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| 【作者简介】文章作者为孟洲，工作单位为国防科技大学，本篇文章节选自论文《光纤水听器技术的研究进展》，发表于《激光与光电子学进展》，2021年7月，第58卷第13期。声明：文章仅供学习与交流，不做商业用途，若需转载请注明由“水声之家”微信公众号平台编辑与整理。版权归原作者所有,文章观点不代表本机构立场。 |
| 【摘要】光纤水听器(FOH)作为一种新型水声传感器，可应用于水下目标探测、石油天然气勘探、地震检测等军事和民用领域。随着海洋背景噪声的增大和水下目标降噪水平的提高，人们对FOH的性能要求也越来越高。因此，从FOH的主要发展方向、关键技术、新型FOH三个层面介绍了FOH技术，包括大规模FOH阵列、甚低频探测、深海远程传输、拖曳细线阵、窄线宽激光器、信号处理、光纤矢量水听器和分布式FOH等方面，对于FOH系统的理论研究和实际应用具有一定的指导意义。【关键词】 光纤光学；光纤矢量水听器；细线拖曳阵；分布式光纤水听器；深海远程传输 |
光纤水听器(FOH)是建立在光纤和光电子技术基础上、以光纤同时作为信息传输和传感媒介的一种新型水声传感器，在水下目标探测、石油天然气勘探、地震检测等军事和民用领域都具有重要应用。FOH具有灵敏度高、动态范围大、抗电磁干扰能力强、结构灵巧、易于大规模成阵等特点，且能适用于多种恶劣环境中，因此，产生了岸基阵、拖曳阵、舷侧阵、潜/浮标等多种应用形式[1]，成为现代光纤传感技术和水声传感技术的重要发展方向。鉴于FOH在军事和民用领域的巨大应用价值，自1977年美国海军研究实验室(NRL)首次发表关于FOH的论文以来[2]，多个发达国家便积极开展了FOH的研究和开发[3-30]。我国对FOH的研究虽然起步较晚[31]，但自20世纪90年代以来，也相继突破了从基础理论到实际应用的一系列关键技术[32-53]。近年来，海上航运和海底开采活动日益频繁，导致海洋背景噪声越来越严重；且随着水下目标降噪水平的提升，其辐射噪声水平已低于海洋背景噪声，这给水下目标探测带来了很大的困难，也给FOH技术提出了更高的要求。为了提升系统对水下目标的探测能力，需对FOH进行大规模成阵，因此，人们广泛研究了包括空分复用、波分复用、时分复用在内的各种复用及成阵技术。由于水下目标的辐射噪声逐渐向甚低频集中，而该频段恰好是海洋背景噪声最严重的区域，使FOH的甚低频探测成为亟待解决的问题。随着FOH技术向深远海方向的发展，FOH的耐深水压和远距离传输的非线性效应问题日益凸显，从而推动了深海远程传输技术的发展。FOH细线拖曳阵可应用于一些体积受限的水下平台，也受到了人们的广泛关注。此外，FOH系统的本底噪声决定了其检测灵敏度，而系统所用光源的相位噪声是本底噪声的主要来源，后续信号处理也会影响FOH系统的本底噪声，因此，研究低噪声超窄线宽激光器以及信号检测和水声信号处理技术具有重要意义。本文对FOH的具体应用需求及相关技术进展进行了整理总结，并分析了新型FOH技术及其应用。其中，光纤矢量水听器(FOVH)可同时获得声场的标量与三维矢量信息，而分布式FOH具备空间连续拾取水下声信号的能力，为FOH技术的发展注入了新的活力。近年来，FOH在军事和民用领域的应用越来越广泛，给FOH技术的发展带来了重要的牵引作用，推动着FOH朝大规模成阵、甚低频探测、深远海传输、细线拖曳阵等方向快速发展。传统FOH是没有指向性的，只有将其组成FOH阵列并利用波束形成方法，才能获得水下目标的方位信息。FOH阵列的规模越大，对目标的定向精度就越高。扩大FOH阵列的规模可以有效提高信号的空间信噪比(SNR)增益，增加水下目标的探测距离。但随着阵列规模的扩大，FOH系统中使用的光纤耦合器、波分复用器、解波分复用器等光学器件也逐渐增多，导致光的传输损耗大幅度增加，最终影响系统的探测能力。因此，FOH的大规模成阵是需要综合设计的一项关键技术。国内外研究机构对大规模FOH系统进行了相关研究[54-65]。1990年，NRL研发了48通道的全光拖曳阵列[66]。2003年，美国弗吉尼亚级核潜艇下水，其配备了由2700个FOH组成的舷侧阵，如图1所示[7,67]。该系统可实现大范围的被动声探测，标志着FOH阵列进入了一个新阶段。挪威Optoplan公司在其北部海域布放了一条16000基元的FOH阵列，其结构如图2所示[27,68]。将该系统用于相关海域石油储层的长期监测，可监测的海域达60km2，是目前世界上最大规模的光纤传感网络[68]。Liao等[62]报道了一种采用时分复用和密集波分复用的超大规模FOH系统，理论上可在单根光纤中实现4096路复用，代表了当时世界上最高效的FOH复用水平。郝小柱等[65]研发了可用于科学研究的1024基元大规模FOH阵列。利用光纤宽频带信息传输的特点，采用多重时分复用、密集波分复用和大量空分复用等混合复用方式，同时优化系统结构，可将FOH阵列系统扩展至数千基元规模，从而在拓展其应用领域的同时提升系统的探测性能。
Fig.1 Physical image of the Virginia-Class Nuclear submarine[7,67] 
Fig.2 Physical image of the FOH array[27] 水下目标噪声主要集中在100Hz以下的甚低频中，且相比高频段噪声，甚低频噪声更难得到抑制；同时，甚低频噪声信号在水中的损耗更小，传输距离更远。因此，甚低频水声噪声是水下目标的主要噪声来源，甚低频FOH也成为水下目标探测的重点发展方向。Goodman等[69]利用光纤激光水听器在40~1000Hz频段获得了110dB(re Hz/Pa，表示以1Hz/Pa为基准值转化的单位dB)的灵敏度，但其在低于40Hz频段的灵敏度较低。NRL基于分布反馈式(DFB)光纤激光器的FOH在100~5000Hz频段取得了107dB(re Hz/Pa)的灵敏度，该结果与理论预测值的吻合程度较高，但对于甚低频段(30~100Hz)的响应只进行了理论分析[70]。Plotnikov等[71]报道了一种应用于拖曳阵的FOH，其响应频段为20~495Hz，但频率响应不够平坦。Li等[72]基于DFB光纤激光研制的FOH在10~10000Hz频段可获得115dB(re Hz/Pa)的灵敏度，甚低频探测能力得到了显著提升。高侃等[73]公开了一种新型FOH声敏结构及实现方法，采用聚氨酯整体灌封FOH，其声压灵敏度在20~200Hz区间可从-146dB (re rad/μPa)提升至-126dB (re rad/μPa)。郭振等[74]提出了一种外径为20mm的32基元光纤布拉格光栅(FBG)水听器阵列，阵列中各基元在20~2000Hz范围内的平均声压灵敏度为-143.9dB(re rad/μPa)。Zhang等[75]提出了一种FOH，在40~4000Hz范围内的平坦声压灵敏度为9×10-3pm/Pa。国防科技大学在甚低频干涉型FOH方面也进行了大量研究，其研发的甚低频干涉型FOH探头结构如图3所示。该FOH的频率响应曲线如图4所示，其在10~2000Hz频段可获得-116dB(re rad/μPa)的灵敏度。该FOH的系统相位噪声约为-102dB @ 100Hz(re rad/Hz1/2)，如图5所示，相应的等效噪声声压为14dB @ 100Hz (re μPa/Hz1/2)。该等效噪声声压远小于海洋背景噪声，这表明该甚低频FOH在水下目标探测方面具有重大的应用前景。
Fig.3 Structure of a very low frequency interference FOH probe 
Fig.4 Frequency response of a very low frequencyinterferometric FOH Fig.5 Phase noise of a very low frequency interferometric FOH system 可靠声路径是深海环境中特有的一种理想声信道，通常出现在完全深海声道环境中，具有声传输损耗小、背景噪声低等特点。可靠声路径通常存在于临界深度以下，海深值达到4~5km。将FOH布放在可靠声路径中，可利用其优良的信道特性探测远距离浅源目标，因此，研究适用于深海环境的FOH具有重要意义。近期，国防科技大学研制的FOH与FOVH均通过了66MPa压力测试，可应用于超过6km的深海环境。掺铒光纤放大器(EDFA)与光纤拉曼放大器(FRA)技术的发展促进了光纤通信网络的发展，使远程FOH的设计成为可能。多个研究机构对远程FOH系统进行了研究[53,76-80]，Eriksrud[68]构建的中继传输FOH系统传输距离达到200km。Austin等[59]构建了500km中继传输FOH系统。Cao等[81]研制了400km中继传输的FOH阵列，其系统结构如图6所示，其中，ωm为调制频率，S1~S16为16个不同的探头，λ1和λ2为2个不同的波长，AGD为自动增益控制模块，TDM为时分复用器，OAM为光合束，ODM为光分束，LA为在线放大器，BA为功率放大器，Ch为通道，D/A1和D/A2为2个数模转换模块，FPGA为现场可编程逻辑门阵列，PGC为相位产生载波，WDM为波分复用器，DWDM为解波分复用器，AOM为声光调制器，TTL为逻辑电平，D为光探测器，IIC为集成电路总线。在传输光纤部分每隔100km采用一个EDFA作为中继对光功率进行补偿，系统的相位噪声为-90 dB (rerad/Hz1/2 @ 1kHz)。
图6 远程FOH阵列系统的原理[81] Fig.6 Principle of the remote FOH array system[81] 随着远程光FOH系统传输距离的增加，各种光纤非线性效应对系统的影响加剧，导致了严重的功率损耗与相位噪声，使FOH阵列的性能急剧下降[82]。因此，各类非线性效应的抑制成为远程FOH系统的重要研究课题。光纤中发生非线性效应阈值最低的是受激布里渊散射(SBS)，SBS也是系统输入功率的首要限制因素[83]。因此，人们提出了多种SBS抑制方法[84-90]。在干涉型FOH系统中，相位调制技术具有操作简单、抑制效率高的优点，得到了人们的广泛关注[91]。Chen等[88]研究了相位调制对干涉型光纤传感系统相位噪声的影响，观察到相位噪声带来的附加相位噪声问题。Hu等[92]提出了一种基于光调制解调的SBS抑制方案，消除了该附加相位噪声的影响。Hu等[93]对该附加相位噪声的产生原因进行了详细分析，并提出了一种基于光程差匹配的相位调制方法，有效抑制了干涉型光纤传感系统中的SBS噪声。图7为用该方法抑制时系统相位噪声随调制频率的变化曲线，图8为不同相位调制度C下相位噪声随输入功率的变化曲线。当SBS得到有效抑制后，光纤中的调制不稳定性(MI)成为FOH系统中主要的非线性效应，在采用光脉冲传输的远程大规模FOH系统中尤为显著，使MI成为系统最大传输功率的主要限制因素。光纤中的MI从放大的自发辐射(ASE)噪声产生，在原光频两侧产生对称的频谱旁瓣[94]。窄带滤波法通过降低ASE噪声抑制MI，是一种最直接的抑制方法[95]；正交脉冲法可以将MI的阈值提高3dB[96]。Soto等[97]提出了一种基于时频复用的I抑制技术，可将MI效应的阈值提升N倍(N为边带数)，但该方法的复杂度较高，很难在大规模系统中得到应用。Hu等[98]提出了一种相干种子注入方案，通过激发感应MI抑制ASE噪声中产生的自发MI，如图9所示，其中，2条曲线分别为自发MI谱和相干种子注入光谱。实验结果表明，该方案可以有效提升远程干涉型光纤传感系统中的MI阈值，当输入功率为800mW时，系统的相位噪声为-90dB (re rad/Hz1/2)，比未采用相干种子注入时至少提高了20dB，如图10所示。 
图7 相位噪声随调制频率的变化[93] Fig.7 Phase noise changes with modulation frequency[93] 
图8 不同相位调制度下的相位噪声[93] Fig.8 Phase noise sunder different phase modulation indices[93] 
图9 输入功率为400mW时的输出光谱[98] Fig.9 Output spectrum when the input power is 400 m W[98] 图10 不同输出光对应的相位噪声[98] Fig.10 Phase noises corresponding to different output lights[98] 拖曳线列阵是FOH最早的应用形式之一，具有成本低、质量轻、湿端无源等优点。20世纪70年代，NRL最早研制出拖曳线列阵形式的FOH，并开展了多次海上实验。2007年，NRL首次报道了其参与研制的光纤细线拖曳阵TB-33[12]。考虑到拖曳噪声抑制及小型水下平台如无人潜航器(UUV)等应用场景，拖曳线列阵逐渐朝直径更细的方向发展。Souto[99]报道了直径为25mm的线列阵；Rajesh[100]报道了外径为32mm的线列阵；Plotnikov等[71]报道了基于干涉仪结构的拖曳线列阵，其外径仅为20mm；Zhang等[101]报道了一个16基元DFB光纤激光器拖曳线列阵，阵列外径仅为12mm，阵列流噪声为69dB(re mPa/Hz1/2@1kHz)；Zhang等[75]报道了一种封装直径仅为7.2mm的光纤激光水听器基元；Peng等[102]进行了32基元FOH拖曳线列阵湖试，在6节航速下获得了75dB(re μPa/Hz1/2@100Hz)的流噪声，结果如图11和图12所示。
图11 拖曳线列阵FOH的实物图[102] Fig.11 Physical picture of the towed line array FOH[102]
图12 拖曳线列阵FOH的流噪声[102] Fig.12 Flow noise of the towed line array FOH[102] ··········未完待续········· | [[1] Kirkendall C K, Dandridge A. Overview of high performance fibre-optic sensing [J]. Journal of Physics D: Applied Physics, 2004, 37(18): R197-R216.[2] Bucaro J A, Dardy H D, Carome E F. Optical fiber acoustic sensor [J]. Applied Optics, 1977, 16(7): 1761-1762.[3] Kersey A D, Dandridge A. Multiplexed Mach- Zehnder ladder array with ten sensor elements [J]. Electronics Letters, 1989, 25(19): 1298-1299.[4] Dandridge A, Cogdell G B. Fiber optic sensors for Navy applications[J]. IEEE LCS, 1991, 2(1): 81-89. |
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