光纖水聽器特點(diǎn)

1、靈敏度高，頻響特性好;

2、動(dòng)態(tài)范圍大;

3、抗電磁干擾與信號(hào)串?dāng)_能力強(qiáng);

4、適于遠(yuǎn)距離傳輸與組陣;

5、信號(hào)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.

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(hào)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(hào)經(jīng)光電探測(cè)器轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，由信號(hào)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(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。

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(hào)，推測(cè)海底地質(zhì)；

海底觀測(cè)網(wǎng)

——水下實(shí)時(shí)、長(zhǎng)期、全天候觀測(cè)

海洋國(guó)土安全

——反恐、反潛，水下安防

光纖水聽器陣列探測(cè)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(cè)微弱信號(hào);抗電磁干擾和信號(hào)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(cè)量手段帶來新風(fēng)向，光纖水聽器陣列對(duì)空間信號(hào)進(jìn)行測(cè)量，通過對(duì)每個(gè)固定位置上的水聽器測(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。

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(cè)性能，對(duì)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(dòng)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(hào)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(cè)中，涉及到多通路的光信號(hào)探測(cè)和復(fù)雜的信號(hào)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(hào)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(hào)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(hào)處理技術(shù)等大規(guī)模光纖水聽器陣列探測(cè)專有技術(shù)。

通過數(shù)據(jù)采集和信號(hào)處理，可以獲得各個(gè)光纖水聽器探測(cè)基元的數(shù)字聲信號(hào)，對(duì)這些信號(hào)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(cè)量技術(shù)

聲全息測(cè)量是大規(guī)模光纖水聽器陣列探測(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)噪聲源定位。為聲振測(cè)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(cè)量領(lǐng)域。

聲聚焦技術(shù)

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

聲場(chǎng)預(yù)報(bào)技術(shù)

聲場(chǎng)預(yù)報(bào)能預(yù)測(cè)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(dòng)—聲結(jié)果，包括得到聲載荷對(duì)結(jié)構(gòu)的影響和結(jié)構(gòu)振動(dòng)對(duì)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(duì)聲場(chǎng)的輻射功率、聲能密度等，為水下聲隱身提供性能評(píng)估，增加水下目標(biāo)的聲學(xué)安全半徑。

聲學(xué)仿真平臺(tái)技術(shù)

大型的水聲探測(cè)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(tái)的支持。國(guó)內(nèi)有企業(yè)研發(fā)出了聲學(xué)仿真平臺(tái)，提供基于軟件仿真的系統(tǒng)級(jí)振動(dòng)噪聲解決方案，實(shí)現(xiàn)對(duì)整個(gè)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(shí)別振動(dòng)噪聲問題及其產(chǎn)生的根本原因，并能夠快速地評(píng)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(hào)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(hào)經(jīng)光電探測(cè)器轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，由信號(hào)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(gè)國(guó)家致力于這方面的研究，近年來它已受到各國(guó)軍方的高度重視。

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

1976年，美國(guó)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(duì)光纖水聽器進(jìn)行探索性的研究。

20世紀(jì)80年代，美國(guó)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(guó)光纖水聽器的研究工作始于20世紀(jì)80年代，在國(guó)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(guó)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(cè)系統(tǒng)。

2014年，建成了中國(guó)首個(gè)水下監(jiān)視系統(tǒng)和海底觀測(cè)系統(tǒng)。

在2014年第九屆國(guó)防電子展上，展出了國(guó)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(cè)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(hào)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(cè)中，涉及到多通路的光信號(hào)探測(cè)和復(fù)雜的信號(hào)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(hào)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(hào)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(hào)處理技術(shù)等。

通過數(shù)據(jù)采集和信號(hào)處理，可以獲得各個(gè)光纖水聽器探測(cè)基元的數(shù)字聲信號(hào)，這些信號(hào)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(cè)技術(shù)

光纖水聽器陣列探測(cè)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(cè)與測(cè)量提供更高的陣增益，實(shí)現(xiàn)對(duì)聲源級(jí)較低的目標(biāo)的測(cè)向、跟蹤和識(shí)別。

波束形成技術(shù)將一個(gè)多元陣經(jīng)過適當(dāng)處理使其對(duì)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(cè)噪技術(shù)

——聲全息測(cè)量技術(shù)

聲全息測(cè)量技術(shù)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)量技術(shù)，通過光纖水聽器陣列獲取被測(cè)物近場(chǎng)區(qū)域的聲壓或局部聲壓，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)物體表面的法向速度，實(shí)現(xiàn)了噪聲源定位分析。

聲全息測(cè)量技術(shù)將噪聲測(cè)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(dòng)聲源輻射聲場(chǎng)空間重構(gòu)、噪聲源識(shí)別與定位問題，提高了噪聲源識(shí)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(cè)量領(lǐng)域。

——聲聚焦技術(shù)

聲聚焦技術(shù)是一種適用于近場(chǎng)的波束形成技術(shù)。在近場(chǎng)條件下，目標(biāo)聲波近似為球面波擴(kuò)展，對(duì)各陣元接收到的信號(hào)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(hào)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(duì)多個(gè)聲源的快速識(shí)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(cè)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(cè)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(dòng)、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(chǎng)預(yù)報(bào)技術(shù)

聲場(chǎng)預(yù)報(bào)能預(yù)測(cè)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(dòng)—聲結(jié)果，包括得到聲載荷對(duì)結(jié)構(gòu)的影響和結(jié)構(gòu)振動(dòng)對(duì)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(duì)聲場(chǎng)的輻射功率、聲能密度等，為水下聲隱身提供性能評(píng)估，增加水下目標(biāo)的聲學(xué)安全半徑。2100433B