光纤水听器的军事应用

　　1 引言

　　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的光纤压力传感器，其优异的特性使之具有十分看好的军事应用前景。世界各国纷纷将其列入国家重点研究项目之中，下面将对此作简要叙述。

　　2 光纤水听器

　　2.1 光纤水听器的种类

　　光纤水听器是利用声波信号凋制光束来进行声/光转换.实现水下声信号检测的一种器件。光纤水听器的种类很多，主要有两大类型：一类是调制型光纤水听器.利用光纤作为感应元件，通过调制光纤中的光束实现水下信号的检测;另一类是混合型光纤水听器，感应元件采用反射镜、光栅、光纤等器件。研究最多的还是调制型光纤水听器.这类水听器又分为强度调制型和相位调制型两种。目前，强度调制型光纤水听器主要有微弯型、受抑全内反射型和网络型三种。相位调制型光纤水听器是根据Mach—Zehnder干涉仪原理制成的，因而不仅灵敏度高，而且动态范围大。美国海军实验室、英国普菜西舰用设备公司和普莱西电子研究所对这种水听器的研究已达到相当的水平。目前普遍认为，相位调制型光纤水听器是最有发展前途的水听器。最近，美国海军研究学院研制出一种新型结构的相位调制型光纤水听器。这是一种特殊结构的水听器，在弹性膜片上有4个扁球形柔性应变外壳。扁球形外壳的特点是将单端测量的压力转换成能被壳表面完全探测的差分应变。这种扁球形外壳光纤水听器较之其它水听器(如平板、圆盘或圆柱体水听器)的优点是用— 个干涉仪就可测量出整个外壳表面上的不同灵敏度。从已开发的干涉仪光纤水听器的结构来看，主要有心轴型、互补型和平面型等几种。

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　　2.2 光纤水听器及其阵列的开发现状

　　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。1980年成功地进行了“玻璃板(Cqassboard)”塑料心轴型光纤水听器试验。1981年封装第一个“黄铜板(BrassY )”光纤水听器。光纤水听器的第一次海上试验是为海军流动噪声驳船(MONOB)系统的噪声监测装置开发的塑料心轴型光纤水听器，1982年7月部署在巴哈马群岛。试验结果证实了光纤水听器低于海况零的噪声特性。1983～1986年期间，美国海军实验室进行了多次拖曳阵列海上演示，其中包括心轴型光纤水听器。尽管1984年进行的全光询问演示的噪声性能未达到要求，但仍显示出光纤水听器用于拖曳阵列的生命力，直接导致了海军水下系统中心和海军研究实验室联合进行的全光拖曳阵列(AOTA)计划。1987年成功地进行了两次拖曳光缆试验和一次声纳阵列试验(10单元水听器)，该试验和海军研究实验室进行的8单元频分复用(FDM)实验共同确定了全光拖曳阵列计划的询问方法。1987年，美国Gould公司海事系统分公司获得了美国海上系统司令部价值1300万美元的全光拖曳阵列合同，这是美国海军Navsea计划中多线拖曳阵列评估系统的一部分。1988年，全光拖曳阵列在海上试验中取得很大成功，确定了美国军用设备研究开发进入试制阶段——A叽A高级技术演示计划多路复用系统所用的光纤水听器结构。1988年6月，美国海军研究实验室制订出潜艇用“光纤水听器系统标准”。90年代，美国国防部把光纤海底监视系统作为22项关键技术之一。1990年6月，Litton制导和控制公司根据与海军研究实验室签定的合同，制作出两个基于心轴型迈克尔逊干涉仪结构的水听器、—个光纤船体穿透器和光电子子系统，装在668级攻击潜艇上，并进行了首次演示，水听器的工作带宽为64Hz~50kHz。演示结果表明，光纤水听器及有关元件尽管工作在恶劣的条件下，仍能满足和超过港艇水听器系统所要求的性能指标。这是美国海军潜艇平面阵列开发所取得的重大进展。在这之后.该公司还执行了一项由海军水下系统中心授权的价值250万美元、为期2年的平面阵列计划，提供扩展数据处理的能力.并验证光纤水听器和遥测平面阵列减轻重量及降低成本的可能性。光纤水听器平面阵列将安装在海狼级(SSN一21级)和其它新型攻击潜艇上。1990年4月.美国海军研究实验室在格陵兰Kap Eiler Rasmussen附近的Independence峡湾出海口，用两个水听器测量海岸坚冰下的环境噪声.获得了北极寂静噪声数据。该系统在北极9天的测试期间工作正常，水听器在500Hz时的噪声电平低于海况零26dB，系统背景噪声低于海况零33dB。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。近年来，美国海军研究实验室把主攻方向集中在三个方面：第一.中频工作的声透明薄型大面积(3OSmm×305mm)水听器和高频工作的小面积平面水听器.业已开发出两种线性单元，获得了大于一160V/pPa的灵敏度和低的加速响应。第二，用于海底声监测的宽带(1Hz~50kHz)、高灵敏度(在整个频带内低于海况零10dB)且能工作于浅海和深海的光纤水听器。第三，用于声纳浮标阵列的廉价光纤水听器。

　　综上所述，美国海军的光纤水听器技术已达到相当水平，预计在今后几年内可望装配到潜艇和海底监视系统。美国海军研究实验室光纤水听器的主要研究人员认为，光纤水听器技术的时代已经到来。

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　　3 光纤水听器阵列

　　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 因此，自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。

　　光纤水听器的多路复用可根据不同的体系结构来实现。各国的研究人员根据各自的技术优势开发出多种多路复用技术，其中最早采用的是时分多路复用(TDM)技术。采用时分复用技术的光纤水听器阵列从结构上可分为两类：一类为反射型结构;另一类为透射型结构。反射型光纤水听器阵列只需一根光纤作为光脉冲信号的发射与接收总线，但每个节点的单元水听器需后置一反射装置，使携带有该节点处水声信息的光脉冲信号能够沿原路返回。透射型光纤水听器阵列有两条总线，一条为信号发射总线，另一条为信号接收总线，因而不需要反射装置。

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