光纤水听器综述

光纤水听器及阵列综述马宏兰周美丽（天津师范大学电子与通信工程学院）摘要：为适应水声学应用特别是水下反潜战的需要,在光纤技术不断发展的基础上,光纤水听器应运而生。光纤水听器是一种基于光纤、光电子技术上的新型水下声传感器,因其在军事、民用各领域应用广泛,目前光纤水听器在国内外发展迅速,已经到达实用状态。全光光纤水听器系统的湿端采用全光实现,信号传感与传输皆基于光纤技术。具有抗电磁干扰、重量轻和造价低等优点。文章简述了光纤水听器的发展历史、现状,论述了光纤水听器阵列的原理及其应用前景。关键词：光纤水听器多路复用技术阵列0引言：在光纤水听器的实际应用中，由于水下声场的复杂性，单元水听器很难获得目标的详细信息，因而需要将数百乃至上千个探测基元组成大的阵列，以获得更多水声场信息，通过水听器阵列完成声场信号的波束形成，实现对水下目标的定位与指向。在2003年8月下水的美国最新型攻击核潜艇上，装备的舷侧阵就由2700个光纤水听器基元组成【1】。对于大规模的光纤水听器阵列，多达数十上百基元的光纤水听器光信号都是由同一根光纤传输的，在实际系统中，这种性能就是由光纤水听器的多路复用技术实现的。可见多路复用是光纤水听器的核心技术。1光纤水听器的开发自1976年美国Bucar等人发表第一篇有关光纤水听器的论文【2】以来,各工业发达国家的海军研究部门以及有关的研究和工业部门都在积极从事光纤水听器的研究和开发,尤其以美国最为突出。美国海军研究实验室、美国海军研究生院和Litton制导和控制公司等先后研究开发了Maeh一Zehnder、Michelson干涉仪的光纤水听器,主要结构有心轴型、互补型(推挽式)、平面型和椭球弯张式等光纤水听器。这些结构水听器达到的归一化灵敏度(△。/。△P）为适应水声学应用特别是水下反潜战的需要,在光纤技术不断发展的基础上,光纤水听器应运而生。光纤水听器是一种基于光纤、光电子技术上的新型水下声传感器,因其在军事、民用各领域应用广泛,目前光纤水听器在国内外发展迅速,已经到达实用状态。各国对光纤水听器的研究投入了大量人力和物力，技术也日益娴熟。2、多路复用的阵列体系结构阵列体系分为以下六大部分，其中时分/波分混合复用技术是其关键有效手段。1)频分复用(FDM)【3】相位产生载波(PGC)问询的体系结构—美国海军研究实验室已用此方案对总数48个单元水听器成网组成的阵列成功地进行了海上试验,证实了这种体系结构的低阐值检测能力和低的串扰。2)时分复用(TDM)相位产生载波问询的体系结构—美国海军研究实验室已作了10单元的光纤水听器阵列演示,证实了其低的光背景噪声和低的串扰。3)时分复用(TDM)光程匹配差分延迟外差(DDH)法问询的体系结构—这种传感器的差分延迟外差法问询方法是英国Plessey公司创造的,它简化了阵列结构,但要求长相干光源。英国Plessey公司和美国海军研究实验室已作了4单元水听器复用的阵列演示,具有低的光串扰,相位噪声性能受光源的频率噪声和干涉仪不平衡的限制4)时分复用(TDM)光程匹配差分干涉测量(PMDD问询的体系结构—这种阵列由在线迈克尔逊干涉型水听器组成,美国海军研究实验室已在现场作了试验。此阵列具有低的光串扰和阵列简单的特点。5)时分复用(TDM)光程匹配差分干涉测量(PMDI)问询的反射测量阵列—这种采用光纤半反射接头的反射测量阵列是英国Plessey公司首先开发的,1988年美国海军实验室和英国Plessey公司都对6单元水听器的这种反射阵列作了海上试验,1990年英国Plessey公司为在英吉利海峡部署作15单元水听器的静态水下监视系统的试验。6)时分/波分混合复用结构—波分复用技术可能使上述常规的多路复用方法增加阵列复接水听器数量,因此是关键而有效的手段。美国海军研究实验室在1990年对用波分复用复接两个平行的时分复用相位产生载波问询的光纤水听器子阵列作了演示。一个子阵列由835nm波长的10个传感器组成,另一个由790nm波长的4个传感器组成。3设计系统复用技术的原则选择何种复用技术，不仅依靠已有的技术基础，还依赖所采用光源的性能、信号检测方式、偏振控制方式等，只有各项技术相互协调的系统才有可能成为一个成功的系统。在设计一个复用系统时，还需要考虑以下一些设计原则【3】：使单根或一对光纤的复用数尽可能多；最大程度地利用光功率，保证光能量低损耗地在各传感器间有效分配；尽可能减小各传感器基元间的串扰；保证复用后的传感器与单个传感器性能组阵前后相当；保持系统湿端全光化。4国内外研究现状与趋势声矢量传感技术是在最近十年间备受水声界关注的研究焦点之一【4】。从上世纪五十年代中期美国学者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以来，到在上世纪七八十年代前苏联的学者利用其研制成功的声矢量传感器（复合水听器）开展海洋环境噪声研究，直至上世纪九十年代声矢量传感器技术研究热潮才逐渐兴起。如1989年俄国学者出版了世界上第一部有关声矢量传感技术的专著“声学矢量-相位方法”，较全面的论述了声矢量传感器技术的原理和应用。2003年出版的“海洋矢量声学”发展了海洋环境噪声的声压标量场特性的研究，提出了基于声矢量传感器的海上实验、数据处理以及理论分析等一整套方法。目前，美国和俄罗斯在矢量水听器研制应用方面处于领先地位。上世纪70年代，美国就矢量水听器成功应用于远程浮标声纳AN/SSQ-53系统和DIFAR定向浮标中，在战略拖曳阵中SURTASS中也采用了矢量水听器。目前美国的研究主要集中在新型矢量传感器、矢量舷侧阵声纳、矢量舰壳声纳以及矢量水雷声引信方面，并且还在探索矢量水听器在拖曳线列声纳中的应用，甚至开发了矢量信号处理专用的DSP模块。前苏联在上世纪80年代也开始研制拖曳矢量线列阵声纳，先后有БГА11-9-17/5、БГА10-4、БГА5-3/2、БГА24-9-6/4等型号的矢量线列阵。当前俄罗斯的矢量水听器还在海岸预警声纳、海洋环境噪声测量和水雷引信等方面得到应用。在我国，压电矢量水听器的研究也有多年历史，开展这方面工作较多的主要有哈尔滨工程大学、西北工业大学、中船重工715所和中科院声学所。国内的相关工作可追溯到上世纪九十年代初有关声压梯度水听器和双水听器声强测量等研究工作，但真正较深入开始研究的时间在1998年以后。1998年松花湖实验和2000年大连海试是国内最早的两次关于声矢量传感器技术的外场实验，随后的2002年密云水库实验和2003年东海、南海声矢量传感器线阵实验。多年前，我国还通过对俄引进，全面展开压电矢量水听器的工程应用研究。相对于传统压电矢量水听器，干涉型光纤矢量水听器灵敏度高，信号经光纤传输损耗小（0.2dB/km），无串扰，能在恶劣的水下、地下环境中实现长期、稳定工作。还有很重要的一点是，结合现有的光纤通讯技术，光纤矢量水听器可以方便地组建拖曳阵、舷侧阵、岸基阵等各种水下全光阵列和大范围光纤传感网。光纤矢量水听器的这些优良特性为解决浅海低频的水声研究和应用的许多问题提供了理想的技术途径。2003年7月国防科大研制的光纤矢量水听器，在中船重工715所水声一级计量站进行了灵敏度及指向性测试，测试声压灵敏度达到-140dB，指向性为“8”字指向性，串扰小于-20dB。2003年8月国防科大研制的四分量光纤矢量水听器在青岛外海域进行了海上试验，并成功实现了矢量三维定向和匹配场三维定位。光纤水听器的研究还在深入，要了解研究的空间还很大，越来越多的领域也逐步将光纤水听器引用并发展。5应用前景光纤水听器为解决水声研究提供了许多技术途径，比如光纤矢量水听器适用于单点测量获取海洋水下声学三维矢量信息和一维声压信息，为解决浅海低频的水声研究和应用的许多问题提供了理想的解决方法，从而在以下一些重要的领域展示了广阔的应用前景：(1)岸基固定海域水下声场探测；(2)潜艇或水面舰艇拖曳阵列；(3)机动阵列、声纳浮标、潜标等；(4)UUV、鱼雷、自主攻击水雷等小平台为载体的水声探测；(5)石油、天然气勘探中的地震波检测。6未来展望光纤水听器研究始于七十年代末美国海军实验室，二十多年来，美、法、英、日、挪威、意大利等国相继投入大量人力和物力，使该技术在理论研究和应用开发上都有了长足的进步。在前几十年里，开发了反潜力所需的各种光纤水听器系统，并进行了一系列的海上试验。1996年在英国技术权威P.Nash在一流技术杂志上发表总结性文章【5】．，认为光纤水听器技术性能价格比完全能与传统技术匹敌，再加上光纤技术带给光纤水听器的长距离、大容量传输能力和低功耗工作优势，该技术军民应用前景一片光明。2001年P.Nash撰文【6】．指出当前光纤水听器阵列正向大规模时分与密集波分复用方向发展，以满足未来声呐系统大规模组阵的需要（阵元数大于1000）结论：光纤水听器的应用已经成为各国研究开发的主要技术，没、法、日等国已取得显著成效。在我国，前些年的光纤水听器研究主要建立在空分复用系统之上。在这些系统中，充分利用了光纤体积小的优点，在2mm×2mm的截面内可以容纳64根光纤，以每根光纤传输路信号，即可满足中等规模光纤水听器阵列应用的要求。随着工作的进展，大规模阵列的研究和试验己列入相关重大项目。在这些项目中，空分、波分及时分多路多重复用已成为必不可少的技术手段。目前，多路复用技术已被一些重大项目技术方案采用。结束语：本文总结了目前分布式光纤水听器阵列技术中多路复用技术的研究进展状况【7】,着重介绍了发展较为成熟、实际系统中应用较广泛的时分多路复用、频分多路复用以及相干多路复用技术。在未来军事领域应用的光纤水听器阵列将向着多节点,大监控范围的方向发展,每个阵列将包含上千个节点,几百公里的监控范围,而且要求这种系统是低成本、高性能、高可靠性的,这样的系统必须通过多路复用和相应的信号处理技术来实现。鉴于未来战争的需要,我国对光纤水听器也进行了研究。由于水听器在现代战争中均是以阵列的形式应用,分布式传感阵列是光纤水听器应用的最终发展方向,因此我们在进行单元光纤水听器研究的同时必须要考虑阵列技术的有关特点,考虑到研究的单元水听器技术在向阵列形式发展时会遇到的问题,在尽量提高单元水听器灵敏度的同时还要尽量提高整个系统多路复用的能力,为将来光纤水听器最终实现在实际中应用奠定坚实的基础。现今，光纤水听器研究已经取得巨大进展与成果，多路复用技术已越来越多的运用在实际中，在军事领域应用广泛并且已取得重大成果。参考文献【1】DANDRIDGEA，TVETENAB-eta1．DevelopmentofⅡlefiberopticwideapernlrcamy：f}啪initialdt=、，clopmentt0production【R】．NRLReView，Opticalsciences，2004．【2】J.A.Bucaro,etal,“Fiber-opticHydrophone”,J.Acoust.Soc.Am,1977,Vol.62(5):1302-1304【3】DANDRrNGEA．ThedeVelopmentoffiberopticsensorsystems【J】．ProcofsPIE，1994，2(360)154-161．【4】cRANCHGA，NASHPJ．LaTge-scaleremotelyinterogated引T暑Iysof矗ber-opticinterf白啪e由ricsenso体forlmderwatcr∞ol璐ticapplications【J】．IEEESensorsJoumal，2003，3(5)：l9-30【5】孙贵青,李启虎.声矢量传感器研究进展[J].声学学报，2004，Vol.29(6):481～490【6】P.Nash,IEEProc-SonarNaving,1996,Vol.143(3):204-208【7】GeoffreyA.CranchandPhilipJ.Nash,IEEE,JournalofLightWaveTechnology,2001,19(5):687-699【8】高学民·军用光纤传感器.