潮科技 | 水聲學裡的新秀：光纖水聽器
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。
在浩瀚的海洋中，聲波是迄今為止唯一能夠實現遠距離傳播的能量傳遞形式，聲納裝置則是海上軍事領域的“順風耳”，能夠在遠距離偵聽到潛艇、艦船等發出的聲音漣漪。但是隨著水聲對抗與反對抗技術的發展,特別是安靜型潛艇的出現,其噪聲頻率降低到了百赫茲左右，噪聲水平甚至低於海洋背景噪聲。面對這些大洋“寂靜殺手”的“深呼吸”，傳統的壓電水聽器就顯得頗為力不從心。
近年來，隨著光纖感測技術的發展，基於光纖感測原理的光纖水聽器漸漸引起各國軍事研究領域的關注。與傳統的壓電水聽器相比，光纖水聽器作為一種新型水聲探測器件，其靈敏度更高、甚低頻響應好、響應頻頻寬、動態範圍大，同時還能夠實現上百公里的遠距離訊號傳輸。這些技術優點使得光纖水聽器在低噪聲、低頻水聲訊號檢測中具有獨特的技術優勢，使之更有機會成為安靜型艦艇的“剋星”。
那麼，到底是什麼原因使得光纖水聽器具有這麼突出的技術優點呢？這首先需要從光纖水聽器的技術原理說起。
1 光纖水聽器的技術原理
光纖水聽器是利用水聲訊號對光纖作用，引起光纖中傳播光的強度、偏振、相位等變化從而感知水聲訊號的感測器。經過幾十年的研究發展，光纖水聽器的主流技術方案有兩類：干涉型光纖水聽器和光纖光柵型水聽器。
1.1 干涉型光纖水聽器
干涉型光纖水聽器靈敏度高的主要奧祕，在於感測光纖的長度變化對水聲聲壓的微小波動異常敏感。他通常採用氣背心軸結構，將感測光纖纏繞到一個隨聲壓波動膨脹收縮的柔順心軸上，心軸與感測光纖在聲波的作用下產生伸縮變化，光纖長度隨即發生變化，從而檢測到水聲聲壓的微小波動。
根據聲波的拾取方式，干涉型光纖水聽器可分為標量干涉型光纖水聽器和向量干涉型光纖水聽器。兩者的主要區別在於，單獨一個標量干涉型水聽器只能感受聲波有無，無法判斷聲波的方向，其指向性圖為圓形；而單獨一個向量干涉型水聽器不僅能感受聲波的有無，還能判斷聲波的方向，其典型的指向性圖為“8”字形。
干涉型光纖水聽器既可以單獨使用，也可以連結成一條陣列使用，光纖水聽器陣列可以探測到更遠、更為複雜的水聲訊號。
1.2 光纖光柵水聽器
與干涉型光纖水聽器相比，光纖光柵型水聽器雖然靈敏度稍低，但能夠實現光纖水聽器的小型化和微型化發展，因此光纖光柵型水聽器在一些複雜環境下具有特殊的應用空間。
光纖光柵水聽器是以光纖光柵作為敏感元件，當聲波作用在光纖光柵水聽器上時，光纖光柵的諧振耦合波長隨聲波變化而移動，通過檢測諧振耦合波長的變化即可獲得相應的聲學資訊。
光纖布拉格光柵(Bragg)是目前光纖光柵水聽器的一種典型構造。寬頻光源輸出的光進入光纖布拉格光柵(FBG)後，水聲聲壓對反射訊號光的波長進行調製，檢測中心反射波長的偏移即可獲得聲壓資訊。
光纖光柵水聽器不僅具有干涉型光纖水聽器的高靈敏度、不受電磁干擾、可遠距離傳輸等優點，還具有探頭微型化、便於波分複用等優點。另外，還可以利用在一根光纖上刻寫多個不同波長光柵的方法實現水下多點訊號的同步檢測，這使得細線拖曳陣組陣更加方便，在水下無人航行器軍事領域，這些優點將使得光纖光柵水聽器技術大有可為。
2 光纖水聽器的發展及應用
光纖水聽器自20世紀80年代由美國海軍研究實驗室首次提出後，就在水聲探測領域備受關注，經過四十幾年的不斷研究和發展，目前西方歐美軍事強國已開始裝備和部署，並在應用中體現出強大的優勢。我國對光纖水聽器的研究起步較晚，直到2002年，中科院聲學所、國防科技大學等單位聯合進行第一次光纖水聽器線列陣的海試試驗，但是我國光纖水聽器的發展速度較快，目前國防科技大學、中科院聲學所、航天13所等單位都在開展光纖水聽器的研究，並取得了豐碩成果。
光纖水聽器的優越性使它在軍事、海洋監測、資源勘探等方面具有十分廣闊的應用前景。以光纖水聽器為基元的全光纖水聽器岸基陣、拖曳陣以及舷側陣等已經在相關軍事領域有所應用。美國作為聲納技術的頭號強國，已在“洛杉磯”級、“海狼”級、“弗吉尼亞”級核潛艇上均裝備了寬孔徑陣列光纖水聽器系統。
民用方面，光纖水聽器岸基陣在海洋地震檢測、海洋資源勘探等領域已有所應用。英國QinetiQ公司在海底布放了光纖水聽器陣列，該公司在陸地埋設光纜和光纖加速度計，實現了海陸一體化的立體監測系統。英國Nash公司聯合挪威、智利等國，分別在北海和智利沿海鋪設了9千基元和2萬基元的光纖水聽器陣列系統，對海底石油勘探、地質水文等提供了全面的實時資料。
3 展望
從目前光纖水聽器的技術發展及應用特點來看，未來光纖水聽器將會向著高靈敏度、大動態範圍和微型化的方向發展，光纖水聽器陣列的規模將會越來越大，對低頻微弱水聲訊號的探測能力越來越強。另外，隨著光纖感測技術的發展，基於新原理、新方法的光纖水聽器將會不斷湧現，在不久的將來，這個海洋水聲學“新秀”必將成為各國競相發展和裝備的偵聽利器。