光纖水聽器在海洋中的應(yīng)用

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

2、曾經(jīng)自豪地說：屬于光纖水聽器 技術(shù)的時代已經(jīng)到來!一、光纖水聽器的優(yōu)勢看似安寧的海洋，其實從來都不平靜。聲波是目前人類 知道的唯一能夠在水中遠距離傳播的物質(zhì)，而光和電磁波在 水中傳播時很快就會被吸收。聲波不僅可以在水里傳得很遠， 而且當(dāng)聲波遇到海洋中的物體時，會被反射回來，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，用來進行水中探測、定位和通信。但近年來隨著武器裝備的迅速發(fā)展和消噪技術(shù)的不斷 進步，各類靜音效果良好的核動力潛艇以及aip潛艇先后列 裝各國海軍，利用傳統(tǒng)聲吶裝置進行偵聽的難度大大增加。 反潛作戰(zhàn)成為當(dāng)今世界各國海軍公認的最大難題之一。光纖

3、水聽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、目標聲學(xué)特性等的探測，是現(xiàn)代海軍 反潛作戰(zhàn)、水下兵器試驗、海洋石油勘探和海洋地質(zhì)調(diào)查的 先進探測手段。2009年2月初，英國前衛(wèi)號彈道導(dǎo)彈核 潛艇與法國凱旋號核潛艇在大西洋深海上演了 深情一 吻。當(dāng)時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，潛艇上共有約250名乘員，可竟然無人利用聲 吶裝置發(fā)現(xiàn)對方。其實，自冷戰(zhàn)時代起，美國和西方國家就經(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 時有發(fā)生。據(jù)不完全統(tǒng)計，在北方艦隊和太平洋艦隊過去30 年來進行軍事演習(xí)的海域，就曾發(fā)生過11起俄羅斯（前蘇 聯(lián)）

4、潛艇與外國潛艇相撞事故。俄核潛艇庫爾斯克號的 沉沒引發(fā)了世人的種種猜測，其中有一種猜測就是認為發(fā)生 了潛艇相撞事件。二、光纖水聽器技術(shù)發(fā)展光纖水聽器是一種建立在光纖傳感和光電子技術(shù)基礎(chǔ) 上的水下聲信號探測器。它通過高靈敏度的光纖相干檢測技 術(shù)，將水聲信號轉(zhuǎn)換成光信號，并通過光纖傳至信號處理系 統(tǒng)提取聲信號信息。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傳輸電纜、價格昂貴、重量較大、密 封性不好等問題，有效提高水聲信號的探測精度和系統(tǒng)的穩(wěn) 定度。光纖水聽器技術(shù)的研究始于1977年，美國海軍實驗室 bucaro等人發(fā)表了光纖水聽器的首篇論文，作為未來聲吶系 統(tǒng)的重要發(fā)展方向，此后各國

5、相繼開展了相關(guān)領(lǐng)域的研究。 上個世紀70年代美國海軍研究實驗室就開始執(zhí)行光纖傳感 器系統(tǒng)計劃，光纖水聽器是該實驗系統(tǒng)的重要內(nèi)容。隨后美 國在海軍流動噪聲駁船系統(tǒng)上對塑料芯軸光纖水聽器進行 了第一次海上實驗，并于1983年7月在巴哈馬群島成功部 署。其后，美國海軍進行了多次拖曳式光纖水聽器陣列的海 上實驗，并取得了重大成功。1988年美國海軍實驗室制訂了 潛艇用光纖水聽器系統(tǒng)標準，標志著光纖水聽器邁向?qū)?用武器系統(tǒng)的巨大進步。除了美國以外，英、法、日等國也相繼開展光纖水聽器 領(lǐng)域的研究。英國海軍特別關(guān)注的領(lǐng)域是利用陣列進行淺海 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 纖水聽器陣列技

6、術(shù)可以實現(xiàn)遠距離的可耗式低成本陣列器 件，具有巨大的應(yīng)用價值。日本于上個世紀80年代開始光 纖水聽器系統(tǒng)調(diào)研與開發(fā)研究，并于1995年制成原理樣機。 除此以外，法國、意大利與挪威合作執(zhí)行全光纖光學(xué)水聽器 線陣計劃，主要目的是發(fā)展靜態(tài)光纖水聽器陣列，并于2002 年成功進行了海上試驗，這個項目也成為了歐洲長期防衛(wèi)聯(lián) 盟項目的一部分。三、軍民兩用的光纖水聽器光纖水聽器與傳統(tǒng)水聽器相比，具有將大量單元信號經(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 器單元可以靈活設(shè)計，響應(yīng)帶寬寬，靈敏度極高，在信號傳 輸和單元布設(shè)時無需擔(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器大

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

8、標偵測，水下 /水面目標輻射噪聲測量，并應(yīng)用與水下安防，地震預(yù)測，海 洋石油和天然氣勘探等領(lǐng)域，是具有自主知識產(chǎn)權(quán)的水下探 測技術(shù)，為港口防護、水聲情報搜集以及目標探測提供技術(shù) 支撐。早在2000年美國利通資源勘探儀器公司就與英國防衛(wèi) 研究局成功開發(fā)出一套海洋陸地鉆孔成像系統(tǒng)，這個系統(tǒng)的 核心部件為96基元的8公里傳輸全光光纖水聽器系統(tǒng)，可 以用于勘探地下石油或天然氣儲備。此外，為防止海洋平臺、 水下儲油罐、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)常觀測和檢查，這時光纖水聽器就可以發(fā)揮 巨大的作用。聲全息測量也是大規(guī)模光纖水聽器陣列探測的重要應(yīng) 用之一，它集合了非共形聲全息、局部聲全息、運動聲全息、 半空間聲全息、矢量陣聲全息以及聲強測量，解決穩(wěn)態(tài)、瞬 態(tài)及運動聲源輻射聲場空間重構(gòu)、噪聲源識別與精確定位， 這些技術(shù)不僅提高了噪聲源識別定位精度和工作頻帶范圍， 還將全息測量技術(shù)帶入嶄新發(fā)展時代。采用的分析算法將科研成果成功引入工程實踐中，建立 了在有限測點和傳感器精度條件下，在被測物近場區(qū)域測量 聲壓或部分聲壓，重構(gòu)復(fù)雜結(jié)構(gòu)體聲場中的聲壓、速度、聲 強和被測物體表面的發(fā)向速度，并實現(xiàn)噪聲源