知识窗▏矢量水听器及其应用

　　水声学作为声学的一个分支，主要研究声波在水下的产生、辐射、传播和接收的理论，用以解决与水下目标探测、识别以及信息传输过程有关的声学问题。在海战中，声纳是海上作战个体（各种舰、艇）的五官，所有的水下战场侦察都要以声纳为媒体，缺之不可。水声换能器作为声纳系统的重要部件之一，是水声学的一个重要研究方向，新型水声换能器的研究是海军声纳技术发展的一个关键内容。水声换能器是水下各种发射、接收测量用传感器的总称，它将水下的声信号转换成电信号（接收换能器），或将电信号转换成水下的声信号 （发射换能器），是声纳的重要组成部分。一部声纳性能的优劣与水声换能器性能的优劣直接相关。在水声工程中，换能器技术处于一个基础性的地位。换能器技术的进步可带动声纳系统技术水平的提高，因此，新型水声换能器的研究工作具有重要意义。

　　矢量水听器是接收换能器的一种。在国外，矢量水听器是继标量水听器后的热门研究课题。矢量水听器的研制工作最早始于20世纪40年代的美国，以美国学者50年代发表的有关使用惯性传感器直接测量水中质点振速的经典论文为标志，后来，相继在苏联、英国、日本、法国逐步开展这方面的研究工作。1991年，美国声学杂志连续刊出美俄两国学者9 篇有关声矢量传感器研究方面的论文，这种情况是罕见的。1995年，美国海军研究局资助美国声学学会举行声矢量传感器专题研讨会，并出版了《声质点振速传感器设计、性能和应用》论文集，反映了当时美国声矢量传感器的研究动态。2002年，IEEE的OCEANS设立了“声质点振速传感器”专题，所涉及的设计内容广泛，反映了一些最新研究情况。足见矢量测量所受到的重视，俄国声矢量传感器技术的基础和应用研究相对于美国讲要走得更远些。

　　在水声领域，通常，将传感器称为换能器，接收换能器主要包括标量传感器和矢量传感器，也叫标量水听器和矢量水听器。在声场测量中，传统的方法是采用标量水听器（声压水听器），只能测量声场中的标量参数，典型的标量水听器如B&K公司的810X系列，常作为水听器标准使用。矢量水听器可测量声场中的矢量参数，它的应用有助于获得声场的矢量信息，对声纳设备的功能扩展具有极为关键的意义。

　　在连续介质中，任意一点附近的运动状态可用压强，密度及介质运动速度表述。声场中不同地点，这些物理量有不同的值，具有空变性，而且，对同一空间坐标点这些量又是随时间改变的，又具有时变性。因此，描述声场的声学量声压、质点振速和压缩量都是时间和空间的函数。在理想流体中，没有切应力，所以，声压为标量，质点振速为矢量。声场所含丰富信息既包含在标量参数中也包含在矢量参数中，在声场测量过程中，仅测量声压参数是不够的。同时测量标量信息和矢量信息即声压和质点振速才能获得完整的声场信息，这样，才能有助于信号处理系统获得更有价值的信息，并作出正确的判断。例如：采用新型组合传感器（声压和振速联合）的联合信息处理系统较传统的单纯声压信息处理系统具有良好的抗相干干扰能力和线谱检测能力；采用单个小尺度的组合传感器通过联合信号处理，就可以进行目标方位的声压、振速联合估计，此外，从能量检测的角度讲，矢量水听器的采用使系统的抗各向同性噪声的能力获得提高，并可实现远场多目标的识别等。矢量水听器的研究工作受到极大重视。因此，包括矢量信息在内的多信息检测是声纳系统的一个发展趋势，正越来越被各个海军大国所重视。

　　声矢量传感器的设计采用的原理有电动原理、压电原理，形式上多种多样，40年间申请专利多达140项以上。国外声矢量传感器应用较多，已应用于声矢量鱼雷引信、声峰值检测系统、潜艇声纳系统等等。其中，美国的“DIFAR”声纳系统采用的是SV1、SV2这2种型号的振速水听器。利用水听器准基阵的SWALLOW浮标系统，由8个阵元组成基阵，150m等间距垂直布放，工作深度为400～1300m，分析频带为0.6～20Hz，对于舰船辐射噪声的次声分量，声强信噪比的增益比单纯的声压测量高3～6dB。另外，美国的Franklin，Barry及Benjamin具有代表性。 其所作矢量水听器都是采用压电原理，其中，Benjamin利用PCB公司T356B08型加速度计采用部分集成电路工艺，所作的矢量水听器的频响为100～2000Hz，灵敏度为100mV/gn，尺寸为10～20cm。由此可见，矢量水听器的应用，不仅检测信息量加大，而且最低检测频率已经达到0.6Hz的次声频段，外形尺寸也是越来越小。

　　随着新技术地不断发展，不论标量水听器、还是矢量水听器，各种敏感机理的测试方法都有不同的尝试。见著报导的有几种标量水听器：如采用PVDF膜(膜厚1000μm)的水声传感器，已被英国和法国海军用于潜艇，称为弗兰克阵“FlankArrays”。光纤水听器，依据日本东京大学报导，有微加工技术制作的光干涉型微水听器等。另外，还有MEMS水听器的报导，如美国波士顿大学研制的水下声场传感器，通过检测反射的激光束检测声场变化。在水声领域，HowardK，RockstadT，KennyW等人，1996年利用MEMS技术和电子原理，制作出了2款8cm3的微型声速度传感器，满足了美国海军的需要。

　　“基洛”级潜艇是俄罗斯红宝石设计局30年潜心研制的杰作。1990年才开始服役的“基洛”级潜艇最大的特点就是航行起来出奇地安静，甚至被西方国家称为海洋中的“静音杀手”。能够得此殊荣，是因为“基洛”采取了一系列降噪措施来使反潜声纳“失聪”，比如：消声瓦的采用，甚至采用降低航速的手段降低螺旋桨噪声。水下潜艇目标探测是通过检测目标发出的噪声实现的，由于“基洛”级潜艇目标噪声的降低，给水下目标探测用传感器提出了更高的要求，俄罗斯在静音潜艇探测方面同样走在世界前列，有代表性的产品是压电矢量水听器。

　　冷战期间，为了对付苏联的潜艇威胁，美军建立声纳反潜链。当时，美国联合日本、澳大利亚等国部署了一条上万公里的监视线，采用沿大陆架部署方式监视苏联核潜艇在西太平洋地区的活动。这条监视线沿白令海峡外的阿留申群岛南下千岛群岛，经过日本群岛延伸到琉球群岛末端。这条“反潜链”由海底固定的被动声纳、水面舰艇、反潜飞机等装备组成。冷战结束后，“反潜链”非但没有随着苏联的解体而瓦解，反而继续加强，特别是千岛群岛至琉球群岛一线的反潜力量比冷战期间大大增强。世界上很多国家都在其海岸线设有岸站，形成海岸预警系统，用于民用和军用侦察。

　　据称，美军将在亚太布设的新型声纳是一种全天候被动式声纳，具有极强的探测静音型潜艇的能力，较之以前使用的主动式声纳和中频被动式声纳，其侦测距离可以达到300海里以上, 且具有更易于隐蔽和定位精度高等特点(装备有惯性/卫星定位复合定位系统)。根据“具有极强的探测静音型潜艇的能力”分析，极有可能是采用低频测试。

　　国际科学应用系统公司是美国国内最大、实力最强的商用和军用海洋器材研究机构。该公司研究人员透露，美军利用“鲍迪奇”号侦察船在中国近海海域投放了一种新型声纳系统的试验产品。从2001年至今， 以“鲍迪奇”号为主的美国各型间谍船已经在中国近海海域活动了数十次之多，投放了上百个带有该型声纳的水下听音器，在重要航道组成了“水下听音器定位阵列”。目前，该计划已进入第二阶段，美军企图在第一阶段试验的基础上，进一步针对中国近海海域的特点，改进声纳的侦测效果，并在2005年，利用该型声呐构成范围达3000～5000平方公里的侦察网。

　　美国非常重视多传感器侦察系统的发展，在其国防部关键技术计划中，将多传感器一体化系统与雷达探测系统、光电探测系统及声探测系统相并列，并制定了明确的发展目标，英国、法国、俄罗斯、以色列、瑞典等国在多传感器一体化探测系统方面也有较高的水平。目前，世界上正在研制和形成装备的多传感器集成电光侦察系统已有许多种。

　　光纤水听器是利用光纤技术探测水下声波的器件，它与传统的压电水听器相比，具有极高的灵敏度、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。

　　光纤水听器的主要军事应用包括：全光纤水听器拖曳阵列、全光纤海底声监视系统、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始于20世纪70年代末，到1992年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和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。近十年来，美国已对全光纤水听器及其阵列的各种应用场合都进行了成功的试验。1996年，美国在SanDiego，CA海岸敷设了64单元的全光纤海岸声阵列(100km级跨度，可以扩容至256单元阵列)。

　　英国对水听器的研究主要由Plessey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。

　　光纤水听器及其阵列技术已经在世界范围内获得了重视和发展。挪威等国专家报导了他们的32单元时分复用式光纤水听器阵列系统及其海上静态试验；韩国专家也在早些时候发表了他们部分的研究成果；Davidson仪表公司采用MEMS工艺开发机/舰载光纤压力传感器。由于光纤传感器抗电磁干扰、抗核辐射，美国海军中心设计DD-21登陆攻击驱逐舰，要求采用机/舰载光纤监测系统。英国Aston大学和 Kent大学对微光学结构用于超薄型光纤水听器阵列进行了多年的研究；澳大利亚国防科技机构(DS-TO)、挪威、瑞典等国家也在对微光学结构光纤水听器进行研究。

　　随着技术地不断发展，技术需求越来越多，为满足岸站建设的需要，服务海岸预警声纳系统，实现远程检测、识别，低频检测能力日益显得重要。另外，由于核动力潜艇的出现，潜艇隐身等新技术的普遍采用，反潜问题受到各国空前的重视。一种有效的方法是转向测试螺旋桨低频噪声，安静型潜艇和舰船的本征噪声都在低频段，这就需要低频段的矢量水听器。即要求探测换能器具有低频检测能力。低频三维空间全向矢量检测器已成为新的技术需求。这种低频矢量水听器的研制成功可以预期解决远程传播低频信号的检测问题。同时，随着目标信号的减弱，高灵敏度检测问题也变得迫切。

　　光纤振速型矢量水听器，可探测其“次声”峰值噪声，布阵后适合作海岸警戒声纳，探测安静型潜艇、海啸预警。具有易于多单元复用、能够电无源工作、长距离信号传输能力强等技术优势。微光学结构光纤水听器技术是直接将传感器刻在光纤上，具有体积小、易于波分复用、制作工艺相对简单、性能可靠等优点，适用于大型岸基海域防卫警戒系统、舰载声纳阵、海洋噪声监测阵等应用场合，尤其是水听器拖曳阵应用场合。

　　将压阻原理、MEMS 技术应用于矢量水听器是一种新原理、新方法的尝试。采用压阻原理的微结构矢量水听器可以使矢量型水听器尺寸微型化，探测灵敏度优于压电陶瓷式水听器，并且，压阻效应的优势是可以测量直到零频的低频范围，适用于低频测量，可用于安静型潜艇的探测。

　　通过MEMS技术，可以实现敏感检测部分与信号处理电路的集成设计，所有这些都可以在芯片上规模完成。在一个衬底上将传感器，信号处理电路，执行器集成起来，构成微电子机械系统是人们很早以来的一个愿望，这一愿望的实现是以JKJA技术为支撑的。JKJA技术由于具有3M特点即：微型化，多样化，微电子化，使JKJA技术的发展显示出巨大的生命力。它把信息系统的微型化，多功能化，智能化和可靠性水平提高到新的高度。声纳用传感器的研究工作有了突飞猛进的发展，采用新技术的水声传感器的研究工作不断深入，从大的阶段看，水声传感器的应用分为标量水听器的应用、矢量水听器的应用、光纤水听器的应用、MEMS水听器的应用几个技术阶段。目前，国外正处于从标量水听器的应用向矢量水听器的应用、光纤水听器的应用转变的阶段，MEMS水听器的应用还处于实验室研究阶段。

　　基于远场目标检测和隐身潜艇探测而言，低频检测、高信噪比检测一直是声纳系统的一个发展趋势。基于阵列检测，高性能、小型化一直是工程应用追求的目标。从实现手段看，光检测、薄膜检测、声光结合检测、阵列检测等多原理检测方法都有所尝试，不断追新追高，而且，在MEMS微结构技术基础上不断获得技术发展空间。MEMS技术是在微电子技术基础上发展起来的多学科交叉前沿研究领域，现已成为世界瞩目的重大科技领域之一。水声学是一门古老的学科，将MEMS技术引入水声领域，可在传感器的微型化设计方面及阵列集成方面带来益处，将对传统技术带来深远影响。MEMS技术将像微电子技术一样，将对21世纪的科学技术的发展、人类生产和生活产生革命性的影响, 可望形成类似于微电子的新产业。如果与声检测技术结合，将在未来高科技战争中起到举足轻重的作用。

■本文依据《传感器与微系统》（2006）上的论文“矢量水听器综述”，进行部分删节，并结合百度百科内容综合改写，文章题目也进行了相应修改。由于没有收集到更新的文章，无法对目前的发展状况进行补充，特此说明。论文第一作者，陈丽洁，1965出生，女，回族，吉林省吉林市人，研究员，博士，哈尔滨工程大学水声工程学院，从事声学传感器研究工作。