從“馬航事件”淺析光纖水下聲音探測技術(shù)

馬航事件，暴露出各國的先進(jìn)技術(shù)對于水下搜尋、探測的無奈。近年，我國在光纖水下聲音探測關(guān)鍵性技術(shù)上取得了一定的突破，但大多還處于理論和實驗室階段，需要加快研究的步伐，從而提升我國水下探測科技實力。

馬航客機MH370失聯(lián)事件發(fā)生已經(jīng)一段時間，雖然搜索工作仍在繼續(xù)，但大家已經(jīng)慢慢接受了客機墜毀的事實，對于該事件的關(guān)注度也已漸漸趨于平靜。在過去的這段時間中，搜索區(qū)域北到中亞地區(qū)，南至南印度洋，東至南中國海，西及安達(dá)曼海，最多時有26個國家參與搜尋，無論從搜索區(qū)域及規(guī)模，均創(chuàng)造國際救援的新紀(jì)錄，但至今仍未有客機的任何消息。在大規(guī)模的空中、海面和水下搜尋無果后，目前的搜救行動進(jìn)入最有希望，也是最艱難的階段，搜尋區(qū)域延伸向更為廣闊、也更深的印度洋。各國采用更多深海探測與搜尋裝備，挑戰(zhàn)人類至今未知的海底世界。但是也是這采用更多深海探測與搜尋裝備，向更深一層海域進(jìn)發(fā)的行動過程中，暴露出各國的先進(jìn)技術(shù)對于水下搜尋、探測的無奈，進(jìn)行水下搜尋與探測技術(shù)基本雷同，人類對于水下探測與搜尋基本靠“聲”。

試著把耳朵放進(jìn)水里，看看能聽到什么聲音？這些聲音又源自何方？在與陸地環(huán)境完全不同的深海中，聲音的傳播也會出現(xiàn)讓人意想不到的變化：海水會放“煙霧彈”，這正是在監(jiān)聽和定位失聯(lián)航班MH370的黑匣子信號時搜救隊所面臨的巨大難題。人類的聽力系統(tǒng)并非為水中環(huán)境而設(shè)計，潛入水后“聽”到的一切都變得模糊起來，仿佛一切水下的東西都在朦朧的聲音中變得緩慢而壓抑，而極深的海底則是一片絕對寂靜。事實上，聲音能以五倍于空氣中的速度在水中傳播。一系列高科技產(chǎn)品，比如水下測音器、聲吶浮標(biāo)和拖曳式聲波定位器都在對海底進(jìn)行顯微鏡式的監(jiān)察。平時，這些替代了人耳的機器能在海底檢測到全球海洋和天氣變化，包括地震和別國的海軍動向。然而它們還是會受到水中聲波的影響，因為聲音在水底“不走尋常路”，隨時會受到水體密度影響而改變傳播方向，有時甚至能作90°轉(zhuǎn)向，“避開”探測儀器，這無疑又為水下探索黑匣子信號增加了難度。飛機黑匣子的信號有非常高的音頻，超過人耳可聽見的最高音頻。這樣，黑匣子的信號雖然傳不遠(yuǎn)，但有助于搜救隊對它進(jìn)行精確定位。水下也有噪音污染。不同的聲音在水中運動，非常有可能會影響到黑匣子傳出的聲音信號。為了保證搜救任務(wù)順利開展，澳大利亞政府已經(jīng)采取措施減少了搜索海域內(nèi)的海洋交通密度。

水下測音器、聲吶浮標(biāo)和拖曳式聲波定位器等水下聲音探測設(shè)備基本都是基于水下聲納技術(shù)，而水下聲納技術(shù)的應(yīng)用重點就是在水域反恐安保。目前水域監(jiān)控安全措施多數(shù)集中覆蓋水面以上的區(qū)域，而水下區(qū)域安保環(huán)節(jié)薄弱，恐怖勢力或敵對方面有可能利用潛艇、水下蛙人、機器人以及小型水下運載器等乘虛而人，對水域設(shè)施進(jìn)行破壞，造成重大財產(chǎn)損失，使人員安全受到威脅。因此，建立完備的水下安保機制，對重點水域?qū)嵤﹪?yán)密監(jiān)控，保證關(guān)鍵設(shè)施的安全是國防安全的重中之重。目前，世界各國進(jìn)行水下防護(hù)與監(jiān)控的最主要的手段便是運用探測聲納系統(tǒng)。聲吶，是一種利用聲波在水下的傳播特性，通過電聲轉(zhuǎn)換和信息處理，完成水下探測和通信任務(wù)的電子系統(tǒng)設(shè)備。二戰(zhàn)時期，德軍創(chuàng)造了海戰(zhàn)史上著名的“狼群戰(zhàn)術(shù)”，聲吶在德軍潛艇發(fā)現(xiàn)與摧毀目標(biāo)過程中發(fā)揮了巨大作用。

然而2009年2月，一次不可思議的英法潛艇水下“親密接觸”事件，把“聲吶”這個既古老又飽含現(xiàn)代高科技味道的名詞呈現(xiàn)在了世人面前。在這次事件中，英國核潛艇“前衛(wèi)”號與法國核潛艇“凱旋”號在大西洋水下發(fā)生了猛烈的相撞事故。外電評論指出，兩艘潛艇在大洋水下游弋，就好像在一個巨大的體育館里讓兩只小蜜蜂飛來飛去，它們能否相撞，關(guān)鍵還是決定于雙方的眼睛和耳朵功能，而聲吶系統(tǒng)便是潛艇的眼睛和耳朵，它被譽為水下對抗的殺手锏。是什么問題導(dǎo)致了潛艇的碰撞？聲納系統(tǒng)還存在哪些不足？……

聲吶是英文縮寫SONAR的音譯，其英文全稱為“Sound Navigation And Ranging”（聲音導(dǎo)航與測距），是一種利用聲波在水下的傳播特性，通過電聲轉(zhuǎn)換和信息處理，完成水下探測和通訊任務(wù)的電子設(shè)備，有主動式和被動式兩種類型。

主動聲吶：聲吶主動發(fā)射聲波“照射”目標(biāo)，而后接收水中目標(biāo)反射的回波以測定目標(biāo)的參數(shù)。大多數(shù)采用脈沖體制，也有采用連續(xù)波體制的。它由簡單的回聲探測儀器演變而來，它主動地發(fā)射超聲波，然后收測回波進(jìn)行計算，適用于探測冰山、暗礁、沉船、海深、魚群、水雷和關(guān)閉了發(fā)動機的隱蔽的潛艇。

被動聲吶：被動接收艦船等水中目標(biāo)產(chǎn)生的輻射噪聲和水聲設(shè)備發(fā)射的信號，以測定目標(biāo)的方位。它由簡單的水聽器演變而來，它收聽目標(biāo)發(fā)出的噪聲，判斷出目標(biāo)的位置和某些特性，特別適用于不能發(fā)聲暴露自己而又要探測敵艦活動的潛艇。

如果說主動聲納就是嘴和耳朵，從喊出聲音到聽到回聲，判定目標(biāo)距離位。那么，被動聲納就只有耳朵，聽各種聲音，只能估算出位置方位 。

主動聲吶，主動發(fā)射超聲波，然后收測目標(biāo)回波進(jìn)行判斷,測試準(zhǔn)確度較高，但容易暴露，被發(fā)現(xiàn)，不適合用于隱蔽性探測場所。被動聲吶，能夠隱蔽收聽目標(biāo)發(fā)出的噪聲，判斷出目標(biāo)的位置和特性，但測試的準(zhǔn)備度不高。而應(yīng)對水下聲吶技術(shù)，各國也在大力進(jìn)行反聲吶系統(tǒng)的研究與開發(fā)。反聲吶系統(tǒng)，可以吸收聲吶波，目前大致可以做到吸收96%的總聲吶波，只反射回4%，這樣對方聲吶就很難發(fā)現(xiàn)潛艇的存在。而同時，各國潛艇的降噪水平越來越高，反探測能力越來越強。

目前水聲探測所用的水聽器一般都是聲壓水聽器，它只能得到聲場的聲壓標(biāo)量。而水下環(huán)境的特殊性使得聲波成為主要的信息傳輸工具，同時也對電磁類器件在水下的長期使用提出了諸多限制。傳統(tǒng)的壓電陶瓷具有噪聲大、動態(tài)范圍小、抗電磁干擾與信號串?dāng)_能力差、結(jié)構(gòu)笨重、不適于遠(yuǎn)距離傳輸、組網(wǎng)等缺點。

光纖水聽器是建立在光纖、光電子技術(shù)基礎(chǔ)上的水下聲信號傳感器,它能將水聲信號轉(zhuǎn)換成光信號,再通過光纖傳至信號處理系統(tǒng)從而提取聲信號信息,具有探測靈敏度高,頻響特性好,頻帶寬,動態(tài)范圍大,抗電磁干擾、耐靜壓及抗腐蝕能力強,體積小、重量輕等特點,還有易于全天候?qū)崟r探測和識別、易于集成化以及網(wǎng)絡(luò)化等優(yōu)點。光纖水聽器按原理可分為干涉型、強度型、光柵型等。

干涉型

干涉型光纖水聽器是基于光學(xué)干涉儀的原理構(gòu)造的。圖1是基于幾種典型光學(xué)干涉儀的光纖水聽器的原理示意圖。

圖1（a）是基于Michelson光纖干涉儀光纖水聽器的原理示意圖。由激光器發(fā)出的激光經(jīng)3dB光纖耦合器分為兩路:一路構(gòu)成光纖干涉儀的傳感臂，接受聲波的調(diào)制，另一路則構(gòu)成參考臂，提供參考相位。兩束波經(jīng)后端反射膜反射后返回光纖耦合器,發(fā)生干涉，干涉的光信號經(jīng)光電探測器轉(zhuǎn)換為電信號，經(jīng)過信號處理就可以拾取聲波的信息。

圖1（b）是基于Mach2Zehnder光纖干涉儀光纖水聽器的原理示意圖。激光經(jīng)3dB光纖耦合器分為兩路，分別經(jīng)過傳感臂與參考臂，由另一個耦合器合束發(fā)生干涉，經(jīng)光電探測器轉(zhuǎn)換后拾取聲信號。

圖1（c）是基于Fabry2Perot光纖干涉儀光纖水聽器的原理示意圖。由兩個反射鏡或一個光纖布拉格光柵等形式構(gòu)成一個Fabry2Perot干涉儀，激光經(jīng)該干涉儀時形成多光束干涉，通過解調(diào)干涉的信號得到聲信號。

圖1（d）是基于Sagnac光纖干涉儀光纖水聽器的原理示意圖。該型光纖水聽器的核心是由一個3×3光纖耦合器構(gòu)成的Sagnac光纖環(huán)，順時針或逆時針傳播的激光經(jīng)信號臂時對稱性被破壞，形成相位差，返回耦合器時干涉，解調(diào)干涉信號得到聲信號。

基于Sagnac干涉儀光纖水聽器的優(yōu)點：①光源的相位噪聲將不轉(zhuǎn)換為系統(tǒng)的強度噪聲，而基于Michelson及Mach-Zehnder干涉儀，其光源相位噪聲將轉(zhuǎn)換為系統(tǒng)噪聲；②不要求窄帶光源，可用寬帶超熒光光源代替；③偏振衰落被最小化。但基于Sagnac干涉儀的光纖水聽器也有缺點，如低頻不敏感，進(jìn)行多路復(fù)用時困難較大。

圖1：基于光纖干涉儀的光纖水聽器原理示意圖

圖2：微彎光纖水聽器原理示意圖

強度型

強度型光纖水聽器基于光纖中傳輸光強被聲波調(diào)制的原理，該型光纖水聽器研究開發(fā)較早,主要調(diào)制形式有光纖微彎式、光纖絞合式、受抑全內(nèi)反射式及光柵式。

微彎光纖水聽器是根據(jù)光纖微彎損耗導(dǎo)致光功率變化的原理而制成的光纖水聽器。其原理如圖2所示:兩個活塞式構(gòu)件受聲壓調(diào)制，它們的頂端是一帶凹凸條紋的圓盤，受活塞推動而壓迫光纖，光纖由于彎曲而損耗變化，這樣輸出光纖的光強受到調(diào)制，轉(zhuǎn)換為電信號即可得到聲場的聲壓信號。

光纖光柵型

光纖光柵水聽器是以光柵的諧振耦合波長隨外界參量變化而移動為原理。目前光纖光柵水聽器一般基于光纖布拉格(Bragg)光柵構(gòu)造，如圖3所示，當(dāng)寬帶光源（BBS）的輸出光波經(jīng)過一個光纖布拉格光柵（FBG）時，根據(jù)模式耦合理論可知，波長滿足布拉格條件λB = 2 neffΛ的光波將被反射回來，其余波長的光波則透射。式中λB為FBG的諧振耦合波長，也即中心反射波長，neff為纖芯有效折射率，Λ為光柵柵距。當(dāng)傳感光柵周圍的應(yīng)力隨水中聲壓變化時，將導(dǎo)致neff或Λ 的變化，從而產(chǎn)生傳感光柵相應(yīng)的中心反射波長偏移，偏移量由ΔλB = 2ΔneffΛ + 2 neffΔΛ確定，這樣就實現(xiàn)了水聲聲壓對反射信號光的波長調(diào)制。所以，通過實時檢測中心反射波長偏移情況，再根據(jù)Δneff 、ΔΛ與聲壓之間的線性關(guān)系，即可獲得聲壓變化的信息。

圖3：光纖光柵水聽器原理示意圖

對于強度型而言，光源的起伏、光纖彎曲、連接損耗和探測器老化等因素都會影響測量精度。干涉型靈敏度高，信號經(jīng)光纖傳輸損耗小，無串?dāng)_，能在惡劣的水下、地下環(huán)境中實現(xiàn)長期、穩(wěn)定工作。但是要觀察干涉條紋的變化，這就要求干涉條紋清晰，要得到清晰的干涉條紋，兩路干涉光必須光強相等、單色性好。而光纖光柵傳感器除具有普通傳感器的優(yōu)點外，又因為它的傳感信號是波長調(diào)制,不受光源強度的起伏變化影響，能方便的使用波分復(fù)用技術(shù)在一根光纖中串接多個Bragg光纖光柵進(jìn)行分布式測量。

美國海軍研究實驗室于1976年發(fā)表了第一篇有關(guān)光纖水聽器的論文，這是首次對光纖水聽器進(jìn)行探索性的研究。至今，美國在光纖水聽器研究方面已經(jīng)達(dá)到了較高的水平。由于光纖水聽器幾何形狀的適應(yīng)性.不僅可制成很長的線性傳感器。而且還可制成均勻緊貼艦體的共形傳感器。光纖水聽器的研究雖然取得了相當(dāng)大的進(jìn)步，但距離實現(xiàn)工程化、裝備化還有一定差距。由于水下聲場的復(fù)雜性，光纖水聽器在軍事中主要是以陣列的形式應(yīng)用，低成本實現(xiàn)分布式陣列是光纖水聽器在實戰(zhàn)中得以應(yīng)用的關(guān)鍵。

光纖語音陣列是一種建立在光纖、光電子技術(shù)基礎(chǔ)上的水下三維聲場信號傳感器。它通過高靈敏度的光學(xué)相干檢測，將聲波振速信號轉(zhuǎn)換為光信號，并通過光纖傳至信號處理系統(tǒng)提取聲波信息。系統(tǒng)具有光纖網(wǎng)絡(luò)的特點，可大規(guī)模組陣實現(xiàn)水下大范圍聲學(xué)監(jiān)測。

自上世紀(jì)80年代中期以來，各國對光纖水聽器技術(shù)研究的重點集中在如何利用光纖傳輸損耗低、傳輸帶寬大的特點，并結(jié)合集成光電子器件的最新進(jìn)展，實現(xiàn)對光源、光纖以及光電探測器的多路復(fù)用，用較少的組件形成分布式光纖水聽器陣列。這樣既降低了系統(tǒng)成本，又降低了維護(hù)的復(fù)雜程度。而且通過對陣列信號的處理可以極大地提高整個多路復(fù)用系統(tǒng)的探測性能，獲取更多有關(guān)水下目標(biāo)的信息。

我國在“七五”計劃期間開始了光纖水聽器研究，并在“八五”、“九五”計劃期間列入研究計劃，從實驗室原理性研究到現(xiàn)場水域試驗，也取得一定的進(jìn)展。光纖水聽器研究在“十五”計劃期間繼續(xù)在國內(nèi)多個單位開展，并在關(guān)鍵性技術(shù)上取得了突破性進(jìn)展。但是我國光纖水聽器的研究大多還處于理論和實驗室的層次，實用化、工程化的應(yīng)用程度還不高。隨著現(xiàn)代戰(zhàn)爭環(huán)境的日趨復(fù)雜化，需要更先進(jìn)有效的武器裝備運用到軍事中去。而光纖水聽器作為一種重要裝備，也需要加快研究的前進(jìn)步伐，借鑒國外先進(jìn)技術(shù)。為我國有水域邊防安全服務(wù)，為提升我國的水下科技實力貢獻(xiàn)力量。