潮科技 | 光纖鐳射水聽器研究進展
編者按：本文是36氪“邊界計劃”的轉載內容，來自微信公眾號“ MEMS ”（ID：MEMSensor）；36氪經授權轉載。
一、引言
聲波是人類已知的唯一能在海水中遠距離傳輸的能量形式。水聽器(Hydrophone)是利用在海洋中傳播的聲波作為資訊載體對水下目標進行探測以及實現水下導航、測量和通訊的一類感測器。由於水下軍事防務上的要求和人類開發利用海洋資源的迫切需要，水聽器技術得到空前的發展。傳統的水聽器包括電動式、電容式、壓電式、駐極體式，等等。
20世紀70年代以來，伴隨著光導纖維及光纖通訊技術的發展，光纖水聽器逐漸成為新一代的水聲探測感測器。與傳統水聽器相比，其最大優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、動態範圍大、水下無電、穩定性和可靠性高、易於組成大規模陣列等優點。現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，光纖鐳射水聽器(FLH)就是一種光柵型水聽器，但由於它的感測元件光纖鐳射器(又稱有源光纖光柵)相比於無源光纖光柵具有高功率和極窄線寬的特點，配合上基於光纖干涉技術的解調方法，它的微弱訊號探測能力相比於普通的無源光纖光柵水聽器可以提高几個數量級。
壓電式水聽器和干涉式光纖水聽器是目前應用最廣泛的水聲探測器件。與干涉式光纖水聽器相比，壓電式水聽器技術更加成熟，結構和製作工藝更簡單，大規模生產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、動態範圍大則是光纖水聽器最大的優勢。尤其在一些特殊領域(例如高溫高壓的深井油氣勘探領域)有著比壓電水聽器更為廣闊的應用前景。與干涉式光纖水聽器相比，光纖鐳射水聽器的最大優勢在於易複用，即“串聯即成陣”。同時，受彎曲半徑影響，干涉式光纖水聽器的體積較大，水聽器直徑通常大於 1cm。而由於光纖鐳射型水聽器結構簡單，感測單元僅為一根光纖的尺寸，光纖鐳射水聽器外徑可細至 4～6mm。當然，受光纖鐳射器本身弦振動及系統1/f噪聲影響，加速度響應較大、低頻段噪聲相對較高是目前光纖鐳射型水聽器存在的主要問題之一，有待進一步摸索和改進。
二、光纖鐳射水聽器基本原理
⒈ 光纖鐳射器及光纖鐳射水聽器原理
圖1 光纖鐳射器製備原理圖
分散式反饋(DFB)光纖鐳射器是通過在有源光纖上刻寫π相移光柵進而形成的，其常見製作原理如圖1所示。採用高壓載氫方法進行有源光纖的增敏，利用248nm的準分子鐳射器配合相位掩模版採用遮擋法進行光纖鐳射器的製作。通過耦合模理論和模擬分析可以得到光纖鐳射器的π相移區、有源區介質引數、鐳射器溫度分佈對光纖鐳射器噪聲特性的影響。鐳射的製作工藝引數主要包括準分子鐳射器的光強、曝光時間、寫入柵區的長度、有源區摻雜濃度、耦合係數等。鐳射器實物如圖2所示。
圖2 光纖鐳射器實物圖
通過工藝引數的控制，光纖鐳射器的線寬可以控制在10kHz以內。圖3為通過外差法測試鐳射器的線寬，約為3kHz。
圖3 光纖鐳射器線寬測試結果
每一根製作好的光纖鐳射器都具有特定的輸出中心波長。輸出中心波長會因光纖鐳射器受到的外界作用而發生變化，例如溫度、應力、壓力等。當聲壓作用在光纖鐳射器上時會引起光纖徑向及軸嚮應力，從而導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訊號，這就是光纖鐳射水聽器的原理。早期的光纖鐳射水聽器就是直接利用裸露的光纖鐳射器感受水聲壓，後來經過不斷髮展，靈敏度和頻響特性逐漸優化，光纖鐳射水聽器走向實用。
⒉ 光纖鐳射水聽器系統
一個完整的光纖鐳射水聽器系統除了包括置於水環境中的光纖鐳射感測器探頭，還包括船載或放在岸上的光纖鐳射解調裝置，通常被分別稱為“溼端”和“幹端”，二者之間通過光纜連線。在溼端部分，由於光纖鐳射器具有波長編碼特性，不同中心波長的光纖鐳射器可以被封裝成不同的水聽器單元，然後串聯形成水聽器陣列。這樣，就可以僅通過一根光纖同時傳輸若干光纖水聽器採集到的水聲資訊。在幹端部分，泵浦源模組為光纖鐳射器串提供泵浦光，反射回來的光訊號先經過非平衡光纖干涉儀進行干涉，經過密集型波分解複用器將不同波長的光訊號分開進入光電探測器陣列，通過模數轉換及特定的解調演算法，承載在光訊號中的水聲資訊就被還原出來了。一個典型的基於相位產生載波(PGC)技術的光纖水聽器系統如圖4所示。
圖4 光纖鐳射水聽器系統
三、國內外研究進展與趨勢
溼端部分的水聽器探頭作為系統的最前端，其靈敏度、頻率響應、穩定性、抗加速度效能等決定了系統能否在複雜的水下環境中探測到有效的水聲訊號。水聽器的設計及製造水平，對光纖鐳射水聽器技術最終能否實用化至關重要。許多國家的研究人員都對其進行了深入研究。
國外主要的光纖鐳射水聽器研究單位包括美國海軍實驗室(NRL)、英國防衛研究局(DERA)、瑞典國防科研機構(FOI)、澳大利亞國防科技組織(DSTO)等，部分研究成果已經成品化，在軍事、海洋勘探等領域得到應用。
早在1992年，美國海軍實驗室Kersey等利用臂長差很短的低相干馬赫-曾德干涉儀解調FBG，這種波長-相位轉換的方法為高解析度的光纖鐳射解調提供了可行的技術途徑。1993年，他們使用該方法對窄線寬的光纖鐳射器進行解調，獲得了高達7×10－8Pm/√Hz@7kHz的波長解析度。此後，他們研究用於應變感測器的4元光纖鐳射感測器，為光纖鐳射水聽器的發展提供重要參考。
1999年，英國國防研究局的Hill等將光纖鐳射器用作水聽器，並分別採用了裸的光纖鐳射器和彈性材料塗敷的光纖鐳射器進行水聲訊號檢測。塗敷材料長度為200mm，直徑為5mm。雖然在該次實驗中，塗敷的光纖鐳射器靈敏度相比裸的光纖鐳射器沒有顯著提高，但是頻率響應更加平坦。2005年，在第17屆光纖感測會議上，Hill等報道了4元光纖鐳射水聽器陣列的海試。
自2000年起，瑞典國防科研機構開展了一系列關於光纖鐳射水聽器的研究，目的在於開發一種便於布放的輕型拖曳聲納。為了增加光纖鐳射水聽器的靈敏度，以達到與海洋噪聲相當的探測水平，FOI設計了一種活塞結構的光纖鐳射水聽器，它的應變/壓力靈敏度可以達到1.17×10－81/Pa，共振頻率高於3kHz。2005年，FOI在Bjurshagen開展了基於4波長 DFB光纖鐳射水聽器的海上拖曳實驗，並對陣列的流噪聲特性進行了測試。
2002年，澳大利亞國防科技組織(DSTO)與泰雷斯水下系統(Thales Underwater System)公司達成協議，合作深入開發光纖水聽器技術，以將該技術用於防衛及商用系統。2005年，DSTO的Fostor等提出了一種機械支撐的光纖鐳射水聽器結構。隨後為了進一步適應水下工作環境的靜壓強，Goodman等對該結構進行了改進，通過引入彈性氣囊來實現靜壓平衡。2009年報道了四基元光纖水聽器海試情況，水聽器尺寸為8mm×73mm，裝配後為13mm×190mm，用臂差為30m的干涉儀解調得到聲壓靈敏度為－140dB re 1pm/μPa。該水聽器系統的噪聲水平與零級海況相當，工作深度大於30m，可以成功探測到目標航跡。2010年，泰雷斯Bedwell等對光纖鐳射水聽器的透射譜、噪聲壓、聲壓靈敏度頻響特性、溫度特性等進行了細緻地研究，感測器一致性是走向應用化的必要途徑，同時報道了以8元光纖鐳射水聽器為基的拖曳陣列。
澳大利亞新南威爾士大學在光纖鐳射水聽器方面也進行了較多的研究工作。2010年，Asrul等報道了增敏的複合腔光纖鐳射水聽器(CCFL)，利用了CCFL固有的非線性相位條件實現增敏。它由3個FBG串聯構成兩個不同長度的腔，一個腔產生響應，就能實現增敏。理論估計，其增敏效果與普通的相比提升40dB。實驗驗證，與普通的相比提升了14dB。
在幹端的解調技術方面，為了實現高精度的水聲探測，一般採用基於光纖干涉儀的方法。這樣，對於光纖鐳射水聽器的解調，基本上完全可以採用干涉式水聽器的解調技術。所不同的是，對於光纖鐳射水聽器，鐳射器(光源)在溼端，而光纖干涉儀在幹端；而干涉式光纖水聽器恰好相反。基於干涉儀的解調方法主要有相位跟蹤法、外差法、相位產生載波法、基於3×3耦合器的解調方法等，波長解析度可高達10－7。
在我國，光纖鐳射水聽器技術主要集中在2000年以後，典型的研製單位包括中國科學院半導體研究所、國防科學技術大學、海軍工程大學、山東省科學院鐳射研究所等，山東大學、浙江大學、暨南大學等也開展了相關的基礎研究工作。現階段我國大多數研製單位在探頭技術及複用技術的基礎研究中傾注更多精力。
2009年，國防科技大學馬麗娜等報道了平坦頻響和高聲壓靈敏度的DFB光纖鐳射水聽器結構。其方案是在裸光纖鐳射器外套金屬殼和聚合物層，用來感受聲壓，兩端固定在毛細管上。它的聲壓靈敏度高達102.77dB re 1Hz/Pa，2.5 kHz內頻響平坦，起伏少於1.5dB。海軍工程大學譚波等報道了分佈反饋光纖鐳射水聽器封裝結構的設計。針對水聲探測時頻響曲線起伏較大的問題，設計了一種開孔套管式封裝結構、夾層式水聽器結構等。通過對DFB 鐳射器的封裝，使其張緊後被聚氨酯固定於開孔套筒的中心軸線上，利用開孔套管的保護作用以及施加於光纖鐳射器兩端的拉力來抑制水聲探測過程中頻響曲線的起伏。試驗結果顯示，光纖鐳射水聽器在20～800Hz的聲壓靈敏度達到－140dB re 1pm/μPa左右，靈敏度起伏不高於±1.5dB。
2012年，山東省科學院Sun等對光纖鐳射器進行封裝，並研製了基於波分複用的4元 DFB光纖鐳射水聽器陣列。此陣列平坦的聲壓響應為115±3dB re 1Hz/Pa，頻率範圍20Hz～20kHz。
綜上所述，光纖鐳射水聽器技術經過二十年的發展，逐漸走向成熟，從實驗室基礎研究逐漸擴充套件為應用研究，並且開展了有針對性的水下應用試驗。一方面，我們看到了光纖鐳射水聽器有著獨特的優勢，相關的應用研究必然會得到更廣泛的關注，有著廣闊的應用前景。另一方面，隨著研究的深入，更多的問題接踵而至，如系統的穩定性、大規模複用、抗環境干擾等，成為目前亟待解決的問題。總體上講，我國的光纖鐳射水聽器技術發展水平與國際知名的團隊相比，尚有五至十年的差距，開展好實用化研究是當務之急。
四、中國科學院半導體研究所研究進展
中國科學院半導體研究所在光纖鐳射水聽器基礎理論和應用方面都開展了深入的研究，具體內容涉及分散式反饋光纖鐳射器的研製、解調技術、水聽器的封裝技術、陣列技術等多個方面，完成多次外場試驗，部分研究成果成功轉化進軍、民領域的行業應用。下面，本文將總結2005年以來中國科學院半導體研究所有關光纖鐳射水聽器相關技術的研究工作，主要包含聲壓式水聽器技術、向量水聽器技術、水聽器陣列技術、外場實驗及行業應用等。
⒈ 光纖鐳射聲壓式水聽器
早期的水聽器都是感測聲場的聲壓(標量)的，這其中涉及兩項關鍵技術，增敏和頻響控制。從結構上講，對光纖鐳射水聽器而言，最簡單、直接的聲壓感測方式就是將裸露的光纖鐳射器直接置於聲場之中。聲壓沿著徑向直接作用於光纖，根據虎克定律，光纖會產生軸向變形。但是這種感測方式的靈敏度極低。因此，最先提出了裸光纖鐳射器包覆有機彈性材料的增敏方式。這種增敏方法可以極大地增加受壓面積，從而提高感測器的靈敏度。但是塗覆材料的一致性難以保證，且塗覆半徑不能無限制的增加。因此如何進一步提高靈敏度成為該項研究的熱點。2008年，張文濤等首次提出了基於雙膜片結構的光纖鐳射水聽器。
圖5 雙膜片光纖鐳射水聽器
如圖5和圖6所示，光纖鐳射器的兩端分別固定在兩個膜片中心，當外界聲壓通過透聲橡膠傳入感測器殼體，會同時使得兩個膜片反向變形，進而拉伸光纖鐳射器產生增敏應變。這種增敏方式直接利用聲壓產生光纖的軸嚮應變，不再需要通過塗覆材料的泊松效應傳遞，因此靈敏度有了極大的提高。起初製成的感測器獲得－163dB re 1pm/μPa的靈敏度；後續通過引數調整及不斷地改進，目前水聽器在20～2000Hz頻響寬度內，靈敏度達－140dB re 1pm/μPa。
圖6 光纖鐳射水聽器實物圖
頻響控制是聲壓式水聽器的另一項關鍵技術，這是由於應用於不同環境的水聽器需要相應的頻響區間、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。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等提出了一種具有低通濾波能力的光纖鐳射水聽器。如圖7所示，它是在膜片式光纖鐳射水聽器基礎上添加了聲低通濾波結構實現的頻響變換，利用電聲理論可以對感測器的頻響行為給出詳細解釋。
圖7 具有低通濾波特點的光纖鐳射水聽器
同年，通過對聲學共振腔的改進設計，Zhang等提出了具有帶通濾波功能的光纖鐳射水聽器(圖8)，這在水聽器領域具有很大的實用價值。如圖9所示，它的頻率響應具有明顯的帶通濾波特點，可以在100～400Hz形成平坦的響應。
圖8 具有帶通濾波特點的光纖鐳射水聽器
圖9 帶通光纖鐳射水聽器頻響結果
⒉ 光纖鐳射向量水聽器
聲場除了聲壓大小的標量資訊，還包括聲向量資訊，即聲壓梯度、質點振速、質點加速度等，可以探測這些聲向量引數的水聽器統稱為向量水聽器。向量水聽器的重要應用之一就是低頻目標定位。軍事上，隨著目標頻率的降低，所要求的聲壓水聽器陣列尺寸會急劇增大，當目標頻率為10Hz以下時，用到的標量水聽器陣列就須長達數百米甚至上千米。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。向量水聽器具有單元定向、線陣列定位的特點，在水聲工程領域具有良好的應用前景，是20世紀80年代以來水聲領域的研究熱點之一。
中國科學院半導體研究所主要開展了基於光纖鐳射器的同振型質點加速度向量水聽器的研究。通過光纖鐳射加速度計來測量聲場中質點的振動加速度。採用適當的懸掛系統使向量水聽器在聲場中與質點保持“同振”。2011年，馬睿等先後報道了基於“V”型曲折樑結構的二維細長型光纖鐳射向量水聽器(圖10)。
圖10 二維光纖鐳射向量水聽器結構
基於“V”型曲折樑的高靈敏度換能結構，根據彈性力學與振動理論給出了該結構的靈敏度和諧振頻率，並與現有的一些結構進行了對比，歸納出影響靈敏度與諧振頻率的關鍵因素，探討了在不降低諧振頻率的前提下提高靈敏度的方法。建立了該曲折樑結構的三維有限元模擬模型。由模擬得出，該結構的光纖鐳射向量水聽器在250Hz的諧振頻率下可達81.3pm/g的靈敏度。二維向量水聽器的實驗測試結果顯示，它在x、y兩個方向上獲得的加速度靈敏度分別為39.2pm/g和53.2pm/g，指向性響應超過20dB。
2012年，Zhang等首次詳細報道了三維細長型光纖鐳射向量水聽器，如圖11所示。外徑小於5cm，通過對各向量方向的測試，該感測器的指向性響應超過30dB(圖12)。此種結構感測器具有細長型、光路簡單、易成陣、指向性好等優點，具有較高的實用價值。
圖11 三維光纖鐳射向量水聽器
圖12 向量水聽器周向指向性測試結果(x和y方向)
⒊ 光纖鐳射水聽器陣列技術
2007年起，半導體研究所課題組逐漸開展光纖鐳射水聽器(標量)陣列技術的研究，主要圍繞三個方面進行：水聽器的一致性問題；陣列的功率均衡問題；光纖鐳射水聽器的成陣工藝。首要攻克的難題是感測器頻響一致性及相位一致性控制。進行了大批量的封裝試驗(圖13)，經過多次的結構優化和封裝工藝的不斷完善，目前的光纖鐳射水聽器小批量(20支)靈敏度差異小於3dB，單支水聽器自身頻響優於±1.5dB(圖14)，相頻一致性優於 5°，單支水聽器自身同頻點相位長期穩定性優於2°(圖15)。
圖13 光纖鐳射水聽器批量封裝
圖14 同一批次光纖鐳射水聽器頻率響應
圖15 光纖鐳射水聽器相頻響應測試結果
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水聽器的數目。早在2008年，課題組就實現了16元光纖鐳射器的串聯複用。然而，要想製成光纖鐳射水聽器陣纜，功率均衡是重要的評價指標之一。由於光纖鐳射器製作工藝的差異性、感測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，隨機串聯的8元光纖鐳射水聽器陣列的最大功率差異可達到15～20dB。過大的光功率差異對解調結果的準度及各通道動態範圍是有影響的。所以，通過長期對光纖鐳射器製作工藝、光纖水聽器封裝工藝及串聯熔接工藝的摸索和改進，現製成8元光纖鐳射水聽器陣纜最大功率差異小於5dB(圖16)，這樣的功率差異性在實際應用中就幾乎沒有影響了。
圖16 8元光纖鐳射水聽器陣纜激射光譜
一個光纖鐳射水聽器溼端纜結構通常包括水聲感測段及前後減振段，如圖17所示。水聽器設定在水聲感測段，外套為PU管，內部利用支撐件等間距固定水聽器。纜內充油，一則為了保障透聲性，二則調整纜密度與水密度近似。水聲感測段前後分別設有前減振段和後減振段，防止水聽器陣纜在拖曳過程中的大幅抖動，保障水聲感測段平直滑行。
圖17 光纖鐳射水聽器陣纜結構原理圖
目前，課題組已經研製的光纖鐳射水聽器陣列為64元，道間距1～5 m，陣列外徑小於30mm，陣列噪聲小於55dB(ref：1μPa/√Hz@1kHz)。
⒋ 光纖鐳射水聽器及陣列外場試驗
2009年，半導體研究所聯合中國科學院聲學研究所在浙江千島湖進行了8元陣光纖鐳射水聽器陣與16元壓電水聽器陣的對比湖試。湖試包括靜態測試與拖曳測試。在靜態測試中，光纖鐳射水聽器陣列與壓電水聽器陣列(道間距均為1m)並排布放，水下聲源距離陣列3km，測試結果如圖18所示。
圖18 光纖水聽器和壓電水聽器的功率譜密度
對於同一訊號的測試結果，光纖水聽器獲得更優的功率譜密度，更平坦的噪聲頻響，更高的信噪比。
在拖曳試驗中，利用光纖鐳射水聽器陣列對聲源進行判向。圖19為光纖鐳射水聽器陣纜在4節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 光纖鐳射水聽器纜在
4節拖曳速度下的方位歷程圖
2013年，為研究光纖水聽器陣纜的流噪聲特性，再次在浙江千島湖進行了不同航速下的拖曳測試。試驗獲得了清晰的流噪聲響應，為拖曳纜體的應用和改進提供了重要參考。如圖20所示，黑色線資料為水下靜止時的頻率響應譜，紅色線資料為3節速度下的拖曳響應。
圖20 光纖鐳射水聽器陣纜流噪聲響應
2013年和2014年，先後兩次搭乘南海海洋研究所“實驗2號”科考船，分別在南海海域對4元光纖鐳射水聽器陣纜和8元光纖鐳射水聽器陣纜進行了海上測試，獲得了寶貴的試驗結果(圖21和圖22)。
圖21 2013年4元陣纜海上試驗
圖22 2014年8元陣纜海上試驗
⒌ 行業應用
在石油勘探領域，光纖鐳射水聽器可以應用於地震波 P 波的監測，經過特殊封裝後可製成光纖鐳射檢波器。其無漏電、耐高溫、耐高壓、長距離傳輸的優勢在井下石油勘探(如垂直地震剖面)中尤為突出。2010年，課題組在遼河油田進行了光纖鐳射檢波器的3000m油井測試。試驗採用4元光纖鐳射檢波器列，與石油行業傳統的動圈式電學感測器同時下井對比(圖23)。在1250m井深光纖鐳射檢波器和動圈式檢波器同時探測到了地震波訊號。通過 5～40Hz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，課題組已經成功研製了16元光纖鐳射檢波器(道間距10m，可定製)並在油氣勘探行業中得到應用。
圖23 遼河油田井下試驗照片
圖24 光纖鐳射檢波器(左) 和動圈式檢波器(右)測試結果
在地震監測領域，可將光纖鐳射水聽器整合到光纖鐳射地震儀中，在液體介質下可用作 P波的監測或者地聲分量的監測。事實上，通過改變光纖鐳射器的封裝方式，光纖鐳射感測器也可用於S波的監測。2011年，課題組在雲南省普洱市進行了鑽孔地震試驗。研製的光纖鐳射地震儀包含有地震分量、地聲分量，與電學地震儀同時下井對比(圖25)，下井深度400m。下井後的第二天就捕獲到了當地思茅地區里氏1.2級地震，如圖26，可明顯看出光纖鐳射地震儀的信噪比優於電學感測器。
圖25 光纖鑽孔地震儀下井照片
圖26 電學地震儀(上)和 光纖鐳射地震儀(下)記錄結果
五、結論
本文闡述了光纖鐳射水聽器的基本原理，介紹了國內外光纖鐳射水聽器的研究進展以及發展趨勢，同時，詳細列舉了2005年以來中國科學院半導體研究所在光纖鐳射水聽器技術方面的研究工作。未來的十至二十年是光纖鐳射水聽器陣列技術從實驗室走向應用的重要階段，世界範圍內的競爭重點將轉移到如何大規模提高陣元數量，如何解決百公里級的長距離傳輸問題，如何降低幹端系統複雜度，以期在實用中得到更高的目標分辨能力。石油勘探、地震監測等已經被證實是光纖鐳射水聽器技術的優勢領域。隨著研究的進一步深入、工程化技術進一步成熟，光纖鐳射水聽器必將在更多合適的領域中發揮作用。