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(cè)傳感器。與傳統(tǒng)水聽器相比，其最大優(yōu)點(diǎn)是對(duì)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(dòng)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(diǎn)?，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(diǎn)，配合上基于光纖干涉技術(shù)的解調(diào)方法，它的微弱信號(hào)探測(cè)能力相比于普通的無源光纖光柵水聽器可以提高幾個(gè)數(shù)量級(jí)。

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(cè)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(jiǎn)單，大規(guī)模生產(chǎn)時(shí)一致性可以得到相對(duì)較好的控制。但是，防漏電、耐高溫、長(zhǎng)距離傳輸、動(dòng)態(tài)范圍大則是光纖水聽器最大的優(yōu)勢(shì)。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(shì)在于易復(fù)用，即“串聯(lián)即成陣”。同時(shí)，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(jiǎn)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(dòng)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(duì)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)。

⒈ 光纖激光器及光纖激光水聽器原理

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(duì)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(shí)間、寫入柵區(qū)的長(zhǎng)度、有源區(qū)摻雜濃度、耦合系數(shù)等。激光器實(shí)物如圖2所示。

圖2 光纖激光器實(shí)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(cè)試激光器的線寬，約為3kHz。

圖3 光纖激光器線寬測(cè)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(zhǎng)。輸出中心波長(zhǎng)會(huì)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(shí)會(huì)引起光纖徑向及軸向應(yīng)力，從而導(dǎo)致輸出中心波長(zhǎng)的變化，通過檢測(cè)中心波長(zhǎng)的變化可以還原水聲信號(hào)，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>

⒉ 光纖激光水聽器系統(tǒng)

一個(gè)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(zhǎng)編碼特性，不同中心波長(zhǎng)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(shí)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(hào)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(zhǎng)的光信號(hào)分開進(jìn)入光電探測(cè)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(hào)中的水聲信息就被還原出來了。一個(gè)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。

圖4 光纖激光水聽器系統(tǒng)

三、國(guó)內(nèi)外研究進(jìn)展與趨勢(shì)

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(cè)到有效的水聲信號(hào)。水聽器的設(shè)計(jì)及制造水平，對(duì)光纖激光水聽器技術(shù)最終能否實(shí)用化至關(guān)重要。許多國(guó)家的研究人員都對(duì)其進(jìn)行了深入研究。

國(guó)外主要的光纖激光水聽器研究單位包括美國(guó)海軍實(shí)驗(yàn)室(NRL)、英國(guó)防衛(wèi)研究局(DERA)、瑞典國(guó)防科研機(jī)構(gòu)(FOI)、澳大利亞國(guó)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(guó)海軍實(shí)驗(yàn)室Kersey等利用臂長(zhǎng)差很短的低相干馬赫-曾德干涉儀解調(diào)FBG，這種波長(zhǎng)-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(duì)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(zhǎng)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(guó)國(guó)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(hào)檢測(cè)。涂敷材料長(zhǎng)度為200mm，直徑為5mm。雖然在該次實(shí)驗(yàn)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(huì)議上，Hill等報(bào)道了4元光纖激光水聽器陣列的海試。

自2000年起，瑞典國(guó)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(cè)水平，F(xiàn)OI設(shè)計(jì)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(zhǎng) DFB光纖激光水聽器的海上拖曳實(shí)驗(yàn)，并對(duì)陣列的流噪聲特性進(jìn)行了測(cè)試。

2002年，澳大利亞國(guó)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(duì)該結(jié)構(gòu)進(jìn)行了改進(jìn)，通過引入彈性氣囊來實(shí)現(xiàn)靜壓平衡。2009年報(bào)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(jí)海況相當(dāng)，工作深度大于30m，可以成功探測(cè)到目標(biāo)航跡。2010年，泰雷斯Bedwell等對(duì)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(shí)報(bào)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(bào)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(shí)現(xiàn)增敏。它由3個(gè)FBG串聯(lián)構(gòu)成兩個(gè)不同長(zhǎng)度的腔，一個(gè)腔產(chǎn)生響應(yīng)，就能實(shí)現(xiàn)增敏。理論估計(jì)，其增敏效果與普通的相比提升40dB。實(shí)驗(yàn)驗(yàn)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(shí)現(xiàn)高精度的水聲探測(cè)，一般采用基于光纖干涉儀的方法。這樣，對(duì)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(duì)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(zhǎng)分辨率可高達(dá)10－7。

在我國(guó)，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(guó)科學(xué)院半導(dǎo)體研究所、國(guó)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(guó)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(guó)防科技大學(xué)馬麗娜等報(bào)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(bào)道了分布反饋光纖激光水聽器封裝結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)。針對(duì)水聲探測(cè)時(shí)頻響曲線起伏較大的問題，設(shè)計(jì)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(duì)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(cè)過程中頻響曲線的起伏。試驗(yàn)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(duì)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(shí)驗(yàn)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(duì)性的水下應(yīng)用試驗(yàn)。一方面，我們看到了光纖激光水聽器有著獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)，相關(guān)的應(yīng)用研究必然會(huì)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(guó)的光纖激光水聽器技術(shù)發(fā)展水平與國(guó)際知名的團(tuán)隊(duì)相比，尚有五至十年的差距，開展好實(shí)用化研究是當(dāng)務(wù)之急。

中國(guó)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(gè)方面，完成多次外場(chǎng)試驗(yàn)，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(guó)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(chǎng)實(shí)驗(yàn)及行業(yè)應(yīng)用等。

⒈ 光纖激光聲壓式水聽器

早期的水聽器都是感測(cè)聲場(chǎng)的聲壓(標(biāo)量)的，這其中涉及兩項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)，增敏和頻響控制。從結(jié)構(gòu)上講，對(duì)光纖激光水聽器而言，最簡(jiǎn)單、直接的聲壓感測(cè)方式就是將裸露的光纖激光器直接置于聲場(chǎng)之中。聲壓沿著徑向直接作用于光纖，根據(jù)虎克定律，光纖會(huì)產(chǎn)生軸向變形。但是這種傳感方式的靈敏度極低。因此，最先提出了裸光纖激光器包覆有機(jī)彈性材料的增敏方式。這種增敏方法可以極大地增加受壓面積，從而提高傳感器的靈敏度。但是涂覆材料的一致性難以保證，且涂覆半徑不能無限制的增加。因此如何進(jìn)一步提高靈敏度成為該項(xiàng)研究的熱點(diǎn)。2008年，張文濤等首次提出了基于雙膜片結(jié)構(gòu)的光纖激光水聽器。

圖5 雙膜片光纖激光水聽器

如圖5和圖6所示，光纖激光器的兩端分別固定在兩個(gè)膜片中心，當(dāng)外界聲壓通過透聲橡膠傳入傳感器殼體，會(huì)同時(shí)使得兩個(gè)膜片反向變形，進(jìn)而拉伸光纖激光器產(chǎn)生增敏應(yīng)變。這種增敏方式直接利用聲壓產(chǎn)生光纖的軸向應(yīng)變，不再需要通過涂覆材料的泊松效應(yīng)傳遞，因此靈敏度有了極大的提高。起初制成的傳感器獲得－163dB re 1pm/μPa的靈敏度；后續(xù)通過參數(shù)調(diào)整及不斷地改進(jìn)，目前水聽器在20～2000Hz頻響寬度內(nèi)，靈敏度達(dá)－140dB re 1pm/μPa。

圖6 光纖激光水聽器實(shí)物圖

頻響控制是聲壓式水聽器的另一項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)，這是由于應(yīng)用于不同環(huán)境的水聽器需要相應(yīng)的頻響區(qū)間、光纖水聽器需要解決抗高頻混疊問題、水聽器的一致性與頻響控制密切相關(guān)。機(jī)械法頻響控制是一種從根本上改善頻響的方法，具有成本低、信噪比高的特點(diǎn)。2011年，Zhang等提出了一種具有低通濾波能力的光纖激光水聽器。如圖7所示，它是在膜片式光纖激光水聽器基礎(chǔ)上添加了聲低通濾波結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)的頻響變換，利用電聲理論可以對(duì)傳感器的頻響行為給出詳細(xì)解釋。

圖7 具有低通濾波特點(diǎn)的光纖激光水聽器

同年，通過對(duì)聲學(xué)共振腔的改進(jìn)設(shè)計(jì)，Zhang等提出了具有帶通濾波功能的光纖激光水聽器(圖8)，這在水聽器領(lǐng)域具有很大的實(shí)用價(jià)值。如圖9所示，它的頻率響應(yīng)具有明顯的帶通濾波特點(diǎn)，可以在100～400Hz形成平坦的響應(yīng)。

8 具有帶通濾波特點(diǎn)的光纖激光水聽器

圖9 帶通光纖激光水聽器頻響結(jié)果

⒉ 光纖激光矢量水聽器

聲場(chǎng)除了聲壓大小的標(biāo)量信息，還包括聲矢量信息，即聲壓梯度、質(zhì)點(diǎn)振速、質(zhì)點(diǎn)加速度等，可以探測(cè)這些聲矢量參數(shù)的水聽器統(tǒng)稱為矢量水聽器。矢量水聽器的重要應(yīng)用之一就是低頻目標(biāo)定位。軍事上，隨著目標(biāo)頻率的降低，所要求的聲壓水聽器陣列尺寸會(huì)急劇增大，當(dāng)目標(biāo)頻率為10Hz以下時(shí)，用到的標(biāo)量水聽器陣列就須長(zhǎng)達(dá)數(shù)百米甚至上千米。尤其在淺海探測(cè)時(shí)，地形和水深的限制下陣列尺寸越大就會(huì)給工程帶來越大的困難。矢量水聽器具有單元定向、線陣列定位的特點(diǎn)，在水聲工程領(lǐng)域具有良好的應(yīng)用前景，是20世紀(jì)80年代以來水聲領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)之一。

中國(guó)科學(xué)院半導(dǎo)體研究所主要開展了基于光纖激光器的同振型質(zhì)點(diǎn)加速度矢量水聽器的研究。通過光纖激光加速度計(jì)來測(cè)量聲場(chǎng)中質(zhì)點(diǎn)的振動(dòng)加速度。采用適當(dāng)?shù)膽覓煜到y(tǒng)使矢量水聽器在聲場(chǎng)中與質(zhì)點(diǎn)保持“同振”。2011年，馬睿等先后報(bào)道了基于“V”型曲折梁結(jié)構(gòu)的二維細(xì)長(zhǎng)型光纖激光矢量水聽器(圖10)。

圖10 二維光纖激光矢量水聽器結(jié)構(gòu)

基于“V”型曲折梁的高靈敏度換能結(jié)構(gòu)，根據(jù)彈性力學(xué)與振動(dòng)理論給出了該結(jié)構(gòu)的靈敏度和諧振頻率，并與現(xiàn)有的一些結(jié)構(gòu)進(jìn)行了對(duì)比，歸納出影響靈敏度與諧振頻率的關(guān)鍵因素，探討了在不降低諧振頻率的前提下提高靈敏度的方法。建立了該曲折梁結(jié)構(gòu)的三維有限元仿真模型。由仿真得出，該結(jié)構(gòu)的光纖激光矢量水聽器在250Hz的諧振頻率下可達(dá)81.3pm/g的靈敏度。二維矢量水聽器的實(shí)驗(yàn)測(cè)試結(jié)果顯示，它在x、y兩個(gè)方向上獲得的加速度靈敏度分別為39.2pm/g和53.2pm/g，指向性響應(yīng)超過20dB。

2012年，Zhang等首次詳細(xì)報(bào)道了三維細(xì)長(zhǎng)型光纖激光矢量水聽器，如圖11所示。外徑小于5cm，通過對(duì)各矢量方向的測(cè)試，該傳感器的指向性響應(yīng)超過30dB(圖12)。此種結(jié)構(gòu)傳感器具有細(xì)長(zhǎng)型、光路簡(jiǎn)單、易成陣、指向性好等優(yōu)點(diǎn)，具有較高的實(shí)用價(jià)值。

圖11 三維光纖激光矢量水聽器

圖12 矢量水聽器周向指向性測(cè)試結(jié)果(x和y方向)

⒊ 光纖激光水聽器陣列技術(shù)

2007年起，半導(dǎo)體研究所課題組逐漸開展光纖激光水聽器(標(biāo)量)陣列技術(shù)的研究，主要圍繞三個(gè)方面進(jìn)行：水聽器的一致性問題；陣列的功率均衡問題；光纖激光水聽器的成陣工藝。首要攻克的難題是傳感器頻響一致性及相位一致性控制。進(jìn)行了大批量的封裝試驗(yàn)(圖13)，經(jīng)過多次的結(jié)構(gòu)優(yōu)化和封裝工藝的不斷完善，目前的光纖激光水聽器小批量(20支)靈敏度差異小于3dB，單支水聽器自身頻響優(yōu)于±1.5dB(圖14)，相頻一致性優(yōu)于 5°，單支水聽器自身同頻點(diǎn)相位長(zhǎng)期穩(wěn)定性優(yōu)于2°(圖15)。

圖13 光纖激光水聽器批量封裝

圖14 同一批次光纖激光水聽器頻率響應(yīng)

圖15 光纖激光水聽器相頻響應(yīng)測(cè)試結(jié)果

不同，因此激射光功率也會(huì)有差異，這就會(huì)影響單根光纖串聯(lián)水聽器的數(shù)目。早在2008年，課題組就實(shí)現(xiàn)了16元光纖激光器的串聯(lián)復(fù)用。然而，要想制成光纖激光水聽器陣?yán)|，功率均衡是重要的評(píng)價(jià)指標(biāo)之一。由于光纖激光器制作工藝的差異性、傳感器封裝過程中光功率損耗的隨機(jī)性，以及次序匹配、熔接損耗等因素影響，隨機(jī)串聯(lián)的8元光纖激光水聽器陣列的最大功率差異可達(dá)到15～20dB。過大的光功率差異對(duì)解調(diào)結(jié)果的準(zhǔn)度及各通道動(dòng)態(tài)范圍是有影響的。所以，通過長(zhǎng)期對(duì)光纖激光器制作工藝、光纖水聽器封裝工藝及串聯(lián)熔接工藝的摸索和改進(jìn)，現(xiàn)制成8元光纖激光水聽器陣?yán)|最大功率差異小于5dB(圖16)，這樣的功率差異性在實(shí)際應(yīng)用中就幾乎沒有影響了。

圖16 8元光纖激光水聽器陣?yán)|激射光譜

一個(gè)光纖激光水聽器濕端纜結(jié)構(gòu)通常包括水聲傳感段及前后減振段，如圖17所示。水聽器設(shè)置在水聲傳感段，外套為PU管，內(nèi)部利用支撐件等間距固定水聽器。纜內(nèi)充油，一則為了保障透聲性，二則調(diào)整纜密度與水密度近似。水聲傳感段前后分別設(shè)有前減振段和后減振段，防止水聽器陣?yán)|在拖曳過程中的大幅抖動(dòng)，保障水聲傳感段平直滑行。

圖17 光纖激光水聽器陣?yán)|結(jié)構(gòu)原理圖

目前，課題組已經(jīng)研制的光纖激光水聽器陣列為64元，道間距1～5 m，陣列外徑小于30mm，陣列噪聲小于55dB(ref：1μPa/√Hz@1kHz)。

⒋ 光纖激光水聽器及陣列外場(chǎng)試驗(yàn)

2009年，半導(dǎo)體研究所聯(lián)合中國(guó)科學(xué)院聲學(xué)研究所在浙江千島湖進(jìn)行了8元陣光纖激光水聽器陣與16元壓電水聽器陣的對(duì)比湖試。湖試包括靜態(tài)測(cè)試與拖曳測(cè)試。在靜態(tài)測(cè)試中，光纖激光水聽器陣列與壓電水聽器陣列(道間距均為1m)并排布放，水下聲源距離陣列3km，測(cè)試結(jié)果如圖18所示。

圖18 光纖水聽器和壓電水聽器的功率譜密度

對(duì)于同一信號(hào)的測(cè)試結(jié)果，光纖水聽器獲得更優(yōu)的功率譜密度，更平坦的噪聲頻響，更高的信噪比。

在拖曳試驗(yàn)中，利用光纖激光水聽器陣列對(duì)聲源進(jìn)行判向。圖19為光纖激光水聽器陣?yán)|在4節(jié)拖曳速度下的方位歷程圖，可以看出，獲得的方位判向較為清晰。

圖19 光纖激光水聽器纜在4節(jié)拖曳速度下的方位歷程圖

2013年，為研究光纖水聽器陣?yán)|的流噪聲特性，再次在浙江千島湖進(jìn)行了不同航速下的拖曳測(cè)試。試驗(yàn)獲得了清晰的流噪聲響應(yīng)，為拖曳纜體的應(yīng)用和改進(jìn)提供了重要參考。如圖20所示，黑色線數(shù)據(jù)為水下靜止時(shí)的頻率響應(yīng)譜，紅色線數(shù)據(jù)為3節(jié)速度下的拖曳響應(yīng)。

圖20 光纖激光水聽器陣?yán)|流噪聲響應(yīng)

2013年和2014年，先后兩次搭乘南海海洋研究所“實(shí)驗(yàn)2號(hào)”科考船，分別在南海海域?qū)?元光纖激光水聽器陣?yán)|和8元光纖激光水聽器陣?yán)|進(jìn)行了海上測(cè)試，獲得了寶貴的試驗(yàn)結(jié)果(圖21和圖22)。

圖21 2013年4元陣?yán)|海上試驗(yàn)

圖22 2014年8元陣?yán)|海上試驗(yàn)

在石油勘探領(lǐng)域，光纖激光水聽器可以應(yīng)用于地震波 P 波的監(jiān)測(cè)，經(jīng)過特殊封裝后可制成光纖激光檢波器。其無漏電、耐高溫、耐高壓、長(zhǎng)距離傳輸?shù)膬?yōu)勢(shì)在井下石油勘探(如垂直地震剖面)中尤為突出。2010年，課題組在遼河油田進(jìn)行了光纖激光檢波器的3000m油井測(cè)試。試驗(yàn)采用4元光纖激光檢波器列，與石油行業(yè)傳統(tǒng)的動(dòng)圈式電學(xué)傳感器同時(shí)下井對(duì)比(圖23)。在1250m井深光纖激光檢波器和動(dòng)圈式檢波器同時(shí)探測(cè)到了地震波信號(hào)。通過 5～40Hz帶通濾波，可以看出，光纖檢波器比動(dòng)圈式檢波器具有更高的相位一致性和清晰度(圖24)。目前，課題組已經(jīng)成功研制了16元光纖激光檢波器(道間距10m，可定制)并在油氣勘探行業(yè)中得到應(yīng)用。

圖23 遼河油田井下試驗(yàn)照片

圖24 光纖激光檢波器(左)和動(dòng)圈式檢波器(右)測(cè)試結(jié)果

在地震監(jiān)測(cè)領(lǐng)域，可將光纖激光水聽器集成到光纖激光地震儀中，在液體介質(zhì)下可用作 P波的監(jiān)測(cè)或者地聲分量的監(jiān)測(cè)。事實(shí)上，通過改變光纖激光器的封裝方式，光纖激光傳感器也可用于S波的監(jiān)測(cè)。2011年，課題組在云南省普洱市進(jìn)行了鉆孔地震試驗(yàn)。研制的光纖激光地震儀包含有地震分量、地聲分量，與電學(xué)地震儀同時(shí)下井對(duì)比(圖25)，下井深度400m。下井后的第二天就捕獲到了當(dāng)?shù)厮济┑貐^(qū)里氏1.2級(jí)地震，如圖26，可明顯看出光纖激光地震儀的信噪比優(yōu)于電學(xué)傳感器。

圖25 光纖鉆孔地震儀下井照片

圖26 電學(xué)地震儀(上)和光纖激光地震儀(下)記錄結(jié)果

本文闡述了光纖激光水聽器的基本原理，介紹了國(guó)內(nèi)外光纖激光水聽器的研究進(jìn)展以及發(fā)展趨勢(shì)，同時(shí)，詳細(xì)列舉了2005年以來中國(guó)科學(xué)院半導(dǎo)體研究所在光纖激光水聽器技術(shù)方面的研究工作。未來的十至二十年是光纖激光水聽器陣列技術(shù)從實(shí)驗(yàn)室走向應(yīng)用的重要階段，世界范圍內(nèi)的競(jìng)爭(zhēng)重點(diǎn)將轉(zhuǎn)移到如何大規(guī)模提高陣元數(shù)量，如何解決百公里級(jí)的長(zhǎng)距離傳輸問題，如何降低干端系統(tǒng)復(fù)雜度，以期在實(shí)用中得到更高的目標(biāo)分辨能力。石油勘探、地震監(jiān)測(cè)等已經(jīng)被證實(shí)是光纖激光水聽器技術(shù)的優(yōu)勢(shì)領(lǐng)域。隨著研究的進(jìn)一步深入、工程化技術(shù)進(jìn)一步成熟，光纖激光水聽器必將在更多合適的領(lǐng)域中發(fā)揮作用。