一、引言
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PE5jy 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。
Ip1QVND 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。
hfVzzVX: dA3`b*nC 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。
L>|A6S#y8/ ZVCv(J 二、光纤激光水听器基本原理
|qFN~ ! ]kU~#WT ⒈ 光纤激光器及光纤激光水听器原理
^^W`Lh%9 hNgcE,67q zXA= se0U 图1.光纤激光器制备原理图
2l;ge>DJ QZeb+r 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。
IWSEssP &AkzSgP 5wVi{P5+ 图2.光纤激光器实物图
#oS `K ~>!d_ 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。
cfF-e93T J@&$U7t e3bAT.P 图3 光纤激光器线宽测试结果
s`dkEaS B@:XC&R^ 每一根制作好的光纤激光器都具有特定的输出中心
波长。输出中心波长会因光纤激光器受到的外界作用而发生变化,例如温度、应力、压力等。当声压作用在光纤激光器上时会引起光纤径向及轴向应力,从而导致输出中心波长的变化,通过检测中心波长的变化可以还原水声信号,这就是光纤激光水听器的原理。早期的光纤激光水听器就是直接利用裸露的光纤激光器感受水声压,后来经过不断发展,灵敏度和频响特性逐渐
优化,光纤激光水听器走向实用。
)Q N=>J G/^5P5y%@ ⒉ 光纤激光水听器
系统 <{P^W;N7
Q}`2Y^. 一个完整的光纤激光水听器系统除了包括置于水环境中的光纤激光传感器探头,还包括船载或放在岸上的光纤激光解调设备,通常被分别称为“湿端”和“干端”,二者之间通过光缆连接。在湿端部分,由于光纤激光器具有波长编码特性,不同中心波长的光纤激光器可以被封装成不同的水听器单元,然后串联形成水听器阵列。这样,就可以仅通过一根光纤同时传输若干光纤水听器采集到的水声信息。在干端部分,泵浦源模块为光纤激光器串提供泵浦光,反射回来的光信号先经过非平衡光纤干涉仪进行干涉,经过密集型波分解复用器将不同波长的光信号分开进入光电探测器阵列,通过模数转换及特定的解调算法,承载在光信号中的水声信息就被还原出来了。一个典型的基于相位产生载波(PGC)技术的光纤水听器系统如图4所示。
Amq8q x<j($iv !3gpiQH{ ;U5x'}%0] 图4 光纤激光水听器系统
c"_H%x<[ FkkZyCqZ` 三、国内外研究进展与趋势
KfN`ZZ< R&d_WB4w 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。
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_J9 _*-'yu8# 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。
s`{#[&[ L< nkI 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。
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[[Se {e!uvz,e 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。
D=Yag!1 Toa#>Z*+Rb 自2000年起,瑞典国防科研机构开展了一系列关于光纤激光水听器的研究,目的在于开发一种便于布放的轻型拖曳声纳。为了增加光纤激光水听器的灵敏度,以达到与海洋噪声相当的探测水平,FOI设计了一种活塞结构的光纤激光水听器,它的应变/压力灵敏度可以达到1.17×10-81/Pa,共振频率高于3kHz。2005年,FOI在Bjurshagen开展了基于4波长 DFB光纤激光水听器的海上拖曳实验,并对阵列的流噪声特性进行了测试。
DdA}A>47 ;gw!;!T 2002年,澳大利亚国防科技组织(DSTO)与泰雷斯水下系统(Thales Underwater System)公司达成协议,合作深入开发光纤水听器技术,以将该技术用于防卫及商用系统。2005年,DSTO的Fostor等提出了一种机械支撑的光纤激光水听器结构。随后为了进一步适应水下工作环境的静压强,Goodman等对该结构进行了改进,通过引入弹性气囊来实现静压平衡。2009年报道了四基元光纤水听器海试情况,水听器尺寸为8mm×73mm,装配后为13mm×190mm,用臂差为30m的干涉仪解调得到声压灵敏度为-140dB re 1pm/μPa。该水听器系统的噪声水平与零级海况相当,工作深度大于30m,可以成功探测到目标航迹。2010年,泰雷斯Bedwell等对光纤激光水听器的透射谱、噪声压、声压灵敏度频响特性、温度特性等进行了细致地研究,传感器一致性是走向应用化的必要途径,同时报道了以8元光纤激光水听器为基的拖曳阵列。
LKwUpu! rSFXchD/ 澳大利亚新南威尔士大学在光纤激光水听器方面也进行了较多的研究工作。2010年,Asrul等报道了增敏的复合腔光纤激光水听器(CCFL),利用了CCFL固有的非线性相位条件实现增敏。它由3个FBG串联构成两个不同长度的腔,一个腔产生响应,就能实现增敏。理论估计,其增敏效果与普通的相比提升40dB。实验验证,与普通的相比提升了14dB。
_S7M5{U_ ;Bc<u[G 在干端的解调技术方面,为了实现高精度的水声探测,一般采用基于光纤干涉仪的方法。这样,对于光纤激光水听器的解调,基本上完全可以采用干涉式水听器的解调技术。所不同的是,对于光纤激光水听器,激光器(
光源)在湿端,而光纤干涉仪在干端;而干涉式光纤水听器恰好相反。基于干涉仪的解调方法主要有相位跟踪法、外差法、相位产生载波法、基于3×3耦合器的解调方法等,波长分辨率可高达10-7。
sfBjA E6d8z=X( 在我国,光纤激光水听器技术主要集中在2000年以后,典型的研制单位包括中国科学院
半导体研究所、国防科学技术大学、海军工程大学、山东省科学院激光研究所等,山东大学、浙江大学、暨南大学等也开展了相关的基础研究工作。现阶段我国大多数研制单位在探头技术及复用技术的基础研究中倾注更多精力。
R,b O{2O RHA>fXp 2009年,国防科技大学马丽娜等报道了平坦频响和高声压灵敏度的DFB光纤激光水听器结构。其方案是在裸光纤激光器外套金属壳和聚合物层,用来感受声压,两端固定在毛细管上。它的声压灵敏度高达102.77dB re 1Hz/Pa,2.5 kHz内频响平坦,起伏少于1.5dB。海军工程大学谭波等报道了分布反馈光纤激光水听器封装结构的设计。针对水声探测时频响曲线起伏较大的问题,设计了一种开孔套管式封装结构、夹层式水听器结构等。通过对DFB 激光器的封装,使其张紧后被聚氨酯固定于开孔套筒的中心轴线上,利用开孔套管的保护作用以及施加于光纤激光器两端的拉力来抑制水声探测过程中频响曲线的起伏。试验结果显示,光纤激光水听器在20~800Hz的声压灵敏度达到-140dB re 1pm/μPa左右,灵敏度起伏不高于±1.5dB。
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BpgMi( &?ed.V@E5 2012年,山东省科学院Sun等对光纤激光器进行封装,并研制了基于波分复用的4元 DFB光纤激光水听器阵列。此阵列平坦的声压响应为115±3dB re 1Hz/Pa,频率范围20Hz~20kHz。
!n?*vN=S 5 <>agK] 综上所述,光纤激光水听器技术经过二十年的发展,逐渐走向成熟,从实验室基础研究逐渐扩展为应用研究,并且开展了有针对性的水下应用试验。一方面,我们看到了光纤激光水听器有着独特的优势,相关的应用研究必然会得到更广泛的关注,有着广阔的应用前景。另一方面,随着研究的深入,更多的问题接踵而至,如系统的稳定性、大规模复用、抗环境干扰等,成为目前亟待解决的问题。总体上讲,我国的光纤激光水听器技术发展水平与国际知名的团队相比,尚有五至十年的差距,开展好实用化研究是当务之急。
$9u u\& [@v 四、中国科学院半导体研究所研究进展
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