光纖水聽(tīng)器在海洋中的應(yīng)用

1、光纖水聽(tīng)器在海洋中的應(yīng)用光纖水聽(tīng)器是一種建立在光纖、光電子技術(shù)基礎(chǔ)上的水 下聲信號(hào)傳感器。它通過(guò)高靈敏度的光學(xué)相干檢測(cè)，將水聲 振動(dòng)轉(zhuǎn)換成光信號(hào)，通過(guò)光纖傳至信號(hào)處理系統(tǒng)提取聲信號(hào) 信息。它具有靈敏度高，頻響特性好等特點(diǎn)。由于采用光纖 作信息載體，適宜遠(yuǎn)距離大范圍監(jiān)測(cè)。在美國(guó)最為先進(jìn)的新型核潛艇一一弗吉尼亞級(jí)潛艇 中，為了提高反潛、反艦和遠(yuǎn)程偵察能力，裝備了大孔徑陣 列光纖聲學(xué)傳感器系統(tǒng)，即光纖水聽(tīng)器。它利用光纖和激光 技術(shù)把目標(biāo)在水中傳播的聲音信號(hào)轉(zhuǎn)化為光學(xué)信息，從而使 弗吉尼亞級(jí)潛艇能夠精準(zhǔn)識(shí)別和跟蹤目標(biāo)。光纖水聽(tīng)器 就像人類洞察汪洋的一雙慧眼，難怪美國(guó)海軍研究實(shí)驗(yàn) 室光纖水聽(tīng)器的研究人員

2、曾經(jīng)自豪地說(shuō)：屬于光纖水聽(tīng)器 技術(shù)的時(shí)代已經(jīng)到來(lái)!一、光纖水聽(tīng)器的優(yōu)勢(shì)看似安寧的海洋，其實(shí)從來(lái)都不平靜。聲波是目前人類 知道的唯一能夠在水中遠(yuǎn)距離傳播的物質(zhì)，而光和電磁波在 水中傳播時(shí)很快就會(huì)被吸收。聲波不僅可以在水里傳得很遠(yuǎn)， 而且當(dāng)聲波遇到海洋中的物體時(shí)，會(huì)被反射回來(lái)，不同頻率 的聲波，在水中被吸收和反射的程度也不相同。人們根據(jù)聲波的這一特性發(fā)明了聲吶，用來(lái)進(jìn)行水中探測(cè)、定位和通信。但近年來(lái)隨著武器裝備的迅速發(fā)展和消噪技術(shù)的不斷 進(jìn)步，各類靜音效果良好的核動(dòng)力潛艇以及aip潛艇先后列 裝各國(guó)海軍，利用傳統(tǒng)聲吶裝置進(jìn)行偵聽(tīng)的難度大大增加。 反潛作戰(zhàn)成為當(dāng)今世界各國(guó)海軍公認(rèn)的最大難題之一。光纖

3、水聽(tīng)器主要用于海洋聲學(xué)環(huán)境中的聲傳播、噪聲、 混響、海底聲學(xué)特性、目標(biāo)聲學(xué)特性等的探測(cè)，是現(xiàn)代海軍 反潛作戰(zhàn)、水下兵器試驗(yàn)、海洋石油勘探和海洋地質(zhì)調(diào)查的 先進(jìn)探測(cè)手段。2009年2月初，英國(guó)前衛(wèi)號(hào)彈道導(dǎo)彈核 潛艇與法國(guó)凱旋號(hào)核潛艇在大西洋深海上演了 深情一 吻。當(dāng)時(shí)兩艘潛艇均在水下航行，而且艇上帶著核導(dǎo)彈， 碰撞發(fā)生時(shí)，潛艇上共有約250名乘員，可竟然無(wú)人利用聲 吶裝置發(fā)現(xiàn)對(duì)方。其實(shí)，自冷戰(zhàn)時(shí)代起，美國(guó)和西方國(guó)家就經(jīng)常派潛艇近 距離監(jiān)視蘇聯(lián)的大型海上軍事演習(xí)，雙方潛艇發(fā)生相撞事件 時(shí)有發(fā)生。據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，在北方艦隊(duì)和太平洋艦隊(duì)過(guò)去30 年來(lái)進(jìn)行軍事演習(xí)的海域，就曾發(fā)生過(guò)11起俄羅斯（前蘇 聯(lián)）

4、潛艇與外國(guó)潛艇相撞事故。俄核潛艇庫(kù)爾斯克號(hào)的 沉沒(méi)引發(fā)了世人的種種猜測(cè)，其中有一種猜測(cè)就是認(rèn)為發(fā)生 了潛艇相撞事件。二、光纖水聽(tīng)器技術(shù)發(fā)展光纖水聽(tīng)器是一種建立在光纖傳感和光電子技術(shù)基礎(chǔ) 上的水下聲信號(hào)探測(cè)器。它通過(guò)高靈敏度的光纖相干檢測(cè)技 術(shù)，將水聲信號(hào)轉(zhuǎn)換成光信號(hào)，并通過(guò)光纖傳至信號(hào)處理系 統(tǒng)提取聲信號(hào)信息。它可以有效克服傳統(tǒng)的聲吶系統(tǒng)需要大 量水下電子元件和信號(hào)傳輸電纜、價(jià)格昂貴、重量較大、密 封性不好等問(wèn)題，有效提高水聲信號(hào)的探測(cè)精度和系統(tǒng)的穩(wěn) 定度。光纖水聽(tīng)器技術(shù)的研究始于1977年，美國(guó)海軍實(shí)驗(yàn)室 bucaro等人發(fā)表了光纖水聽(tīng)器的首篇論文，作為未來(lái)聲吶系 統(tǒng)的重要發(fā)展方向，此后各國(guó)

5、相繼開(kāi)展了相關(guān)領(lǐng)域的研究。 上個(gè)世紀(jì)70年代美國(guó)海軍研究實(shí)驗(yàn)室就開(kāi)始執(zhí)行光纖傳感 器系統(tǒng)計(jì)劃，光纖水聽(tīng)器是該實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的重要內(nèi)容。隨后美 國(guó)在海軍流動(dòng)噪聲駁船系統(tǒng)上對(duì)塑料芯軸光纖水聽(tīng)器進(jìn)行 了第一次海上實(shí)驗(yàn)，并于1983年7月在巴哈馬群島成功部 署。其后，美國(guó)海軍進(jìn)行了多次拖曳式光纖水聽(tīng)器陣列的海 上實(shí)驗(yàn)，并取得了重大成功。1988年美國(guó)海軍實(shí)驗(yàn)室制訂了 潛艇用光纖水聽(tīng)器系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)，標(biāo)志著光纖水聽(tīng)器邁向?qū)?用武器系統(tǒng)的巨大進(jìn)步。除了美國(guó)以外，英、法、日等國(guó)也相繼開(kāi)展光纖水聽(tīng)器 領(lǐng)域的研究。英國(guó)海軍特別關(guān)注的領(lǐng)域是利用陣列進(jìn)行淺海 監(jiān)視和海岸線監(jiān)控技術(shù)，成功研制出了光纖海底陣系統(tǒng)，光 纖水聽(tīng)器陣列技

6、術(shù)可以實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離的可耗式低成本陣列器 件，具有巨大的應(yīng)用價(jià)值。日本于上個(gè)世紀(jì)80年代開(kāi)始光 纖水聽(tīng)器系統(tǒng)調(diào)研與開(kāi)發(fā)研究，并于1995年制成原理樣機(jī)。 除此以外，法國(guó)、意大利與挪威合作執(zhí)行全光纖光學(xué)水聽(tīng)器 線陣計(jì)劃，主要目的是發(fā)展靜態(tài)光纖水聽(tīng)器陣列，并于2002 年成功進(jìn)行了海上試驗(yàn)，這個(gè)項(xiàng)目也成為了歐洲長(zhǎng)期防衛(wèi)聯(lián) 盟項(xiàng)目的一部分。三、軍民兩用的光纖水聽(tīng)器光纖水聽(tīng)器與傳統(tǒng)水聽(tīng)器相比，具有將大量單元信號(hào)經(jīng) 由一根光纖傳輸從而形成大規(guī)模陣列的特殊能力，而且水聽(tīng) 器單元可以靈活設(shè)計(jì)，響應(yīng)帶寬寬，靈敏度極高，在信號(hào)傳 輸和單元布設(shè)時(shí)無(wú)需擔(dān)心電磁環(huán)境的干擾，具有較好的系統(tǒng) 穩(wěn)定性，具有組建形成光纖水聽(tīng)器大

7、規(guī)模探測(cè)陣列的巨大潛 力，也就是可以形成一張巨大的洞察海底的水聽(tīng)網(wǎng)。未 來(lái)光纖水聽(tīng)網(wǎng)將組成由岸基光纖列陣水聲綜合探測(cè)系統(tǒng)、陸 地地面衛(wèi)星接收站以及空天探測(cè)衛(wèi)星編織成的一張?zhí)?、地?海的綜合探測(cè)網(wǎng)，形成涵蓋整個(gè)被探測(cè)區(qū)域的新型傳感網(wǎng)絡(luò)。光纖水聽(tīng)器既可用于現(xiàn)代海軍反潛作戰(zhàn)及水下兵器試 驗(yàn)檢測(cè)，又可用于海洋石油天然氣勘探，也可用于海洋地震 波檢測(cè)以及海洋環(huán)境檢測(cè)，必將在軍民用領(lǐng)域極大促進(jìn)海洋 事業(yè)的發(fā)展。光纖水聽(tīng)器技術(shù)也將掀起傳感器改革的新篇章，為傳統(tǒng) 的測(cè)量手段帶來(lái)新風(fēng)向，光纖水聽(tīng)器陣列對(duì)空間信號(hào)進(jìn)行測(cè) 量，通過(guò)對(duì)每個(gè)固定位置上的水聽(tīng)器測(cè)量的聲信號(hào)進(jìn)行信號(hào) 處理，確定聲源位置，實(shí)現(xiàn)水下探測(cè)，水下目

8、標(biāo)偵測(cè)，水下 /水面目標(biāo)輻射噪聲測(cè)量，并應(yīng)用與水下安防，地震預(yù)測(cè)，海 洋石油和天然氣勘探等領(lǐng)域，是具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的水下探 測(cè)技術(shù)，為港口防護(hù)、水聲情報(bào)搜集以及目標(biāo)探測(cè)提供技術(shù) 支撐。早在2000年美國(guó)利通資源勘探儀器公司就與英國(guó)防衛(wèi) 研究局成功開(kāi)發(fā)出一套海洋陸地鉆孔成像系統(tǒng)，這個(gè)系統(tǒng)的 核心部件為96基元的8公里傳輸全光光纖水聽(tīng)器系統(tǒng)，可 以用于勘探地下石油或天然氣儲(chǔ)備。此外，為防止海洋平臺(tái)、 水下儲(chǔ)油罐、海底電纜、海底輸油管線等設(shè)施出現(xiàn)泄漏或被 破壞，都需要經(jīng)常觀測(cè)和檢查，這時(shí)光纖水聽(tīng)器就可以發(fā)揮 巨大的作用。聲全息測(cè)量也是大規(guī)模光纖水聽(tīng)器陣列探測(cè)的重要應(yīng) 用之一，它集合了非共形聲全息、局部聲全息、運(yùn)動(dòng)聲全息、 半空間聲全息、矢量陣聲全息以及聲強(qiáng)測(cè)量，解決穩(wěn)態(tài)、瞬 態(tài)及運(yùn)動(dòng)聲源輻射聲場(chǎng)空間重構(gòu)、噪聲源識(shí)別與精確定位， 這些技術(shù)不僅提高了噪聲源識(shí)別定位精度和工作頻帶范圍， 還將全息測(cè)量技術(shù)帶入嶄新發(fā)展時(shí)代。采用的分析算法將科研成果成功引入工程實(shí)踐中，建立 了在有限測(cè)點(diǎn)和傳感器精度條件下，在被測(cè)物近場(chǎng)區(qū)域測(cè)量 聲壓或部分聲壓，重構(gòu)復(fù)雜結(jié)構(gòu)體聲場(chǎng)中的聲壓、速度、聲 強(qiáng)和被測(cè)物體表面的發(fā)向速度，并實(shí)現(xiàn)噪聲源