探测论坛▏从飞机失联事件谈光纤水下声音探测技术
记得前不久的“马航事件”到现在仍成为“疑案”。其搜索区域北到中亚地区，南至南印度洋，东至南中国海，西及安达曼海，最多时有26个国家参与搜寻，无论从搜索区域及规模，均创造国际救援的新纪录，但至今仍未有客机的任何消息。航班失联涉及空中、海面和水下搜寻，搜寻区域往往延伸向更为广阔、也更深的印度洋。而采用更多深海探测与搜寻装备，也是搜索常态。为此，下面就从光纤的工作特质与原理，来探讨一下“光纤水下声音探测技术”。
探测水下世界与“声”同行
人类对于水下探测与搜寻基本靠‘声’。人类的听力系统并非为水中环境而设计，潜入水后“听”到的一切都变得模糊起来，仿佛一切水下的东西都在朦胧的声音中变得缓慢而压抑，而极深的海底则是一片绝对寂静。事实上，声音能以五倍于空气中的速度在水中传播。
一系列高科技产品，比如水下测音器、声呐浮标和拖曳式声波定位器都在对海底进行显微镜式的监察。平时，这些替代了人耳的机器能在海底检测到全球海洋和天气变化，包括地震和别国的海军动向。然而它们还是会受到水中声波的影响，因为声音在水底“不走寻常路”，随时会受到水体密度影响而改变传播方向，有时甚至能作90°转向，“避开”探测仪器，这无疑又为水下探索黑匣子信号增加了难度。飞机黑匣子的信号有非常高的音频，超过人耳可听见的最高音频。这样，黑匣子的信号虽然传不远，但有助于搜救队对它进行精确定位。水下也有噪音污染。不同的声音在水中运动，非常有可能会影响到黑匣子传出的声音信号。
水下测音器、声呐浮标和拖曳式声波定位器等水下声音探测设备基本都是基于水下声纳技术，而水下声纳技术的应用领域就有在水域进行反恐安保。目前水域监控安全措施多数集中覆盖水面以上的区域，而水下区域安保环节薄弱，恐怖势力或敌对方面有可能利用潜艇、水下蛙人、机器人以及小型水下运载器等乘虚而人，对水域设施进行破坏，造成重大财产损失，使人员安全受到威胁。
目前，世界各国进行水下防护与监控的最主要的手段便是运用探测声纳系统。声呐，是一种利用声波在水下的传播特性，通过电声转换和信息处理，完成水下探测和通信任务的电子系统设备。二战时期，德军创造了海战史上著名的“狼群战术”，声呐在德军潜艇发现与摧毁目标过程中发挥了巨大作用。
然而2009年2月，一次不可思议的英法潜艇水下“亲密接触”事件，把“声呐”这个既古老又饱含现代高科技味道的名词呈现在了世人面前。在这次事件中，英国核潜艇“前卫”号与法国核潜艇“凯旋”号在大西洋水下发生了猛烈的相撞事故。外电评论指出，两艘潜艇在大洋水下游弋，就好像在一个巨大的体育馆里让两只小蜜蜂飞来飞去，它们能否相撞，关键还是决定于双方的眼睛和耳朵功能，而声呐系统便是潜艇的眼睛和耳朵，它被誉为水下对抗的杀手锏。是什么问题导致了潜艇的碰撞？声纳系统工作原理又如何？就是下面要谈及的。
声纳系统在水下的工作原理
声呐：声呐是英文缩写SONAR的音译，其英文全称为“Sound Navigation And Ranging”(声音导航与测距)，是一种利用声波在水下的传播特性，通过电声转换和信息处理，完成水下探测和通讯任务的电子设备，有主动式和被动式两种类型。
主动声呐：声呐主动发射声波“照射”目标，而后接收水中目标反射的回波以测定目标的参数。大多数采用脉冲体制，也有采用连续波体制的。它由简单的回声探测仪器演变而来，它主动地发射超声波，然后收测回波进行计算，适用于探测冰山、暗礁、沉船、海深、鱼群、水雷和关闭了发动机的隐蔽的潜艇。
被动声呐：被动接收舰船等水中目标产生的辐射噪声和水声设备发射的信号，以测定目标的方位。它由简单的水听器演变而来，它收听目标发出的噪声，判断出目标的位置和某些特性，特别适用于不能发声暴露自己而又要探测敌舰活动的潜艇。
如果说主动声纳就是嘴和耳朵，从喊出声音到听到回声，判定目标距离位。那么，被动声纳就只有耳朵，听各种声音，只能估算出位置方位。
主动声呐，主动发射超声波，然后收测目标回波进行判断，测试准确度较高，但容易暴露，被发现，不适合用于隐蔽性探测场所。被动声呐，能够隐蔽收听目标发出的噪声，判断出目标的位置和特性，但测试的准备度不高。而应对水下声呐技术，各国也在大力进行反声呐系统的研究与开发。
反声呐系统：可以吸收声呐波，目前大致可以做到吸收96%的总声呐波，只反射回4%，这样对方声呐就很难发现潜艇的存在。而同时，各国潜艇的降噪水平越来越高，反探测能力越来越强。
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。而水下环境的特殊性使得声波成为主要的信息传输工具，同时也对电磁类器件在水下的长期使用提出了诸多限制。传统的压电陶瓷具有噪声大、动态范围小、抗电磁干扰与信号串扰能力差、结构笨重、不适于远距离传输、组网等缺点。
光纤水听器：光纤水听器是建立在光纤、光电子技术基础上的水下声信号传感器，它能将水声信号转换成光信号，再通过光纤传至信号处理系统从而提取声信号信息，具有探测灵敏度高，频响特性好，频带宽，动态范围大，抗电磁干扰、耐静压及抗腐蚀能力强，体积小、重量轻等特点，还有易于全天候实时探测和识别、易于集成化以及网络化等优点。光纤水听器按原理可分为干涉型、强度型、光栅型等。
三种典型的光纤水听器工作原理
干涉型：干涉型光纤水听器是基于光学干涉仪的原理构造的。
上图(a)是基于Michelson光纤干涉仪光纤水听器的原理示意图。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，提供参考相位。两束波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，经过信号处理就可以拾取声波的信息。
上图(b)是基于Mach2Zehnder光纤干涉仪光纤水听器的原理示意图。激光经3dB光纤耦合器分为两路，分别经过传感臂与参考臂，由另一个耦合器合束发生干涉，经光电探测器转换后拾取声信号。
上图(c)是基于Fabry2Perot光纤干涉仪光纤水听器的原理示意图。由两个反射镜或一个光纤布拉格光栅等形式构成一个Fabry2Perot干涉仪，激光经该干涉仪时形成多光束干涉，通过解调干涉的信号得到声信号。
上图(d)是基于Sagnac光纤干涉仪光纤水听器的原理示意图。该型光纤水听器的核心是由一个3×3光纤耦合器构成的Sagnac光纤环，顺时针或逆时针传播的激光经信号臂时对称性被破坏，形成相位差，返回耦合器时干涉，解调干涉信号得到声信号。
基于Sagnac干涉仪光纤水听器的优点：
①光源的相位噪声将不转换为系统的强度噪声，而基于Michelson及MachZehnder干涉仪，其光源相位噪声将转换为系统噪声；②不要求窄带光源，可用宽带超荧光光源代替；③偏振衰落被最小化。但基于Sagnac干涉仪的光纤水听器也有缺点，如低频不敏感，进行多路复用时困难较大。
强度型：强度型光纤水听器基于光纤中传输光强被声波调制的原理，该型光纤水听器研究开发较早，主要调制形式有光纤微弯式、光纤绞合式、受抑全内反射式及光栅式。
微弯光纤水听器是根据光纤微弯损耗导致光功率变化的原理而制成的光纤水听器。其原理如上图所示：两个活塞式构件受声压调制，它们的顶端是一带凹凸条纹的圆盘，受活塞推动而压迫光纤，光纤由于弯曲而损耗变化，这样输出光纤的光强受到调制，转换为电信号即可得到声场的声压信号。
光纤光栅型：光纤光栅水听器是以光栅的谐振耦合波长随外界参量变化而移动为原理。目前光纤光栅水听器一般基于光纤布拉格(Bragg)光栅构造，见上图，当宽带光源(BBS)的输出光波经过一个光纤布拉格光栅(FBG)时，根据模式耦合理论可知，波长满足布拉格条件λB=2 neffΛ的光波将被反射回来，其余波长的光波则透射。（式中λB为FBG的谐振耦合波长，也即中心反射波长，neff为纤芯有效折射率，Λ为光栅栅距。）
当传感光栅周围的应力随水中声压变化时，将导致neff或Λ的变化，从而产生传感光栅相应的中心反射波长偏移，偏移量由ΔλB=2ΔneffΛ+2neffΔΛ确定，这样就实现了水声声压对反射信号光的波长调制。所以，通过实时检测中心反射波长偏移情况，再根据Δneff、ΔΛ与声压之间的线性关系，即可获得声压变化的信息。
光纤水听器对水下安防的意义
美国海军研究实验室于1976年发表了第一篇有关光纤水听器的论文，这是首次对光纤水听器进行探索性的研究。至今，美国在光纤水听器研究方面已经达到了较高的水平。由于光纤水听器几何形状的适应性，不仅可制成很长的线性传感器，而且还可制成均匀紧贴舰体的共形传感器。光纤水听器的研究虽然取得了相当大的进步，但距离实现工程化、装备化还有一定差距。由于水下声场的复杂性，光纤水听器在军事中主要是以阵列的形式应用，低成本实现分布式阵列是光纤水听器在实战中得以应用的关键。
光纤语音阵列是一种建立在光纤、光电子技术基础上的水下三维声场信号传感器。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。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。
自上世纪80年代中期以来，各国对光纤水听器技术研究的重点集中在如何利用光纤传输损耗低、传输带宽大的特点，并结合集成光电子器件的最新进展，实现对光源、光纤以及光电探测器的多路复用，用较少的组件形成分布式光纤水听器阵列。这样既降低了系统成本，又降低了维护的复杂程度。而且通过对阵列信号的处理可以极大地提高整个多路复用系统的探测性能，获取更多有关水下目标的信息。
我国在“七五”计划期间开始了光纤水听器研究，并在“八五”、“九五”计划期间列入研究计划，从实验室原理性研究到现场水域试验，也取得一定的进展。光纤水听器研究在“十五”计划期间继续在国内多个单位开展，并在关键性技术上取得了突破性进展。但是我国光纤水听器的研究大多还处于理论和实验室的层次，实用化、工程化的应用程度还不高。随着现代战争环境的日趋复杂化，需要更先进有效的武器装备运用到军事中去。而光纤水听器作为一种重要装备，也需要加快研究的前进步伐，借鉴国外先进技术。
■文/黄丽云，文章来源于CPS中安网，标题作了修改，用于学习与交流，版权归作者所有。