超声波成像技术具有无电离辐射,相对安全,成像速度快等优点,己成为了一种令人瞩目的新技术,被广泛的应用在多个领域,例如:医学诊断、地质勘探、材料、结构健康监测等。对于该成像技术而言,超声波探测器是用来获取被测物体内部结构信息的核心器件。目前工程应用中的超声波探测器多采用压电陶瓷换能器,但其在高精度和特殊环境的应用需求中,也有一定的局限性,如体积大、响应灵敏度较低,易受环境电磁干扰,复用性较差等。从应用需求和技术发展的角度,超声波成像技术仍然是一种在技术上期待有新进展和新突破的研究。因此,本论文中研究了多种基于相位调制的干涉型光纤超声波传感器,搭建了超声波检测系统,应用这些传感器对多个自制地震物理模型进行了探测和成像实验,分别采用可编程程序控制扫描和温度自校准的方法对成像系统的自动化操作和消除温度交叉敏感问题进行了研究。这些研究对于加速超声波成像技术的进一步发展有非常重要的意义。本论文的主要研究内容为:(1)综述了光纤传感技术和光纤超声波传感技术的发展历程。论述了干涉型光纤传感器的基本原理,超声波产生的方法,超声波在固体、液体、气体中的传播规律、超声波在传播过程中的反射、折射、衰减以及超声波探测系统优化的方法。对比分析了常见的超声波检测方法。(2)设计并制作了结构紧凑的迈克尔逊干涉型超声波传感器,该传感器由一个1×2耦合器的两个具有不同长度的输出端(镀有金膜以提高反射率)固定在倾斜聚丙烯管上所构成。干涉臂的腐蚀处理操作提高了该结构的声压灵敏度进一步改善了结构的超声波探测灵敏度。配合使用边带滤波技术,该传感器可检测频率为300 kHz的脉冲(信噪比可达15.56 dB)和连续超声波。另外,倾斜的封装结构进一步改善了光纤机械强度,不仅能提高传感器的检测可移动性,还可将其用于辨别未知方向的超声源识别。(3)为了提高传感器的超声波频率探测范围,通过在空芯光纤处进行多次重复放电操作制成了空气微泡型法布里珀罗干涉仪型超声波传感器。该空气微泡的长度和壁厚分别约为120μm和13μm。该传感器具有较好的稳定性、可重复性且对频率为1 MHz的脉冲超声波灵敏度高(信噪比:24.08 dB)。为了进一步提高该结构的灵敏度,对空芯光纤进行载氢预处理,这降低了微泡壁的厚度,增大了微泡长度,达到了增敏的目的(信噪比:49.28 dB)。通过信号边缘滤波的解调方法,对探测到的信号进行数据处理和反演成像获得了简单地震物理模型的二维和三维图像。(4)为了进一步提高探测灵敏度,将聚氯乙烯薄膜与单模光纤端面结合构成了法布里珀罗干涉仪型超声波传感器。由于聚氯乙烯薄膜具有较小的杨氏模量,使得这一传感器具有较大的超声波灵敏度(信噪比高达68.56 dB)。利用飞行时间法对探测到的超声波信号进行重构,分别得到了不同角度的梯形地震物理模型的二维结构图和球形地震物理模型的三维结构图。(5)为了实现全光纤的超声波探测,将压电陶瓷换能器发出的超声波耦合至塑料光纤里构成塑料光纤超声源,再将其与法布里珀罗干涉仪结合构成小检测空间的全光纤超声波检测/成像系统。实验结果表明该系统可以分别在空气、铝板和水中实现短距离的超声波发射和探测。