光纖水聽器陣列

光纖水聽器及其陣列的研究和發展始於20世紀70年代末。至少有美、英、法、意、韓、日等多個國家致力於這方面的研究，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展方向，是海洋探測、監聽微弱聲場信號最有發展潛力的裝備，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等人發表了第一篇有關光纖水聽器的論文，演示了一套基於光纖技術的水聲傳感系統，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，並取得很大成功。

自21世紀起，全光光纖水聽器系統開始應用於海洋、陸地石油、天然氣勘探，全光水聽器陣列聲納也開始陸續安裝于軍事裝備上。

我國光纖水聽器的研究工作始於20世紀80年代，在國內技術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。

2014年，建成了中國首個水下監視系統和海底觀測系統。

在2014年第九屆國防電子展上，展出了國產光纖水聽器和光纖水聽器陣列的實物。

光纖水聽器根據工作原理細分，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最為成熟，且適於大規模組陣。其基本原理：由激光器發出的激光經光纖耦合器分為兩路，一路構成光纖干涉儀的傳感臂，接受聲波的調製，另一路則構成參考臂，不接受聲波的調製，或者接受聲波調製與傳感臂的調製相反，接受聲波調製的光信號經後端反射膜反射後返回光纖耦合器，發生干涉，干涉的光信號經光電探測器轉換為電信號，由信號處理就可以獲取聲波的信息。

1、 探測靈敏度高，頻帶響應寬；

2、 抗電磁干擾與信號串擾能力強；

3、 耐惡劣環境，可適於特殊環境的工程應用；

4、 體積小，重量輕；

5、 適於遠距離傳輸與大規模組陣；

6、 全天候實時探測能力強。

光纖水聽器主要用於海洋聲學環境中的聲傳播、噪聲、混響、海底聲學特性、目標聲學特性等的探測，是海洋資源勘探、海底地質調查、海底觀測網、水下安防和水下噪聲測量的先進探測手段。

1. 海洋資源勘探

——探索海洋油氣、礦物資源，得到分佈信息。

2. 海底地質勘察

——採集地震信號，推測海底地質。

3. 海底觀測網

——水下實時、長期、全天候觀測。

4. 海洋國土安全

——反恐、反潛，水下安防。

5、水下噪聲測量

——採集設備噪聲，指導減振降噪。

光纖水聽器技術已掀起傳感器改革的新篇章，為傳統的測量手段帶來了新風向。

在多基元的大規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複雜的信號處理技術，包括基於統一時鐘和分佈時差修正的高精度大容量同步信號採集控制技術、基於複合結構FPGA和多核DSP的大容量數據連續採集與並行幀結構信號處理數據交換技術、嵌入式自適應參數設定大容量光電相干信號處理技術等。

通過數據採集和信號處理，可以獲得各個光纖水聽器探測基元的數字聲信號，這些信號可通過專業的大數據管理系統和各類數據傳輸接口提供給用户使用。

光纖水聽器陣列探測技術主要以陣列波束形成技術為基礎，獲得抗噪聲抗干擾的空間增益，從而提高系統輸出信噪比，為寬帶目標噪聲的檢測與測量提供更高的陣增益，實現對聲源級較低的目標的測向、跟蹤和識別。

波束形成技術將一個多元陣經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。

——聲全息測量技術

聲全息測量技術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，通過光纖水聽器陣列獲取被測物近場區域的聲壓或局部聲壓，重構複雜結構體聲場中的聲壓、速度、聲強和被測物體表面的法向速度，實現了噪聲源定位分析。

聲全息測量技術將噪聲測量技術帶入了嶄新發展時代，能夠解決穩態、瞬態及運動聲源輻射聲場空間重構、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範圍，也為減振降噪提供了數據支撐。該技術可廣泛應用於船舶、汽車行業、航天航空等其他各種聲振測量領域。

——聲聚焦技術

聲聚焦技術是一種適用於近場的波束形成技術。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。

波束形成技術適於對多個聲源的快速識別定位，該技術可廣泛應用於船舶、汽車行業、航天航空等其他各種噪聲測量領域。

利用炸藥或非炸藥震源激發地震波，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牀的勘探提供依據。

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。能在頻域或時域內計算振動—聲結果，包括得到聲載荷對結構的影響和結構振動對聲的影響；同時，可以計算任意一點的聲壓、聲輻射功率、聲強、結構對聲場的輻射功率、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。