光纤矢量水听器研究进展

光纤矢量水听器研究进展+倪明*张振宇孟洲胡永明(国防科技大学光电科学与工程学院长沙410073)摘要：阐述了光纤矢量水听器拾取声波振速信号的基本原理。介绍了国内外矢量水听器研究现状与发展趋势，国防科大研制的同振球型光纤矢量水听器探头尺寸为①110mm,工作带宽20〜2000Hz，加速度灵敏度大于35dB(ref1rad/g)，指向性呈现"8”字自然指向性，工作水深大于500m。海上初步实验结果表明，光纤矢量水听器可有效拾取水声信号，实现对目标的定向处理。最后展望了光纤矢量水听器可应用的领域。关键词：光纤矢量水听器矢量水听器目前水声探测所用的水听器一般都是声压水听器，它只能得到声场的声压标量。光纤矢量水听器(fiberopticvectorhydrophone,FOVH)是一种新型水声探测器，它在一个点上的测量信号中就已包含了声场的标量信息和三维矢量信息，通过这些信息的互相关处理，能极大地抑制干扰，提高信噪比。传感单元具有指向性，抑制环境噪声4.8〜6.0dB，这样在相同阵增益的情况下可大大减小阵列的孔径。单个传感器具有指向性，可有效解决声压水听器阵列的左右弦模糊问题。光纤矢量水听器是一种建立在光纤、光电子技术基础上的水下三维声场信号传感器［1］。它通过高灵敏度的光学相干检测，将声波振速信号转换为光信号，并通过光纤传至信号处理系统提取声波信息。相对于传统压电矢量水听器，干涉型光纤矢量水听器灵敏度高、信号经光纤传输损耗小、免电磁干扰、无串扰、能在恶劣的环境中实现长期稳定工作，系统具有光纤网络的特点，可大规模组阵实现水下大范围声学监测。基本原理干涉型光纤矢量水听器基于光纤干涉仪原理构造，拾取声信号的原理基于声压对干涉仪两臂的调制，全光光纤矢量水听器系统则是湿端基于光纤矢量水听器探测单元，信号传输采用光缆传输，以湿端无任何电子器件为特性的先进水下声测量系统。1.1光纤干涉仪原理图1是Michelson光纤干涉仪基本结构图。由激光器发出的激光经3dB光纤耦合器分为两路，一路构成光纤干涉仪的传感臂，接受声波的调制，另一路则构成参考臂，两臂的光信号经后端反射膜反射后返回光纤耦合器，发生干涉，干涉的光信号经光电探测器转换为电信号由信号处理就可以拾取声波的信息。+国家863计划资助(2006AA09Z121)*通讯作者。图1Michelson光纤干涉仪基本结构Fig.1StructureoffiberMichelsoninterferometer干涉后的光信号经光电转换后可以写成：VX1+Vcos(©+0+0)+V(I)0sn0n其中，V是输出的电压信号，V是干涉仪的可视度，V是电路附加噪声，0为由水中声0ns压引起的相差信号，即为要探测的水声信号，0为干涉仪的初始相位，是个常量，0为位相0n差的低频漂移，是一个不确定量，随温度和外界环境影响而变化。1.2单元构成原理光纤矢量水听器有几种传感类型，我们采用的结构是加速度传感类型。水中声场矢量包括梯度、振速和加速度等，对于加速度型光纤矢量水听器，声压灵敏度在工作频段内应随频率变大而线性增加，同时指向性应具有余弦特性。我们研究的光纤矢量水听器主要是干涉型同振矢量水听器［2］，其光学结构是一个干涉型光纤加速度传感器，结构图2所示：图2一维光纤加速度传感器结构图图3三维光纤矢量水听器结构图Fig.2StructureofonedimensionfiberaccelerometerFig.3StructureofthreedimensionFOVH其基本工作原理是：两个弹性体A、B支撑一质量块M,光纤干涉仪的两臂绕在弹性体上，在声场加速度作用下，质量块对弹性柱体施加以惯性作用力，弹性柱体的轴向形变引起径向形变，引起缠绕在弹性柱体上的光纤长度发生变化，进而在光纤干涉仪上产生相位差变化。在实际应用中，一般将三个光纤加速度计做成一整体，如图3所示，以减小体积和交叉串扰。对于加速度型光纤矢量水听器，其灵敏度由加速度相位灵敏度度量。加速度相位灵敏度定义为由矢量水听器作加速运动引起干涉仪两臂的相位差A0与水听器运动的加速度变化量a的比值。TOC\o"1-5"\h\zM二A0fa(rad/g)(2)a进一步，利用声场关系可得光纤矢量水听器的声压灵敏度为：M=*M(rad/Pa)(3)pp0coa其中，®是信号角频率，P是海水的密度，c是海水声速。00国内外研究现状与趋势声矢量传感技术是在最近十年间备受水声界关注的研究焦点之一［3］。从上世纪五十年代中期美国学者发表的有关使用惯性传感器直接测量水中质点振速的经典论文以来，到在上世纪七八十年代前苏联的学者利用其研制成功的声矢量传感器(复合水听器)开展海洋环境噪声研究，直至上世纪九十年代声矢量传感器技术研究热潮才逐渐兴起。1989年俄国学者出版了世界上第一部有关声矢量传感技术的专著“声学矢量-相位方法”，较全面的论述了声矢量传感器技术的原理和应用。2003年出版的“海洋矢量声学”发展了海洋环境噪声的声压标量场特性的研究，提出了基于声矢量传感器的海上实验、数据处理以及理论分析等一整套方法。目前，美国和俄罗斯在矢量水听器研制应用方面处于领先地位。上世纪70年代，美国就矢量水听器成功应用于远程浮标声纳AN/SSQ-53系统和DIFAR定向浮标中，在战略拖曳阵中SURTASS中也采用了矢量水听器。目前美国的研究主要集中在新型矢量传感器、矢量舷侧阵声纳、矢量舰壳声纳以及矢量水雷声引信方面，并且还在探索矢量水听器在拖曳线列声纳中的应用，甚至开发了矢量信号处理专用的DSP模块。前苏联在上世纪80年代也开始研制拖曳矢量线列阵声纳，先后有BrAll-9-17/5、BrA10-4、BrA5-3/2>BrA24-9-6/4等型号的矢量线列阵。当前俄罗斯的矢量水听器还在海岸预警声纳、海洋环境噪声测量和水雷引信等方面得到应用。在我国，压电矢量水听器的研究也有多年历史，开展这方面工作较多的主要有哈尔滨工程大学、西北工业大学、中船重工715所和中科院声学所。国内的相关工作可追溯到上世纪九十年代初有关声压梯度水听器和双水听器声强测量等研究工作，但真正较深入开始研究的时间在1998年以后。1998年松花湖实验和2000年大连海试是国内最早的两次关于声矢量传感器技术的外场实验，随后的2002年密云水库实验和2003年东海、南海声矢量传感器线阵实验。多年前，我国还通过对俄引进，全面展开压电矢量水听器的工程应用研究。相对于传统压电矢量水听器，干涉型光纤矢量水听器灵敏度高，信号经光纤传输损耗小(0.2dB/km),无串扰，能在恶劣的水下、地下环境中实现长期、稳定工作。还有很重要的一点是，结合现有的光纤通讯技术，光纤矢量水听器可以方便地组建拖曳阵、舷侧阵、岸基阵等各种水下全光阵列和大范围光纤传感网。光纤矢量水听器的这些优良特性为解决浅海低频的水声研究和应用的许多问题提供了理想的技术途径。2003年7月国防科大研制的光纤矢量水听器，在中船重工715所水声一级计量站进行了灵敏度及指向性测试，测试声压灵敏度达到-140dB,指向性为“8”字指向性，串扰小于-20dB。2003年8月国防科大研制的四分量光纤矢量水听器在青岛外海域进行了海上试验，并成功实现了矢量三维定向和匹配场三维定位。国防科大研究进展3.1一维光纤矢量水听器制作与测试基于弹性力学及声光相互作用原理对光纤矢量水听器建立理论模型，采用有限元分析方法，运用ANSYS软件设计仿真平台，进行大量理论仿真计算，在此基础上完成光学及机械结构设计，选择增敏及封装材料，我们制作了一个一维光纤矢量水听器探头，如图4所示。依据加速度灵敏度测试标准，对其加速度灵敏度及频响特性测试是通过在振动台上与标准加速度计的对比测试来实现的，如图5所示。

Fig.5Sketchofaccelerationsensitivitymeasurementsystem一维光纤矢量水听器加速度灵敏度及指向性测试结果如图6、图7所示，在工作带宽20〜Fig.4PhotoofonedimensionFOVH2000Hz范围内，加速度灵敏度大于35dB(0dB=lrad/g),Fig.5Sketchofaccelerationsensitivitymeasurementsystem一维光纤矢量水听器加速度灵敏度及指向性测试结果如图6、图7所示，在工作带宽20〜Fig.4PhotoofonedimensionFOVH2000Hz范围内，加速度灵敏度大于35dB(0dB=lrad/g),指向性基本呈现其“8”字自然指向性。图7指向性测试结果Fig.7Resultofdirectionalresponse3.2三维光纤矢量水听器设计与制作三维光纤矢量水听器光学系统设计如图8所示，光学系统采用光纤Michelson非平衡干涉仪。从激光器发出的调频光经耦合器C1〜C3分束进入三维矢量传感器，传感器中三个方向自成独立的光纤Michelson非平衡干涉仪，构成三维芯轴型推挽式结构。干涉仪的干涉信号经探测器D1〜D3进行检测。图8光纤矢量水听器光学系统结构Fig.8SketchofopticalsystemofFOVH我们在一维光纤矢量水听器制作及测试的基础上，完成了三维光纤矢量水听器的制作，如图9左图所示，封装前的三维光纤矢量水听器并不能用于水声探测，必须根据水声场检测的特殊要求进行封装。我们参考压电矢量水听器的外形设计，将整个结构的外壳设计为球形以减小流噪声，球内设置与球尺寸匹配的铝质框架用于固定三维的各个轴向，如图9右图所示。我们制作的光纤矢量水听器属于同振球型，有效拾取声波振速信号矢量球密度需等于海水的密度，我们通过球体配重来实现的。为实现振速、声压联合处理，球体两端装配了两个标量水听器，一般称为四分量水声传感器。

图9三维矢量光纤传感头封装实物图。左图为封装前，右图为封装后。Fig.9PhotoofoneFOVH.Beforepackaged(left),Afterpackaged(right).3.3主要技术指标对三维光纤矢量水听器样机的加速度灵敏度、频响特性、指向性和系统噪声进行了测试其主要技术指标如下：1)工作频带：20Hz〜2kHz；2)加速度灵敏度：235dB(0dB=1rad/g)；3)水听器尺寸：W①110mm；4)灵敏度一致性：±2dB；5)动态范围：三100dB；6)正交串扰：<—20dB；7)方向性起伏：<±1.5dB；8)方向精度：优于50(信噪比>3dB)；9)工作温度：—5°C〜40°C；10)工作水深：500m。3.4海上试验实际应用中光纤矢量水听器实现定向功能尚需要知道传感器的姿态等数据，如图10实际应用中光纤矢量水听器实现定向功能尚需要知道传感器的姿态等数据，如图10所示我们研制了一套多参量光纤矢量水听器系统，其不仅包括四分量光纤矢量水听器，还装配一套电子罗盘测量水平与俯仰姿态，而加装的温度与压力传感器则用于测量实验情况下的水文参数。iittil'.iJi.-irfensoi'图10三维矢量光纤传感及海洋环境传感系统Fig.10PhotoofFOVHandotherparametersofmarineenvironment

我们于2008年4月在南海进行了光纤矢量水听器的相关海上试验，图12左是采集的脉冲信号波形及其功率谱(X轴因传输光纤损坏无信号)，经姿态修正后测向处理结果如图12右所示，较好实现对目标的测向。

图11光纤矢量水听器南海海上试验现场Fig.12TestresultsofFOVHonsea.Waveformanditspowerspectrum(left)anddirectionfinding(right).应用前景光纤矢量水听器适用于单点测量获取海洋水下声学三维矢量信息和一维声压信息，为解决浅海低频的水声研究和应用的许多问题提供了理想的技术途径，从而在以下一些重要的领域展示了广阔的应用前景：(1)岸基固定海域水下声场探测；(2)潜艇或水面舰艇拖曳阵列；(3)机动阵列、声纳浮标、潜标等；(4)UUV、鱼雷、自主攻击水雷等小平台为载体的水声探测；(5)石油、天然气勘探中的地震波检测。参考文献：熊水东.光纤矢量水听器研究[D].长沙：国防科大博士学位论文，2003年.贾志富.三维同振球型矢量水听器的特性及其结构设计[J].应用声学,2001,Vol.20(4):15-20.⑶孙贵青，李启虎.声矢量传感器研究进展[J].声学学报，2004,Vol.29(6):481〜490.DevelopmentoffiberopticvectorHydrophoneNiMing,ZhangZhenyu,MengZhou,HuYongming(CollegeofPhoto-electricScienceandEngineering,NationalUniversityofDefenseTe