光纖水聽器

干涉型光纖水聽器技術(shù)最為成熟，其基本原理：由激光器發(fā)出的激光經(jīng)光纖耦合器分為兩路，一路構(gòu)成光纖干涉儀的傳感臂，接受聲波的調(diào)制，另一路則構(gòu)成參考臂，不接受聲波的調(diào)制，或者接受聲波調(diào)制與傳感臂的調(diào)制相反，接受聲波調(diào)制的光信號經(jīng)后端反射膜反射后返回光纖耦合器，發(fā)生干涉，干涉的光信號經(jīng)光電探測器轉(zhuǎn)換為電信號，由信號處理就可以獲取聲波的信息。

光纖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(biāo)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(yàn)、海洋石油勘探和海洋地質(zhì)調(diào)查的先進(jìn)探測手段。

海洋資源勘探

——探索海洋資源，得到分布信息；

海底地質(zhì)勘察

——采集地震信號，推測海底地質(zhì)；

海底觀測網(wǎng)

——水下實(shí)時(shí)、長期、全天候觀測

海洋國土安全

——反恐、反潛，水下安防

1、靈敏度高，頻響特性好;

2、動態(tài)范圍大;

3、抗電磁干擾與信號串?dāng)_能力強(qiáng);

4、適于遠(yuǎn)距離傳輸與組陣;

5、信號傳感與傳輸一體化,提高系統(tǒng)可靠性;

6、工程應(yīng)用條件降低.

光纖水聽器陣列探測技術(shù)

較傳統(tǒng)水聽器相比，光纖水聽器具有靈敏度高，可以探測微弱信號;抗電磁干擾和信號串?dāng)_能力強(qiáng)，可以遠(yuǎn)距離傳輸;體積小，易于布放實(shí)施，且收放容易，高可靠性，并且大規(guī)模組網(wǎng)。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(jìn)行測量，通過對每個固定位置上的水聽器測量的聲信號進(jìn)行信號處理，確定聲源位置，實(shí)現(xiàn)水下探測，水下目標(biāo)偵測，水下/水面目標(biāo)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(hù)、水聲情報(bào)搜集以及目標(biāo)探測提供技術(shù)支撐。

在大規(guī)模光纖水聽器陣列組裝過程中，面臨的最大困難是當(dāng)系統(tǒng)中存在數(shù)以千計(jì)的大量器件時(shí)，很難保證系統(tǒng)的光學(xué)均衡。光學(xué)系統(tǒng)的失衡，將影響系統(tǒng)的探測性能，對平衡要求提高，將大幅度增加系統(tǒng)的制造成本和制造難度，而神州普惠已經(jīng)發(fā)展了基于動態(tài)匹配的大容差光學(xué)均衡陣列設(shè)計(jì)與組裝創(chuàng)新技術(shù)來解決這一問題。

光纖水聽器陣列數(shù)據(jù)采集與信號處理技術(shù)

在多基元的大規(guī)模光纖水聽器陣列水聲探測中，涉及到多通路的光信號探測和復(fù)雜的信號處理。在這方面神州普惠具有基于統(tǒng)一時(shí)鐘和分布時(shí)差修正的高精度大容量同步信號采集控制技術(shù)、基于復(fù)合結(jié)構(gòu)FPGA和多核DSP的大容量數(shù)據(jù)連續(xù)采集與并行幀結(jié)構(gòu)信號處理數(shù)據(jù)交換技術(shù)、嵌入式自適應(yīng)參數(shù)設(shè)定大容量光電相干信號處理技術(shù)等大規(guī)模光纖水聽器陣列探測專有技術(shù)。

通過數(shù)據(jù)采集和信號處理，可以獲得各個光纖水聽器探測基元的數(shù)字聲信號，對這些信號必須通過專門的數(shù)據(jù)庫管理和通過不同的接口傳輸才能提供給用戶使用。

聲全息測量技術(shù)

聲全息測量是大規(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(yùn)動聲全息、半空間聲全息、矢量陣聲全息以及聲強(qiáng)測量，解決穩(wěn)態(tài)、瞬態(tài)及運(yùn)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(shí)代。采用的分析算法將科研成果成功引入工程實(shí)踐中，建立了在有限測點(diǎn)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(qiáng)和被測物體表面的發(fā)向速度，并實(shí)現(xiàn)噪聲源定位。為聲振測量奠定技術(shù)基礎(chǔ)，可廣泛應(yīng)用于船舶、汽車行業(yè)、航天航空、其他各種聲振測量領(lǐng)域。

聲聚焦技術(shù)

新型噪聲源識別定位測試分析系統(tǒng)，解決穩(wěn)態(tài)、瞬態(tài)及運(yùn)動聲源，遠(yuǎn)距離快速識別定位。攜帶方便，適應(yīng)于狹窄空間測量，且定位精度高。為聲源識別定位提供技術(shù)支持，實(shí)現(xiàn)噪聲源測量分析。

聲場預(yù)報(bào)技術(shù)

聲場預(yù)報(bào)能預(yù)測聲波的輻射、散射以及聲載荷引起的聲學(xué)響應(yīng)。能在頻域或時(shí)域內(nèi)計(jì)算振動—聲結(jié)果，包括得到聲載荷對結(jié)構(gòu)的影響和結(jié)構(gòu)振動對聲的影響;同時(shí)，可以計(jì)算任意一點(diǎn)的聲壓、聲輻射功率、聲強(qiáng)、結(jié)構(gòu)對聲場的輻射功率、聲能密度等，為水下聲隱身提供性能評估，增加水下目標(biāo)的聲學(xué)安全半徑。

聲學(xué)仿真平臺技術(shù)

大型的水聲探測系統(tǒng)開發(fā)有較大的難度，這種開發(fā)需要聲學(xué)仿真平臺的支持。國內(nèi)有企業(yè)研發(fā)出了聲學(xué)仿真平臺，提供基于軟件仿真的系統(tǒng)級振動噪聲解決方案，實(shí)現(xiàn)對整個復(fù)雜系統(tǒng)及系統(tǒng)內(nèi)關(guān)鍵零件結(jié)構(gòu)進(jìn)行工程分析;輻射噪聲分析;識別振動噪聲問題及其產(chǎn)生的根本原因，并能夠快速地評價(jià)，為后期結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)提供前提保障。

光纖水聽器根據(jù)工作原理細(xì)分，包括強(qiáng)度型、干涉型和光纖光柵型光纖水聽器。其中強(qiáng)度型和光纖光柵型光纖水聽器不適合成陣。

干涉型光纖水聽器技術(shù)最為成熟，且適于大規(guī)模組陣。其基本原理：由激光器發(fā)出的激光經(jīng)光纖耦合器分為兩路，一路構(gòu)成光纖干涉儀的傳感臂，接受聲波的調(diào)制，另一路則構(gòu)成參考臂，不接受聲波的調(diào)制，或者接受聲波調(diào)制與傳感臂的調(diào)制相反，接受聲波調(diào)制的光信號經(jīng)后端反射膜反射后返回光纖耦合器，發(fā)生干涉，干涉的光信號經(jīng)光電探測器轉(zhuǎn)換為電信號，由信號處理就可以獲取聲波的信息。

光纖水聽器及其陣列的研究和發(fā)展始于20世紀(jì)70年代末。至少有美、英、法、意、韓、日等多個國家致力于這方面的研究，近年來它已受到各國軍方的高度重視。

光纖水聽器及其陣列已成為被動聲納水下部分的發(fā)展方向，是海洋探測、監(jiān)聽微弱聲場信號最有發(fā)展?jié)摿Φ难b備，其中最有代表性的是美國的工作：

1976年，美國海軍研究實(shí)驗(yàn)室Bucaro等人發(fā)表了第一篇有關(guān)光纖水聽器的論文，演示了一套基于光纖技術(shù)的水聲傳感系統(tǒng)，這是首次對光纖水聽器進(jìn)行探索性的研究。

20世紀(jì)80年代，美國海軍實(shí)驗(yàn)室組織了多次光纖拖曳陣列海上試驗(yàn)，并取得很大成功。

自21世紀(jì)起，全光光纖水聽器系統(tǒng)開始應(yīng)用于海洋、陸地石油、天然氣勘探，全光水聽器陣列聲納也開始陸續(xù)安裝于軍事裝備上。

我國光纖水聽器的研究工作始于20世紀(jì)80年代，在國內(nèi)技術(shù)人員的共同努力下取得了巨大的進(jìn)展：

2002年8月，進(jìn)行了中國首次光纖水聽器陣列的海上試驗(yàn)。

2012年，建成了岸基光纖列陣水聲綜合探測系統(tǒng)。

2014年，建成了中國首個水下監(jiān)視系統(tǒng)和海底觀測系統(tǒng)。

在2014年第九屆國防電子展上，展出了國產(chǎn)光纖水聽器和光纖水聽器陣列的實(shí)物。

光纖水聽器技術(shù)已掀起傳感器改革的新篇章，為傳統(tǒng)的測量手段帶來了新風(fēng)向。

1、光纖水聽器陣列數(shù)據(jù)采集與信號處理技術(shù)

在多基元的大規(guī)模光纖水聽器陣列水聲探測中，涉及到多通路的光信號探測和復(fù)雜的信號處理技術(shù)，包括基于統(tǒng)一時(shí)鐘和分布時(shí)差修正的高精度大容量同步信號采集控制技術(shù)、基于復(fù)合結(jié)構(gòu)FPGA和多核DSP的大容量數(shù)據(jù)連續(xù)采集與并行幀結(jié)構(gòu)信號處理數(shù)據(jù)交換技術(shù)、嵌入式自適應(yīng)參數(shù)設(shè)定大容量光電相干信號處理技術(shù)等。

通過數(shù)據(jù)采集和信號處理，可以獲得各個光纖水聽器探測基元的數(shù)字聲信號，這些信號可通過專業(yè)的大數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)和各類數(shù)據(jù)傳輸接口提供給用戶使用。

2、光纖水聽器陣列探測技術(shù)

光纖水聽器陣列探測技術(shù)主要以陣列波束形成技術(shù)為基礎(chǔ)，獲得抗噪聲抗干擾的空間增益，從而提高系統(tǒng)輸出信噪比，為寬帶目標(biāo)噪聲的檢測與測量提供更高的陣增益，實(shí)現(xiàn)對聲源級較低的目標(biāo)的測向、跟蹤和識別。

波束形成技術(shù)將一個多元陣經(jīng)過適當(dāng)處理使其對某些空間方向的聲波具有所需響應(yīng)的方法，常用的波束形成方法包括時(shí)域波束形成、頻域波束形成、MVDR等。

3、光纖水聽器陣列測噪技術(shù)

——聲全息測量技術(shù)

聲全息測量技術(shù)集合了非共形聲全息、局部聲全息、運(yùn)動聲全息、半空間聲全息、矢量陣聲全息以及聲強(qiáng)測量技術(shù)，通過光纖水聽器陣列獲取被測物近場區(qū)域的聲壓或局部聲壓，重構(gòu)復(fù)雜結(jié)構(gòu)體聲場中的聲壓、速度、聲強(qiáng)和被測物體表面的法向速度，實(shí)現(xiàn)了噪聲源定位分析。

聲全息測量技術(shù)將噪聲測量技術(shù)帶入了嶄新發(fā)展時(shí)代，能夠解決穩(wěn)態(tài)、瞬態(tài)及運(yùn)動聲源輻射聲場空間重構(gòu)、噪聲源識別與定位問題，提高了噪聲源識別定位精度和工作頻帶范圍，也為減振降噪提供了數(shù)據(jù)支撐。該技術(shù)可廣泛應(yīng)用于船舶、汽車行業(yè)、航天航空等其他各種聲振測量領(lǐng)域。

——聲聚焦技術(shù)

聲聚焦技術(shù)是一種適用于近場的波束形成技術(shù)。在近場條件下，目標(biāo)聲波近似為球面波擴(kuò)展，對各陣元接收到的信號進(jìn)行球面波聚焦時(shí)延補(bǔ)償，從而使在某一期望方向上到達(dá)基陣的信號在求和之前是同相的，進(jìn)而獲得該方向的最大輸出。

波束形成技術(shù)適于對多個聲源的快速識別定位，該技術(shù)可廣泛應(yīng)用于船舶、汽車行業(yè)、航天航空等其他各種噪聲測量領(lǐng)域。

4、海洋地震勘探技術(shù)

利用炸藥或非炸藥震源激發(fā)地震波，應(yīng)用光纖傳感器陣列實(shí)時(shí)觀測在不同波阻抗界面上反射，或在不同速度界面上折射的地震波信息，來研究海洋底部的構(gòu)造活動、地殼厚度和低速層的展布，為石油、天然氣及一些海底沉積礦床的勘探提供依據(jù)。

5、聲場預(yù)報(bào)技術(shù)

聲場預(yù)報(bào)能預(yù)測聲波的輻射、散射以及聲載荷引起的聲學(xué)響應(yīng)。能在頻域或時(shí)域內(nèi)計(jì)算振動—聲結(jié)果，包括得到聲載荷對結(jié)構(gòu)的影響和結(jié)構(gòu)振動對聲的影響；同時(shí)，可以計(jì)算任意一點(diǎn)的聲壓、聲輻射功率、聲強(qiáng)、結(jié)構(gòu)對聲場的輻射功率、聲能密度等，為水下聲隱身提供性能評估，增加水下目標(biāo)的聲學(xué)安全半徑。2100433B