海洋探测∣光纤水听器阵列及其应用

光纤水听器是一种建立在光纤、光电子技术基础上的水下声信号传感器。它通过高灵敏度的光学相干检测，将水声振动转换成光信号，通过光纤传至信号处理系统提取声信号信息。它具有灵敏度高，频响特性好等特点。由于采用光纤作信息载体，适宜远距离大范围监测。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。

光纤水听器的具有以下6个特点：①灵敏度高，频响特性好；②动态范围大；③抗电磁干扰与信号串扰能力强；④适于远距离传输与组阵；⑤信号传感与传输一体化，提高系统可靠性;⑥工程应用条件降低。

光纤水听器的种类很多，主要有两大类型：一类是调制型光纤水听器，利用光纤作为感应元件，通过调制光纤中的光束实现水下信号的检测；另一类是混合型光纤水听器，感应元件采用反射镜、光栅、光纤等器件。

研究最多的还是调制型光纤水听器，这类水听器又分为强度调制型和相位调制型两种。目前，强度调制型光纤水听器主要有微弯型、受抑全内反射型和网络型三种。相位调制型光纤水听器是根据Mach-Zehnder干涉仪原理制成的，因而不仅灵敏度高，而且动态范围大。其中，相位调制型光纤水听器是最有发展前途的水听器。

这是一种特殊结构的水听器，在弹性膜片上有4个扁球形柔性应变外壳。扁球形外壳的特点是将单端测量的压力转换成能被壳表面完全探测的差分应变。这种扁球形外壳光纤水听器较之其它水听器(如平板、圆盘或圆柱体水听器)的优点是用—个干涉仪就可测量出整个外壳表面上的不同灵敏度。从已开发的干涉仪光纤水听器的结构来看，主要有心轴型、互补型和平面型等几种。下表给出这些水听器达到的归一化灵敏度(△φ／φ△P，其中φ为相位，P为压力)。

光纤水听器阵列探测技术：较传统水听器相比，光纤水听器具有灵敏度高，可以探测微弱信号;抗电磁干扰和信号串扰能力强，可以远距离传输；体积小，易于布放实施，且收放容易，高可靠性，并且大规模组网。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，为港口防护、水声情报搜集以及目标探测提供技术支撑。

在大规模光纤水听器阵列组装过程中，面临的最大困难是当系统中存在数以千计的大量器件时，很难保证系统的光学均衡。光学系统的失衡，将影响系统的探测性能，对平衡要求提高，将大幅度增加系统的制造成本和制造难度，基于动态匹配的大容差光学均衡阵列设计与组装创新技术可以用来解决这一问题。

光纤水听器阵列数据采集与信号处理技术：在多基元的大规模光纤水听器阵列水声探测中，涉及到多通路的光信号探测和复杂的信号处理。具有基于统一时钟和分布时差修正的高精度大容量同步信号采集控制技术、基于复合结构FPGA和多核DSP的大容量数据连续采集与并行帧结构信号处理数据交换技术、嵌入式自适应参数设定大容量光电相干信号处理技术等大规模光纤水听器阵列探测技术，将为问题的解决提供方案。

通过数据采集和信号处理，可以获得各个光纤水听器探测基元的数字声信号，对这些信号必须通过专门的数据库管理和通过不同的接口传输才能提供给用户使用。具有基于实时分布式仿真支撑平台AppDTS的面向多应用的和复杂数据结构的数据库管理和数据产品生成技术提供了多种解决方案的技术支撑。

对不同领域的应用，需要应用支撑单位提供面向专门应用的数据库接口、数据传输交互控制和专用软件开发技术支持。

声全息测量技术：声全息测量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。

声聚焦技术：新型噪声源识别定位测试分析系统，解决稳态、瞬态及运动声源，远距离快速识别定位。携带方便，适应于狭窄空间测量，且定位精度高。为声源识别定位提供技术支持，实现噪声源测量分析。

声场预报技术：声场预报能预测声波的辐射、散射以及声载荷引起的声学响应。能在频域或时域内计算振动—声结果，包括得到声载荷对结构的影响和结构振动对声的影响；同时，可以计算任意一点的声压、声辐射功率、声强、结构对声场的辐射功率、声能密度等，为水下声隐身提供性能评估，增加水下目标的声学安全半径。

声学仿真平台技术：大型的水声探测系统开发有较大的难度，这种开发需要声学仿真平台的支持。基于软件仿真的系统级振动噪声解决方案，实现对整个复杂系统及系统内关键零件结构进行工程分析；辐射噪声分析；识别振动噪声问题及其产生的根本原因，并能够快速地评价，为后期结构优化设计提供前提保障。

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武器系统的巨大进步。

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。

自80年代中期以来，各国对光纤水听器技术研究的重点集中在如何利用光纤传输损耗低、传输带宽大的特点，并结合集成光电子器件的最新进展，实现对光源、光纤以及光电探测器的多路复用，用较少的组件形成分布式光纤水听器阵列。这样既降低了系统成本，又降低了维护的复杂程度。而且通过对阵列信号的处理可以极大地提高整个多路复用系统的探测性能，获取更多有关水下目标的信息。

光纤水听器的多路复用可根据不同的体系结构来实现。各国的研究人员根据各自的技术优势开发出多种多路复用技术，其中最早采用的是时分多路复用(TDM)技术。采用时分复用技术的光纤水听器阵列从结构上可分为两类：一类为反射型结构；另一类为透射型结构。反射型光纤水听器阵列只需一根光纤作为光脉冲信号的发射与接收总线，但每个节点的单元水听器需后置一反射装置，使携带有该节点处水声信息的光脉冲信号能够沿原路返回。透射型光纤水听器阵列有两条总线，一条为信号发射总线，另一条为信号接收总线，因而不需要反射装置。阵列中各节点之间的光纤还可延时，使得从各节点返回的光脉冲不会在时域发生重叠，以保证信号处理所需的时延。时分复用结构的光纤水听器阵列的信号处理一般采用光学外差法或零差法。而时分复用与波分复用技术相结合，则可以获得更大的复用能力。另外，频分多路复用、调频载波、展宽频谱复用等技术也可用于光纤水听器阵列的信号处理。

光学水听器阵列技术可以实现能远距离询问的可耗式低成本阵列。由于水下阵列无电源且不受电磁干扰，因此，这些系统具有优于以压电传感器为基础的类似产品的优点。另外，在光纤水听器的发展中，光纤布喇格光栅(FBG)起着相当大的作用,它能以良好的性能检测水中的声波。除了普通光纤水听器具有的特性如高灵敏度、遥感和抗电磁干扰外，FBG水听器还具有实际意义上的突出特点。首先，FBG水听器的工作原理是以传感元件FBG中的激光强度调制为基础，而普通光纤水听器由一根普通光纤构成，工作原理以声压影响下激光束通过一个传感光纤传输的相位移为基础，相位移法通常利用零差或外差式检测技术测量相位移。而强度凋制法比相位移法更直接简便。其次，FBG尺寸可以很小，如小到几微米，而普通光纤水听器则采用较长的卷绕光纤作为传感元件。FBG可制作小型水听器．因此可用作点式传感器。

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，必将在军民用领域极大促进海洋事业的发展。

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。

总之，目前光纤水听器及其阵列技术以及光纤布喇格光栅水听器技术在各领域应用中已取得相当大的进步，但是在工程实现和装备化方面还面临着诸多挑战，是各国竞相发展的重点方向。未来将广泛应用于海洋资源勘探、海底地质勘察、海底观测网及海洋国土安全等领域，在探索海洋资源、采集地震信号、水下实时观测及反恐反潜等方面将大有作为，必将对人类开发和利用海洋发挥更大的作用。