潮科技 | 水声学里的新秀：光纤水听器

在浩瀚的海洋中，声波是迄今为止唯一能够实现远距离传播的能量传递形式，声纳设备则是海上军事领域的“顺风耳”，能够在远距离侦听到潜艇、舰船等发出的声音涟漪。但是随着水声对抗与反对抗技术的发展,特别是安静型潜艇的出现,其噪声频率降低到了百赫兹左右，噪声水平甚至低于海洋背景噪声。面对这些大洋“寂静杀手”的“深呼吸”，传统的压电水听器就显得颇为力不从心。

近年来，随着光纤传感技术的发展，基于光纤传感原理的光纤水听器渐渐引起各国军事研究领域的关注。与传统的压电水听器相比，光纤水听器作为一种新型水声探测器件，其灵敏度更高、甚低频响应好、响应频带宽、动态范围大，同时还能够实现上百公里的远距离信号传输。这些技术优点使得光纤水听器在低噪声、低频水声信号检测中具有独特的技术优势，使之更有机会成为安静型舰艇的“克星”。

那么，到底是什么原因使得光纤水听器具有这么突出的技术优点呢？这首先需要从光纤水听器的技术原理说起。

1 光纤水听器的技术原理

光纤水听器是利用水声信号对光纤作用，引起光纤中传播光的强度、偏振、相位等变化从而感知水声信号的传感器。经过几十年的研究发展，光纤水听器的主流技术方案有两类：干涉型光纤水听器和光纤光栅型水听器。

1.1 干涉型光纤水听器

干涉型光纤水听器灵敏度高的主要奥秘，在于传感光纤的长度变化对水声声压的微小波动异常敏感。他通常采用气背心轴结构，将传感光纤缠绕到一个随声压波动膨胀收缩的柔顺心轴上，心轴与传感光纤在声波的作用下产生伸缩变化，光纤长度随即发生变化，从而检测到水声声压的微小波动。

根据声波的拾取方式，干涉型光纤水听器可分为标量干涉型光纤水听器和矢量干涉型光纤水听器。两者的主要区别在于，单独一个标量干涉型水听器只能感受声波有无，无法判断声波的方向，其指向性图为圆形；而单独一个矢量干涉型水听器不仅能感受声波的有无，还能判断声波的方向，其典型的指向性图为“8”字形。

干涉型光纤水听器既可以单独使用，也可以链接成一条阵列使用，光纤水听器阵列可以探测到更远、更为复杂的水声信号。

1.2 光纤光栅水听器

与干涉型光纤水听器相比，光纤光栅型水听器虽然灵敏度稍低，但能够实现光纤水听器的小型化和微型化发展，因此光纤光栅型水听器在一些复杂环境下具有特殊的应用空间。

光纤光栅水听器是以光纤光栅作为敏感元件，当声波作用在光纤光栅水听器上时，光纤光栅的谐振耦合波长随声波变化而移动，通过检测谐振耦合波长的变化即可获得相应的声学信息。

光纤布拉格光栅(Bragg)是目前光纤光栅水听器的一种典型构造。宽带光源输出的光进入光纤布拉格光栅(FBG)后，水声声压对反射信号光的波长进行调制，检测中心反射波长的偏移即可获得声压信息。

光纤光栅水听器不仅具有干涉型光纤水听器的高灵敏度、不受电磁干扰、可远距离传输等优点，还具有探头微型化、便于波分复用等优点。另外，还可以利用在一根光纤上刻写多个不同波长光栅的方法实现水下多点信号的同步检测，这使得细线拖曳阵组阵更加方便，在水下无人航行器军事领域，这些优点将使得光纤光栅水听器技术大有可为。

2 光纤水听器的发展及应用

光纤水听器自20世纪80年代由美国海军研究实验室首次提出后，就在水声探测领域备受关注，经过四十几年的不断研究和发展，目前西方欧美军事强国已开始装备和部署，并在应用中体现出强大的优势。我国对光纤水听器的研究起步较晚，直到2002年，中科院声学所、国防科技大学等单位联合进行第一次光纤水听器线列阵的海试试验，但是我国光纤水听器的发展速度较快，目前国防科技大学、中科院声学所、航天13所等单位都在开展光纤水听器的研究，并取得了丰硕成果。

光纤水听器的优越性使它在军事、海洋监测、资源勘探等方面具有十分广阔的应用前景。以光纤水听器为基元的全光纤水听器岸基阵、拖曳阵以及舷侧阵等已经在相关军事领域有所应用。美国作为声纳技术的头号强国，已在“洛杉矶”级、“海狼”级、“弗吉尼亚”级核潜艇上均装备了宽孔径阵列光纤水听器系统。

民用方面，光纤水听器岸基阵在海洋地震检测、海洋资源勘探等领域已有所应用。英国QinetiQ公司在海底布放了光纤水听器阵列，该公司在陆地埋设光缆和光纤加速度计，实现了海陆一体化的立体监测系统。英国Nash公司联合挪威、智利等国，分别在北海和智利沿海铺设了9千基元和2万基元的光纤水听器阵列系统，对海底石油勘探、地质水文等提供了全面的实时数据。

3 展望

从目前光纤水听器的技术发展及应用特点来看，未来光纤水听器将会向着高灵敏度、大动态范围和微型化的方向发展，光纤水听器阵列的规模将会越来越大，对低频微弱水声信号的探测能力越来越强。另外，随着光纤传感技术的发展，基于新原理、新方法的光纤水听器将会不断涌现，在不久的将来，这个海洋水声学“新秀”必将成为各国竞相发展和装备的侦听利器。