潮科技 | 光纤激光水听器研究进展

原标题：潮科技 | 光纤激光水听器研究进展

编者按：本文是36氪“边界计划”的转载内容，来自微信公众号“MEMS”（ID：MEMSensor）；36氪经授权转载。

一、引言

声波是人类已知的唯一能在海水中远距离传输的能量形式。水听器(Hydrophone)是利用在海洋中传播的声波作为信息载体对水下目标进行探测以及实现水下导航、测量和通信的一类传感器。由于水下军事防务上的要求和人类开发利用海洋资源的迫切需要，水听器技术得到空前的发展。传统的水听器包括电动式、电容式、压电式、驻极体式，等等。

20世纪70年代以来，伴随着光导纤维及光纤通信技术的发展，光纤水听器逐渐成为新一代的水声探测传感器。与传统水听器相比，其最大优点是对电磁干扰的天然免疫能力。此外，光纤水听器还具有噪声水平低、动态范围大、水下无电、稳定性和可靠性高、易于组成大规模阵列等优点。现有的光纤水听器包括光强度型、干涉型、偏振型、光栅型等。其中，光纤激光水听器(FLH)就是一种光栅型水听器，但由于它的传感元件光纤激光器(又称有源光纤光栅)相比于无源光纤光栅具有高功率和极窄线宽的特点，配合上基于光纤干涉技术的解调方法，它的微弱信号探测能力相比于普通的无源光纤光栅水听器可以提高几个数量级。

压电式水听器和干涉式光纤水听器是目前应用最广泛的水声探测器件。与干涉式光纤水听器相比，压电式水听器技术更加成熟，结构和制作工艺更简单，大规模生产时一致性可以得到相对较好的控制。但是，防漏电、耐高温、长距离传输、动态范围大则是光纤水听器最大的优势。尤其在一些特殊领域(例如高温高压的深井油气勘探领域)有着比压电水听器更为广阔的应用前景。与干涉式光纤水听器相比，光纤激光水听器的最大优势在于易复用，即“串联即成阵”。同时，受弯曲半径影响，干涉式光纤水听器的体积较大，水听器直径通常大于 1cm。而由于光纤激光型水听器结构简单，传感单元仅为一根光纤的尺寸，光纤激光水听器外径可细至 4～6mm。当然，受光纤激光器本身弦振动及系统1/f噪声影响，加速度响应较大、低频段噪声相对较高是目前光纤激光型水听器存在的主要问题之一，有待进一步摸索和改进。

二、光纤激光水听器基本原理

⒈ 光纤激光器及光纤激光水听器原理

图1 光纤激光器制备原理图

分布式反馈(DFB)光纤激光器是通过在有源光纤上刻写π相移光栅进而形成的，其常见制作原理如图1所示。采用高压载氢方法进行有源光纤的增敏，利用248nm的准分子激光器配合相位掩模版采用遮挡法进行光纤激光器的制作。通过耦合模理论和仿真分析可以得到光纤激光器的π相移区、有源区介质参数、激光器温度分布对光纤激光器噪声特性的影响。激光的制作工艺参数主要包括准分子激光器的光强、曝光时间、写入栅区的长度、有源区掺杂浓度、耦合系数等。激光器实物如图2所示。

图2 光纤激光器实物图

通过工艺参数的控制，光纤激光器的线宽可以控制在10kHz以内。图3为通过外差法测试激光器的线宽，约为3kHz。

图3 光纤激光器线宽测试结果

每一根制作好的光纤激光器都具有特定的输出中心波长。输出中心波长会因光纤激光器受到的外界作用而发生变化，例如温度、应力、压力等。当声压作用在光纤激光器上时会引起光纤径向及轴向应力，从而导致输出中心波长的变化，通过检测中心波长的变化可以还原水声信号，这就是光纤激光水听器的原理。早期的光纤激光水听器就是直接利用裸露的光纤激光器感受水声压，后来经过不断发展，灵敏度和频响特性逐渐优化，光纤激光水听器走向实用。

⒉ 光纤激光水听器系统

一个完整的光纤激光水听器系统除了包括置于水环境中的光纤激光传感器探头，还包括船载或放在岸上的光纤激光解调设备，通常被分别称为“湿端”和“干端”，二者之间通过光缆连接。在湿端部分，由于光纤激光器具有波长编码特性，不同中心波长的光纤激光器可以被封装成不同的水听器单元，然后串联形成水听器阵列。这样，就可以仅通过一根光纤同时传输若干光纤水听器采集到的水声信息。在干端部分，泵浦源模块为光纤激光器串提供泵浦光，反射回来的光信号先经过非平衡光纤干涉仪进行干涉，经过密集型波分解复用器将不同波长的光信号分开进入光电探测器阵列，通过模数转换及特定的解调算法，承载在光信号中的水声信息就被还原出来了。一个典型的基于相位产生载波(PGC)技术的光纤水听器系统如图4所示。

图4 光纤激光水听器系统

三、国内外研究进展与趋势

湿端部分的水听器探头作为系统的最前端，其灵敏度、频率响应、稳定性、抗加速度性能等决定了系统能否在复杂的水下环境中探测到有效的水声信号。水听器的设计及制造水平，对光纤激光水听器技术最终能否实用化至关重要。许多国家的研究人员都对其进行了深入研究。

国外主要的光纤激光水听器研究单位包括美国海军实验室(NRL)、英国防卫研究局(DERA)、瑞典国防科研机构(FOI)、澳大利亚国防科技组织(DSTO)等，部分研究成果已经成品化，在军事、海洋勘探等领域得到应用。

早在1992年，美国海军实验室Kersey等利用臂长差很短的低相干马赫-曾德干涉仪解调FBG，这种波长-相位转换的方法为高分辨率的光纤激光解调提供了可行的技术途径。1993年，他们使用该方法对窄线宽的光纤激光器进行解调，获得了高达7×10－8Pm/√Hz@7kHz的波长分辨率。此后，他们研究用于应变传感器的4元光纤激光传感器，为光纤激光水听器的发展提供重要参考。

1999年，英国国防研究局的Hill等将光纤激光器用作水听器，并分别采用了裸的光纤激光器和弹性材料涂敷的光纤激光器进行水声信号检测。涂敷材料长度为200mm，直径为5mm。虽然在该次实验中，涂敷的光纤激光器灵敏度相比裸的光纤激光器没有显著提高，但是频率响应更加平坦。2005年，在第17届光纤传感会议上，Hill等报道了4元光纤激光水听器阵列的海试。

（编辑：核心网）

【声明】本站内容均来自网络，其相关言论仅代表作者个人观点，不代表本站立场。若无意侵犯到您的权利，请及时与联系站长删除相关内容!