光纖水聽器應用領域

光纖水聽器主要用于海洋聲學環(huán)境中的聲傳播、噪聲、混響、海底聲學特性、目標聲學特性等的探測，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。

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)

——水下實時、長期、全天候觀測

海洋國土安全

——反恐、反潛，水下安防

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。

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擾能力強;

4、適于遠距離傳輸與組陣;

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擾能力強，可以遠距離傳輸;體積小，易于布放實施，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，水下目標偵測，水下/水面目標輻射噪聲測量，并應用與水下安防，地震預測，海洋石油和天然氣勘探等領域，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。

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系統(tǒng)中存在數(shù)以千計的大量器件時，很難保證系統(tǒng)的光學均衡。光學系統(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)匹配的大容差光學均衡陣列設計與組裝創(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雜的信號處理。在這方面神州普惠具有基于統(tǒng)一時鐘和分布時差修正的高精度大容量同步信號采集控制技術(shù)、基于復合結(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)、嵌入式自適應參數(shù)設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)噪聲源定位。為聲振測量奠定技術(shù)基礎，可廣泛應用于船舶、汽車行業(yè)、航天航空、其他各種聲振測量領域。

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)及運動聲源，遠距離快速識別定位。攜帶方便，適應于狹窄空間測量，且定位精度高。為聲源識別定位提供技術(shù)支持，實現(xiàn)噪聲源測量分析。

聲場預報技術(shù)

聲場預報能預測聲波的輻射、散射以及聲載荷引起的聲學響應。能在頻域或時域內(nèi)計算振動—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，可以計算任意一點的聲壓、聲輻射功率、聲強、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，增加水下目標的聲學安全半徑。

聲學仿真平臺技術(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)需要聲學仿真平臺的支持。國內(nèi)有企業(yè)研發(fā)出了聲學仿真平臺，提供基于軟件仿真的系統(tǒng)級振動噪聲解決方案，實現(xiàn)對整個復雜系統(tǒng)及系統(tǒng)內(nèi)關(guān)鍵零件結(jié)構(gòu)進行工程分析;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，為后期結(jié)構(gòu)優(yōu)化設計提供前提保障。

光纖水聽器根據(jù)工作原理細分，包括強度型、干涉型和光纖光柵型光纖水聽器。其中強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，美國海軍研究實驗室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行探索性的研究。

20世紀80年代，美國海軍實驗室組織了多次光纖拖曳陣列海上試驗，并取得很大成功。

自21世紀起，全光光纖水聽器系統(tǒng)開始應用于海洋、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展：

2002年8月，進行了中國首次光纖水聽器陣列的海上試驗。

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雜的信號處理技術(shù)，包括基于統(tǒng)一時鐘和分布時差修正的高精度大容量同步信號采集控制技術(shù)、基于復合結(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)、嵌入式自適應參數(shù)設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，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，為寬帶目標噪聲的檢測與測量提供更高的陣增益，實現(xiàn)對聲源級較低的目標的測向、跟蹤和識別。

波束形成技術(shù)將一個多元陣經(jīng)過適當處理使其對某些空間方向的聲波具有所需響應的方法，常用的波束形成方法包括時域波束形成、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、運動聲全息、半空間聲全息、矢量陣聲全息以及聲強測量技術(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)復雜結(jié)構(gòu)體聲場中的聲壓、速度、聲強和被測物體表面的法向速度，實現(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)展時代，能夠解決穩(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)可廣泛應用于船舶、汽車行業(yè)、航天航空等其他各種聲振測量領域。

——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，目標聲波近似為球面波擴展，對各陣元接收到的信號進行球面波聚焦時延補償，從而使在某一期望方向上到達基陣的信號在求和之前是同相的，進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)可廣泛應用于船舶、汽車行業(yè)、航天航空等其他各種噪聲測量領域。

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，應用光纖傳感器陣列實時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、聲場預報技術(shù)

聲場預報能預測聲波的輻射、散射以及聲載荷引起的聲學響應。能在頻域或時域內(nèi)計算振動—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，可以計算任意一點的聲壓、聲輻射功率、聲強、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，增加水下目標的聲學安全半徑。2100433B