光纖激光水聽器研究進(jìn)展

一、引言

聲波是人類已知的唯一能在海水中遠(yuǎn)距離傳輸?shù)哪芰啃问健Ｋ犉?Hydrophone)是利用在海洋中傳播的聲波作為信息載體對水下目標(biāo)進(jìn)行探測以及實現(xiàn)水下導(dǎo)航、測量和通信的一類傳感器。由于水下軍事防務(wù)上的要求和人類開發(fā)利用海洋資源的迫切需要，水聽器技術(shù)得到空前的發(fā)展。傳統(tǒng)的水聽器包括電動式、電容式、壓電式、駐極體式，等等。
20世紀(jì)70年代以來，伴隨著光導(dǎo)纖維及光纖通信技術(shù)的發(fā)展，光纖水聽器逐漸成為新一代的水聲探測傳感器。與傳統(tǒng)水聽器相比，其最大優(yōu)點是對電磁干擾的天然免疫能力。此外，光纖水聽器還具有噪聲水平低、動態(tài)范圍大、水下無電、穩(wěn)定性和可靠性高、易于組成大規(guī)模陣列等優(yōu)點�，F(xiàn)有的光纖水聽器包括光強(qiáng)度型、干涉型、偏振型、光柵型等。其中，光纖激光水聽器(FLH)就是一種光柵型水聽器，但由于它的傳感元件光纖激光器(又稱有源光纖光柵)相比于無源光纖光柵具有高功率和極窄線寬的特點，配合上基于光纖干涉技術(shù)的解調(diào)方法，它的微弱信號探測能力相比于普通的無源光纖光柵水聽器可以提高幾個數(shù)量級。

壓電式水聽器和干涉式光纖水聽器是目前應(yīng)用最廣泛的水聲探測器件。與干涉式光纖水聽器相比，壓電式水聽器技術(shù)更加成熟，結(jié)構(gòu)和制作工藝更簡單，大規(guī)模生產(chǎn)時一致性可以得到相對較好的控制。但是，防漏電、耐高溫、長距離傳輸、動態(tài)范圍大則是光纖水聽器最大的優(yōu)勢。尤其在一些特殊領(lǐng)域(例如高溫高壓的深井油氣勘探領(lǐng)域)有著比壓電水聽器更為廣闊的應(yīng)用前景。與干涉式光纖水聽器相比，光纖激光水聽器的最大優(yōu)勢在于易復(fù)用，即“串聯(lián)即成陣”。同時，受彎曲半徑影響，干涉式光纖水聽器的體積較大，水聽器直徑通常大于 1cm。而由于光纖激光型水聽器結(jié)構(gòu)簡單，傳感單元僅為一根光纖的尺寸，光纖激光水聽器外徑可細(xì)至 4～6mm。當(dāng)然，受光纖激光器本身弦振動及系統(tǒng)1/f噪聲影響，加速度響應(yīng)較大、低頻段噪聲相對較高是目前光纖激光型水聽器存在的主要問題之一，有待進(jìn)一步摸索和改進(jìn)。

二、光纖激光水聽器基本原理

⒈ 光纖激光器及光纖激光水聽器原理

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圖1.光纖激光器制備原理圖

分布式反饋(DFB)光纖激光器是通過在有源光纖上刻寫π相移光柵進(jìn)而形成的，其常見制作原理如圖1所示。采用高壓載氫方法進(jìn)行有源光纖的增敏，利用248nm的準(zhǔn)分子激光器配合相位掩模版采用遮擋法進(jìn)行光纖激光器的制作。通過耦合模理論和仿真分析可以得到光纖激光器的π相移區(qū)、有源區(qū)介質(zhì)參數(shù)、激光器溫度分布對光纖激光器噪聲特性的影響。激光的制作工藝參數(shù)主要包括準(zhǔn)分子激光器的光強(qiáng)、曝光時間、寫入柵區(qū)的長度、有源區(qū)摻雜濃度、耦合系數(shù)等。激光器實物如圖2所示。

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圖2.光纖激光器實物圖

通過工藝參數(shù)的控制，光纖激光器的線寬可以控制在10kHz以內(nèi)。圖3為通過外差法測試激光器的線寬，約為3kHz。

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圖3 光纖激光器線寬測試結(jié)果

每一根制作好的光纖激光器都具有特定的輸出中心波長。輸出中心波長會因光纖激光器受到的外界作用而發(fā)生變化，例如溫度、應(yīng)力、壓力等。當(dāng)聲壓作用在光纖激光器上時會引起光纖徑向及軸向應(yīng)力，從而導(dǎo)致輸出中心波長的變化，通過檢測中心波長的變化可以還原水聲信號，這就是光纖激光水聽器的原理。早期的光纖激光水聽器就是直接利用裸露的光纖激光器感受水聲壓，后來經(jīng)過不斷發(fā)展，靈敏度和頻響特性逐漸優(yōu)化，光纖激光水聽器走向?qū)嵱谩?span style="display:none"> 4Y5lP00!}

⒉ 光纖激光水聽器系統(tǒng)

一個完整的光纖激光水聽器系統(tǒng)除了包括置于水環(huán)境中的光纖激光傳感器探頭，還包括船載或放在岸上的光纖激光解調(diào)設(shè)備，通常被分別稱為“濕端”和“干端”，二者之間通過光纜連接。在濕端部分，由于光纖激光器具有波長編碼特性，不同中心波長的光纖激光器可以被封裝成不同的水聽器單元，然后串聯(lián)形成水聽器陣列。這樣，就可以僅通過一根光纖同時傳輸若干光纖水聽器采集到的水聲信息。在干端部分，泵浦源模塊為光纖激光器串提供泵浦光，反射回來的光信號先經(jīng)過非平衡光纖干涉儀進(jìn)行干涉，經(jīng)過密集型波分解復(fù)用器將不同波長的光信號分開進(jìn)入光電探測器陣列，通過模數(shù)轉(zhuǎn)換及特定的解調(diào)算法，承載在光信號中的水聲信息就被還原出來了。一個典型的基于相位產(chǎn)生載波(PGC)技術(shù)的光纖水聽器系統(tǒng)如圖4所示。

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圖4 光纖激光水聽器系統(tǒng)

三、國內(nèi)外研究進(jìn)展與趨勢

濕端部分的水聽器探頭作為系統(tǒng)的最前端，其靈敏度、頻率響應(yīng)、穩(wěn)定性、抗加速度性能等決定了系統(tǒng)能否在復(fù)雜的水下環(huán)境中探測到有效的水聲信號。水聽器的設(shè)計及制造水平，對光纖激光水聽器技術(shù)最終能否實用化至關(guān)重要。許多國家的研究人員都對其進(jìn)行了深入研究。

國外主要的光纖激光水聽器研究單位包括美國海軍實驗室(NRL)、英國防衛(wèi)研究局(DERA)、瑞典國防科研機(jī)構(gòu)(FOI)、澳大利亞國防科技組織(DSTO)等，部分研究成果已經(jīng)成品化，在軍事、海洋勘探等領(lǐng)域得到應(yīng)用。

早在1992年，美國海軍實驗室Kersey等利用臂長差很短的低相干馬赫-曾德干涉儀解調(diào)FBG，這種波長-相位轉(zhuǎn)換的方法為高分辨率的光纖激光解調(diào)提供了可行的技術(shù)途徑。1993年，他們使用該方法對窄線寬的光纖激光器進(jìn)行解調(diào)，獲得了高達(dá)7×10－8Pm/√Hz@7kHz的波長分辨率。此后，他們研究用于應(yīng)變傳感器的4元光纖激光傳感器，為光纖激光水聽器的發(fā)展提供重要參考。

1999年，英國國防研究局的Hill等將光纖激光器用作水聽器，并分別采用了裸的光纖激光器和彈性材料涂敷的光纖激光器進(jìn)行水聲信號檢測。涂敷材料長度為200mm，直徑為5mm。雖然在該次實驗中，涂敷的光纖激光器靈敏度相比裸的光纖激光器沒有顯著提高，但是頻率響應(yīng)更加平坦。2005年，在第17屆光纖傳感會議上，Hill等報道了4元光纖激光水聽器陣列的海試。

自2000年起，瑞典國防科研機(jī)構(gòu)開展了一系列關(guān)于光纖激光水聽器的研究，目的在于開發(fā)一種便于布放的輕型拖曳聲納。為了增加光纖激光水聽器的靈敏度，以達(dá)到與海洋噪聲相當(dāng)?shù)奶綔y水平，F(xiàn)OI設(shè)計了一種活塞結(jié)構(gòu)的光纖激光水聽器，它的應(yīng)變/壓力靈敏度可以達(dá)到1.17×10－81/Pa，共振頻率高于3kHz。2005年，F(xiàn)OI在Bjurshagen開展了基于4波長 DFB光纖激光水聽器的海上拖曳實驗，并對陣列的流噪聲特性進(jìn)行了測試。

2002年，澳大利亞國防科技組織(DSTO)與泰雷斯水下系統(tǒng)(Thales Underwater System)公司達(dá)成協(xié)議，合作深入開發(fā)光纖水聽器技術(shù)，以將該技術(shù)用于防衛(wèi)及商用系統(tǒng)。2005年，DSTO的Fostor等提出了一種機(jī)械支撐的光纖激光水聽器結(jié)構(gòu)。隨后為了進(jìn)一步適應(yīng)水下工作環(huán)境的靜壓強(qiáng)，Goodman等對該結(jié)構(gòu)進(jìn)行了改進(jìn)，通過引入彈性氣囊來實現(xiàn)靜壓平衡。2009年報道了四基元光纖水聽器海試情況，水聽器尺寸為8mm×73mm，裝配后為13mm×190mm，用臂差為30m的干涉儀解調(diào)得到聲壓靈敏度為－140dB re 1pm/μPa。該水聽器系統(tǒng)的噪聲水平與零級海況相當(dāng)，工作深度大于30m，可以成功探測到目標(biāo)航跡。2010年，泰雷斯Bedwell等對光纖激光水聽器的透射譜、噪聲壓、聲壓靈敏度頻響特性、溫度特性等進(jìn)行了細(xì)致地研究，傳感器一致性是走向應(yīng)用化的必要途徑，同時報道了以8元光纖激光水聽器為基的拖曳陣列。

澳大利亞新南威爾士大學(xué)在光纖激光水聽器方面也進(jìn)行了較多的研究工作。2010年，Asrul等報道了增敏的復(fù)合腔光纖激光水聽器(CCFL)，利用了CCFL固有的非線性相位條件實現(xiàn)增敏。它由3個FBG串聯(lián)構(gòu)成兩個不同長度的腔，一個腔產(chǎn)生響應(yīng)，就能實現(xiàn)增敏。理論估計，其增敏效果與普通的相比提升40dB。實驗驗證，與普通的相比提升了14dB。

在干端的解調(diào)技術(shù)方面，為了實現(xiàn)高精度的水聲探測，一般采用基于光纖干涉儀的方法。這樣，對于光纖激光水聽器的解調(diào)，基本上完全可以采用干涉式水聽器的解調(diào)技術(shù)。所不同的是，對于光纖激光水聽器，激光器(光源)在濕端，而光纖干涉儀在干端；而干涉式光纖水聽器恰好相反�；诟缮鎯x的解調(diào)方法主要有相位跟蹤法、外差法、相位產(chǎn)生載波法、基于3×3耦合器的解調(diào)方法等，波長分辨率可高達(dá)10－7。

在我國，光纖激光水聽器技術(shù)主要集中在2000年以后，典型的研制單位包括中國科學(xué)院半導(dǎo)體研究所、國防科學(xué)技術(shù)大學(xué)、海軍工程大學(xué)、山東省科學(xué)院激光研究所等，山東大學(xué)、浙江大學(xué)、暨南大學(xué)等也開展了相關(guān)的基礎(chǔ)研究工作�，F(xiàn)階段我國大多數(shù)研制單位在探頭技術(shù)及復(fù)用技術(shù)的基礎(chǔ)研究中傾注更多精力。

2009年，國防科技大學(xué)馬麗娜等報道了平坦頻響和高聲壓靈敏度的DFB光纖激光水聽器結(jié)構(gòu)。其方案是在裸光纖激光器外套金屬殼和聚合物層，用來感受聲壓，兩端固定在毛細(xì)管上。它的聲壓靈敏度高達(dá)102.77dB re 1Hz/Pa，2.5 kHz內(nèi)頻響平坦，起伏少于1.5dB。海軍工程大學(xué)譚波等報道了分布反饋光纖激光水聽器封裝結(jié)構(gòu)的設(shè)計。針對水聲探測時頻響曲線起伏較大的問題，設(shè)計了一種開孔套管式封裝結(jié)構(gòu)、夾層式水聽器結(jié)構(gòu)等。通過對DFB 激光器的封裝，使其張緊后被聚氨酯固定于開孔套筒的中心軸線上，利用開孔套管的保護(hù)作用以及施加于光纖激光器兩端的拉力來抑制水聲探測過程中頻響曲線的起伏。試驗結(jié)果顯示，光纖激光水聽器在20～800Hz的聲壓靈敏度達(dá)到－140dB re 1pm/μPa左右，靈敏度起伏不高于±1.5dB。

2012年，山東省科學(xué)院Sun等對光纖激光器進(jìn)行封裝，并研制了基于波分復(fù)用的4元 DFB光纖激光水聽器陣列。此陣列平坦的聲壓響應(yīng)為115±3dB re 1Hz/Pa，頻率范圍20Hz～20kHz。

綜上所述，光纖激光水聽器技術(shù)經(jīng)過二十年的發(fā)展，逐漸走向成熟，從實驗室基礎(chǔ)研究逐漸擴(kuò)展為應(yīng)用研究，并且開展了有針對性的水下應(yīng)用試驗。一方面，我們看到了光纖激光水聽器有著獨特的優(yōu)勢，相關(guān)的應(yīng)用研究必然會得到更廣泛的關(guān)注，有著廣闊的應(yīng)用前景。另一方面，隨著研究的深入，更多的問題接踵而至，如系統(tǒng)的穩(wěn)定性、大規(guī)模復(fù)用、抗環(huán)境干擾等，成為目前亟待解決的問題�？傮w上講，我國的光纖激光水聽器技術(shù)發(fā)展水平與國際知名的團(tuán)隊相比，尚有五至十年的差距，開展好實用化研究是當(dāng)務(wù)之急。

四、中國科學(xué)院半導(dǎo)體研究所研究進(jìn)展

中國科學(xué)院半導(dǎo)體研究所在光纖激光水聽器基礎(chǔ)理論和應(yīng)用方面都開展了深入的研究，具體內(nèi)容涉及分布式反饋光纖激光器的研制、解調(diào)技術(shù)、水聽器的封裝技術(shù)、陣列技術(shù)等多個方面，完成多次外場試驗，部分研究成果成功轉(zhuǎn)化進(jìn)軍、民領(lǐng)域的行業(yè)應(yīng)用。下面，本文將總結(jié)2005年以來中國科學(xué)院半導(dǎo)體研究所有關(guān)光纖激光水聽器相關(guān)技術(shù)的研究工作，主要包含聲壓式水聽器技術(shù)、矢量水聽器技術(shù)、水聽器陣列技術(shù)、外場實驗及行業(yè)應(yīng)用等。