光纤水听器

干涉型光纤水听器技术最为成熟，其基本原理：由激光器发出的激光经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，不接受声波的调制，或者接受声波调制与传感臂的调制相反，接受声波调制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，由信号处理就可以获取声波的信息。

光纤水听器主要用于海洋声学环境中的声传播、噪声、混响、海底声学特性、目标声学特性等的探测，是现代海军反潜作战、水下兵器试验、海洋石油勘探和海洋地质调查的先进探测手段。

海洋资源勘探

——探索海洋资源，得到分布信息；

海底地质勘察

——采集地震信号，推测海底地质；

海底观测网

——水下实时、长期、全天候观测

海洋国土安全

——反恐、反潜，水下安防

1、灵敏度高，频响特性好;

2、动态范围大;

3、抗电磁干扰与信号串扰能力强;

4、适于远距离传输与组阵;

5、信号传感与传输一体化,提高系统可靠性;

6、工程应用条件降低.

光纤水听器阵列探测技术

较传统水听器相比，光纤水听器具有灵敏度高，可以探测微弱信号;抗电磁干扰和信号串扰能力强，可以远距离传输;体积小，易于布放实施，且收放容易，高可靠性，并且大规模组网。光纤水听器技术也将掀起传感器改革的新篇章，为传统的测量手段带来新风向，光纤水听器阵列对空间信号进行测量，通过对每个固定位置上的水听器测量的声信号进行信号处理，确定声源位置，实现水下探测，水下目标侦测，水下/水面目标辐射噪声测量，并应用与水下安防，地震预测，海洋石油和天然气勘探等领域，是具有自主知识产权的水下探测技术，为港口防护、水声情报搜集以及目标探测提供技术支撑。

在大规模光纤水听器阵列组装过程中，面临的最大困难是当系统中存在数以千计的大量器件时，很难保证系统的光学均衡。光学系统的失衡，将影响系统的探测性能，对平衡要求提高，将大幅度增加系统的制造成本和制造难度，而神州普惠已经发展了基于动态匹配的大容差光学均衡阵列设计与组装创新技术来解决这一问题。

光纤水听器阵列数据采集与信号处理技术

在多基元的大规模光纤水听器阵列水声探测中，涉及到多通路的光信号探测和复杂的信号处理。在这方面神州普惠具有基于统一时钟和分布时差修正的高精度大容量同步信号采集控制技术、基于复合结构FPGA和多核DSP的大容量数据连续采集与并行帧结构信号处理数据交换技术、嵌入式自适应参数设定大容量光电相干信号处理技术等大规模光纤水听器阵列探测专有技术。

通过数据采集和信号处理，可以获得各个光纤水听器探测基元的数字声信号，对这些信号必须通过专门的数据库管理和通过不同的接口传输才能提供给用户使用。

声全息测量技术

声全息测量是大规模光纤水听器阵列探测的重要应用之一，它集合了非共形声全息、局部声全息、运动声全息、半空间声全息、矢量阵声全息以及声强测量，解决稳态、瞬态及运动声源辐射声场空间重构、噪声源识别与精确定位，这些技术不仅提高了噪声源识别定位精度和工作频带范围，还将全息测量技术带入崭新发展时代。采用的分析算法将科研成果成功引入工程实践中，建立了在有限测点和传感器精度条件下，在被测物近场区域测量声压或部分声压，重构复杂结构体声场中的声压、速度、声强和被测物体表面的发向速度，并实现噪声源定位。为声振测量奠定技术基础，可广泛应用于船舶、汽车行业、航天航空、其他各种声振测量领域。

声聚焦技术

新型噪声源识别定位测试分析系统，解决稳态、瞬态及运动声源，远距离快速识别定位。携带方便，适应于狭窄空间测量，且定位精度高。为声源识别定位提供技术支持，实现噪声源测量分析。

声场预报技术

声场预报能预测声波的辐射、散射以及声载荷引起的声学响应。能在频域或时域内计算振动—声结果，包括得到声载荷对结构的影响和结构振动对声的影响;同时，可以计算任意一点的声压、声辐射功率、声强、结构对声场的辐射功率、声能密度等，为水下声隐身提供性能评估，增加水下目标的声学安全半径。

声学仿真平台技术

大型的水声探测系统开发有较大的难度，这种开发需要声学仿真平台的支持。国内有企业研发出了声学仿真平台，提供基于软件仿真的系统级振动噪声解决方案，实现对整个复杂系统及系统内关键零件结构进行工程分析;辐射噪声分析;识别振动噪声问题及其产生的根本原因，并能够快速地评价，为后期结构优化设计提供前提保障。

光纤水听器根据工作原理细分，包括强度型、干涉型和光纤光栅型光纤水听器。其中强度型和光纤光栅型光纤水听器不适合成阵。

干涉型光纤水听器技术最为成熟，且适于大规模组阵。其基本原理：由激光器发出的激光经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，不接受声波的调制，或者接受声波调制与传感臂的调制相反，接受声波调制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，由信号处理就可以获取声波的信息。

光纤水听器及其阵列的研究和发展始于20世纪70年代末。至少有美、英、法、意、韩、日等多个国家致力于这方面的研究，近年来它已受到各国军方的高度重视。

光纤水听器及其阵列已成为被动声纳水下部分的发展方向，是海洋探测、监听微弱声场信号最有发展潜力的装备，其中最有代表性的是美国的工作：

1976年，美国海军研究实验室Bucaro等人发表了第一篇有关光纤水听器的论文，演示了一套基于光纤技术的水声传感系统，这是首次对光纤水听器进行探索性的研究。

20世纪80年代，美国海军实验室组织了多次光纤拖曳阵列海上试验，并取得很大成功。

自21世纪起，全光光纤水听器系统开始应用于海洋、陆地石油、天然气勘探，全光水听器阵列声纳也开始陆续安装于军事装备上。

我国光纤水听器的研究工作始于20世纪80年代，在国内技术人员的共同努力下取得了巨大的进展：

2002年8月，进行了中国首次光纤水听器阵列的海上试验。

2012年，建成了岸基光纤列阵水声综合探测系统。

2014年，建成了中国首个水下监视系统和海底观测系统。

在2014年第九届国防电子展上，展出了国产光纤水听器和光纤水听器阵列的实物。

光纤水听器技术已掀起传感器改革的新篇章，为传统的测量手段带来了新风向。

1、光纤水听器阵列数据采集与信号处理技术

在多基元的大规模光纤水听器阵列水声探测中，涉及到多通路的光信号探测和复杂的信号处理技术，包括基于统一时钟和分布时差修正的高精度大容量同步信号采集控制技术、基于复合结构FPGA和多核DSP的大容量数据连续采集与并行帧结构信号处理数据交换技术、嵌入式自适应参数设定大容量光电相干信号处理技术等。

通过数据采集和信号处理，可以获得各个光纤水听器探测基元的数字声信号，这些信号可通过专业的大数据管理系统和各类数据传输接口提供给用户使用。

2、光纤水听器阵列探测技术

光纤水听器阵列探测技术主要以阵列波束形成技术为基础，获得抗噪声抗干扰的空间增益，从而提高系统输出信噪比，为宽带目标噪声的检测与测量提供更高的阵增益，实现对声源级较低的目标的测向、跟踪和识别。

波束形成技术将一个多元阵经过适当处理使其对某些空间方向的声波具有所需响应的方法，常用的波束形成方法包括时域波束形成、频域波束形成、MVDR等。

3、光纤水听器阵列测噪技术

——声全息测量技术

声全息测量技术集合了非共形声全息、局部声全息、运动声全息、半空间声全息、矢量阵声全息以及声强测量技术，通过光纤水听器阵列获取被测物近场区域的声压或局部声压，重构复杂结构体声场中的声压、速度、声强和被测物体表面的法向速度，实现了噪声源定位分析。

声全息测量技术将噪声测量技术带入了崭新发展时代，能够解决稳态、瞬态及运动声源辐射声场空间重构、噪声源识别与定位问题，提高了噪声源识别定位精度和工作频带范围，也为减振降噪提供了数据支撑。该技术可广泛应用于船舶、汽车行业、航天航空等其他各种声振测量领域。

——声聚焦技术

声聚焦技术是一种适用于近场的波束形成技术。在近场条件下，目标声波近似为球面波扩展，对各阵元接收到的信号进行球面波聚焦时延补偿，从而使在某一期望方向上到达基阵的信号在求和之前是同相的，进而获得该方向的最大输出。

波束形成技术适于对多个声源的快速识别定位，该技术可广泛应用于船舶、汽车行业、航天航空等其他各种噪声测量领域。

4、海洋地震勘探技术

利用炸药或非炸药震源激发地震波，应用光纤传感器阵列实时观测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，来研究海洋底部的构造活动、地壳厚度和低速层的展布，为石油、天然气及一些海底沉积矿床的勘探提供依据。

5、声场预报技术

声场预报能预测声波的辐射、散射以及声载荷引起的声学响应。能在频域或时域内计算振动—声结果，包括得到声载荷对结构的影响和结构振动对声的影响；同时，可以计算任意一点的声压、声辐射功率、声强、结构对声场的辐射功率、声能密度等，为水下声隐身提供性能评估，增加水下目标的声学安全半径。2100433B