光纤传感技术在军事工业领域的应用现状及前景

光纤传感技术在军事工业领域的应用现状及前景

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[摘要]着重介绍光纤传感技术及其在军事工业领域的应用状况，并简述了光纤传感技术的发展趋势及应用前景。

[关键词] 光纤传感；军工；发展；应用；前景

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0 引言

变了传统的安全光纤传感技术是20世纪70年代伴随光纤通信技术的发展而迅速发展起来的，以光波为载体，光纤为媒质，感知和传输外界被测量信号的新型传感技术。光纤传感技术由于其独特的优点和特异的功能，不仅在民用领域得到了广泛的开发和应用，而且在军用领域也得到了各国政府和军方的重视。光纤传感技术的军事应用主要有：光纤制导、光纤遥控武器、光纤陀螺、光纤水听器、光控相控阵雷达、光控飞行、光纤智能结构、安全防护和光纤智能控制等。本文将详细介绍光纤传感技术在军事工业领域的应用现状及发展前景。

1 光纤传感技术

1.1技术简介

光纤工作频带宽，动态范围大，适合于遥测遥控，是一种优良的低损耗传输线；在一定条件下，光纤特别容易接受被测量或场的加载，是一种优良的敏感元件；光纤本身不带电，体积小，质量轻，易弯曲，抗电磁干扰，抗辐射性能好，特别适合于易燃、易爆、空间受严格限制及强电磁干扰等恶劣环境下使用。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。

光纤传感，包含对外界信号（被测量）的感知和传输两种功能。所谓感知，是指外界信号按照其变化规律使光纤中传输的光波的物理特征参量，如强度（功率）、波长、频率、相位和偏振态等发生变化，测量光参量的变化即“感知”外界信号的变化。这种“感知”实质上是外界信号对光纤中传播的光波实时调制。所谓传输，是指光纤将受到外界信号调制的光波传输到光探测器进行检测，将外界信号从光波中提取出来并按需要进行数据处理，也就是解调。因此，光纤传感技术包括调制与解调两方面的技术，即外界信号（被测量）如何调制光纤中的光波参量的调制技术（或加载技术）及如何从被调制的光波中提取外界信号（被测量）的解调技术（或检测技术）。

外界信号对传感光纤中光波参量进行调制的部位称为调制区。根据调制区与光纤的关系，可将调制分为两大类。一类为功能型调制，调制区位于光纤内，外界信号通过直接改变光纤的某些传输特征参量对光波实施调制。这类光纤传感器称为功能型（FunctionalFiber，简称FF型）或本征型光纤传感器，也成为内调制型传感器，光纤同具“传”和“感”两种功能。于光源耦合的发射光纤同于光探测器耦合的接收光纤为一根连续光纤，称为传感光纤，故功能型光纤传感器亦称全光纤型或传感型光纤传感器。另一类为非功能型调制，调制区在光纤之外，外界信号通过外加调制装置对进入光纤中的光波实施调制，这类光纤传感器称为非功能型（NonFunctionalFiber，简称NFF）或非本征型光纤传感器，发射光纤与接收光纤仅起传输光波的作用，称为传光光纤，不具有连续性，故非功能型光纤传感器也称传光型光纤传感器或外调制光纤传感器。

根据被外界信号调制的光波的物理特征参量的变化情况，可将光波的调制分为光强度调制、光频率调制、光波长调制、光相位调制和偏振调制等五种类型。

由于现有的任何一种光探测器都只能响应光的强度，而不能直接响应光的频率、波长、相位、和偏振调制信号都要通过某种转换技术转换成强度信号，才能为光探测器接收，实现检测。

目前，主要通过5 种途径研发传感光纤。①对石英光纤进行某些特殊处理，使之获得传感器所需要的特性，这是早期光纤传感器所需要的光纤。②改变光纤结构，获得两种工作类型的传感光纤：一种是保偏光纤；另一种是偏振光纤。③改变光纤的掺杂材料，可以制成具有新特性的传感光纤，即在石英光纤种利用掺杂稀土金属离子，可制造出多种传感光纤。④液芯光纤，是一种具有新型结构的光纤。它是用于传输紫外光波段光线的液芯光纤。现已开始用于研制测量温度、电压和折射率等参量的光纤传感器。⑤光子晶体光纤（PCF）。[1,1]

1.2光纤传感器

传感器技术是检测原理、材料科学和工艺加工三个要素的最佳结合，在发达国家被列为核心技术之一。目前光纤传感器虽然还不多见，但它们在传感器市场中的比重正在扩大。为了开发更好的光纤传感器，人们正在努力探索和开发。光纤传感器系统一般需要有光源、光学界面、光导纤维、光学调制装置、光电检出器，以及信号处理设备。光纤传感器可以用于许多不同领域，但最多见于工业、医疗、航空航天、军事等领域。

光纤传感器的传感灵敏度要比传统传感器高许多倍，而且它可以在高电压、大噪声、高温、强腐蚀性等很多特殊环境下正常工作，还可以与光纤遥感、遥测技术配合，形成光

纤遥感系统和光纤遥测系统。光纤传感技术是许多经济、军事强国争相研究的高新技术，它可广泛应用于国民经济的各个领域和国防军事领域。在航天（飞机及航天器各部位压力测量、温度测量、陀螺等）、航海（声纳等）、石油开采（液面高度、流量测量、二相流中空隙度的测量）、电力传输（高压输电网的电流测量、电压测量）、核工业（放射剂量测量、原子能发电站泄漏剂量监测）、医疗（血液流速测量、血压及心音测量）、科学研究敏感蒙皮）等众多领域都得到了广泛的应用。

光纤传感器的基本原理是将光源发出的光经光纤送人调制区，在调制区内, 外界被测参数与进人调制区的光相互作用, 使光的强度、频率、相位、偏振态等发生变化成为被调制的信号光, 再经光纤送人光探测器、解调器而获得被测物理量。光纤传感器按测量对象分为光纤温度传感器、位置传感器、流量传感器、力传感器、速度传感器、磁场传感器、电流传感器、电压传感器、光纤图像传感器和医用光纤传感器。[2]

光纤传感器的优点主要是：损耗低，良好的传光性能，频带宽，传输容量大，本身就可以作为敏感元件，重量轻，体积小，价格低廉，抗电磁干扰，不易串音，抗雷击，通信质量高，防爆性能好，不受电磁和无线电频率的干扰，不导电，在高温下能在一个很大的带宽范围里工作。

光纤传感器可以监测许多参数，例如压力、温度、应变转矩、振动、声学性能、电磁场、旋转、加速PH值、化学变化、液位、气位以及流动等等。它们体积小，没有工作噪声，并可以传感远距离的参数。因而在众多领域得到应用。

按光纤在光纤传感器中的作用可分为传感型和传光型两种类型。

传感型光纤传感器的光纤不仅起传递光作用，同时又是光电敏感元件。由于外界环境

对光纤自身的影响，待测量的物理量通过光纤作用于传感器上，使光波导的属性(光强、相位、偏振态、波长等)被调制。传感器型光纤传感器又分为光强调制型、相位调制型、振态调制型和波长调制型等。

传光型光纤传感器是将经过被测对象所调制的光信号输入光纤后,通过在输出端进行光信号处理而进行测量的，这类传感器带有另外的感光元件对待测物理量敏感，光纤仅作为传光元件，必须附加能够对光纤所传递的光进行调制的敏感元件才能组成传感元件。光纤传感器根据其测量范围还可分为点式光纤传感器、积分式光纤传感器、分布式光纤传感器三种。其中，分布式光纤传感器被用来检测大型结构的应变分布，可以快速无损测量结构的位移、内部或表面应力等重要参数。目前用于土木工程中的光纤传感器类型主要有Math-Zender干涉型光纤传感器，Fabry-pero腔式光纤传感器，光纤布喇格光栅传感器等。

光纤传感器的种类很多，包括光纤水声传感器、分布式光纤传感器、光纤转动传感器、智能复合材料光纤传感器、光纤光栅传感器等等。

光纤水声传感器。目前，对光纤水声传感器的研究主要集中在4 种类型：微型光纤水声传感器、强度型光纤水声传感器、干涉型光纤水声传感器和光栅型光纤水声传感器。这4 种光纤水声传感器中各有其优缺点。从发展趋势来看，其中光栅型光纤水声传感器有更大的发展潜力。

分布式光纤传感器。分布式光纤传感器是利用光波在光纤中的传输特性，可沿光纤长度方向上连续地传感被测量（如温度、压力、应力/应变等）。此时光纤既是传感介质，又是传输介质，传感光纤长度从1 千米到几百千米。

智能复合材料光纤传感器。美国正在为未来的弹道导弹使用的智能复合材料开展研究工作，其中一项重要研究项目是如何将光纤传感器植入智能复合材料中。经研究证明，设计和制作标准化、模块化的光纤传感层是解决智能复合材料中使用的传感器的有效途径之一。目前有两种比较好的集成制作方法：一种是用聚酰亚胺薄膜与光纤传感器阵列的集成；另一种方式是采用聚合物光纤材料（如含氟聚酰亚胺）按集成光学的方法制作传感层，将光路和敏感元件集成在一起，从而实现传感系统高度模块化和集成化。[1,2]

军用光纤传感器主要分为四大类，一是光纤陀螺，用于飞机、舰船、导弹等惯导系统，已被美国国防部列为美国SDI计划动能武器中的一项重要内容；二是光纤水听器，用于侦察潜艇、舰船的行踪，是海军应用最有发展前途的一种水听器，它非常灵敏，对监视水下潜艇活动极为重要；三是光纤加速度传感器，用以推导加速度和相位变化的敏感器件；四是光纤压力传感器，它既可以采用光纤水听器的结构，也可以采用微弯调幅传感器的结构。由于光纤传感器具有高灵敏度、耐腐蚀、抗干扰、体积小等优点，使用范围广泛，可以检测温度、压力、角位移、电压、电流、声音和磁场等多种物理量。因而深受各方面欢迎，军民兼用，效果很好，发展速度快。人类已进入信息时代，信息的获取技术是信息技术的关键，传感器技术是信息技术的重要基础，传感器技术是获取信息的主要技术途径，获取信息是利用信息的先决条件，获取信息离不开传感器。传感器是一种能按一定规律将各种被检测的物理量转换成便于处理的量（如：电、磁量等）的器件。根据所使用敏感材料的不同，传感器大致可分为半导体传感器、陶瓷传感器、光纤传感器等。世界各国对传感器技术的研究和开发都极为重视，日本将传感器列为80年代大力发展的五项重要技术之首，又将传感器研发确定为90年代发展的重点，美、英等国也投入巨资进行传感器技术的研发。光纤传感器是利用光波调制技术即利用光波参量调制的方式来实现待测信息的提取，因此它与其它传感器相比具有如下突出的优点： ①在转换功能上工作范围宽，线性度好、信噪比高、重复性好、长时间变化小等优点；②检测信号易于处理，易于传输，而且抗干扰性能极好，可达到不受电（磁干扰及核干扰；③与被测对象所处环境相容，对待测量扰

动小；④体积小、重量轻、价廉、可靠性高等。

1.3光纤传感网络系统技术[1,3]

近几年来, 随着光纤传感器技术和光纤网络技术的迅速发展，促使了将多个光纤传感器构成的光纤传感网络系统的发展，以满足军用和民用对多点、多参量和大空间范围的传感网络的需求。

多传感器构成光传感网络的首要问题是如何解决将多个光纤传感器构成一个网络系统的连接技术问题。网络的连接涉及到光纤与光纤、光纤与有源和无源器件以及光纤与传感器等元器件之间的连接。

对于成网技术，基本上可以引用光纤通信网络系统技术来构建光纤传感网络。其实是利用了现有的光纤局域网络技术，将多个光纤传感器连接成一个复杂的传感网络， 以满足大型构件进行大范围的多点、多参量测量要求，这也是一种可行的组网方式。目前可用于光纤传感网络的光纤传感器有4 种：点式光纤传感器、积分式光纤传感器、分布式光纤传感器和传感器的复用。

光传感信号处理技术是光传感网络系统中的关键技术之一，目前研究重点集中在利用光纤水声传感器的传感合一特性，实现了水下全光阵列。其中有一个关键技术就是传感器的复用和解复用技术。最早研究的是频分复用技术，但阵列规模小，不够理想。利用PGC 的时分复用技术可以组成大规模阵列，但其噪声特性不够理想。最近的研究重点是时分/波分相结合的复用方法，但研究结果离实用化还有相当距离。

2 光纤传感技术在军工领域的应用现状

2.1应用概况

光纤传感技术在军事上应用广泛。光纤陀螺仪经过30多年的发展，已经广泛应用与民航机、无人机、导弹的定位和控制中。光纤水听器可以用于船舶军舰收集声音，探测越来越先进的潜艇。且近几年来，基于光纤传感技术的光纤网络安全警戒系统开始在边防及重点区域防卫中得到推广应用。目前，世界上发达国家使用的安全防卫系统就是基于分布式光纤传感网络系统的安全防卫技术。

2.2光纤制导

光纤制导技术在武器装备方面的应用主要是光纤制导导弹和光纤制导鱼类。

光纤制导导弹是利用光导纤维传输制导信息的一种新型战术导弹，主要用于打击地面目标或低空目标。这种导弹的头部装有微光电视摄像机或红外成象导引头，尾部有一卷光纤与发射控制装置相联。导弹飞行时光纤从尾部放出，同时导引头的摄像机将拍摄的目标图象传到发射控制装置，控制指令通过光纤传给导弹的制导系统，控制导弹命中目标。由于光纤传输的信息量大、频带宽、功耗低、自身辐射极小，所以光纤制导导弹的目标识别能力强、制导精度高、抗干扰性好。

光纤制导鱼雷主要涉及两方面技术：一是将光纤通信技术应用于鱼雷线导技术，二是鱼雷自导采用光纤换能器。鱼雷线导采用光纤通信技术，实质上是用一条宽频带的双向光纤通信线路取代现有的鱼雷线导导线回路。

光纤制导关键技术包括光纤强度与细径化、光纤拼接、绕线与放线，光纤双向传输以及导引头等。

导弹制导光缆是在导弹飞行过程中从弹上线轴放出的，它必须能经受在绕线轴的剩余张力强度下长达五年以上的储存期限，在“剥落点”经受弯曲所引起的短时间峰值张力，经受导弹飞行时间内相当高的动态拉力，因此在其全长上应有足够的抗拉强度。另外，为了增加射程，需要考虑制导光纤的细径化问题。光纤直径变细可使同样结构导弹的射程增加一倍。 光纤拼接要求制导光纤既具有最低损耗，又不损失强度。扩延到几十千米至几百千米以上长度而无疵痕。这是相当困难的。光纤的绕放机理和绕放机构对导弹顺利发射并满足飞行速度要求至关重要。

2.3光纤陀螺

光纤陀螺(OFG)在航天、航空、航海等诸多领域中是最具有发展前景的惯性部件。陀螺作为角位移和角速度测量的传感器，用于测量载体的姿态角和角速度。在战争中，即使卫星导航因在强电子干扰而无法获得准确信息，陀螺依然可以保证飞行器自主导航、精确制导和准确命中目标。[3]

和其它陀螺相比，光纤陀螺具有许多优点：无机械旋转部件，不存在磨损问题，具有较长的使用寿命；零部件少，具有较强的耐冲击和抗加速运动的能力；无需超高精度光学加工和高性能气体密封，制造成本低；根据使用对象的要求，具有高、中、低不同精度的产品；具有较宽的动态范围；重量轻，体积小。目前，光纤陀螺广泛用于诸多领域，比如，机器人的控制、高速列车、大地测量、石油钻井、雷达、舰艇、导弹、飞机的导航和制导等。由于光纤陀螺具有的诸多优点，其在武器装备上的应用具有很大的发展潜力，光纤陀螺为军事领域惯性技术的发展方向。俄罗斯的的R一773被认为是与美国的AIM一120并列的第四代中距空空导弹，尽管R一773在机动性和射程上占有优势，但由于它采用传统的机械陀螺而不是光纤陀螺，使得其作战准备时间相对较长，载机在空中作战时容易陷人被动地位。目前，俄罗斯已将新近开发的光纤陀螺技术用于其最新主动雷达导引头的研

制，以加快战术导弹的启动速度。[4]

光纤陀螺在动态范围、可靠性、灵敏度等方面具有明显的优势，各国军方对光纤陀螺技术高度重视，随着光纤陀螺技术的发展，其在军事领域的应用越来越突出。主要表现在以下方面：

1、在机械化、信息化武器平台上的应用

用于坦克、潜艇、自行火炮、装甲突击车的定位、定向和导航。实现武器装备的自主式定位、定向和导航功能；用于坦克、自行火炮、武装直升机等武器系统瞄准线和射击线的稳定，保证武器在运动中进行搜索、瞄准、跟踪和射击。虽然目前这些武器装备所应用的惯性元件不全是光纤陀螺，但是不可否认的是光纤陀螺是未来应用的方向。根据美国军事专家预测，未来全部飞机、舰艇、潜艇等武器平台都将装备光纤陀螺进行导航和制导。

2、在精确制导弹药上的应用

弹药制导是实施精确打击的重要措施，可以极大地提高弹药的命中精度。90年代初海湾战争中，美国“战斧”巡航导弹上就装备有光纤陀螺，使导弹的稳定性和命中率得到显著提高。目前，美国正在研究嵌人式惯性导航和全球定位系统(IbiS／GPs)一体化技术，即将INS和GPS作为一个整体装人导弹系统，这种一体化INS／GPS具有重量轻、体积小、抗干扰能力强的特点，在战争中，即使在强电子干扰，卫星导航无法获得准确信息的情况下，依靠惯性导航技术，依然可以保证导弹准确命中目标。

3、在测试领域中的应用

作为角速度和角位移测量的传感器，陀螺可用于角速度和角位移的测试领域，在某些测试领域可以大大改善测试效果。比如，在火炮某角度参数的测量中，一直采用经纬仪进行测量，需要在火炮的前面架设靶板，间隔一定的角度重新调整经纬仪瞄准测量，操作十分烦琐，得到的结果是分散的数据点；如果采用光纤陀螺进行测量，只需要把光纤陀螺安装在身管上，操作火炮到全射界即可，操作简洁、方便，光纤陀螺输出的结果是反映身管连续变化的一条曲线。

我国从20世纪8o年代初开始光纤陀螺的研究。国内研究光纤陀螺的单位主要有：北京航空航天大学、浙江大学、北京理工大学、北方交通大学和航天工业总公司所属的803所、33所和13所。目前国内光纤陀螺的研制水平已经接近惯性导航系统中低精度要求的水平，光纤陀螺在工程上已经得到一定程度的应用，但是我国光纤陀螺在关键技术及实用化上与国外先进水平相比，差距还是比较大的。

从长期来看，随着技术的不断进步和完善，光纤陀螺将在精度、类型和大小等方面覆盖武器装备的各个应用领域，与挠性陀螺标准惯性测量组件甚至是激光。陀螺标准组件在外形、功能和适用性三方面都是可以互换的光纤陀螺惯性测量组件必将出现。当前除了美国和北约一些国家的空军中的绝大部分主战飞机装备了以激光陀螺为核心的第二代标准惯导仪外，其它大多数国家的航空武器系统中用于惯性测量的陀螺基本上都是传统的机电陀螺，即使新型战机使用的也只是挠性陀螺。从抗过载能力考虑，光纤陀螺要大大优于挠性陀螺，无论从成本、快速性，还是抗过载能力考虑，光纤陀螺仪应该是发展及应用的方向，届时极有可能出现一个用光纤陀螺惯性测量单元来改装现役以及应用到新式武器装备的局面。

我们可以相信随着光纤陀螺技术的发展，加上进一步合理地应用集成电路、集成光路等技术，进一步减小体积、重量和降低成本，简化组装工艺，提高可靠性、稳定性和耐用

性，

光纤陀螺还可广泛用于强振动和高冲击等民用运载车辆和钻井平台。可以预见，不久的将来，

光纤陀螺在各国武器装备上必将得到大量应用，在提高武器装备的战斗力方面，光纤陀螺将发挥巨大作用。[1,4]

2.4光纤智能结构[5,1]

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。9 0年代初，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，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。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。NASA打算选择光纤传感器用于x一33，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 。美国已将基于光纤传感器的智能结构技术在F—18，F一22，JSF等战斗机、X一33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腱康监测技术。

2.5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。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。英国对水听器的研究主要由lessey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]

2.6军用机器人[5,2]

军用机器人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。需要尽量减少抓握时的冲击力，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。

2.7安全防卫警戒

在现代反恐斗争中，高新技术的应用彻底改防卫的许多概念，并导致了安全防卫系统的重大变革。近几年来，发展起来的基于光纤传感技术的光纤网络安全警戒系统也开始在边防及重点区域防卫中得到推广应用。目前，世界上发达国家使用的安全防卫系统就是基于分布式光纤传感网络系统的安全防卫技术，该技术利用了激光、光纤传感和光通信等高新技术构成警戒网络和安全报警系统。[1,5]

光纤传感技术工作特点是光纤本身作为传感器，当光纤受到外界干扰时，光纤中传输光的部分特性就会改变，通过检测光的特性变化，监控这些事件和状态。这些事件包括：张力、位移、震动、冲击、声波、温度等，经控制器的特殊算法和分析处理，确定事件真伪，区分非法入侵行为与环境干扰。

传感器应用光干涉检测技术。激光器向光纤发射激光，激光传到光纤的末端后由一个终端单元反射回来。若光纤没有受到外界的扰动，光纤中的光特性不发生改变，则光检测

器无输出，不产生报警信号；如果光纤受到外界扰动，则光纤中的光特性发生变化，变化量则取决于光纤受外界扰动的强度，其振幅和频率同样可以被检测到，借助软件工具就可将这些变化转变成可识别的各种信号，进而触发报警。为了检测微应变，通常采用两芯单模光纤来实现。这两根光纤组成了“干涉传感器”的一个臂，用相干激光器向其发射一束激光，若光纤没有受到外界的扰动，则光检测器将不对反射波产生报警信号；如果光纤受到外界侵扰，则光的波形改变，并产生干涉图像，通过软件可以分辩出事件的真实情况。光纤传感器的频率响应范围从1 Hz至20K Hz。这项技术可以用来检测动态应变，响应时间在毫秒级，可获得非常高的灵敏度。微应变传感器与定位技术结合，可实现远距离安全保障系统的定位报警功能。

采用独特的算法以及多参数分析法，对反馈信号进行分析，从纷杂的背景噪声中提取有用信息，确保高检测率，并排除自然界的各种干扰，有效降低误报率，实现精确定位。采用分布式光纤传感器以及独特的算法，使传感器对震动、移动和应力变化十分敏感，可实时监测动态应力变化，及早发现管线周围的异常情况和潜在的非法事件，具有预警功能。[7]

归纳起来，其特点包括：

1、分布传感，技术先进。在整个连续光纤的长度上，任意一点都是“传感器”。

2、实时监控，定位准确，响应迅速，克服漏测和难以定位的弊端。

3、结构简单，可靠性高。传感光纤既传输光，又传感，故障少，可维护性好。

4、配置灵活，使用方便。系统配置和参数可按用户具体需求调整，方便灵活。

5、性价比高。测点分布于整个光纤，系统成本远远低于采用传统点式监测系统的价格。

在安防领域应用包括在机场、边境、基地、港口、核电站等重要目标的实施周边安全报警，用于政府、银行、情报机构光缆安全监控，用于监控石油、天然气管线、炼油厂、电力线的管道安全。

2.8多光纤传感器信息融合技术[1,6]

多光纤传感器信息融合技术，又称多光纤传感器数据融合技术（MSDF），是20 世纪70 年代迅速发展起来的一门学科,在现代C3I（指挥、控制、通信与情报）系统中，光纤传感系统中的一些信息融合节点处理传感器的检测数据，并与其它节点交换传感器的检测数据和目标数据，其中包括以下两个信息融合节点。

①陆基中心的信息融合节点。陆基中心接收来自卫星和其他信息源数据，以对潜艇在港口或者在海上预期作战任务和开机时间等信息的舰队级估计。布置在必经航线上的固定水下声纳系统提供确认潜艇出入港口的航线检测。把这些数据与所有信息源确认的观测和检测信息进行融合，以维持监视范围内的舰队的最高态势估计。就融合结构而论，陆基监视中心一般是分布式或混合式结构。

②指挥舰上的信息融合节点。海上舰艇编队的指挥舰上建立一个海上信息融合中心，收集来自其他附近海域舰艇，潜艇和飞机的数据，为海上编队提供一个地区性态势估计。由其他海上部队和陆基中心观察到的目标航迹可以用来预测正在接近外围周界的威胁。这个融合中心提供了海上指挥员所关心区域内所有目标（包括空中－水面－水下面）的全部情况，该节点是一个多级式结构。至于每个独立舰艇、飞机和潜艇都需要对各自平台上的局部传感器进行信息融合。舰艇和攻击潜艇采用安装在舰体上的和拖挂配置的声纳及ESM

传感器进行被动侦察。

2.9智能复合材料中的应用[1,7]

为了满足信息化战争的要求，各种大型武器装备逐步采用智能复合材料来制造。因为在智能复合材料中植入智能结构， 其中包含各种传感器的探测元件、微处理控制器和驱动元件等，称之为智能蒙皮。采用智能蒙皮制造的各种武器装备，具有能获取来自敌方的各种信息的功能，它将起到监视、预警、隐身和通信等重要作用。

2.10光纤传感器在军事中的应用

由于光纤传感器的巨大优势, 它已成为许多军用传感器的换代产品, 特别是传光型传感器, 技术发展成熟, 在军事领域已广泛投人实用。而传感型光纤传感器则有其更为优越的性能, 将倍受各国军界青睐, 成为发展军事高技术的重点。

传光型传感器用光纤代替金属线可以提高武器的战术性能% 它具有频带宽、传输损耗低的特点及抗电磁干扰能力；光纤向外辐射能量少,不易被敌方雷达发现, 增加了安全系数；光纤浸人江河湖海仍能正常工作,提高了环境适应能力。

从实用的光纤传感器的角度来说, 传光型传感器充分利用传统的优质敏感元件来提高其灵敏度, 结合成熟的传感技术, 利用低损耗的光纤, 将使军事装备体积小、重量轻、结构简单、性能更为优越。例如, 美国陆军研究发展部和工程设计中心研制的新型有线制导系统（FOG-M), 就是对现有的反坦克导弹(TOW)进行更新改造而研制的。对导弹的关键性改进就是用光纤传感器代替原有的电缆式传感器。采用光纤传感器后, 射手不必直接暴露于战场进行观察, 只需通过安装在弹头突出部位的成象寻的器捕捉到的目标视频信号, 用光

纤传输给隐蔽处的指挥台显示器进行指挥、发射。[8]

美国海军海洋系统中心研制的制导光纤作为传感器的信息传输线, 大大改善了鱼雷的性能%传统的金属导线制导由于其传输频带窄、衰减大、体积大, 限制了鱼雷的射程和命中率。改用光纤制导后, 将大大提高鱼雷的速度和射程。目前美国海军已成功地进行了18节速度的光纤制导鱼雷的发射,而且计划将速度增加到70节。

传感型光纤传感器在军事中的应用范围愈来愈广。美国的“纤维光学传感器系统”计划中提出的水声器、磁强计、现代数字光纤控制系统（ADOSS)、光纤陀螺（FOG)、核辐射监控(NRM)都是应用于军事装备的高科技项目, 有的已在军事领域中得到了实际应用。

随着核潜艇技术及潜射导弹技术的迅速发展, 潜艇的噪声日益降低, 而常规的探测潜艇的电式声纳, 其灵敏度受到压电换能器件的限制。光纤水声器的出现使这一状况有所改变,可得到比压电陶瓷/聚合物的电声传感器高几个数量级的灵敏度, 在理论上可达人耳听觉的极限%由于光纤水声器具有几何形状的多方面适应性和抗电磁干扰的优点, 因而各国军方高度重视,英国、德国也研制出性能优良水声器，美国海军舰载光纤声纳系统是高级水下战斗系统的主要项目之一。

在今后几十年内, 光纤传感器与其他光纤技术结合将引起军事战术系统的根本性变革。

可以预见, 如果纤维光学技术完全进人武器系统, 它对未来军事力量的影响有可能超过雷达和坦克。在无人的偏远地区, 光纤传感和激光武器系统的设置将组成坚固的防线。

相比之下, 我国的光纤传感器研究工作起步较晚, 在军事领域中的应用也不多。未来战争的胜负在一定程度上将取决于传感器技术、通信和计算机技术结合的信息革命。因此我

们必须对其高度重视, 加紧研究开发, 以满足未来战争的需要。

3 光纤传感技术在军工领域的应用前景

光纤智能结构和智能材料得到了世界各国的关注。所涉及的研究内容不仅包括土木工程结构(如拦河坝、桥梁、矿山和大楼),而且包括飞机部件、汽车防风罩、医疗监测器、舰船壳体和下一代的航天飞机。智能结构技术牵涉到使用埋置在复合结构中的传感器和链路。采用光纤传感器和链路与常规的电传感器和链路相比具有以下一些优点:

它们通常用直径125µm或者更细的光纤,获得细如发丝的传感器,能埋置在很多种复合材料结构中而不改变机械特性。

光纤传感器能制成按环境加固,能承受复合材料结构制造过程中的温度和压力。

玻璃光纤是无源介质器件,在飞机、航天飞行器要求消除导电通路时,它们能在有效电危险(如雷击)的场合,用于像碳环氧和热塑性材料之类的有机合成材料。光纤传感器的无源性还使这些传感器能成功地埋入金属结构中。

很多光纤传感器可以做到高度抗电磁干扰,不需要昂贵而笨重的屏蔽。

光纤传感器可以被复接,使很多传感器位于一根光纤的沿线。

光纤传感器天然地与光纤数据链路相容,此类数据链路具有支持大量光纤传感器所需的带宽。

光纤传感器和电信以及光电子工业之间有高度的协合作用有利于不断改进元件和降低

成本。

90年代初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。

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FA18飞机舱壁的全面疲劳试验可提高安全性和减少维护量,

仅F18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X33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。而若采用非本征法布里珀罗传感器则最多只能安排4个。在这种应用中,光纤传感器和光纤必须能承受253°C～+121°C的工作温度，并粘结到复合物的燃料罐上。[1.8]

再比如所谓的智能蒙皮也在进行研究,它将微波和光传感器埋置在飞机蒙皮中,起到了

“眼睛”和“耳朵”的功能。埋置的相控阵天线和分布式光传感器是这项技术的关键元件。

用埋置光纤将阵列控制信号发送到雷达元件并将接收信号发送到远端的信号处理机。光纤和光纤传感器是光纤智能结构中兼具传输和传感信息双重功能的媒体。可用于智能蒙皮结构的传感光纤有保偏双折射光纤、双芯光纤及特殊涂覆光纤。光纤智能结构所用光纤传感器主要是法布里-珀罗器件和光纤光栅器件。

光纤光栅传感器是目前国内研究的热点之一。FBG传感器具有灵敏度高，易构成分布式结构，在一根光纤内可实现多点测量。满足“智能结构”对传感器的要求，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、压力和加速度传感中。但是温度、应力交叉敏感是其实用化的最大限制。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。

列阵复用传感系统将单点光纤传感器阵列化，实现空间多点的同时或分时传感，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，是大规模光纤传感的一个重要发展趋势。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。

与传统的机电和电子传感器相比，光纤传感器有着一系列独特的优点。尤其是分布式光纤传感器在大型建筑工程、桥梁隧道、铁道公路、油气管道、结构健康管理（监控）（SHM）等方面的应用几乎是独一无二的，是其他类型传感器无法比拟的。从目前光纤传感器已取得的成就来看，未来光纤传感器应用规模恐怕尚无法估量。

众所周知，光纤通信在不长的时间内，几乎完全战胜了传统的铜线通信。其实对光纤来说，目前只是开发和利用了石英光纤优良的传光特性。而光纤传感器不仅利用光纤的传光特性，更利用了光纤对环境参数的敏感特性。其实，光纤还有许多特性正在利用或尚未利用，例如光纤放大器、光纤激光器、光纤功率传输、光纤信号处理。[9]

毫无疑问，完全可以相信继光纤通信后，光纤传感器将是光纤技术领域又一新兴产业正在迅速崛起，并且相信未来将会有更多的光纤新兴产业出土、开花、结果。

光纤传感技术在军事工业的很多领域应用前景广阔，同时又有很多技术亟待突破，即研发前景也很广阔。

4 结论

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, 可以预见，未来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已经装备部队。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。“中国梦、强军梦”的号角已经吹响，强军梦的实现不仅需要部队官兵的刻苦训练，更需要广大军工科技工作者的辛勤研究。军工科技往往是尖端科技，得益于国家在国防科研上的投入，军工科技的发展速度往往很多，同时其科研成果扩散到民用领域，将会很好地促进国民经济的发展，有利于国家工业水平整体转型升级。总之，随着国家在科学技术，特别是国防科技上的投入，光纤传感技术迎来了发展的黄金时机，其应用前景也将更加广阔。

参考文献

[1]林之华，李朝锋，刘甲春.光纤传感技术及其军事应用.2011.

[2]赵振彬.光纤气体检测技术在潜艇中的应用展望.2002

[3]李园晴.光纤陀螺发展及其在制导武器中的应用.2008

[4]王坚,周静.光纤陀螺技术及其在军事领域的应用展望.2006

[5]时德钢,刘晔,邹建龙,韦兆碧,王峰.光纤传感技术的军事应用.2012

[6]沈洪，罗辉.光纤水听器传感技术及应用.2007

[7]张侠.光纤传感监控系统在安防领域的应用.2013

[8]侯德婷，徐永安，李晶晶.光纤传感器在军事中的应用.2003

[9]陈益新.光纤传感现状及展望.2011