光纤水听器阵列

光纤水听器简介

光纤水听器是一种建立在光纤、光电子技术基础上的水下声信号传感器。它通过高灵敏度的光学相干检测，将水声振动转换成光信号，通过光纤传至信号处理系统提取声信号信息。它具有灵敏度高、频响特性好等特点。采用光纤做信息载体，适宜远距离大范围监测。光纤水听器主要用于海洋声学环境中的声传播特性、噪声、混响、海底声学特性、目标声学特性等的研究，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。

 

光纤水听器基本结构

 

 

目前，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信号臂，接受声波的调制，另一路则构成参考臂，不接受声波的调制，或者接受声波的调制与信号的调制相反。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，干涉的光信号被光电探测器转换为电信号，经信号处理获取声波的信息。

 

 

光纤水听器的核心优势

01：灵敏度高，频响特性好

光纤水听器采用光学原理探测水声信号，灵敏度高。由于其自噪声低的特性决定了其可检测的最小信号比传统压电水听器要低2～3个数量级，这使弱信号探测成为可能。

02：适于远距离传输与组阵

光纤传输损耗小，适于远距离传输。光纤水听器采用空分、波分和时分等技术进行多路复用，适于制造大规模水声探测阵列。水听器数目越多，光纤水听器系统的性价比优势越明显。

03：动态范围大

光纤水听器的动态范围可以达到120～140dB。这使得光纤水听器既可以探测弱信号，也可以探测强信号。

04：抗电磁干扰与信号串扰能力强

光纤水听器信号传感与传输均以光为载体，几百兆赫以下的电磁干扰影响非常小，各通道信号串扰也十分小。

05：信号传感与传输一体化，提高系统可靠性

激光由光源发出，经光纤传输至光纤水听器，并在获取声信号后再经光纤传回到岸上或船上的信号处理设备，水下无需供电。另外，光纤对水密性要求低，耐高温、抗腐蚀，这些都将大大提高系统的可靠性。

06：工程应用条件降低

采用全光光纤水听器的声呐系统，探测阵及传输缆体积小重量轻，易于收放，特别对拖曳阵列，由于工程应用条件的降低而使许多复杂的安装使用问题得以解决。

 

 

光纤水听器阵列探测系统

北京神州普惠公司研制的光纤水听器阵列探测系统以光纤光电技术为核心，结合湿端大规模阵列集成技术和干端海量数据高速采集、存储、处理技术，可广泛应用于海军水声探测、水声测试分析、海洋安防、海洋石油勘探和海洋地质调查、海洋环境观测监测等领域。

大规模光纤水听器阵列探测系统由光纤水听器阵列、光源光调制放大系统、光电信号处理系统、水声信号处理系统、综合信息存储显控系统等部分组成。其中，光纤水听器阵列为湿端设备，光源光调制放大系统、光电信号处理系统、水声信号处理系统、综合信息存储显控系统为干端设备。

 

　　1、光纤水听器阵列

　　光纤水听器阵列是把光纤水听器复接成阵列，完成声场信号的采集，获得目标的详细信息，实现对水下目标的定位。采用模块化设计及多路复用技术，实现用较少的组件形成分布式光纤水听器阵列，降低维护的复杂程度。光纤水听器阵列根据使用需要可分为拖曳阵、测噪系统、岸基阵、舷侧阵等。

　　2、光源光调制放大系统

　　光源光调制放大系统用于产生光纤水听器阵列探测所需的光脉冲信号。光源光调制放大系统由高相干光纤激光器、多波长WDM合波器、连续光功率放大器、脉冲光功率放大器和高精度、低噪声电源模块组成。

 

 

　　3、光电信号处理系统

　　光电信号处理系统用于接收光纤水听器阵列探测信号，通过光电转换采样、时分复用解调转成数字信号，输出给水声信号处理机和终端设备。配备高速数据接口输出，便于外部系统连接与大系统联网运行；支持大容量存储硬盘阵列，具有海量数据存储能力。

 

 

　　4、水声信号处理系统

　　水声信号处理系统提供强大的水声目标探测与目标分类识别功能，通过DSP与GPU等高速并行处理技术实现大容量数据的实时在线处理。

 

 

大规模光纤水听器阵列系统的应用

　　1、光纤水听器拖曳阵列系统

　　光纤水听器拖曳阵列系统由光纤水听器阵列、拖缆、绞车及干端处理设备组成。光纤水听器阵列系统可以通过拖缆拖曳在平台后方，探测水下目标的声信号，进行目标的探测。拖曳平台包括潜艇、水面船、UUV等。光纤水听器拖曳阵列系统可以为单线阵系统也可以多条线阵同时拖曳。多线阵系统具有更远的探测能力，同时具备左右舷分辨能力。光纤水听器拖曳阵列基元数可以根据探测需要进行定制，常用系统有128基元、192基元、256基元、512基元、1024基元等。

 

 

　　2、光纤水听器阵列被动警戒系统

　　目前我国的水下区域安保环节薄弱，对水下蛙人、机器人以及小型水下运载器等目标的探测手段缺乏。为实现重要港口、岛礁的水下警戒，保障重要设施安全，需要构建声、光、电、磁相结合的立体防御网。光纤水听器阵列被动警戒系统能够探测水下运动目标辐射噪声，是实现水下警戒有效的技术手段，布放方便、可行性高，在重要的港口可以布放折线型多线阵或随机分布的面阵，实现水下目标与水面目标的监测，同时还可布放在岛礁周围用于安防警戒。

 

 

　3、辐射噪声测量

　　基于光纤水听器阵列的水声测试分析系统可以满足水下目标噪声测试分析的需求。水声测试分析系统是新一代噪声振动测试分析系统，具有强大全面的分析功能，有多种产品可供选择，并可提供灵活的服务，可以快速、准确地为客户解决复杂、高难度的声振系统和整体测试问题。

　　水声测试分析系统不仅具备传统的声压、声强、振动测量等功能，更重要的是实现了基于近场声全息和声聚焦技术的振动噪声的宽带测量与综合分析。水声测试分析系统利用近场声全息技术和声聚焦技术，可以解决：复杂振动结构的噪声源表面振动特性反演、噪声源识别与定位、噪声源特性分析与判别、辐射声场的全空间重构；声源远场指向性预报；振动噪声控制效果的测试与评价；声学材料声学特性的测试与评估等。

 

　5、石油拖曳勘探系统

　　石油拖曳勘探系统为大规模拖曳式光纤水听器探测系统，可用于海底地质结构及油气资源勘探，兼顾水声目标探测、航经海区海洋环境数据测量。我司石油拖曳勘探系统与国外SERCEL公司的压电拖曳阵系统进行海底地质结构勘探海上试验。石油拖曳勘探系统获得完整清晰的海底地质结构图，在浅层结构勘探和精细度方面，优于国外SERCEL公司压电拖曳阵系统。

 

 

　6、石油储量永久监测系统

　　石油储量永久监测系统为大规模光纤水听器阵列系统，通常部署在石油钻井平台周围，对油藏变化进行长时间监测，为油藏的规划和生产提供重要信息输入，可有效提高油气回收率。