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2 700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制导和扌空制公司等先后研究开发了 Maeh — 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（△. / °AP）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）问询的体系结构一美国海军研究实 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一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）法问询的体系结构一这种传感 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） 时分复用仃DM）光程匹配差分干涉测量（PMDD问询的体系结构一这种阵列由 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一这种采 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/波分混合复用结构一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 835n m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 B「A11-9-17/5、B「A10-4、B「A5-3/2、B「A24-9-6/4 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。
998 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-20dB2003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 ）表1国内外光纤水听器发展状况国家研究开发持续时间已经取得的遊展美国、英国A20年平面阵、拖曳阵演示系统，岸基大规模应用系统制造阶段法国、意大利、挪威TQ年全光纤岸基、拖曳阵列演示系统日本〜15年全光演示系统，实用化系统澳洲>10年开发光纤水听器阵列系统，海上演示试验中国~10年实验室测试、初步海上试验、湖试、大规模海试结论：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2 mmX2 mm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，大监扌空范围的方向发展，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】DANDRIDGE A, TVETENAB-e tai. Developmen to f II le fiber op ti cwide apernlrc amy： f｝啪 initial dt二、，clopment tOproduction【R】.NRL ReView, Optical sciences, 2004.【2】J.A.Bucaro,etal, “Fiber-opticHydrophone" ,J.Acoust.Soc.Am,1977,Vol.62(5):1302-1304【3】DANDRrNGEA. The deVelopmento。