從亞航事件淺析光纖水下聲音探測技術(shù)

昨日（2014年12月28日），亞洲航空公司一架從印度尼西亞飛往新加坡的客機(jī)，航機(jī)編號(hào)為QZ8501失聯(lián)。據(jù)悉，航機(jī)在失聯(lián)前曾要求改變航道，現(xiàn)與地面失去聯(lián)系，至今下落不明。對(duì)此，印尼交通部一名官員說，客機(jī)與地面失去聯(lián)絡(luò)前，飛行員曾請(qǐng)求一條“不尋?！钡暮骄€，以躲避云層，隨后與地面失聯(lián)。亞航在一份聲明中說，客機(jī)在飛行途中遭遇惡劣天氣。印尼交通部表示，飛機(jī)失聯(lián)前沒有發(fā)出求救信號(hào)。

探測水下世界與“聲”同行

“亞航事件”中，搜索難度怎樣、搜索力度如何？都倍牽人心。航班失聯(lián)涉及空中、海面和水下搜尋，搜尋區(qū)域往往延伸向更為廣闊、也更深的印度洋。而采用更多深海探測與搜尋裝備，也是搜索常態(tài)。

　　記得前不久的“馬航事件”到現(xiàn)在仍成為“疑案”。其搜索區(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(shí)有26個(gè)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(jī)的任何消息。鑒于今年多起飛機(jī)失聯(lián)事件，飛機(jī)是否順利抵達(dá)目的地越發(fā)牽動(dòng)人心。特此探討“光纖水下聲音探測技術(shù)”。

相關(guān)行業(yè)人士曾介紹：“進(jìn)行水下搜尋與探測技術(shù)基本雷同，人類對(duì)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(huì)出現(xiàn)讓人意想不到的變化，據(jù)了解：海水若放“煙霧彈”，這正是在監(jiān)聽和定位失聯(lián)航班的黑匣子信號(hào)時(shí)搜救隊(duì)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(jì)，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(duì)寂靜。事實(shí)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(duì)海底進(jìn)行顯微鏡式的監(jiān)察。平時(shí)，這些替代了人耳的機(jī)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(dòng)向。然而它們還是會(huì)受到水中聲波的影響，因?yàn)槁曇粼谒住安蛔邔こＢ贰?，隨時(shí)會(huì)受到水體密度影響而改變傳播方向，有時(shí)甚至能作9 0°轉(zhuǎn)向，“避開”探測儀器，這無疑又為水下探索黑匣子信號(hào)增加了難度。飛機(jī)黑匣子的信號(hào)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(hào)雖然傳不遠(yuǎn)，但有助于搜救隊(duì)對(duì)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(yùn)動(dòng)，非常有可能會(huì)影響到黑匣子傳出的聲音信號(hào)。

　　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(diǎn)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(duì)方面有可能利用潛艇、水下蛙人、機(jī)器人以及小型水下運(yùn)載器等乘虛而人，對(duì)水域設(shè)施進(jìn)行破壞，造成重大財(cái)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(jī)制，對(duì)重點(diǎn)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(yùn)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(shí)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(gè)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(hào)與法國核潛艇“凱旋”號(hào)在大西洋水下發(fā)生了猛烈的相撞事故。外電評(píng)論指出，兩艘潛艇在大洋水下游弋，就好像在一個(gè)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(yù)為水下對(duì)抗的殺手锏。是什么問題導(dǎo)致了潛艇的碰撞?聲納系統(tǒng)工作原理如何，尚且存在哪些不足?（點(diǎn)擊下頁）

聲納系統(tǒng)在水下的工作原理

　　聲吶：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(dòng)式和被動(dòng)式兩種類型。主動(dòng)聲吶：聲吶主動(dòng)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(dòng)地發(fā)射超聲波，然后收測回波進(jìn)行計(jì)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(dòng)機(jī)的隱蔽的潛艇。

　　被動(dòng)聲吶：被動(dòng)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(hào)，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(dòng)的潛艇。

　　如果說主動(dòng)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(dòng)聲納就只有耳朵，聽各種聲音，只能估算出位置方位 。

主動(dòng)聲吶：主動(dòng)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(dòng)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(duì)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(duì)方聲吶就很難發(fā)現(xiàn)潛艇的存在。而同時(shí)，各國潛艇的降噪水平越來越高，反探測能力越來越強(qiáng)。

　　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(shí)也對(duì)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(dòng)態(tài)范圍小、抗電磁干擾與信號(hào)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(diǎn)。

　　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(hào)傳感器,它能將水聲信號(hào)轉(zhuǎn)換成光信號(hào),再通過光纖傳至信號(hào)處理系統(tǒng)從而提取聲信號(hào)信息,具有探測靈敏度高,頻響特性好,頻帶寬,動(dòng)態(tài)范圍大,抗電磁干擾、耐靜壓及抗腐蝕能力強(qiáng),體積小、重量輕等特點(diǎn),還有易于全天候?qū)崟r(shí)探測和識(shí)別、易于集成化以及網(wǎng)絡(luò)化等優(yōu)點(diǎn)。光纖水聽器按原理可分為干涉型、強(qiáng)度型、光柵型等。（點(diǎn)擊下頁）

三種典型的光纖水聽器工作原理　　

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(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(hào)經(jīng)光電探測器轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，經(jīng)過信號(hào)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(gè)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(hào)。

　　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(gè)反射鏡或一個(gè)光纖布拉格光柵等形式構(gòu)成一個(gè)Fabry2Perot干涉儀，激光經(jīng)該干涉儀時(shí)形成多光束干涉，通過解調(diào)干涉的信號(hào)得到聲信號(hào)。

　　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(gè)3×3光纖耦合器構(gòu)成的Sagnac光纖環(huán)，順時(shí)針或逆時(shí)針傳播的激光經(jīng)信號(hào)臂時(shí)對(duì)稱性被破壞，形成相位差，返回耦合器時(shí)干涉，解調(diào)干涉信號(hào)得到聲信號(hào)。

　　基于Sagnac干涉儀光纖水聽器的優(yōu)點(diǎn)：①光源的相位噪聲將不轉(zhuǎn)換為系統(tǒng)的強(qiáng)度噪聲，而基于Michelson及MachZehnder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(diǎn)，如低頻不敏感，進(jìn)行多路復(fù)用時(shí)困難較大。

　　圖1：基于光纖干涉儀的光纖水聽器原理示意圖

　　(a) Michelson干涉儀;(b) Mach2Zehnder干涉儀;(c) Fabry2Perot干涉儀; (d)Sagnac干涉儀

強(qiáng)度型

　　強(qiáng)度型光纖水聽器基于光纖中傳輸光強(qiáng)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(gè)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(dòng)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(qiáng)受到調(diào)制，轉(zhuǎn)換為電信號(hào)即可得到聲場的聲壓信號(hào)。

　　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(dòng)為原理。目前光纖光柵水聽器一般基于光纖布拉格(B r ag g)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(gè)光纖布拉格光柵(FBG)時(shí)，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(shí)，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(shí)現(xiàn)了水聲聲壓對(duì)反射信號(hào)光的波長調(diào)制。所以，通過實(shí)時(shí)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。

對(duì)于強(qiáng)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(huì)影響測量精度。干涉型靈敏度高，信號(hào)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(shí)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(qiáng)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(diǎn)外，又因?yàn)樗膫鞲行盘?hào)是波長調(diào)制,不受光源強(qiáng)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(gè)Bragg光纖光柵進(jìn)行分布式測量。

光纖水聽器對(duì)水下安防的意義

　　美國海軍研究實(shí)驗(yàn)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(duì)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(shí)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(shí)現(xiàn)分布式陣列是光纖水聽器在實(shí)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(hào)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(hào)轉(zhuǎn)換為光信號(hào)，并通過光纖傳至信號(hào)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(diǎn)，可大規(guī)模組陣實(shí)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(duì)光纖水聽器技術(shù)研究的重點(diǎn)集中在如何利用光纖傳輸損耗低、傳輸帶寬大的特點(diǎn)，并結(jié)合集成光電子器件的最新進(jìn)展，實(shí)現(xiàn)對(duì)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(duì)陣列信號(hào)的處理可以極大地提高整個(gè)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(jì)劃期間開始了光纖水聽器研究，并在“八五”、“九五”計(jì)劃期間列入研究計(jì)劃，從實(shí)驗(yàn)室原理性研究到現(xiàn)場水域試驗(yàn)，也取得一定的進(jìn)展。光纖水聽器研究

　　在“十五”計(jì)劃期間繼續(xù)在國內(nèi)多個(gè)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(shí)驗(yàn)室的層次，實(shí)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(yùn)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(shí)力貢獻(xiàn)力量。（上海復(fù)旦智能監(jiān)控成套設(shè)備有限公司供技術(shù)部分資料、本文部分圖片來源網(wǎng)絡(luò)）