科普| 洞察海洋的光纤水听器

传统声呐侦听难度大大增加

　　看似安宁的海洋，其实从来都不平静。声波是目前人类知道的唯一能够在水中远距离传播的物质，而光和电磁波在水中传播时很快就会被吸收。声波不仅可以在水里传得很远，而且当声波遇到海洋中的物体时，会被反射回来，不同频率的声波，在水中被吸收和反射的程度也不相同。人们根据声波的这一特性发明了声呐，用来进行水中探测、定位和通信。

　　但近年来随着装备的迅速发展和消噪技术的不断进步，各类静音效果良好的核动力潜艇以及aip潜艇先后列装各国海军，利用传统声呐装置进行侦听的难度大大增加。反潜作战成为当今世界各国海军公认的最大难题之一。

　　光纤水听器主要用于海洋声学环境中的声传播、噪声、混响、海底声学特性、目标声学特性等的探测，是现代海军反潜作战、水下兵器试验、海洋石油勘探和海洋地质调查的先进探测手段。2009年2月初，英国“前卫”号弹道导弹核潜艇与法国“凯旋”号核潜艇在大西洋深海上演了“深情一吻”。当时两艘潜艇均在水下航行，而且艇上带着核导弹，碰撞发生时，潜艇上共有约250名乘员，可竟然无人利用声呐装置发现对方。

　　其实，自冷战时代起，美国和西方国家就经常派潜艇近距离监视苏联的大型海上军事演习，双方潜艇发生相撞事件时有发生。据不完全统计，在北方舰队和太平洋舰队过去30年来进行军事演习的海域，就曾发生过11起俄罗斯（前苏联）潜艇与外国潜艇相撞事故。俄核潜艇“库尔斯克”号的沉没引发了世人的种种猜测，其中有一种猜测就是认为发生了潜艇相撞事件。

光纤水听器引起各国关注

　　光纤水听器是一种建立在光纤传感和光电子技术基础上的水下声信号探测器。它通过高灵敏度的光纤相干检测技术，将水声信号转换成光信号，并通过光纤传至信号处理系统提取声信号信息。它可以有效克服传统的声呐系统需要大量水下电子元件和信号传输电缆、价格昂贵、重量较大、密封性不好等问题，有效提高水声信号的探测精度和系统的稳定度。

　　光纤水听器技术的研究始于1977年，美国海军实验室bucaro等人发表了光纤水听器的首篇论文，作为未来声呐系统的重要发展方向，此后各国相继开展了相关领域的研究。上个世纪70年代美国海军研究实验室就开始执行光纤传感器系统计划，光纤水听器是该实验系统的重要内容。随后美国在海军流动噪声驳船系统上对塑料芯轴光纤水听器进行了第一次海上实验，并于1983年7月在巴哈马群岛成功部署。其后，美国海军进行了多次拖曳式光纤水听器阵列的海上实验，并取得了重大成功。1988年美国海军实验室制订了潜艇用“光纤水听器系统标准”，标志着光纤水听器迈向实用装备系统的巨大进步。

　　除了美国以外，英、法、日等国也相继开展光纤水听器领域的研究。英国海军特别关注的领域是利用阵列进行浅海监视和海岸线监控技术，成功研制出了光纤海底阵系统，光纤水听器阵列技术可以实现远距离的可耗式低成本阵列器件，具有巨大的应用价值。日本于上个世纪80年代开始光纤水听器系统调研与开发研究，并于1995年制成原理样机。除此以外，法国、意大利与挪威合作执行全光纤光学水听器线阵计划，主要目的是发展静态光纤水听器阵列，并于2002年成功进行了海上试验，这个项目也成为了欧洲长期防卫联盟项目的一部分。

光纤水听器可以民用

　　光纤水听器与传统水听器相比，具有将大量单元信号经由一根光纤传输从而形成大规模阵列的特殊能力，而且水听器单元可以灵活设计，响应带宽宽，灵敏度极高，在信号传输和单元布设时无需担心电磁环境的干扰，具有较好的系统稳定性，具有组建形成光纤水听器大规模探测阵列的巨大潜力，也就是可以形成一张巨大的洞察海底的“水听网”。未来光纤水听网将组成由岸基光纤列阵水声综合探测系统、陆地地面卫星接收站以及空天探测卫星编织成的一张天、地、海的综合探测网，形成涵盖整个被探测区域的新型传感网络。

　　光纤水听器既可用于现代海军反潜作战及水下兵器试验检测，又可用于海洋石油天然气勘探，也可用于海洋地震波检测以及海洋环境检测，必将在民用领域极大促进海洋事业的发展。

　　光纤水听器技术也将掀起传感器改革的新篇章，为传统的测量手段带来新风向，光纤水听器阵列对空间信号进行测量，通过对每个固定位置上的水听器测量的声信号进行信号处理，确定声源位置，实现水下探测，水下目标侦测，水下/水面目标辐射噪声测量，并应用与水下安防，地震预测，海洋石油和天然气勘探等领域，是具有自主知识产权的水下探测技术，为港口防护、水声情报搜集以及目标探测提供技术支撑。

　　早在2000年美国利通资源勘探仪器公司就与英国防卫研究局成功开发出一套海洋陆地钻孔成像系统，这个系统的核心部件为96基元的8公里传输全光光纤水听器系统，可以用于勘探地下石油或天然气储备。此外，为防止海洋平台、水下储油罐、海底电缆、海底输油管线等设施出现泄漏或被破坏，都需要经常观测和检查，这时光纤水听器就可以发挥巨大的作用。

　　声全息测量也是大规模光纤水听器阵列探测的重要应用之一，它集合了非共形声全息、局部声全息、运动声全息、半空间声全息、矢量阵声全息以及声强测量，解决稳态、瞬态及运动声源辐射声场空间重构、噪声源识别与精确定位，这些技术不仅提高了噪声源识别定位精度和工作频带范围，还将全息测量技术带入崭新发展时代。

　　采用的分析算法将科研成果成功引入工程实践中，建立了在有限测点和传感器精度条件下，在被测物近场区域测量声压或部分声压，重构复杂结构体声场中的声压、速度、声强和被测物体表面的发向速度，并实现噪声源定位。为声振测量奠定技术基础，可广泛应用于船舶、汽车行业、航天航空、其他各种声振测量领域。