术的每一次重大突破，都会引起人们生活、生产环境的变化，并进而促进生产力的进一步发展和人类社会进步的加速。当今世界正经历着一场以信息技术为代表的新的技术革命。新技术的普遍应用，正在把世界推进到一个新的时代。这种生活生产环境变革的结果，必然导致生产力的进一步加速发展。 恩格斯断言： “生产力中也包括科学。” “在马克思看来，科学是一种在历史上起推动作用的、革命的力量。任何一门理论科学中的每一个新发现它的实际应用

7、也许还根本无法预见都使马克思感到衷心喜悦，而当他看到那种对工业、对一般历史发展立即产生革命性影响的发现的时候，他的喜悦就非同寻常了。” 二、传感器技术的发展 传感技术事信息发展的产物，随着现代信息社会的发展，传感器作为一种高新信息技术，其地位、作用日益显著。 上世纪80年代，美国认为世界进入传感器时代，而日本也将传感器技术列为十大技术之首。 我国，“八.五”期间已将传感器技术列为重点科技攻关项目。1、传感器技术涉及的应用领域遥感测量国防军事应用航空、航天技术医学应用环境监测交通、铁路、能源多种测量仪器2、传感器技术基本知识1) 传感器定义：国际GB766587标准定义：能感受规定的被测量，并按

8、一定规律将其转换为可用输出信号的器件和装置，一般由敏感元件、转换元件组成。转换元件敏感元件测量对象输出信号2）传感器分类： 按外界输入信号变换为电信号采用的效应分类，可分为 物理传感器； 化学传感器 生物传感器等按输出量分类 位移、速度、角度、压力、浓度、电流（电压）、 湿度、温度、真空、光、热、气体成分、 液面传感器等多种。3、常见形式传感器1)、光纤传感器 原理： 利用光纤检测外界被测量（电、温度、压力等）的变化引起的光纤中传输的光波参量（强度、相位、波长、偏振状态等）按一定规律的变化，达到检测外界物理量的目的。两种检测方式： 直接利用光纤检测出其物理参量（折射率等）随外界被测量的变化；

9、检测光纤中传输的光信号的变化，光纤仅起传输作用。特点： 灵敏度高，响应速度快，动态范围大，防电磁干扰，超高压绝缘，机械强度高，体积小，重量轻，便于安装，安全可靠，应用范围宽，成本低等。应用范围： 物理量测量：如温度、大电流、超高压、应力检测等； 生物测量、生化分析、环境检测 光纤传感器的一般结构调制器光源入射光纤出射光纤光电转换信号输出 光谱、化学、荧光、射线等 多普勒、粒子运动 强度遮挡 偏振态声光调制光纤信号探测原理 在晶体（如YAG、石英、LiNbO3等）的凹槽中嵌入光纤，形成连续的Hertzian接触面，采用13.5GHz的超声波作用于晶体上，晶体和光纤形成布拉格光栅，在晶体凹槽和光纤

10、表面对齐的情况下，光纤中的光信号发生布拉格衍射，部分光信号射出光纤，在该位置放置光电检测器（如光电倍增管、光电池等）将检测到出射的光信号，改变超声波频率将获得对应的光纤信号，作出相应的曲线，即可实现对光纤信号的探测。 另一种应用类型的光纤传感器探测原理高频率的超声波进入声光晶体和光纤，形成Bragg光栅，在光纤中的光信号，在和超声波波矢量满足Bragg衍射的条件下，会溢出光纤，进入晶体或相反方向，设 为超声波频率， 为超声波波长， ， 为输入光纤中的光信号频率， 为光信号波长， 为超声波和光纤形成的角度， 为溢出光信号与光纤光轴间的夹角，则：(1 cos )sinlskk sss2sskllk

11、2探测时，0000000000sincossincos2coscos2ssssssssssssdkkdAAAkkdd溢出光信号振幅为000.89cossssd对应-3dB的响应点，可以通过下列关系式得到： tappeduntappedPP可以通过下面公式求溢出光效率：实验模型探测效率与超声频率关系分布式光纤传感器（1）灵敏度高，频带宽，动态范围大。（2）电绝缘性能优良，抗电磁干扰好。（3）耐高压，耐腐蚀，在易燃易爆环境中使用安全。（4）光纤柔软，纤细，可以做成任意形状的阵列，以实现多点、分布 式传感。（5）信息容量大，可以与光纤遥感技术相配合，实现远距离多通道的测量与控制。（6）光纤传感系统易

12、于与计算机系统相连接，以实现多功能、智能化的测量。（7）传感器体积小，结构紧凑，重量轻等特点。 分布式传感系统可以定义为： 能在整个连续的光纤长度上，以距离的连续函数的形式传感出被测参数随光纤长度方向变化的仪器或者系统。分布式温度传感系统通常是将光纤沿温度场排布，测量光在光纤中传输时产生的携带温度信息的散射光，同时采用OTDR（Optical Time Domain Reflectometer）技术，就可以对沿光纤传输路径上的温度空间分布和随时间变化的信息进行测量和监控。 基于拉曼散射的分布式光纤温度传感器基于布里渊散射的分布式光纤温度传感器拉曼散射谱基于拉曼散射的分布式光纤传感原理后向散射正

13、斯托克思散射反斯托克斯散射分布式光纤温度传感器系统示意图 1exp114xTkvhcIBasas xTkvhcIBssexp1114 xxTTxTPxTPxTRsasasssasexpexp04 xxTTxTRsasassexpexp1041 xTRxTRTxTxT101ln111Anti-Storkes光强与温度关系Storkes光强与温度关系二者比值恒温条件下比值关系测量温度值基于布里渊散射的分布式光纤传感原理布里渊散射原理 布里渊频移的大小 02/Ban其中，其中， 为布里渊频移，为布里渊频移，n为光纤纤芯折射率，为光为光纤纤芯折射率，为光纤中的声波速度，为入射光在真空中的波长。纤中的声

14、波速度，为入射光在真空中的波长。 对于对于普通的硅玻璃光纤：普通的硅玻璃光纤：n1.46， 5945 m/s，当注入，当注入光纤泵浦光的波长为光纤泵浦光的波长为1550 nm时，布里渊频移时，布里渊频移v11.2 GHz；1310 nm时，布里渊频移时，布里渊频移v13 GHz。Baa频移和温度的关系频移和温度的关系频率扫描部分 微波源与信号在混频器微波源与信号在混频器中进行混频，输出的中频信中进行混频，输出的中频信号经低通滤波器滤波，采集号经低通滤波器滤波，采集处理后输出显示。调节可调处理后输出显示。调节可调微波源的中心频率，可以改微波源的中心频率，可以改变输出中频频率，从而得到变输出中频频

15、率，从而得到一系列对应不同频率的输出一系列对应不同频率的输出波形对沿光纤分布的每个点波形对沿光纤分布的每个点拟合出如图所示的洛伦兹曲拟合出如图所示的洛伦兹曲线，通过洛伦兹曲线上最大线，通过洛伦兹曲线上最大点对应的频率值就可以得到点对应的频率值就可以得到布里渊频移信息，从而解析布里渊频移信息，从而解析出温度或应变信息。出温度或应变信息。 因为布里渊频移一般为因为布里渊频移一般为11 GHz左右，所以该左右，所以该系统选择的微波源为系统选择的微波源为10-12 GHz可调微波源，以使可调微波源，以使混频输出的频率落在较低的通带内。混频输出的频率落在较低的通带内。扫频后进行傅里叶变化看到频谱： 模拟

16、方案2、红外传感器 类型：热型、热释电、光电型。特点：热型，工作于室温，灵敏度与波长无关；光电型，即半导体型，灵敏度高（与波长有关），响应速度快。应用范围： 温度、成像，半导体红外传感器主要用于军事目标侦察，制导，夜视镜，空对空/空对地（响尾蛇导弹）3、生物传感器多种类型，如： 酶传感器、细菌传感器、微生物传感器、免疫传感器等。应用：识别各种有生命的生物高分子； 模拟生物具有的优秀感觉功能； 识别化学物质。4、医学传感器按对人体采样分类： 体内、体外按功能分类：临床化学、形态等按诊疗目的：一般检查、预防、患者监视按工程分类：物理、化学医疗仪器应用： 现代医学诊断是仪器诊断，有X-CT，超声波，

17、核磁共振，闪烁检查，放射性检查，光学检查、电气化学、氙气检查5、纳米传感器 利用纳米材料的特殊性质，制作特殊传感器。 纳米材料的四个基本效应：大表面特性，小尺度效应，量子尺寸效应，宏观量子隧道效应 尺寸：1nm到200nm。同一种材料，不同尺寸，效果完全不一样！主要应用： 纳米生物传感，微电机械（MEMS），微机器人。 例如：药物定向靶向输送，原子力测试，原子囚禁，微机器人操作等。6、家庭电子传感器 居室条件：空调、取暖、电气沙发、电热吹风等 洗衣机、电熨斗、电热水器、冰箱、电饭煲等 电视、音响 各类遥控家用电子设备 汽车防盗7、海洋科学传感器 应用环境恶劣，对传感器结构和可靠性要求极高。如：

18、防水、机械强度，抗干扰性能，耐腐蚀等。应用：水下摄影，测距、海底电缆，光缆，水中机器人操作等。8、原子能传感器核电、核医学。工农业测量；放射性环境监测、放射性防护；军事防护；核反应堆监控；核材料管理等9、传感器研究方向1、研究敏感元件，从传感器材料的物理、化学特性，研究敏感元件本身；2、研究传感器系统，包括敏感元件、转换元件以及信号处理，不包括对敏感元件本身的研制（应用）10、传感器技术的发展趋势 量子化。目前传感器检测极限迅速延伸，如，核磁共振磁吸收传感器能测地球磁场的千万分之一，而利用约瑟夫效应的SQOTO磁传感器，则可测到地球磁场的1/1011；采用同样效应的热噪声计，则可测10-3K的

19、低温。这就是传感器利用量子化效应提高的精度。 多功能、集成化敏感元件、测试电路集成； 如，霍尔元件测试电路，温度传感放大电路，光电检测器前置放大等； 半导体传感器放大器信号处理。多功能集成： 如同时完成测温、测应力应变等功能。 智能化自诊断功能软件、硬件相结合接口功能数据处理、传输功能人机对话显示报警掉电保护 传感技术系统化 智能化、集成化、多维化信息传感器必然是一个功能强大、而且复杂的系统，各个部分有机地形成一个整体，因此，传感技术必然走向系统化。三、红外传感技术1、基本概念 红外波长：0.75um1mm。2、特点： 非可见光（实际上，800nm还微弱可见） 长波长，不易散射，透射性强； 能

20、量小，相当于分子振动、转动能量，可用于测试、识别分子 放射物质多，任何物体都能发出红外辐射。红外放射来自0K以上温度的物质，故可实现无源检测。敏感元件材料与特性热型、热释电、光电型。热型：工作于室温，灵敏度与波长无关；光电型：即半导体型，灵敏度高（与波长有关），响应速度快。类型红外传感器分类按照功能可分成五类：（1）辐射计，用于辐射和光谱测量；（2）搜索和跟踪系统，用于搜索和跟踪红外目 标，确定其空间位置并对它的运动进行跟踪；（3）热成像系统，可产生整个目标红外辐射的分布图象；（4）红外测距和通信系统；（5）混合系统，是指以上各类系统中的两个或者多个的组合。红外传感器量子点传感器。量子点传感器

21、加拿大麦基尔大学(McGill University)找到了在量子点(quantum dots)中控制压电效应的方法，旨在实现振动转换为有用信号的纳米传感器或是电源。 麦基尔大学教授Patanjali Kambhampati的团队已经发现了一种能在硒化镉(cadmium selenide)量子点中，通过在其外围组装电荷的方式制造大型电场的方法。由于量子点的尺寸很小仅有1050个原子大，或是直径约10纳米该内部电场可以非常巨大，并在1兆分之一秒(a trillionth of a second)的时间内产生立即的扩张与收缩周期；在量子点表面的电荷迁移会产生压电力，导致量子点振动；在量子点表面的电

22、荷数目越多，振动的振幅也越大目前正在研究控制所诱发的振动的频率与规模的方法，并关注未来采用该种效应之电子组件的开关时间控制。一旦达成对该振动的控制，研究人员打算尝试倒转该效应，并期望能由微小、环境导致的压缩产生相对较大的电压。相关应用可能包括以非侵入式的方法添加压电式量子点，来测量流体压力；方法是将那些量子点以激光激发，然后测量以压电产生的振动。3、红外成像传感器半导体红外传感器，光电型系统技术复杂，器件生产难度较大。器件技术：红外焦平面阵列，1978年，尺寸是32x32，现在为1024x1024，可能向大平面显示器接近。与动态随机存储器(DRAM)技术相关。 红外成像器件尺寸水平落后于DRA

23、M。DRAM每存储单元约一个晶体管，而红外成像传感器读出部件每单元约二到三只或更多晶体管，且生产线是非标准的。CCD尺寸水平已和DRAM接近。（标准生产线）红外焦平面阵列红外敏感元件尺寸随时间的演变结构图能带图波长与量子效率光谱响应480 x640芯片900K时的平均辐射谱新的图像传感器 赛普拉斯公司2010年9月推出一款用于高端机器视觉市场的高敏感度、高速CMOS图像传感器VITA25K传感器。特点： 5120 x 5120有效像素，像素尺寸为4.5 m x 4.5 m。 250万像素，带有流水线和触发式全域快门。 具有32个10-bit数字低压差分信号（LVDS）输出，可以允许图像数据通过

24、标准的工业协议进行低功耗、低噪声传输。 每个通道以620Mbps的速率运行，从而实现53帧每秒（fps）的无畸变高帧频和快速读出。 VITA25K是高端机器视觉应用的理想选择，适用于检验机、生物检测（如下一代掌纹读取仪）以及智能交通系统等。 光学尺寸为35mm，具有单色或彩色输出。流水线全域快门可以在读出时进行曝光，从而减少运动产生的模糊效应。该传感器还可以工作在滚动快门模式，通过相关双采样（CDS）减少噪声并提高动态范围。可以根据需要将传感器图像的画面分割为最多32块感兴趣的区域，进行更详细的观察。 红外传感器工作原理根据待侧目标的红外辐射特性可进行红外系统的设定。 系统核心，根据物质和红外

25、相互作用的物理效应探测红外辐射不同的检测对象、检测方式和不同的传感器，信号处理技术就不一样被动式系统主动式红外光源红外成像传感热像仪热释电人体红外传感器90年代后，研究进展迅速。响应速度低，0.110Hz波长范围窄，515um。 只对外界红外辐射和自身温度变化敏感，或对运动人体红外辐射敏感，对静止辐射体，没有信号输出。探测原理：热辐射定律。 普朗克辐射公式，维恩位移定律，瑞利辐射公式。器件视图敏感单元人体静止或阳光等干扰照射时，P1、P2电荷数量相等，符号相反，传感器无信号输出。热释电传感器应用：检测放大电路和上图组合，构成实用电路。可报警等扩展电路，可构成其它多种应用电路，用于各种场合。单稳

26、红外传感技术应用（一般应用）红外人体检测存在红外安全测量红外温度检测红外空调红外测距应用实例1、光读出红外传感器原理图摄像器结构光读出系统关键参数灵敏度噪声透过率（红外透镜、基板透过率）2、红外温度传感热电元件和温度补偿二极管封装在一起输出：10mv/c03、其它应用军用问题光电传感器： 能否将发射器件做为接收器件？光纤光栅传感器光纤光栅传感器Fiber Optical Grating Sensor 光源（光纤光栅传感器需用大功率宽带光源或可调谐光源（光纤光栅传感器需用大功率宽带光源或可调谐光源）光源） 光纤光栅基本性质（光纤光敏本质的机理，灵敏度、光纤光栅基本性质（光纤光敏本质的机理，灵敏度

27、、动态范围）动态范围） 进一步完善、发展光栅的写入方法。进一步完善、发展光栅的写入方法。 光纤光栅传感头的设计。光纤光栅传感头的设计。 信号解调技术。信号解调技术。 光纤光栅传感器在实际应用中需解决的问题光纤光栅传感器在实际应用中需解决的问题光纤光栅的发展过程：光纤光栅的发展过程： 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及其同事首次报道了及其同事首次报道了光纤的光敏现象。这种方法只能制作光纤的光敏现象。这种方法只能制作BraggBragg波长与写入波长相波长与写入波长相同的光纤光栅，缺乏实用性。同的光纤光栅，缺乏实用性。 1989198

28、9年，美国东哈特福德联合技术研究中心年，美国东哈特福德联合技术研究中心MetlzMetlz等人发明了等人发明了紫外侧写入技术，这项技术大大提高了写入效率，而且可以自紫外侧写入技术，这项技术大大提高了写入效率，而且可以自由控制布拉格波长。由控制布拉格波长。 19931993年，年，K.O.HillK.O.Hill等人及美国等人及美国AT&TAT&T贝尔实验室的贝尔实验室的D.AndersonD.Anderson几几乎同时提出了位相掩模写入技术。使得光栅的批量生产成为可乎同时提出了位相掩模写入技术。使得光栅的批量生产成为可能。能。 19931993年年P. LemaireP. Lemaire等人提

29、出了一种提高光纤敏感性的简单有效等人提出了一种提高光纤敏感性的简单有效的方法的方法低温高压载氢技术。在普通通信光纤上就可以很容低温高压载氢技术。在普通通信光纤上就可以很容易地写制出高反射率的光纤布拉格光栅。易地写制出高反射率的光纤布拉格光栅。 光纤光栅的分类：光纤光栅的分类： 均匀周期布拉格光纤光栅均匀周期布拉格光纤光栅 变迹光纤光栅变迹光纤光栅 MoireMoire光纤光栅光纤光栅 啁啾光纤光栅啁啾光纤光栅 相移光纤光栅相移光纤光栅 超结构光纤光栅超结构光纤光栅( (取样光栅）取样光栅） 闪耀光纤光栅闪耀光纤光栅 光纤光栅的制作技术：双光束全息干涉横向成栅法 相位掩模法 逐点写入法 在线成栅

30、法 振幅掩模法 光纤光栅的应用：光纤光栅的应用： 民用： 民用工程中的结构检测是光纤光栅传感器应用最活跃的领域。基础结构的状态、力学参数的测量对于桥梁、大坝、隧道、高层建筑和运动场馆的维护是至关重要的，通过测量建筑物的分布应变，可以预知局部载荷的状态。光纤光栅传感器既可以贴在现存结构的表面，也可以在浇筑时埋入结构中对结构进行实时测量，监视结构缺陷的形成和生长。 例如，1999年，美国新墨西哥Las Cruces 10号州际高速公路的一座钢结构桥梁上安装120个光纤光栅传感器，创造了当时在一座桥梁上使用光纤光栅传感器最多的纪录。 光纤光栅的应用：光纤光栅的应用： 航空航天业中的应用： 航空航天业

31、是一个使用传感器密集的地方，一架飞行器为了监测压力、温度、振动、燃料液位、起落架状态、机翼和方向舵的位置等，所需要使用的传感器超过100个，因此传感器的尺寸和重量变得非常重要。光纤光栅传感器只有1根光纤，敏感元件(光栅)制作在纤芯中，从尺寸小和重量轻的优点来讲，几乎没有其他传感器可以与之相比。 美国国家航空和宇宙航行局对光纤光栅传感器的应用非常重视，他们在航天飞机X-33上安装了测量应变和温度的光纤光栅传感器网络 。光纤光栅的应用：光纤光栅的应用：船舶航运业中的应用： 先进的复合材料越来越多的被引入到船舶的设计和制造中来，它可以极大的减轻船舶的重量，另外复合材料具有可抗疲劳、抗腐蚀、容易成型等

32、优点。为了获得复合材料结构的强度和成本的优化，必须了解这种结构的完整性和行为特性。使用模型测量，然后将测量结果按比例推算到实际船舶是一种常用方法。例如：Hjelme等人用光纤光栅传感器系统对一个按比例缩小的双体船模型进行了测量，记录了湿甲板和海浪之间的冲击力、结构的动态载荷及弯曲力矩。光纤光栅的应用：光纤光栅的应用： 石油化工业中的应用： 石油化工业属于易燃易爆的领域，电类传感器用于诸如油气罐、油气井、油气管等地方的测量存在不安全的因素。光纤光栅传感器因其本质安全性非常适合在石油化工领域里应用。例如：“边钻边测”系统25对钻井作业非常有利，Weis等人用光纤光栅制作了一个井下光纤光栅调制器，用

33、于跟踪钻井过程中绞盘头的幅度变化。美国马里兰州大学工程学院灵巧材料和结构研究中心用光纤光栅开发了一个分布式氢气泄漏传感系统，系统中有40个光纤光栅氢气传感器。 光纤光栅的应用：光纤光栅的应用： 医学应用： 目前广泛用于医学的绝大多数传感器都是电气有源传感器，因此不适合大量的医学领域，尤其在高频/微波领域，即超声波及与高温手术有关的激光辐射环境。由于传感头的局部发热和存在着金属导体以及导体中电流与电压的电磁干扰，导致错误的读数。但由于光纤传感器是绝电体，故它可以克服这些问题。新加坡总医院将南洋理工大学生物医学工程研究中心研制成的一种光纤光栅压力传感器用于外科校正，以便帮助医生监视患者的健康。埋有

34、光纤光栅阵列的脚压传感垫配以绘图设备可以绘出外科校正压力的空间图形，能用于监视患者站立时的脚底压力分布。 光纤光栅的应用：光纤光栅的应用：核工业中的应用： 核工业是个高辐射的地方，核泄漏对人类是一个极大的威胁，贝尔格利核电站泄漏的影响至今还没有消除，因此对于核电站的安全检测是非常重要的。由子核装置的老化，需要更多的维护和修理，最终必须被拆除，所有这些都不能在设计时预见，因此需要更多的传感器以便遥控设备，处理不确定情况。同时核废料的管理也变得越来越重要，需要有监测网络来监视核废料站的状况，对监视网络长期稳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月的年度报告中提到，他们正

35、在日本测试反应堆，通过辐射环境测试确保光纤光栅用于核电厂设备和管道的传感，并能在几乎整个反应堆寿命期间忍耐核辐射。光纤光栅的应用：光纤光栅的应用：其它方面的应用： 如同其它光纤传感器一样，FBG由于其抗电磁干扰能力，用于电力工业也是十分理想的。此外，FBG可刻写在标准的1.55m波长的通信光纤上，由于光传输损耗低，可进行远距离遥测。有人己经开始研究用FBG传感器来测量高压线负荷、变压器线圈温度以及大电流等。FBG传感器也可用于化学传感，基本原理是通过FBG与周围化学物质之间的损耗场相互作用，FBG的中心波长随折射率(即化学浓度)变化而变化。在其它领域，光纤光栅传感器还可在气体管道、自来水管道及

36、地质勘测中发挥重要作用。随着应用的增加，制作成本也将迅速下降，必将导致光纤光栅传感器应用于更多的新领域。光纤光栅的应用：光纤光栅的应用： 光纤激光器中的应用 外腔半导体激光器中的应用 在滤波器中的应用 在波分复用/解复用中的应用 光编码/解码应用 在Raman激光器和Raman放大器中的应用 在光纤放大器中的应用 在色散补偿器中的应用 在增益均衡器中的应用 在传感领域中的应用 光纤光栅的基本特性光纤光栅结构图光纤光纤BraggBragg光栅反射率：光栅反射率：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由此得到光栅的最大反射率为：由此得到光栅的最大反射率为： )(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 光纤光纤BraggBragg光栅峰值反射率与耦合系数和光栅长度的关系曲线光栅峰值反射率与耦合系数和光栅长度的关系曲线峰值反射率峰值反射率-耦合系数耦合系数峰值反射率峰值反射率-光栅长度光栅长度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)光纤光纤BraggBragg光栅峰值反射率与折射率调制深度和光栅长度的关系曲线光栅峰值反射率与折射率调制深度和光栅长度的关系曲线峰值反射率峰值反射率折射率调制深度折射率调制深度峰值反射率峰值反射率-光栅长度光栅长度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)光纤光纤BraggBragg光栅反射带宽与折射率调制深度和光栅长度光栅反射带宽与折射率调制深度和光栅长度的关系曲线的关系曲线反射带宽调制深度反射带宽调制深度反射带宽光栅长度反射带宽光栅长度轴向应力作用下光纤光栅的传感模型轴向应力作用下光纤光栅的传感模型: : zeBBz)1 (12111222PPvneffe 其中有效弹光系为：其中有效弹光系为：应变灵敏度系数：应变灵敏度系数：0.7841e应力灵敏度系数：应力灵敏度系数：0.786/E1)()(211212112vnEKpeff横向应力作用下光纤光栅的传感模型

41、：横向应力作用下光纤光栅的传感模型： zzeffBBPPPnz121212121120.587/E2) 1() 13(2111122vPvPvnEKpeff应变灵敏度系数：应变灵敏度系数：1.72612121212112PPPnKeff应力灵敏度系数：应力灵敏度系数：体应力作用下的传感模型：体应力作用下的传感模型： 122112112effnv122112112effnv压力灵敏度系数为：压力灵敏度系数为：光纤光栅的温度传感模型：光纤光栅的温度传感模型： TPPnkneffwgeffB22112113理想情况下的传感模型：理想情况下的传感模型： 表示热光系数表示热光系数表示线性热膨胀系数表示线

42、性热膨胀系数 温度灵敏度系数：温度灵敏度系数： CPPnknKeffwgeff/106965. 0221512113理想情况下的温度灵敏度数：理想情况下的温度灵敏度数：C105 . 76光纤光栅温度传感的实验系统光纤光栅温度传感的实验系统 宽谱光源宽谱光源 （BBSBBS） 光谱分析仪光谱分析仪 （OSAOSA）耦合器耦合器IMGIMGFBGFBGIMGIMG水水温度计温度计20304050607080901001550.915511551.11551.21551.31551.41551.51551.61551.71551.81551.9Temperature(C)Wavelength(nm)

43、线性拟合的结果为：线性拟合的结果为： )(713.15500102. 0nmT 光栅的温度灵敏度为：光栅的温度灵敏度为： CK610578.6光栅中心波长随温度变化的拟合曲线：光栅中心波长随温度变化的拟合曲线：中心波长为中心波长为1550nm1550nm的光栅单位温度变化下引起的波长漂移为的光栅单位温度变化下引起的波长漂移为0.0102nm/0.0102nm/，与理论计算，与理论计算0.0108nm/0.0108nm/基本吻合。基本吻合。 光纤光栅应力传感的实验系统光纤光栅应力传感的实验系统 宽谱光源宽谱光源（BBSBBS）光谱分析仪光谱分析仪 （OSAOSA）耦合器耦合器折射率匹配液折射率匹

44、配液 （IMGIMG）FBGFBG砝码砝码光纤夹具光纤夹具01020304050607080901001550.815511551.21551.41551.61551.815521552.21552.4Stress(g)Wavelength(nm)光栅中心波长随压力变化的拟合曲线：光栅中心波长随压力变化的拟合曲线：线性拟合的结果为：线性拟合的结果为： )(0131. 0840.1550nmG光栅的应力灵敏度为：光栅的应力灵敏度为： 610447.8F中心波长为中心波长为1550nm1550nm的光栅单位压力变化下引起的波长漂移为的光栅单位压力变化下引起的波长漂移为0.0131nm/g0.013

45、1nm/g，与理论计算的，与理论计算的0.0118nm/g0.0118nm/g基本吻合。基本吻合。 对光纤光栅的温度、应力传感特性进对光纤光栅的温度、应力传感特性进行了重复实验，证明光纤光栅的温度、行了重复实验，证明光纤光栅的温度、应力传感具有很好的重复性。应力传感具有很好的重复性。 光纤光栅的压力增敏：光纤光栅的压力增敏： 有机聚合物基底有机聚合物基底光纤光栅光纤光栅封装后：封装后：pKEpeBB)21)(1 (封装前：封装前：pKEpe)1(121EEpp因此有：因此有：光纤光栅的聚合物封装材料的选择光纤光栅的聚合物封装材料的选择 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光纤光栅压力灵敏度系数与封装材料弹性光纤光栅压力灵敏度系数与封装材料弹性模量的关系曲线模量的关系曲线聚丙烯作为基底材料聚丙烯作为基底材料 ：E=1.4GpaE=1.4Gpa，=0.27,=0.27,从理论上可以算出在理想封装从理论上可以算出在理想封装情况下压力灵敏度系数为情况下压力灵敏度系数为25.62825.62810105/MPa5/MPa，是裸光栅是裸光栅灵敏度系数的灵敏度系数的129129倍倍. . 聚偏氟乙烯作为基底材料聚偏氟乙烯作为基底材料: :E=0.834GpaE=

47、0.834Gpa，=0.30,=0.30,在理想封装情况下压力灵敏在理想封装情况下压力灵敏度系数为度系数为37.41037.41010105/MPa5/MPa，是裸光栅灵敏度系数的是裸光栅灵敏度系数的189189倍倍 . .光栅封装工艺中偏心度对光栅压力灵敏度的影响光栅封装工艺中偏心度对光栅压力灵敏度的影响 光栅的受力分析光栅的受力分析: : P P1 1PsinPsinP P2 2=Pcos=PcosP PFBGFBG )(122122112212112CosSinnCosSinPPneffeffallBB压力灵敏度系数：压力灵敏度系数：假设光栅的偏心度为假设光栅的偏心度为5 5估算出光栅的

48、压力灵敏度系数为估算出光栅的压力灵敏度系数为1.1591.15910104/MPa 4/MPa ，由此可见，偏心度对光栅的灵敏度影由此可见，偏心度对光栅的灵敏度影响较大，封装时要特别注意。响较大，封装时要特别注意。 介质膜滤波片用于波长漂移检测的原理：介质膜滤波片用于波长漂移检测的原理：/nm/nmR R多层介质膜滤波片的透射率曲线多层介质膜滤波片的透射率曲线利用滤波片的线性段，利用滤波片的线性段，而且倾斜度越大，被检而且倾斜度越大，被检测波长有一微小的变化，反射率即有一大的变测波长有一微小的变化，反射率即有一大的变化，从而可以提高检测精度。化，从而可以提高检测精度。实验用光栅的特性谱实验用光

49、栅的特性谱光电探测器光电探测器2 2介质膜滤波片测量光栅传感器的波长漂移系统介质膜滤波片测量光栅传感器的波长漂移系统宽谱光源宽谱光源 （BBSBBS）耦合器耦合器光纤光栅光纤光栅隔离器隔离器IMGIMG数据处理数据处理准直器准直器滤波片滤波片光电探测器光电探测器1 1准直器准直器准直器准直器放大器放大器放大器放大器IMGIMG1212PDPDPDPD检测原理：检测原理：设入射到滤波片的光功率为P，滤波片的透射率与波长的关系为T（），反射率与波长的关系为R（），两探测器的功能特性几乎一样，其光电转换波长与电流的关系为I（），设第一、第二路的放大倍数分别为K1和K2，模拟除法器的输出为K，在电路设

50、计时使K1K2，则有： 1221TRRTK)(RRK该方法检测由于波长变化引起的光强的变化，属于光强检测的一种属于光强检测的一种方法，但其测量结果与光源的功率无关，从而可以消去光源的扰动方法，但其测量结果与光源的功率无关，从而可以消去光源的扰动对测量的影响对测量的影响。另外可以看出，该方法实现的是波长的绝对测量波长的绝对测量，当外界温度或应力发生变化时，测得发生变化后的波长，再计算出B，由的大小，依据第三章的结论，即可求得温度或应力的变化大小。电路部分的设计：（采用电路部分的设计：（采用AD538AD538作为模拟除法器）作为模拟除法器） 电路模型电路模型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 检测系统的电路设计部分：检测系统的电路设计部分：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光纤光栅传感网络解调原理(a) FBG反射信号(b) FFP滤波器扫描(c) 光电探测器输出信号图4-5 解调原理频谱示意图 分布式光纤Bragg光栅传感系统实时监测界面基于光纤激光器的激光雷达基于光纤激光器的激光雷达空间探测技术空间探测技术内容内容1、引言2、激光雷达发射要求3、激光雷达接收机噪声分析4、总结1、引言 空间碎片对航天器等构成威胁 碎片数量超过数万以上，1cm以上者10万 每年按2000个增长 国内外建立了空间探测，国外发展激光雷达 国内地基探

54、测发展较慢，激光雷达则更少 地基激光雷达空间碎片探测技术需要研究光纤激光器雷达特点 光纤激光器具有良好的性能和低成本、低功耗和小体积以及轻重量等一系列技术优势，其本身的研制技术也已成熟。是今后航天、航空应用的主流激光器。 1引言引言 空间碎片以空间垃圾的形式，已经对空间轨道飞行器（卫星等）的安全构成严重威胁。 110cm尺寸的空间碎片威胁为大，微波雷达难以探测。 亚毫米级碎片数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轨道以及静止轨道区，亚毫米碎片的数量信息无从得到。 激光波长短，可以探测110cm尺度的轨道碎片，600公里轨道定位精度可达3050米。微

55、波雷达精度在2公里左右。1引言引言 对于空间碎片的测量可以分为天基测量和地基测量。天基空间碎片监视系统的优点是不受地理位置和气象条件限制，分辨率高，探测效果好，且战时生存能力强，但造价高，星上信息处理能力有限，功率也无法和地基监视系统相比。 地基微波雷达的探测精度非常有限，分辨率低，难以获得110cm碎片的信息。且功耗大，体积庞大，造价高。世界发达国家如美国、法国、德国、日本以及澳大利亚等都在进行激光雷达研究，试图准确测量空间碎片的分布及其它信息。1引言引言 激光雷达是解决空间110cm尺度碎片探测的最佳方案！引言国外激光雷达简介 美国麻省理工学院研制的“火池雷达”，于60年代末研制的。70年

56、代初，林肯实验室演示了火池雷达精确跟踪卫星，获得多普勒影像的能力。 国外激光雷达简介 在法国政府和英国政府的倡议下，由法国达索电子公司和英国GEC-马可尼航空电子学公司雷达系统分部组成的联合体研制一种紧凑的激光雷达（CLARA）。国外激光雷达简介 达索公司、GEC-马可尼公司、马可尼意大利公司和蔡司公司又联合研制了一种用于直升机障碍物报警的激光雷达，可提前10秒钟对直径5毫米的缆线报警，并具有地形导航功能。引言激光雷达的优势 激光雷达角分辨率高，速度分辨率高和距离分辨率高；抗干扰能力强，隐蔽性好；激光雷达的波长短，可以在分子量级上对目标探测；在功能相同的情况下，比微波雷达体积小、重量轻，结构简

57、单，不受电磁干扰影响。 发展激光雷达地基监测技术有特殊意义！。火星火星地球地球近100倍地球直径1/10地球直径光斑示意图微波波束光束对准情况，光传输能量集中，接收功率远大于微波传输。距离较远时，稍有抖动，光斑即偏离探测器，但仍能接收微波信号。探测器光斑微波波束光束与微波传输示意图解决办法 搜索、跟踪、瞄准（ATP） 宽视场角光学天线阵列结构信号探测器二维万向架伺服电机跟踪控制器跟踪探测器激光器光学天线PBSATP系统光纤激光器雷达优点1、输出光束质量好、线宽窄，对准容易，必其它激光器更有利于和光学系统配合，从而简化系统；2、结构简单，其发射波长为大气低损耗窗口，对人眼安全， 3、相干长度长；

58、易实现高精度目标检测。4、低噪声、高可靠性，功耗低、无需水冷，可在恶劣环境下工作。5、可对超远距离的目标进行超高精度的相干探测6、体积小、重量轻，便于工程化实现。7、可实现高灵敏、快速检测，数据可实现高速传输， 系统的器件和技术和光纤通信系统兼容。8、其波长优势使其在微弱信号时可采用光放大器。2、激光雷达发射要求光发射机一般要求 探测距离远，对近地轨道600km左右高的空间碎片实行地基观测 具有捕获目标、克服大气衰减的能力。 激光波长要适合大气低损耗窗口； 发射功率应能在多数气候条件下满足轨道碎片探测要求； 光束发散角应满足探测要求； 光学系统损耗小、具有一定增益； 目标定位精度在50米；探测

59、目标尺度10到50厘米。 2.1、大气光传输特性简介大气光传输特性：衰减、吸收、散射，湍流等。对不同波长表现出不同衰减特性。大气透射谱2.2 探测原理 碎片有效反射面 S 光斑直径 D 大气 光学收发天线 图 2 地基激光雷达空间碎片探测示意图 在大气衰减情况下，不同发射功率时，接收功率的变化。 进入光接收机的能量不仅仅是目标返回光，还有大气中的后向散射光，这部分光形成噪声！地基探测可分为两个过程2.2、探测原理大气辐射方程( , , )( , , )( , , )dI zcosI zJ zk dz I表示光强度；k表示质量消光截面，是大气物质密度。Z是光束传输方向，表示相对于向上垂线的倾角，

60、表示相对于z轴的方位角。在上行及下行光都为垂直入射时，cos0或1。 J（z,)是源函数。( , , )jJ zk 2.3、发射功率估算2()0exp( )hSttLPPkd120exp( )(/4)httSPPkdD22202220cosexp( )(/4)cosexp 2( )(/4)hrthtSdPPrkdhDS dP rkdhD S h d 图 4 从碎片返回能量立体角 2exp()()rrtAPPLL雷达接收到的光功率为目标返回功率为从光源发射到达轨道目标光功率为光传输链路方程2.3、发射功率估算 具体设计参数实例： 设光探测器最小接收光灵敏度为90dBm，这就是要求从碎片返回光接收