潮科技 | 水声学里的新秀：光纤水听器

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编者按：本文是36氪“界线打算”的转载内容，来自微信公家号“MEMS”（ID：MEMSensor）；36氪经授权转载。

在众多的海洋中，声波是迄今为止独一可以或许实现远间隔撒播的能量转达情势，声纳装备则是海上军事规模的“顺风耳”，可以或许在远间隔侦听到潜艇、舰船等发出的声音荡漾。可是跟着水声反抗与反反抗技能的成长,出格是宁静型潜艇的呈现,其噪声频率低落到了百赫兹阁下，噪声程度乃至低于海洋配景噪声。面临这些大洋“沉寂杀手”的“深呼吸”，传统的压电水听器就显得颇为力有未逮。

连年来，跟着光纤传感技能的成长，基于光纤传感道理的光纤水听器徐徐引起各国军事研究规模的存眷。与传统的压电水听器对比，光纤水听器作为一种新型水声探测器件，其迅速度更高、甚低频相应好、相应频带宽、动态范畴大，同时还可以或许实现上百公里的远间隔信号传输。这些技能利益使得光纤水听器在低噪声、低频水声信号检测中具有奇异的技能上风，使之更有机遇成为宁静型舰艇的“克星”。

那么，到底是什么缘故起因使得光纤水听用具有这么突出的技能利益呢？这起首必要从光纤水听器的技能道理提及。

1 光纤水听器的技能道理

光纤水听器是操作水声信号对光纤浸染，引起光纤中撒播光的强度、偏振、相位等变革从而感知水声信号的传感器。颠末几十年的研究成长，光纤水听器的主流技能方案有两类：过问干与型光纤水听器和光纤光栅型水听器。

1.1 过问干与型光纤水听器

过问干与型光纤水听器迅速度高的首要机密，在于传感光纤的长度变革对水声声压的细小颠簸非常敏感。他凡是回收气背心轴布局，将传感光纤缠绕到一个随声压颠簸膨胀紧缩的柔顺心轴上，心轴与传感光纤在声波的浸染下发生伸缩变革，光纤长度随即产生变革，从而检测到水声声压的细小颠簸。

按照声波的拾取方法，过问干与型光纤水听器可分为标量过问干与型光纤水听器和矢量过问干与型光纤水听器。两者的首要区别在于，单唯一个标量过问干与型水听器只能感觉声波有无，无法判定声波的偏向，其指向性图为圆形；而单唯一个矢量过问干与型水听器不只能感觉声波的有无，还能判定声波的偏向，其典范的指向性图为“8”字形。

过问干与型光纤水听器既可以单独行使，也可以链接成一条阵列行使，光纤水听器阵列可以探测到更远、更为伟大的水声信号。

1.2 光纤光栅水听器

与过问干与型光纤水听器对比，光纤光栅型水听器固然迅速度稍低，但可以或许实现光纤水听器的小型化和微型化成长，因此光纤光栅型水听器在一些伟大情形下具有非凡的应用空间。

光纤光栅水听器是以光纤光栅作为敏感元件，当声波浸染在光纤光栅水听器上时，光纤光栅的谐振耦合波长随声波变革而移动，通过检测谐振耦合波长的变革即可得到响应的声学信息。

光纤布拉格光栅(Bragg)是今朝光纤光栅水听器的一种典范结构。宽带光源输出的光进入光纤布拉格光栅(FBG)后，水声声压对反射信号光的波上举办调制，检测中心反射波长的偏移即可得到声压信息。

光纤光栅水听器不只具有过问干与型光纤水听器的高迅速度、不受电磁滋扰、可远间隔传输等利益，还具有探头微型化、便于波分复用等利益。其它，还可以操作在一根光纤上刻写多个差异波长光栅的要领实现水下多点信号的同步检测，这使得细线拖曳阵组阵越发利便，在水下无人飞行器军事规模，这些利益将使得光纤光栅水听器技能大有可为。

2 光纤水听器的成长及应用

光纤水听器自20世纪80年月由美国水师研究尝试室初次提出后，，就在水声探测规模备受存眷，颠末四十几年的不绝研究和成长，今朝西方西欧军事强国已开始设备和陈设，并在应用中浮现出强盛的上风。我国对光纤水听器的研究起步较晚，直到2002年，中科院声学所、国防科技大学等单元连系举办第一次光纤水听器线列阵的海试试验，可是我国光纤水听器的成长速率较快，今朝国防科技大学、中科院声学所、航天13所等单元都在开展光纤水听器的研究，并取得了厚实成就。

光纤水听器的良好性使它在军事、海洋监测、资源勘察等方面具有异常辽阔的应用远景。以光纤水听器为基元的全光纤水听器岸基阵、拖曳阵以及舷侧阵等已经在相干军事规模有所应用。美国作为声纳技能的头号强国，已在“洛杉矶”级、“海狼”级、“弗吉尼亚”级核潜艇上均设备了宽孔径阵列光纤水听器体系。

民用方面，光纤水听器岸基阵在海洋地动检测、海洋资源勘察等规模已有所应用。英国QinetiQ公司在海底布放了光纤水听器阵列，该公司在陆地埋设光缆和光纤加快度计，实现了海陆一体化的立体监测体系。英国Nash公司连系挪威、智利等国，别离在北海和智利沿海铺设了9千基元和2万基元的光纤水听器阵列体系，对海底石油勘察、地质水文等提供了全面的及时数据。

3 瞻望

从今朝光纤水听器的技能成长及应用特点来看，将来光纤水听器将会向着高迅速度、大动态范畴和微型化的偏向成长，光纤水听器阵列的局限将会越来越大，对低频薄弱水声信号的探测手段越来越强。其它，跟着光纤传感技能的成长，基于新道理、新要领的光纤水听器将会不绝涌现，在不久的未来，这个海洋水声学“新秀”必将成为各国竞相成长和设备的侦听利器。

（编辑：湖南网）

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