張文濤 李 芳

（中國科學(xué)院半導(dǎo)體研究所 北京 100083）

光纖激光水聽器研究進(jìn)展

張文濤 李 芳

（中國科學(xué)院半導(dǎo)體研究所 北京 100083）

文章介紹了光纖激光水聽器的基本原理，國內(nèi)外光纖激光水聽器的研究進(jìn)展以及發(fā)展趨勢，同時，詳細(xì)介紹了 2005年以來中國科學(xué)院半導(dǎo)體研究所在光纖激光水聽器技術(shù)方面的研究工作，包含了標(biāo)量水聽器技術(shù)、矢量水聽器技術(shù)、水聽器陣列技術(shù)、外場實驗及行業(yè)應(yīng)用等。目前，課題組光纖激光水聽器聲壓靈敏度優(yōu)于－140 dB re 1 pm/μPa，頻響區(qū)間 20～2000 Hz，拖曳陣列外徑小于 30 mm，陣元數(shù)目 64。我國的光纖激光水聽器陣列技術(shù)正處于從實驗室走向應(yīng)用的重要階段，開展好實用化研究是當(dāng)務(wù)之急。

光纖激光器；水聽器；陣列；拖曳

1 引 言

聲波是人類已知的唯一能在海水中遠(yuǎn)距離傳輸?shù)哪芰啃问剑?］。水聽器（Hydrophone）是利用在海洋中傳播的聲波作為信息載體對水下目標(biāo)進(jìn)行探測以及實現(xiàn)水下導(dǎo)航、測量和通信的一類傳感器。由于水下軍事防務(wù)上的要求和人類開發(fā)利用海洋資源的迫切需要，水聽器技術(shù)得到空前的發(fā)展。傳統(tǒng)的水聽器包括電動式、電容式、壓電式、駐極體式，等等。

20世紀(jì)70年代以來，伴隨著光導(dǎo)纖維及光纖通信技術(shù)的發(fā)展，光纖水聽器逐漸成為新一代的水聲探測傳感器［2］。與傳統(tǒng)水聽器相比，其最大優(yōu)點是對電磁干擾的天然免疫能力。此外，光纖水聽器還具有噪聲水平低、動態(tài)范圍大、水下無電、穩(wěn)定性和可靠性高、易于組成大規(guī)模陣列等優(yōu)點［3］?，F(xiàn)有的光纖水聽器包括光強度型、干涉型、偏振型、光柵型等。其中，光纖激光水聽器（Fiber Laser Hydrophone，F(xiàn)LH）就是一種光柵型水聽器，但由于它的傳感元件光纖激光器（又稱有源光纖光柵）相比于無源光纖光柵具有高功率和極窄線寬的特點，配合上基于光纖干涉技術(shù)的解調(diào)方法，它的微弱信號探測能力相比于普通的無源光纖光柵水聽器可以提高幾個數(shù)量級。

壓電式水聽器和干涉式光纖水聽器是目前應(yīng)用最廣泛的水聲探測器件。與干涉式光纖水聽器相比，壓電式水聽器技術(shù)更加成熟，結(jié)構(gòu)和制作工藝更簡單，大規(guī)模生產(chǎn)時一致性可以得到相對較好的控制。但是，防漏電、耐高溫、長距離傳輸、動態(tài)范圍大則是光纖水聽器最大的優(yōu)勢。尤其在一些特殊領(lǐng)域（例如高溫高壓的深井油氣勘探領(lǐng)域）有著比壓電水聽器更為廣闊的應(yīng)用前景。與干涉式光纖水聽器相比，光纖激光水聽器的最大優(yōu)勢在于易復(fù)用，即“串聯(lián)即成陣”。同時，受彎曲半徑影響，干涉式光纖水聽器的體積較大，水聽器直徑通常大于 1 cm。而由于光纖激光型水聽器結(jié)構(gòu)簡單，傳感單元僅為一根光纖的尺寸，光纖激光水聽器外徑可細(xì)至 4～6 mm。當(dāng)然，受光纖激光器本身弦振動及系統(tǒng) 1/f 噪聲影響，加速度響應(yīng)較大、低頻段噪聲相對較高是目前光纖激光型水聽器存在的主要問題之一，有待進(jìn)一步摸索和改進(jìn)。

2 光纖激光水聽器基本原理

2.1 光纖激光器及光纖激光水聽器原理

分布式反饋（Distributed Feed-Back，DFB）光纖激光器是通過在有源光纖上刻寫 π 相移光柵進(jìn)而形成的，其常見制作原理如圖1 所示。采用高壓載氫方法進(jìn)行有源光纖的增敏，利用 248 nm的準(zhǔn)分子激光器配合相位掩模版采用遮擋法進(jìn)行光纖激光器的制作。通過耦合模理論和仿真分析可以得到光纖激光器的 π 相移區(qū)、有源區(qū)介質(zhì)參數(shù)、激光器溫度分布對光纖激光器噪聲特性的影響。激光的制作工藝參數(shù)主要包括準(zhǔn)分子激光器的光強、曝光時間、寫入柵區(qū)的長度、有源區(qū)摻雜濃度、耦合系數(shù)等。激光器實物如圖2 所示。通過工藝參數(shù)的控制，光纖激光器的線寬可以控制在 10 kHz 以內(nèi)。圖3 為通過外差法測試激光器的線寬，約為 3 kHz。

圖1 光纖激光器制備原理圖Fig. 1 The schematic of manufacturing DFB fiber laser

圖2 光纖激光器實物圖Fig. 2 DFB fi ber laser

圖3 光纖激光器線寬測試結(jié)果Fig. 3 Line width of DFB fiber laser

每一根制作好的光纖激光器都具有特定的輸出中心波長。輸出中心波長會因光纖激光器受到的外界作用而發(fā)生變化，例如溫度、應(yīng)力、壓力等。當(dāng)聲壓作用在光纖激光器上時會引起光纖徑向及軸向應(yīng)力，從而導(dǎo)致輸出中心波長的變化，通過檢測中心波長的變化可以還原水聲信號，這就是光纖激光水聽器的原理。早期的光纖激光水聽器就是直接利用裸露的光纖激光器感受水聲壓，后來經(jīng)過不斷發(fā)展，靈敏度和頻響特性逐漸優(yōu)化，光纖激光水聽器走向?qū)嵱谩?/p>

2.2 光纖激光水聽器系統(tǒng)

一個完整的光纖激光水聽器系統(tǒng)除了包括置于水環(huán)境中的光纖激光傳感器探頭，還包括船載或放在岸上的光纖激光解調(diào)設(shè)備，通常被分別稱為“濕端”和“干端”，二者之間通過光纜連接。在濕端部分，由于光纖激光器具有波長編碼特性，不同中心波長的光纖激光器可以被封裝成不同的水聽器單元，然后串聯(lián)形成水聽器陣列。這樣，就可以僅通過一根光纖同時傳輸若干光纖水聽器采集到的水聲信息。在干端部分，泵浦源模塊為光纖激光器串提供泵浦光，反射回來的光信號先經(jīng)過非平衡光纖干涉儀進(jìn)行干涉，經(jīng)過密集型波分解復(fù)用器將不同波長的光信號分開進(jìn)入光電探測器陣列，通過模數(shù)轉(zhuǎn)換及特定的解調(diào)算法，承載在光信號中的水聲信息就被還原出來了。一個典型的基于相位產(chǎn)生載波（PGC）技術(shù)的光纖水聽器系統(tǒng)如圖4 所示。

圖4 光纖激光水聽器系統(tǒng)Fig.4Fiber laser hydrophone system

3 國內(nèi)外研究進(jìn)展與趨勢

濕端部分的水聽器探頭作為系統(tǒng)的最前端，其靈敏度、頻率響應(yīng)、穩(wěn)定性、抗加速度性能等決定了系統(tǒng)能否在復(fù)雜的水下環(huán)境中探測到有效的水聲信號。水聽器的設(shè)計及制造水平，對光纖激光水聽器技術(shù)最終能否實用化至關(guān)重要。許多國家的研究人員都對其進(jìn)行了深入研究。

國外主要的光纖激光水聽器研究單位包括美國海軍實驗室（NRL）、英國防衛(wèi)研究局（DERA）、瑞典國防科研機構(gòu)（FOI）、澳大利亞國防科技組織（DSTO）等，部分研究成果已經(jīng)成品化，在軍事、海洋勘探等領(lǐng)域得到應(yīng)用。

早在 1992年，美國海軍實驗室 Kersey 等［4］利用臂長差很短的低相干馬赫-曾德干涉儀解調(diào)FBG，這種波長-相位轉(zhuǎn)換的方法為高分辨率的光纖激光解調(diào)提供了可行的技術(shù)途徑。1993年，他們使用該方法對窄線寬的光纖激光器進(jìn)行解調(diào)，獲得了高達(dá)的波長分辨率［5］。此后，他們研究用于應(yīng)變傳感器的4元光纖激光傳感器［6］，為光纖激光水聽器的發(fā)展提供重要參考。

1999年，英國國防研究局的 Hill 等［7］將光纖激光器用作水聽器，并分別采用了裸的光纖激光器和彈性材料涂敷的光纖激光器進(jìn)行水聲信號檢測。涂敷材料長度為 200 mm，直徑為 5 mm。雖然在該次實驗中，涂敷的光纖激光器靈敏度相比裸的光纖激光器沒有顯著提高，但是頻率響應(yīng)更加平坦。2005年，在第 17 屆光纖傳感會議上，Hill 等［8］報道了4元光纖激光水聽器陣列的海試。

自 2000年起，瑞典國防科研機構(gòu)開展了一系列關(guān)于光纖激光水聽器的研究，目的在于開發(fā)一種便于布放的輕型拖曳聲納。為了增加光纖激光水聽器的靈敏度，以達(dá)到與海洋噪聲相當(dāng)?shù)奶綔y水平，F(xiàn)OI 設(shè)計了一種活塞結(jié)構(gòu)的光纖激光水聽器［9］，它的應(yīng)變/壓力靈敏度可以達(dá)到 1.17×10－81/Pa，共振頻率高于 3 kHz。2005年，F(xiàn)OI 在 Bjurshagen 開展了基于4波長 DFB光纖激光水聽器的海上拖曳實驗［10］，并對陣列的流噪聲特性進(jìn)行了測試。

2002年，澳大利亞國防科技組織（DSTO）與泰雷斯水下系統(tǒng)（Thales Underwater System）公司達(dá)成協(xié)議，合作深入開發(fā)光纖水聽器技術(shù)，以將該技術(shù)用于防衛(wèi)及商用系統(tǒng)。2005年，DSTO 的Fostor 等［11］提出了一種機械支撐的光纖激光水聽器結(jié)構(gòu)。隨后為了進(jìn)一步適應(yīng)水下工作環(huán)境的靜壓強，Goodman 等［12］對該結(jié)構(gòu)進(jìn)行了改進(jìn)，通過引入彈性氣囊來實現(xiàn)靜壓平衡。2009年報道了四基元光纖水聽器海試情況［13］，水聽器尺寸為8 mm×73 mm，裝配后為 13 mm×190 mm，用臂差為 30 m 的干涉儀解調(diào)得到聲壓靈敏度為－140 dB re 1 pm/μPa。該水聽器系統(tǒng)的噪聲水平與零級海況相當(dāng)，工作深度大于 30 m，可以成功探測到目標(biāo)航跡［14］。2010年，泰雷斯Bedwell 等［15］對光纖激光水聽器的透射譜、噪聲壓、聲壓靈敏度頻響特性、溫度特性等進(jìn)行了細(xì)致地研究，傳感器一致性是走向應(yīng)用化的必要途徑，同時報道了以8元光纖激光水聽器為基的拖曳陣列。

澳大利亞新南威爾士大學(xué)在光纖激光水聽器方面也進(jìn)行了較多的研究工作［16，17］。2010年，Asrul 等報道了增敏的復(fù)合腔光纖激光水聽器（CCFL），利用了 CCFL 固有的非線性相位條件實現(xiàn)增敏。它由 3 個 FBG 串聯(lián)構(gòu)成兩個不同長度的腔，一個腔產(chǎn)生響應(yīng)，就能實現(xiàn)增敏。理論估計，其增敏效果與普通的相比提升 40 dB。實驗驗證，與普通的相比提升了 14 dB。

在干端的解調(diào)技術(shù)方面，為了實現(xiàn)高精度的水聲探測，一般采用基于光纖干涉儀的方法。這樣，對于光纖激光水聽器的解調(diào)，基本上完全可以采用干涉式水聽器的解調(diào)技術(shù)。所不同的是，對于光纖激光水聽器，激光器（光源）在濕端，而光纖干涉儀在干端；而干涉式光纖水聽器恰好相反?；诟缮鎯x的解調(diào)方法主要有相位跟蹤法［5］、外差法［8］、相位產(chǎn)生載波法［17］、基于3×3 耦合器的解調(diào)方法等，波長分辨率可高達(dá)

在我國，光纖激光水聽器技術(shù)主要集中在2000年以后，典型的研制單位包括中國科學(xué)院半導(dǎo)體研究所、國防科學(xué)技術(shù)大學(xué)、海軍工程大學(xué)、山東省科學(xué)院激光研究所等，山東大學(xué)、浙江大學(xué)、暨南大學(xué)等也開展了相關(guān)的基礎(chǔ)研究工作?，F(xiàn)階段我國大多數(shù)研制單位在探頭技術(shù)及復(fù)用技術(shù)的基礎(chǔ)研究中傾注更多精力。

2009年，國防科技大學(xué)馬麗娜等［18］報道了平坦頻響和高聲壓靈敏度的 DFB 光纖激光水聽器結(jié)構(gòu)。其方案是在裸光纖激光器外套金屬殼和聚合物層，用來感受聲壓，兩端固定在毛細(xì)管上。它的聲壓靈敏度高達(dá) 102.77 dB re 1 Hz/Pa，2.5 kHz 內(nèi)頻響平坦，起伏少于 1.5 dB。

海軍工程大學(xué)譚波等［19，20］報道了分布反饋光纖激光水聽器封裝結(jié)構(gòu)的設(shè)計。針對水聲探測時頻響曲線起伏較大的問題，設(shè)計了一種開孔套管式封裝結(jié)構(gòu)、夾層式水聽器結(jié)構(gòu)等。通過對DFB 激光器的封裝，使其張緊后被聚氨酯固定于開孔套筒的中心軸線上，利用開孔套管的保護(hù)作用以及施加于光纖激光器兩端的拉力來抑制水聲探測過程中頻響曲線的起伏。試驗結(jié)果顯示，光纖激光水聽器在 20～800 Hz 的聲壓靈敏度達(dá)到－140 dB re 1 pm/μPa 左右，靈敏度起伏不高于±1.5 dB。

2012年，山東省科學(xué)院 Sun 等［21］對光纖激光器進(jìn)行封裝，并研制了基于波分復(fù)用的4元 DFB光纖激光水聽器陣列。此陣列平坦的聲壓響應(yīng)為115±3 dB re 1 Hz/Pa，頻率范圍 20 Hz～20 kHz。

綜上所述，光纖激光水聽器技術(shù)經(jīng)過二十年的發(fā)展，逐漸走向成熟，從實驗室基礎(chǔ)研究逐漸擴展為應(yīng)用研究，并且開展了有針對性的水下應(yīng)用試驗。一方面，我們看到了光纖激光水聽器有著獨特的優(yōu)勢，相關(guān)的應(yīng)用研究必然會得到更廣泛的關(guān)注，有著廣闊的應(yīng)用前景。另一方面，隨著研究的深入，更多的問題接踵而至，如系統(tǒng)的穩(wěn)定性、大規(guī)模復(fù)用、抗環(huán)境干擾等，成為目前亟待解決的問題?？傮w上講，我國的光纖激光水聽器技術(shù)發(fā)展水平與國際知名的團(tuán)隊相比，尚有五至十年的差距，開展好實用化研究是當(dāng)務(wù)之急。

4 中國科學(xué)院半導(dǎo)體研究所研究進(jìn)展

中國科學(xué)院半導(dǎo)體研究所在光纖激光水聽器基礎(chǔ)理論和應(yīng)用方面都開展了深入的研究，具體內(nèi)容涉及分布式反饋光纖激光器的研制、解調(diào)技術(shù)、水聽器的封裝技術(shù)、陣列技術(shù)等多個方面，完成多次外場試驗，部分研究成果成功轉(zhuǎn)化進(jìn)軍、民領(lǐng)域的行業(yè)應(yīng)用。下面，本文將總結(jié) 2005年以來中國科學(xué)院半導(dǎo)體研究所有關(guān)光纖激光水聽器相關(guān)技術(shù)的研究工作，主要包含聲壓式水聽器技術(shù)、矢量水聽器技術(shù)、水聽器陣列技術(shù)、外場實驗及行業(yè)應(yīng)用等。

4.1 光纖激光聲壓式水聽器

早期的水聽器都是感測聲場的聲壓（標(biāo)量）的，這其中涉及兩項關(guān)鍵技術(shù)，增敏和頻響控制。從結(jié)構(gòu)上講，對光纖激光水聽器而言，最簡單、直接的聲壓感測方式就是將裸露的光纖激光器直接置于聲場之中。聲壓沿著徑向直接作用于光纖，根據(jù)虎克定律，光纖會產(chǎn)生軸向變形。但是這種傳感方式的靈敏度極低。因此，最先提出了裸光纖激光器包覆有機彈性材料的增敏方式［7］。這種增敏方法可以極大地增加受壓面積，從而提高傳感器的靈敏度。但是涂覆材料的一致性難以保證，且涂覆半徑不能無限制的增加。因此如何進(jìn)一步提高靈敏度成為該項研究的熱點。2008年，張文濤等［22，23］首次提出了基于雙膜片結(jié)構(gòu)的光纖激光水聽器。如圖5 和圖6 所示，光纖激光器的兩端分別固定在兩個膜片中心，當(dāng)外界聲壓通過透聲橡膠傳入傳感器殼體，會同時使得兩個膜片反向變形，進(jìn)而拉伸光纖激光器產(chǎn)生增敏應(yīng)變。這種增敏方式直接利用聲壓產(chǎn)生光纖的軸向應(yīng)變，不再需要通過涂覆材料的泊松效應(yīng)傳遞，因此靈敏度有了極大的提高。起初制成的傳感器獲得－163 dB re 1 pm/μPa的靈敏度；后續(xù)通過參數(shù)調(diào)整及不斷地改進(jìn)，目前水聽器在 20～2 000 Hz 頻響寬度內(nèi)，靈敏度達(dá)－140dB re 1pm/μPa。

圖5 雙膜片光纖激光水聽器Fig. 5 Double diaphragm-based fi ber laser hydrophone

圖6 光纖激光水聽器實物圖Fig. 6 Photo of fi ber laser hydrophone

頻響控制是聲壓式水聽器的另一項關(guān)鍵技術(shù)，這是由于應(yīng)用于不同環(huán)境的水聽器需要相應(yīng)的頻響區(qū)間、光纖水聽器需要解決抗高頻混疊問題、水聽器的一致性與頻響控制密切相關(guān)。機械法頻響控制是一種從根本上改善頻響的方法，具有成本低、信噪比高的特點。2011年，Zhang等［24］提出了一種具有低通濾波能力的光纖激光水聽器。如圖7 所示，它是在膜片式光纖激光水聽器基礎(chǔ)上添加了聲低通濾波結(jié)構(gòu)實現(xiàn)的頻響變換，利用電聲理論可以對傳感器的頻響行為給出詳細(xì)解釋。

圖7 具有低通濾波特點的光纖激光水聽器Fig. 7 Fiber laser hydrophone with an acoustic low-pass fi lter

同年，通過對聲學(xué)共振腔的改進(jìn)設(shè)計，Zhang 等［25］提出了具有帶通濾波功能的光纖激光水聽器（圖8），這在水聽器領(lǐng)域具有很大的實用價值。如圖9 所示，它的頻率響應(yīng)具有明顯的帶通濾波特點，可以在 100～400 Hz 形成平坦的響應(yīng)。

圖8 具有帶通濾波特點的光纖激光水聽器Fig.8 Fiber laser hydrophone with an acoustic band-pass fi lter

4.2 光纖激光矢量水聽器

聲場除了聲壓大小的標(biāo)量信息，還包括聲矢量信息，即聲壓梯度、質(zhì)點振速、質(zhì)點加速度等，可以探測這些聲矢量參數(shù)的水聽器統(tǒng)稱為矢量水聽器。矢量水聽器的重要應(yīng)用之一就是低頻目標(biāo)定位。軍事上，隨著目標(biāo)頻率的降低，所要求的聲壓水聽器陣列尺寸會急劇增大，當(dāng)目標(biāo)頻率為 10 Hz 以下時，用到的標(biāo)量水聽器陣列就須長達(dá)數(shù)百米甚至上千米。尤其在淺海探測時，地形和水深的限制下陣列尺寸越大就會給工程帶來越大的困難。矢量水聽器具有單元定向、線陣列定位的特點，在水聲工程領(lǐng)域具有良好的應(yīng)用前景，是 20 世紀(jì)80年代以來水聲領(lǐng)域的研究熱點之一。

中國科學(xué)院半導(dǎo)體研究所主要開展了基于光纖激光器的同振型質(zhì)點加速度矢量水聽器的研究。通過光纖激光加速度計來測量聲場中質(zhì)點的振動加速度。采用適當(dāng)?shù)膽覓煜到y(tǒng)使矢量水聽器在聲場中與質(zhì)點保持“同振”。2011年，馬睿等［26，27］先后報道了基于“V”型曲折梁結(jié)構(gòu)的二維細(xì)長型光纖激光矢量水聽器（圖10）?；凇癡”型曲折梁的高靈敏度換能結(jié)構(gòu)，根據(jù)彈性力學(xué)與振動理論給出了該結(jié)構(gòu)的靈敏度和諧振頻率，并與現(xiàn)有的一些結(jié)構(gòu)進(jìn)行了對比，歸納出影響靈敏度與諧振頻率的關(guān)鍵因素，探討了在不降低諧振頻率的前提下提高靈敏度的方法。建立了該曲折梁結(jié)構(gòu)的三維有限元仿真模型。由仿真得出，該結(jié)構(gòu)的光纖激光矢量水聽器在 250 Hz的諧振頻率下可達(dá)81.3 pm/g 的靈敏度。二維矢量水聽器的實驗測試結(jié)果顯示，它在 x、y 兩個方向上獲得的加速度靈敏度分別為 39.2 pm/g 和53.2 pm/g，指向性響應(yīng)超過 20 dB。

圖10 二維光纖激光矢量水聽器結(jié)構(gòu)Fig. 10 The structure of two axis fi ber laser vector hydrophone

2012年，Zhang 等［28］首次詳細(xì)報道了三維細(xì)長型光纖激光矢量水聽器，如圖11 所示。外徑小于 5 cm，通過對各矢量方向的測試，該傳感器的指向性響應(yīng)超過 30 dB（圖12）。此種結(jié)構(gòu)傳感器具有細(xì)長型、光路簡單、易成陣、指向性好等優(yōu)點，具有較高的實用價值。

圖11 三維光纖激光矢量水聽器Fig. 11 Three axis fi ber laser vector hydrophone

圖12 矢量水聽器周向指向性測試結(jié)果（x 和 y 方向）Fig. 12 Directivity test results of x axis and y axis of fi ber vector hydrophone

4.3 光纖激光水聽器陣列技術(shù)

2007年起，半導(dǎo)體研究所課題組逐漸開展光纖激光水聽器（標(biāo)量）陣列技術(shù)的研究，主要圍繞三個方面進(jìn)行：水聽器的一致性問題；陣列的功率均衡問題；光纖激光水聽器的成陣工藝。首要攻克的難題是傳感器頻響一致性及相位一致性控制。進(jìn)行了大批量的封裝試驗（圖13），經(jīng)過多次的結(jié)構(gòu)優(yōu)化和封裝工藝的不斷完善，目前的光纖激光水聽器小批量（20 支）靈敏度差異小于 3 dB，單支水聽器自身頻響優(yōu)于±1.5 dB（圖14），相頻一致性優(yōu)于 5°，單支水聽器自身同頻點相位長期穩(wěn)定性優(yōu)于 2°（圖15）。

圖13 光纖激光水聽器批量封裝Fig. 13 Batches of manufactured fiber laser hydrophones

圖14 同一批次光纖激光水聽器頻率響應(yīng)Fig. 14 Frequency responses of a batch of fiber laser hydrophones

功率均衡是光纖激光水聽器陣列技術(shù)中獨有的一個關(guān)鍵技術(shù)。對于干涉式光纖水聽器陣列，每個水聽器的光功率可以通過分束器的耦合比來控制。但是對于光纖激光器陣列而言，每個激光器離泵浦光源的遠(yuǎn)近不同，獲得的泵浦光能量不同，因此激射光功率也會有差異，這就會影響單根光纖串聯(lián)水聽器的數(shù)目。早在 2008年，課題組就實現(xiàn)了 16元光纖激光器的串聯(lián)復(fù)用。然而，要想制成光纖激光水聽器陣?yán)|，功率均衡是重要的評價指標(biāo)之一。由于光纖激光器制作工藝的差異性、傳感器封裝過程中光功率損耗的隨機性，以及次序匹配、熔接損耗等因素影響，隨機串聯(lián)的8元光纖激光水聽器陣列的最大功率差異可達(dá)到 15～20 dB。過大的光功率差異對解調(diào)結(jié)果的準(zhǔn)度及各通道動態(tài)范圍是有影響的。所以，通過長期對光纖激光器制作工藝、光纖水聽器封裝工藝及串聯(lián)熔接工藝的摸索和改進(jìn)，現(xiàn)制成8元光纖激光水聽器陣?yán)|最大功率差異小于 5 dB（圖16），這樣的功率差異性在實際應(yīng)用中就幾乎沒有影響了。

圖15 光纖激光水聽器相頻響應(yīng)測試結(jié)果Fig. 15 Phase frequency responses of fiber laser hydrophones

一個光纖激光水聽器濕端纜結(jié)構(gòu)通常包括水聲傳感段及前后減振段，如圖17 所示。水聽器設(shè)置在水聲傳感段，外套為 PU 管，內(nèi)部利用支撐件等間距固定水聽器。纜內(nèi)充油，一則為了保障透聲性，二則調(diào)整纜密度與水密度近似。水聲傳感段前后分別設(shè)有前減振段和后減振段，防止水聽器陣?yán)|在拖曳過程中的大幅抖動，保障水聲傳感段平直滑行。

目前，課題組已經(jīng)研制的光纖激光水聽器陣列為 64元，道間距 1～5 m，陣列外徑小于 30 mm，陣列噪聲小于 55 dB（ref：1 @1 kHz）。

圖16 8元光纖激光水聽器陣?yán)|激射光譜Fig. 16 Spectrum of8-element fiber laser hydrophone array

圖17 光纖激光水聽器陣?yán)|結(jié)構(gòu)原理圖Fig. 17 Schematic of fiber laser hydrophone array

4.4 光纖激光水聽器及陣列外場試驗

2009年，半導(dǎo)體研究所聯(lián)合中國科學(xué)院聲學(xué)研究所在浙江千島湖進(jìn)行了8元陣光纖激光水聽器陣與 16元壓電水聽器陣的對比湖試［29］。湖試包括靜態(tài)測試與拖曳測試。在靜態(tài)測試中，光纖激光水聽器陣列與壓電水聽器陣列（道間距均為 1 m）并排布放，水下聲源距離陣列 3 km，測試結(jié)果如圖18 所示。對于同一信號的測試結(jié)果，光纖水聽器獲得更優(yōu)的功率譜密度，更平坦的噪聲頻響，更高的信噪比。

圖18 光纖水聽器和壓電水聽器的功率譜密度Fig. 18 The power spectral densities of fiber hydrophone and piezoelectric hydrophone

在拖曳試驗中，利用光纖激光水聽器陣列對聲源進(jìn)行判向。圖19 為光纖激光水聽器陣?yán)|在4 節(jié)拖曳速度下的方位歷程圖，可以看出，獲得的方位判向較為清晰。

圖19 光纖激光水聽器纜在4節(jié)拖曳速度下的方位歷程圖Fig. 19 Time-bearing tracks with fiber laser hydrophone array

2013年，為研究光纖水聽器陣?yán)|的流噪聲特性，再次在浙江千島湖進(jìn)行了不同航速下的拖曳測試［30］。試驗獲得了清晰的流噪聲響應(yīng)，為拖曳纜體的應(yīng)用和改進(jìn)提供了重要參考。如圖20所示，黑色線數(shù)據(jù)為水下靜止時的頻率響應(yīng)譜，紅色線數(shù)據(jù)為 3 節(jié)速度下的拖曳響應(yīng)。

圖20 光纖激光水聽器陣?yán)|流噪聲響應(yīng)Fig. 20 The fl ow noise of towed fiber laser hydrophone array

2013年和 2014年，先后兩次搭乘南海海洋研究所“實驗 2 號”科考船，分別在南海海域?qū)?元光纖激光水聽器陣?yán)|和8元光纖激光水聽器陣?yán)|進(jìn)行了海上測試，獲得了寶貴的試驗結(jié)果（圖21 和圖22）。

圖21 2013年4元陣?yán)|海上試驗Fig. 21 Sea trial of 4-element fi ber laser hydrophone in 2013

圖22 2014年8元陣?yán)|海上試驗Fig. 22 Sea trial of8-element fiber laser hydrophone in 2014

4.5 行業(yè)應(yīng)用

在石油勘探領(lǐng)域，光纖激光水聽器可以應(yīng)用于地震波 P 波的監(jiān)測，經(jīng)過特殊封裝后可制成光纖激光檢波器。其無漏電、耐高溫、耐高壓、長距離傳輸?shù)膬?yōu)勢在井下石油勘探（如垂直地震剖面）中尤為突出。2010年，課題組在遼河油田進(jìn)行了光纖激光檢波器的 3 000 m 油井測試［31，32］。試驗采用4元光纖激光檢波器列，與石油行業(yè)傳統(tǒng)的動圈式電學(xué)傳感器同時下井對比（圖23）。在1 250 m 井深光纖激光檢波器和動圈式檢波器同時探測到了地震波信號。通過 5～40 Hz 帶通濾波，可以看出，光纖檢波器比動圈式檢波器具有更高的相位一致性和清晰度（圖24）。目前，課題組已經(jīng)成功研制了16元光纖激光檢波器（道間距10 m，可定制）并在油氣勘探行業(yè)中得到應(yīng)用。

圖23 遼河油田井下試驗照片F(xiàn)ig. 23 Photograph of fi eld test site in Liaohe oil field

圖24 光纖激光檢波器（左）和動圈式檢波器（右）測試結(jié)果Fig. 24 Testing results of fiber laser geophones （left） and moving-coil geophones （right）

在地震監(jiān)測領(lǐng)域，可將光纖激光水聽器集成到光纖激光地震儀中，在液體介質(zhì)下可用作 P 波的監(jiān)測或者地聲分量的監(jiān)測。事實上，通過改變光纖激光器的封裝方式，光纖激光傳感器也可用于 S 波的監(jiān)測。2011年，課題組在云南省普洱市進(jìn)行了鉆孔地震試驗［33］。研制的光纖激光地震儀包含有地震分量、地聲分量，與電學(xué)地震儀同時下井對比（圖25），下井深度 400 m。下井后的第二天就捕獲到了當(dāng)?shù)厮济┑貐^(qū)里氏 1.2 級地震，如圖26，可明顯看出光纖激光地震儀的信噪比優(yōu)于電學(xué)傳感器。

圖25 光纖鉆孔地震儀下井照片F(xiàn)ig. 25 Photograph of putting fiber bore-hole seismograph down

5 結(jié) 論

本文闡述了光纖激光水聽器的基本原理，介紹了國內(nèi)外光纖激光水聽器的研究進(jìn)展以及發(fā)展趨勢，同時，詳細(xì)列舉了 2005年以來中國科學(xué)院半導(dǎo)體研究所在光纖激光水聽器技術(shù)方面的研究工作。未來的十至二十年是光纖激光水聽器陣列技術(shù)從實驗室走向應(yīng)用的重要階段，世界范圍內(nèi)的競爭重點將轉(zhuǎn)移到如何大規(guī)模提高陣元數(shù)量，如何解決百公里級的長距離傳輸問題，如何降低干端系統(tǒng)復(fù)雜度，以期在實用中得到更高的目標(biāo)分辨能力。石油勘探、地震監(jiān)測等已經(jīng)被證實是光纖激光水聽器技術(shù)的優(yōu)勢領(lǐng)域。隨著研究的進(jìn)一步深入、工程化技術(shù)進(jìn)一步成熟，光纖激光水聽器必將在更多合適的領(lǐng)域中發(fā)揮作用。

圖26 電學(xué)地震儀（上）和光纖激光地震儀（下）記錄結(jié)果Fig. 26 The recorded data of electronic seismometer （up） and FLS （down）

6 致 謝

感謝中國科學(xué)院知識創(chuàng)新工程（2005IS01、KGCX2-YW-113、ISCAS2008T05），中國科學(xué)院裝備研制項目（YZ200901），國家863計劃（2007AA03Z415、2009AA11Z212、2013AA09A413），國家自然科學(xué)基金（41074128、61077059），國家重大科研裝備研制項目（ZDYZ2012-1-08）的支持。特別感謝中國科學(xué)院半導(dǎo)體研究所劉育梁研究員在光纖激光水聽器方面的前瞻布局。感謝半導(dǎo)體研究所光電系統(tǒng)實驗室光纖傳感課題組的研究人員多年來在光纖激光水聽器方向的共同努力，他們中的很多人已經(jīng)離開了半導(dǎo)體研究所，但正是所有人的創(chuàng)新和努力才取得了本文中的成果。他們是：劉麗輝、王永杰、肖浩、徐團(tuán)偉、齊龍舟、吳悅峰、何俊、馮磊、張發(fā)祥、王延、馬睿、宋曉燕、王林、于源、黃穩(wěn)柱、武健、羅英波、王兆剛（排名不分先后）。感謝王兆剛對本文的整理和編輯。

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Recent Progresses in Fiber Laser Hydrophone

ZHANG Wentao LI Fang

（ Institute of Semiconductors， Chinese Academy of Sciences， Beijing 100083， China ）

In this paper， the principle of fiber laser hydrophone was presented， and the development of fiber laser hydrophone was described. Researches on fiber laser hydrophone technology of our group were reviewed. It contains technologies on fiber laser hydrophone， fiber laser vector hydrophone， hydrophone array， field tests and application areas. The static pressure sensitivity of fiber laser hydrophone is better than－140 dB re 1 pm/μPa， from 20 Hz to 2000 Hz. The diameter of towed array is thinner than 30 mm， and the number of its elements is up to 64. Fiber laser hydrophone technology is coming into application from laboratory. We believe that the researches on practical application are of great importance.

fiber laser； hydrophone； array； towed

TB 565

A

2015-08-04

2015-09-25

國家863 計劃課題（2013AA09A413， 2014AA093406）；中國科學(xué)院重大儀器研制項目（ZDYZ2012-1-08-03）

張文濤（通訊作者），博士，項目研究員，碩士研究生導(dǎo)師，研究方向為光纖傳感技術(shù)，E-mail：zhangwt@semi.ac.cn；李芳，博士，研究員，博士研究生導(dǎo)師，研究方向為光纖傳感技術(shù)及光電子及信號處理技術(shù)。