超级军网浅谈反潜新兵光纤水听器的发展.中篇
来源：百度文库 编辑：超级军网 时间：2024/04/23 14:53:18
静里水声何处觅，流光暗影锁真机
——浅谈反潜新兵光纤水听器的发展.中篇
*本系列的上篇,2次发表被网管审核删除了2次才得以发表,感谢ZIBAO版主的挽救和木刀版主的鼓励。希望中篇和下篇能够顺利过关。
上篇介绍了声压水听器和矢量水听器的原理和特点，前者性能缺失，后者费用昂贵。光纤矢量水听器可以有效解决二者的问题，这一篇我们就来谈谈——
光纤矢量水听器
光纤矢量水听器(英文 fiber optic vector hydrophone, 以下简称FOVH)是一种新型水声探测器，顾名思义，它可以像压电矢量水听器一样，在一个点上的测量信号中，就同时包含了声场的标量信息和三维矢量信息，同时又采用了光器件，通过高灵敏度的光学相干检测，将声波振速信号转换为光信号，并通过光纤传至信号处理系统提取声波信息，且FOVH克服了压电矢量水听器的电器件带来的诸多问题。
FOVH根据工作原理细分，有强度型、干涉型和光纤光栅型等。强度型FOVH不需解调装置，信号处理简单，缺点是性能易受到光源强度稳定性的影响，且传感器探头设计复杂，加工难度大。光栅型FOVH因光纤光栅的反射带宽较宽，如不对传感头增敏处理，在用干涉法解调时很难达到要求的信号分辨率，虽然目前仍然是研究热点，但仍未进行工程应用。因此我们在这里，仅介绍发展相对迅速，应用相对广泛的一种：基于光纤干涉仪原理构造的干涉型FOVH。
咱们来看看迈克尔逊光纤干涉仪（Fiber Michelson Interferometer）的工作原理。
有朋友告诉兵器迷，不愿意看枯燥的原理。那您直接飘过这段，看后面就是。
如下图1。
首先，由激光器Laser发出的激光经3dB光纤耦合器（coupler）分为两路：
一路构成光纤干涉仪的信号臂(signal arm)，它绕在一个弹性柱体上。在水下声场，潜艇的振动声波加速度，引起弹性柱体的轴向形变，而轴向形变引起径向形变，造成信号臂光纤的长度发生变化，最终导致光信号产生相位差变化。这个过程称为声波的调制。
另一路则构成参考臂（reference arm）。
两臂的光信号经后端反射膜(mirrors)反射后返回光纤耦合器。由于信号臂的光相位被调制过，与参考臂的光相位有差异，因此二者发生干涉，干涉的光信号经光电探测器(detector)转换为电信号，由信号处理就可以拾取声波的信息。
图1：麦克尔逊光纤干涉仪基本结构图。
喘口气，原理终于讲完了。朋友们也歇口气，看兵器迷的文章，不容易啊。
其实，大家从原理图就可以很容易的理解，相比较压电矢量水听器，FOVH的优点是非常明显的：
高探测灵敏度和高动态范围：FOVH采用光学干涉原理构成。光器件的天然优势，使得FOVH比电器件的自噪声低，灵敏度高。光纤加速度计可检测的最小信号，比传统压电矢量水听器要高2-3 个数量级,这使弱信号，甚至比海洋背景噪声低得多的弱信号探测成为可能。而且测量的动态范围大. 压电水听器的动态范围一般在80-90dB , 而FOVH的动态范围可以到120 —140dB。这对于反潜战斗中探测静音潜艇的战术需求，特别是对海洋背景噪声复杂的东亚浅海海区的反潜作战是极为有利的。
高抗干扰能力：FOVH抗电磁干扰、信号串扰能力强。全光光纤水听器信号传感与传输均以光为载体,在几百兆赫以下的电磁干扰影响几乎可以忽略不计,复用通道信号的串扰也非常小。
适于远距离传输与组阵：光纤传输损耗小, 大约只有0.2dB/km，无串扰，非常适于远距离传输，FOVH采用FDM频分复用、波分复用WDM，及时分复用TDM等技术进行多路复用,非常适合水下阵列的大规模\超大规模组阵，传输距离可达上百甚至上千公里。
更高效的解决左右舷模糊问题：FOVH的每个单向传感单元均具有指向性，而且抑制环境噪声能够达到4.8～6.0dB。全阵列的指向信息经过后端信号系统分析，具有更高的指向精度。因此，FOVH在有效解决声压水听器阵列的左右舷模糊问题的同时，在相同阵增益的情况下可大大减小线阵列的孔径。
可靠性高维护性高：FOVH激光由光源发出,经光纤传输至光纤水听器,并在拾取声信号后再经光纤传回信号处理设备。也就是说，在潮湿阴冷咸度大的海洋深水中（专业术语：湿端）无任何电子器件，无任何电源装置。而且光纤对水密性要求低,耐高温、抗腐蚀，能在恶劣的水下、地下、沙下、油下等自然环境中实现长期稳定工作。光设备器件比电设备器件相比大大简化，探测缆及传输缆皆为轻质细口径光缆,拖曳声呐容易收放，信号传感与传输实现了一体化。所有这些因素，都大大提高系统的可靠性和维护性。FOVH拖曳声呐可以在多年工作期内反复投放而免维护工作，而传统拖曳声呐就必须定期维护，工作量还是很大的。
低工程应用门槛：相比压电矢量水听器，FOVH的光器件构造简单，体积重量小，价格低廉。压电式水听器一个阵元需要几百个电子和光学器件，而FOVH一个阵元只有一个手指大小，为大规模工程奠定了扎实的基础。进一步的，由于FOVH的几何形状适应性大大高于声压水听器，传输光缆也比电缆更细更轻，和更好的空间适应性，因此，不仅可制成很长的线性阵列传感器.而且还可制成均匀紧贴舰体的共形传感器，这就为FOVH布设在设备空间狭小的中小型舰船、潜艇、无人潜航器提供了良好的工程可行性。
此外，上述工程优势，使得FOVH在石油、天然气等资源勘探中获得了军事反潜应用的广阔前景。 用FOVH采集地震波信号,经过信号处理可以得到待测区域的资源分布信息。用于海洋勘探时,FOVH可以布放在海底。用于陆地勘探时,FOVH可以吊放到高温高压的勘测井中,或埋到沙漠中的沙子底下。比如美国基于光纤水听器的钻孔成像系统,就可以勘探地下石油或天然气。
国外光纤矢量水听器的研究和应用发展
西方发达国家（矢量）光纤水听器的研究和发展，已经渐入佳境。各国国防和研究部门为此投入了大量的经费和科研实力，将FOVH进行工程化。表1 为各国研究机构的列表：
表1 发达国家光纤矢量水听器研发部门
国别 研发部门
美国 美国海军研究实验室(NRL)
俄罗斯 俄罗斯无线电和电子研究所
英国 英国国防研究局(DRA)
英国海军部水下武器研究所(AUWEI)
英国普菜西舰用设备公司和普莱西电子研究所
日本 日本国防科学院应用物理部
日本冲电气(OKI)国防研发部
意大利 意大利Alenia防务系统
如果说,在声压矢量水听器方面,美国和苏联并驾齐驱,互有短长,那么在光纤矢量水听器领域,只能说美国是处于一枝独秀的领先地位，已经将其他国家远远甩在后面。
岔一句，兵器迷老说美国是帝范儿，绝对是崇洋不媚外。碳纤维、钛合金、铼、卫星、发动机、无人机…你说哪方面美国不占领先优势？他犯过错误，打过败仗。但世界第一，依然是妥妥的。你就是恨的牙根痒，也得承认这一点。你要是想超过他，顶要紧的就是跟他学。
只要是有志气的中国军工人，眼睛里就有美国这样的目标，而且，只有美国。
书归正传。美国人的FOVH研究脉络大体如下：
1976年: 美国海军研究实验室Bucaro等人发表了第一篇有关光纤水听器的论文，演示了一套基于光纤技术的水声传感系统，这是首次对光纤水听器进行探索性的研究。
1980年：成功地进行了“玻璃板(Cqassboard)”塑料心轴型光纤水听器试验。
1981年：封装第一个“黄铜板(BrassY )”光纤水听器。
1982年7月：进行光纤水听器的第一次海上试验，在巴哈马群岛部署为海军流动噪声驳船(MONOB)系统的噪声监测装置开发的塑料心轴型光纤水听器。试验结果证实了光纤水听器低于海况零（即零级海况）的噪声特性。
1983～1986年期间，美国海军实验室进行了多次拖曳阵列海上演示，其中包括心轴型光纤水听器。
1987年：成功地进行了两次拖曳光缆试验和一次声纳阵列试验(10单元水听器)。试验和海军研究实验室进行的8单元频分复用(FDM)实验共同确定了全光拖曳阵列计划的询问方法。同年，美国Gould公司海事系统分公司获得了美国海上系统司令部价值1300万美元的全光拖曳阵列合同
1988年全光拖曳阵列在海上试验中取得很大成功。6月，美国海军研究实验室制订出潜艇用“光纤水听器系统标准”。
1990年代，美国国防部把光纤海底监视系统作为22项关键技术之一。美国1986-1990财年用于光纤反潜战的技术预算达到8000万美元，绝大部分用在光纤水听器上。
1990年6月，Litton制导和控制公司根据与海军研究实验室签定的合同，制作出两个基于心轴型迈克尔逊干涉仪结构的水听器、—个光纤船体穿透器和光电子子系统，装在668级攻击潜艇上，并进行了首次演示，水听器的工作带宽为64Hz~50kHz。之后，光纤水听器平面阵列将安装在海狼级(SSN一21级)和其它新型攻击潜艇上。
1990年4月.美国海军研究实验室在格陵兰Kap Eiler Rasmussen附近的Independence峡湾出海口，用两个水听器测量海岸坚冰下的环境噪声.获得了北极寂静噪声数据。该系统在北极9天的测试期间工作正常，水听器在500Hz时的噪声电平低于零级海况26dB，系统背景噪声低于零级海况33dB。
2000 年,美国利通资源勘探仪器公司研制成功96阵元全光光纤水听器系统,应用于海洋、陆地石油、天然气勘探.
2001 年,美国海军与利通资源勘探仪器公司签订基于光纤水听器的远程供电全光固定分布式系统(RP FDS2C) 开发合同。
2003年，美国弗吉尼亚级核潜艇安装了2700个光纤水听器阵元的全光水听器阵列声呐
近年来，美国海军研究实验室把主攻方向集中在三个方面：第一.中频工作的声透明薄型大面积(3OSmm×305mm)水听器和高频工作的小面积平面水听器，用于海底声监测的宽带(1Hz~50kHz)、高灵敏度(在整个频带内低于零级海况10dB)且能工作于浅海和深海的光纤水听器。
有朋友问了，说了那么多美帝的先进事迹，地球人都知道了，赶快说说中国的事吧。
预知后事如何，且听下回——《中国篇》分解
注：所有资料来自于互联网公开报道和公开出版物，如：
《声矢量传感器研究进展》
《光纤矢量水听器原理与应用》
《光纤矢量水听器研究进展》
《声学学报》
本文同时引用了公开论文《光纤矢量水听器研究进展》中的图片在此一并致谢
更多文章，请见个人博客
http://blog.sina.com.cn/s/articlelist_1455885643_0_1.html
静里水声何处觅，流光暗影锁真机
——浅谈反潜新兵光纤水听器的发展.中篇
*本系列的上篇,2次发表被网管审核删除了2次才得以发表,感谢ZIBAO版主的挽救和木刀版主的鼓励。希望中篇和下篇能够顺利过关。
上篇介绍了声压水听器和矢量水听器的原理和特点，前者性能缺失，后者费用昂贵。光纤矢量水听器可以有效解决二者的问题，这一篇我们就来谈谈——
光纤矢量水听器
光纤矢量水听器(英文 fiber optic vector hydrophone, 以下简称FOVH)是一种新型水声探测器，顾名思义，它可以像压电矢量水听器一样，在一个点上的测量信号中，就同时包含了声场的标量信息和三维矢量信息，同时又采用了光器件，通过高灵敏度的光学相干检测，将声波振速信号转换为光信号，并通过光纤传至信号处理系统提取声波信息，且FOVH克服了压电矢量水听器的电器件带来的诸多问题。
FOVH根据工作原理细分，有强度型、干涉型和光纤光栅型等。强度型FOVH不需解调装置，信号处理简单，缺点是性能易受到光源强度稳定性的影响，且传感器探头设计复杂，加工难度大。光栅型FOVH因光纤光栅的反射带宽较宽，如不对传感头增敏处理，在用干涉法解调时很难达到要求的信号分辨率，虽然目前仍然是研究热点，但仍未进行工程应用。因此我们在这里，仅介绍发展相对迅速，应用相对广泛的一种：基于光纤干涉仪原理构造的干涉型FOVH。
咱们来看看迈克尔逊光纤干涉仪（Fiber Michelson Interferometer）的工作原理。
有朋友告诉兵器迷，不愿意看枯燥的原理。那您直接飘过这段，看后面就是。
如下图1。
首先，由激光器Laser发出的激光经3dB光纤耦合器（coupler）分为两路：
一路构成光纤干涉仪的信号臂(signal arm)，它绕在一个弹性柱体上。在水下声场，潜艇的振动声波加速度，引起弹性柱体的轴向形变，而轴向形变引起径向形变，造成信号臂光纤的长度发生变化，最终导致光信号产生相位差变化。这个过程称为声波的调制。
另一路则构成参考臂（reference arm）。
两臂的光信号经后端反射膜(mirrors)反射后返回光纤耦合器。由于信号臂的光相位被调制过，与参考臂的光相位有差异，因此二者发生干涉，干涉的光信号经光电探测器(detector)转换为电信号，由信号处理就可以拾取声波的信息。
图1：麦克尔逊光纤干涉仪基本结构图。
喘口气，原理终于讲完了。朋友们也歇口气，看兵器迷的文章，不容易啊。
其实，大家从原理图就可以很容易的理解，相比较压电矢量水听器，FOVH的优点是非常明显的：
高探测灵敏度和高动态范围：FOVH采用光学干涉原理构成。光器件的天然优势，使得FOVH比电器件的自噪声低，灵敏度高。光纤加速度计可检测的最小信号，比传统压电矢量水听器要高2-3 个数量级,这使弱信号，甚至比海洋背景噪声低得多的弱信号探测成为可能。而且测量的动态范围大. 压电水听器的动态范围一般在80-90dB , 而FOVH的动态范围可以到120 —140dB。这对于反潜战斗中探测静音潜艇的战术需求，特别是对海洋背景噪声复杂的东亚浅海海区的反潜作战是极为有利的。
高抗干扰能力：FOVH抗电磁干扰、信号串扰能力强。全光光纤水听器信号传感与传输均以光为载体,在几百兆赫以下的电磁干扰影响几乎可以忽略不计,复用通道信号的串扰也非常小。
适于远距离传输与组阵：光纤传输损耗小, 大约只有0.2dB/km，无串扰，非常适于远距离传输，FOVH采用FDM频分复用、波分复用WDM，及时分复用TDM等技术进行多路复用,非常适合水下阵列的大规模\超大规模组阵，传输距离可达上百甚至上千公里。
更高效的解决左右舷模糊问题：FOVH的每个单向传感单元均具有指向性，而且抑制环境噪声能够达到4.8～6.0dB。全阵列的指向信息经过后端信号系统分析，具有更高的指向精度。因此，FOVH在有效解决声压水听器阵列的左右舷模糊问题的同时，在相同阵增益的情况下可大大减小线阵列的孔径。
可靠性高维护性高：FOVH激光由光源发出,经光纤传输至光纤水听器,并在拾取声信号后再经光纤传回信号处理设备。也就是说，在潮湿阴冷咸度大的海洋深水中（专业术语：湿端）无任何电子器件，无任何电源装置。而且光纤对水密性要求低,耐高温、抗腐蚀，能在恶劣的水下、地下、沙下、油下等自然环境中实现长期稳定工作。光设备器件比电设备器件相比大大简化，探测缆及传输缆皆为轻质细口径光缆,拖曳声呐容易收放，信号传感与传输实现了一体化。所有这些因素，都大大提高系统的可靠性和维护性。FOVH拖曳声呐可以在多年工作期内反复投放而免维护工作，而传统拖曳声呐就必须定期维护，工作量还是很大的。
低工程应用门槛：相比压电矢量水听器，FOVH的光器件构造简单，体积重量小，价格低廉。压电式水听器一个阵元需要几百个电子和光学器件，而FOVH一个阵元只有一个手指大小，为大规模工程奠定了扎实的基础。进一步的，由于FOVH的几何形状适应性大大高于声压水听器，传输光缆也比电缆更细更轻，和更好的空间适应性，因此，不仅可制成很长的线性阵列传感器.而且还可制成均匀紧贴舰体的共形传感器，这就为FOVH布设在设备空间狭小的中小型舰船、潜艇、无人潜航器提供了良好的工程可行性。
此外，上述工程优势，使得FOVH在石油、天然气等资源勘探中获得了军事反潜应用的广阔前景。 用FOVH采集地震波信号,经过信号处理可以得到待测区域的资源分布信息。用于海洋勘探时,FOVH可以布放在海底。用于陆地勘探时,FOVH可以吊放到高温高压的勘测井中,或埋到沙漠中的沙子底下。比如美国基于光纤水听器的钻孔成像系统,就可以勘探地下石油或天然气。
国外光纤矢量水听器的研究和应用发展
西方发达国家（矢量）光纤水听器的研究和发展，已经渐入佳境。各国国防和研究部门为此投入了大量的经费和科研实力，将FOVH进行工程化。表1 为各国研究机构的列表：
表1 发达国家光纤矢量水听器研发部门
国别 研发部门
美国 美国海军研究实验室(NRL)
俄罗斯 俄罗斯无线电和电子研究所
英国 英国国防研究局(DRA)
英国海军部水下武器研究所(AUWEI)
英国普菜西舰用设备公司和普莱西电子研究所
日本 日本国防科学院应用物理部
日本冲电气(OKI)国防研发部
意大利 意大利Alenia防务系统
如果说,在声压矢量水听器方面,美国和苏联并驾齐驱,互有短长,那么在光纤矢量水听器领域,只能说美国是处于一枝独秀的领先地位，已经将其他国家远远甩在后面。
岔一句，兵器迷老说美国是帝范儿，绝对是崇洋不媚外。碳纤维、钛合金、铼、卫星、发动机、无人机…你说哪方面美国不占领先优势？他犯过错误，打过败仗。但世界第一，依然是妥妥的。你就是恨的牙根痒，也得承认这一点。你要是想超过他，顶要紧的就是跟他学。
只要是有志气的中国军工人，眼睛里就有美国这样的目标，而且，只有美国。
书归正传。美国人的FOVH研究脉络大体如下：
1976年: 美国海军研究实验室Bucaro等人发表了第一篇有关光纤水听器的论文，演示了一套基于光纤技术的水声传感系统，这是首次对光纤水听器进行探索性的研究。
1980年：成功地进行了“玻璃板(Cqassboard)”塑料心轴型光纤水听器试验。
1981年：封装第一个“黄铜板(BrassY )”光纤水听器。
1982年7月：进行光纤水听器的第一次海上试验，在巴哈马群岛部署为海军流动噪声驳船(MONOB)系统的噪声监测装置开发的塑料心轴型光纤水听器。试验结果证实了光纤水听器低于海况零（即零级海况）的噪声特性。
1983～1986年期间，美国海军实验室进行了多次拖曳阵列海上演示，其中包括心轴型光纤水听器。
1987年：成功地进行了两次拖曳光缆试验和一次声纳阵列试验(10单元水听器)。试验和海军研究实验室进行的8单元频分复用(FDM)实验共同确定了全光拖曳阵列计划的询问方法。同年，美国Gould公司海事系统分公司获得了美国海上系统司令部价值1300万美元的全光拖曳阵列合同
1988年全光拖曳阵列在海上试验中取得很大成功。6月，美国海军研究实验室制订出潜艇用“光纤水听器系统标准”。
1990年代，美国国防部把光纤海底监视系统作为22项关键技术之一。美国1986-1990财年用于光纤反潜战的技术预算达到8000万美元，绝大部分用在光纤水听器上。
1990年6月，Litton制导和控制公司根据与海军研究实验室签定的合同，制作出两个基于心轴型迈克尔逊干涉仪结构的水听器、—个光纤船体穿透器和光电子子系统，装在668级攻击潜艇上，并进行了首次演示，水听器的工作带宽为64Hz~50kHz。之后，光纤水听器平面阵列将安装在海狼级(SSN一21级)和其它新型攻击潜艇上。
1990年4月.美国海军研究实验室在格陵兰Kap Eiler Rasmussen附近的Independence峡湾出海口，用两个水听器测量海岸坚冰下的环境噪声.获得了北极寂静噪声数据。该系统在北极9天的测试期间工作正常，水听器在500Hz时的噪声电平低于零级海况26dB，系统背景噪声低于零级海况33dB。
2000 年,美国利通资源勘探仪器公司研制成功96阵元全光光纤水听器系统,应用于海洋、陆地石油、天然气勘探.
2001 年,美国海军与利通资源勘探仪器公司签订基于光纤水听器的远程供电全光固定分布式系统(RP FDS2C) 开发合同。
2003年，美国弗吉尼亚级核潜艇安装了2700个光纤水听器阵元的全光水听器阵列声呐
近年来，美国海军研究实验室把主攻方向集中在三个方面：第一.中频工作的声透明薄型大面积(3OSmm×305mm)水听器和高频工作的小面积平面水听器，用于海底声监测的宽带(1Hz~50kHz)、高灵敏度(在整个频带内低于零级海况10dB)且能工作于浅海和深海的光纤水听器。
有朋友问了，说了那么多美帝的先进事迹，地球人都知道了，赶快说说中国的事吧。
预知后事如何，且听下回——《中国篇》分解
注：所有资料来自于互联网公开报道和公开出版物，如：
《声矢量传感器研究进展》
《光纤矢量水听器原理与应用》
《光纤矢量水听器研究进展》
《声学学报》
本文同时引用了公开论文《光纤矢量水听器研究进展》中的图片在此一并致谢
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*本系列的上篇,2次发表被网管审核删除了2次才得以发表,感谢ZIBAO版主的挽救和木刀版主的鼓励。希望中篇和下篇能够顺利过关。
上篇介绍了声压水听器和矢量水听器的原理和特点，前者性能缺失，后者费用昂贵。光纤矢量水听器可以有效解决二者的问题，这一篇我们就来谈谈——
光纤矢量水听器
光纤矢量水听器(英文 fiber optic vector hydrophone, 以下简称FOVH)是一种新型水声探测器，顾名思义，它可以像压电矢量水听器一样，在一个点上的测量信号中，就同时包含了声场的标量信息和三维矢量信息，同时又采用了光器件，通过高灵敏度的光学相干检测，将声波振速信号转换为光信号，并通过光纤传至信号处理系统提取声波信息，且FOVH克服了压电矢量水听器的电器件带来的诸多问题。
FOVH根据工作原理细分，有强度型、干涉型和光纤光栅型等。强度型FOVH不需解调装置，信号处理简单，缺点是性能易受到光源强度稳定性的影响，且传感器探头设计复杂，加工难度大。光栅型FOVH因光纤光栅的反射带宽较宽，如不对传感头增敏处理，在用干涉法解调时很难达到要求的信号分辨率，虽然目前仍然是研究热点，但仍未进行工程应用。因此我们在这里，仅介绍发展相对迅速，应用相对广泛的一种：基于光纤干涉仪原理构造的干涉型FOVH。
咱们来看看迈克尔逊光纤干涉仪（Fiber Michelson Interferometer）的工作原理。
有朋友告诉兵器迷，不愿意看枯燥的原理。那您直接飘过这段，看后面就是。
如下图1。
首先，由激光器Laser发出的激光经3dB光纤耦合器（coupler）分为两路：
一路构成光纤干涉仪的信号臂(signal arm)，它绕在一个弹性柱体上。在水下声场，潜艇的振动声波加速度，引起弹性柱体的轴向形变，而轴向形变引起径向形变，造成信号臂光纤的长度发生变化，最终导致光信号产生相位差变化。这个过程称为声波的调制。
另一路则构成参考臂（reference arm）。
两臂的光信号经后端反射膜(mirrors)反射后返回光纤耦合器。由于信号臂的光相位被调制过，与参考臂的光相位有差异，因此二者发生干涉，干涉的光信号经光电探测器(detector)转换为电信号，由信号处理就可以拾取声波的信息。
图1：麦克尔逊光纤干涉仪基本结构图。
喘口气，原理终于讲完了。朋友们也歇口气，看兵器迷的文章，不容易啊。
其实，大家从原理图就可以很容易的理解，相比较压电矢量水听器，FOVH的优点是非常明显的：
高探测灵敏度和高动态范围：FOVH采用光学干涉原理构成。光器件的天然优势，使得FOVH比电器件的自噪声低，灵敏度高。光纤加速度计可检测的最小信号，比传统压电矢量水听器要高2-3 个数量级,这使弱信号，甚至比海洋背景噪声低得多的弱信号探测成为可能。而且测量的动态范围大. 压电水听器的动态范围一般在80-90dB , 而FOVH的动态范围可以到120 —140dB。这对于反潜战斗中探测静音潜艇的战术需求，特别是对海洋背景噪声复杂的东亚浅海海区的反潜作战是极为有利的。
高抗干扰能力：FOVH抗电磁干扰、信号串扰能力强。全光光纤水听器信号传感与传输均以光为载体,在几百兆赫以下的电磁干扰影响几乎可以忽略不计,复用通道信号的串扰也非常小。
适于远距离传输与组阵：光纤传输损耗小, 大约只有0.2dB/km，无串扰，非常适于远距离传输，FOVH采用FDM频分复用、波分复用WDM，及时分复用TDM等技术进行多路复用,非常适合水下阵列的大规模\超大规模组阵，传输距离可达上百甚至上千公里。
更高效的解决左右舷模糊问题：FOVH的每个单向传感单元均具有指向性，而且抑制环境噪声能够达到4.8～6.0dB。全阵列的指向信息经过后端信号系统分析，具有更高的指向精度。因此，FOVH在有效解决声压水听器阵列的左右舷模糊问题的同时，在相同阵增益的情况下可大大减小线阵列的孔径。
可靠性高维护性高：FOVH激光由光源发出,经光纤传输至光纤水听器,并在拾取声信号后再经光纤传回信号处理设备。也就是说，在潮湿阴冷咸度大的海洋深水中（专业术语：湿端）无任何电子器件，无任何电源装置。而且光纤对水密性要求低,耐高温、抗腐蚀，能在恶劣的水下、地下、沙下、油下等自然环境中实现长期稳定工作。光设备器件比电设备器件相比大大简化，探测缆及传输缆皆为轻质细口径光缆,拖曳声呐容易收放，信号传感与传输实现了一体化。所有这些因素，都大大提高系统的可靠性和维护性。FOVH拖曳声呐可以在多年工作期内反复投放而免维护工作，而传统拖曳声呐就必须定期维护，工作量还是很大的。
低工程应用门槛：相比压电矢量水听器，FOVH的光器件构造简单，体积重量小，价格低廉。压电式水听器一个阵元需要几百个电子和光学器件，而FOVH一个阵元只有一个手指大小，为大规模工程奠定了扎实的基础。进一步的，由于FOVH的几何形状适应性大大高于声压水听器，传输光缆也比电缆更细更轻，和更好的空间适应性，因此，不仅可制成很长的线性阵列传感器.而且还可制成均匀紧贴舰体的共形传感器，这就为FOVH布设在设备空间狭小的中小型舰船、潜艇、无人潜航器提供了良好的工程可行性。
此外，上述工程优势，使得FOVH在石油、天然气等资源勘探中获得了军事反潜应用的广阔前景。 用FOVH采集地震波信号,经过信号处理可以得到待测区域的资源分布信息。用于海洋勘探时,FOVH可以布放在海底。用于陆地勘探时,FOVH可以吊放到高温高压的勘测井中,或埋到沙漠中的沙子底下。比如美国基于光纤水听器的钻孔成像系统,就可以勘探地下石油或天然气。
国外光纤矢量水听器的研究和应用发展
西方发达国家（矢量）光纤水听器的研究和发展，已经渐入佳境。各国国防和研究部门为此投入了大量的经费和科研实力，将FOVH进行工程化。表1 为各国研究机构的列表：
表1 发达国家光纤矢量水听器研发部门
国别 研发部门
美国 美国海军研究实验室(NRL)
俄罗斯 俄罗斯无线电和电子研究所
英国 英国国防研究局(DRA)
英国海军部水下武器研究所(AUWEI)
英国普菜西舰用设备公司和普莱西电子研究所
日本 日本国防科学院应用物理部
日本冲电气(OKI)国防研发部
意大利 意大利Alenia防务系统
如果说,在声压矢量水听器方面,美国和苏联并驾齐驱,互有短长,那么在光纤矢量水听器领域,只能说美国是处于一枝独秀的领先地位，已经将其他国家远远甩在后面。
岔一句，兵器迷老说美国是帝范儿，绝对是崇洋不媚外。碳纤维、钛合金、铼、卫星、发动机、无人机…你说哪方面美国不占领先优势？他犯过错误，打过败仗。但世界第一，依然是妥妥的。你就是恨的牙根痒，也得承认这一点。你要是想超过他，顶要紧的就是跟他学。
只要是有志气的中国军工人，眼睛里就有美国这样的目标，而且，只有美国。
书归正传。美国人的FOVH研究脉络大体如下：
1976年: 美国海军研究实验室Bucaro等人发表了第一篇有关光纤水听器的论文，演示了一套基于光纤技术的水声传感系统，这是首次对光纤水听器进行探索性的研究。
1980年：成功地进行了“玻璃板(Cqassboard)”塑料心轴型光纤水听器试验。
1981年：封装第一个“黄铜板(BrassY )”光纤水听器。
1982年7月：进行光纤水听器的第一次海上试验，在巴哈马群岛部署为海军流动噪声驳船(MONOB)系统的噪声监测装置开发的塑料心轴型光纤水听器。试验结果证实了光纤水听器低于海况零（即零级海况）的噪声特性。
1983～1986年期间，美国海军实验室进行了多次拖曳阵列海上演示，其中包括心轴型光纤水听器。
1987年：成功地进行了两次拖曳光缆试验和一次声纳阵列试验(10单元水听器)。试验和海军研究实验室进行的8单元频分复用(FDM)实验共同确定了全光拖曳阵列计划的询问方法。同年，美国Gould公司海事系统分公司获得了美国海上系统司令部价值1300万美元的全光拖曳阵列合同
1988年全光拖曳阵列在海上试验中取得很大成功。6月，美国海军研究实验室制订出潜艇用“光纤水听器系统标准”。
1990年代，美国国防部把光纤海底监视系统作为22项关键技术之一。美国1986-1990财年用于光纤反潜战的技术预算达到8000万美元，绝大部分用在光纤水听器上。
1990年6月，Litton制导和控制公司根据与海军研究实验室签定的合同，制作出两个基于心轴型迈克尔逊干涉仪结构的水听器、—个光纤船体穿透器和光电子子系统，装在668级攻击潜艇上，并进行了首次演示，水听器的工作带宽为64Hz~50kHz。之后，光纤水听器平面阵列将安装在海狼级(SSN一21级)和其它新型攻击潜艇上。
1990年4月.美国海军研究实验室在格陵兰Kap Eiler Rasmussen附近的Independence峡湾出海口，用两个水听器测量海岸坚冰下的环境噪声.获得了北极寂静噪声数据。该系统在北极9天的测试期间工作正常，水听器在500Hz时的噪声电平低于零级海况26dB，系统背景噪声低于零级海况33dB。
2000 年,美国利通资源勘探仪器公司研制成功96阵元全光光纤水听器系统,应用于海洋、陆地石油、天然气勘探.
2001 年,美国海军与利通资源勘探仪器公司签订基于光纤水听器的远程供电全光固定分布式系统(RP FDS2C) 开发合同。
2003年，美国弗吉尼亚级核潜艇安装了2700个光纤水听器阵元的全光水听器阵列声呐
近年来，美国海军研究实验室把主攻方向集中在三个方面：第一.中频工作的声透明薄型大面积(3OSmm×305mm)水听器和高频工作的小面积平面水听器，用于海底声监测的宽带(1Hz~50kHz)、高灵敏度(在整个频带内低于零级海况10dB)且能工作于浅海和深海的光纤水听器。
有朋友问了，说了那么多美帝的先进事迹，地球人都知道了，赶快说说中国的事吧。
预知后事如何，且听下回——《中国篇》分解
注：所有资料来自于互联网公开报道和公开出版物，如：
《声矢量传感器研究进展》
《光纤矢量水听器原理与应用》
《光纤矢量水听器研究进展》
《声学学报》
本文同时引用了公开论文《光纤矢量水听器研究进展》中的图片在此一并致谢
更多文章，请见个人博客
http://blog.sina.com.cn/s/articlelist_1455885643_0_1.html
静里水声何处觅，流光暗影锁真机
——浅谈反潜新兵光纤水听器的发展.中篇
*本系列的上篇,2次发表被网管审核删除了2次才得以发表,感谢ZIBAO版主的挽救和木刀版主的鼓励。希望中篇和下篇能够顺利过关。
上篇介绍了声压水听器和矢量水听器的原理和特点，前者性能缺失，后者费用昂贵。光纤矢量水听器可以有效解决二者的问题，这一篇我们就来谈谈——
光纤矢量水听器
光纤矢量水听器(英文 fiber optic vector hydrophone, 以下简称FOVH)是一种新型水声探测器，顾名思义，它可以像压电矢量水听器一样，在一个点上的测量信号中，就同时包含了声场的标量信息和三维矢量信息，同时又采用了光器件，通过高灵敏度的光学相干检测，将声波振速信号转换为光信号，并通过光纤传至信号处理系统提取声波信息，且FOVH克服了压电矢量水听器的电器件带来的诸多问题。
FOVH根据工作原理细分，有强度型、干涉型和光纤光栅型等。强度型FOVH不需解调装置，信号处理简单，缺点是性能易受到光源强度稳定性的影响，且传感器探头设计复杂，加工难度大。光栅型FOVH因光纤光栅的反射带宽较宽，如不对传感头增敏处理，在用干涉法解调时很难达到要求的信号分辨率，虽然目前仍然是研究热点，但仍未进行工程应用。因此我们在这里，仅介绍发展相对迅速，应用相对广泛的一种：基于光纤干涉仪原理构造的干涉型FOVH。
咱们来看看迈克尔逊光纤干涉仪（Fiber Michelson Interferometer）的工作原理。
有朋友告诉兵器迷，不愿意看枯燥的原理。那您直接飘过这段，看后面就是。
如下图1。
首先，由激光器Laser发出的激光经3dB光纤耦合器（coupler）分为两路：
一路构成光纤干涉仪的信号臂(signal arm)，它绕在一个弹性柱体上。在水下声场，潜艇的振动声波加速度，引起弹性柱体的轴向形变，而轴向形变引起径向形变，造成信号臂光纤的长度发生变化，最终导致光信号产生相位差变化。这个过程称为声波的调制。
另一路则构成参考臂（reference arm）。
两臂的光信号经后端反射膜(mirrors)反射后返回光纤耦合器。由于信号臂的光相位被调制过，与参考臂的光相位有差异，因此二者发生干涉，干涉的光信号经光电探测器(detector)转换为电信号，由信号处理就可以拾取声波的信息。
图1：麦克尔逊光纤干涉仪基本结构图。
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喘口气，原理终于讲完了。朋友们也歇口气，看兵器迷的文章，不容易啊。
其实，大家从原理图就可以很容易的理解，相比较压电矢量水听器，FOVH的优点是非常明显的：
高探测灵敏度和高动态范围：FOVH采用光学干涉原理构成。光器件的天然优势，使得FOVH比电器件的自噪声低，灵敏度高。光纤加速度计可检测的最小信号，比传统压电矢量水听器要高2-3 个数量级,这使弱信号，甚至比海洋背景噪声低得多的弱信号探测成为可能。而且测量的动态范围大. 压电水听器的动态范围一般在80-90dB , 而FOVH的动态范围可以到120 —140dB。这对于反潜战斗中探测静音潜艇的战术需求，特别是对海洋背景噪声复杂的东亚浅海海区的反潜作战是极为有利的。
高抗干扰能力：FOVH抗电磁干扰、信号串扰能力强。全光光纤水听器信号传感与传输均以光为载体,在几百兆赫以下的电磁干扰影响几乎可以忽略不计,复用通道信号的串扰也非常小。
适于远距离传输与组阵：光纤传输损耗小, 大约只有0.2dB/km，无串扰，非常适于远距离传输，FOVH采用FDM频分复用、波分复用WDM，及时分复用TDM等技术进行多路复用,非常适合水下阵列的大规模\超大规模组阵，传输距离可达上百甚至上千公里。
更高效的解决左右舷模糊问题：FOVH的每个单向传感单元均具有指向性，而且抑制环境噪声能够达到4.8～6.0dB。全阵列的指向信息经过后端信号系统分析，具有更高的指向精度。因此，FOVH在有效解决声压水听器阵列的左右舷模糊问题的同时，在相同阵增益的情况下可大大减小线阵列的孔径。
可靠性高维护性高：FOVH激光由光源发出,经光纤传输至光纤水听器,并在拾取声信号后再经光纤传回信号处理设备。也就是说，在潮湿阴冷咸度大的海洋深水中（专业术语：湿端）无任何电子器件，无任何电源装置。而且光纤对水密性要求低,耐高温、抗腐蚀，能在恶劣的水下、地下、沙下、油下等自然环境中实现长期稳定工作。光设备器件比电设备器件相比大大简化，探测缆及传输缆皆为轻质细口径光缆,拖曳声呐容易收放，信号传感与传输实现了一体化。所有这些因素，都大大提高系统的可靠性和维护性。FOVH拖曳声呐可以在多年工作期内反复投放而免维护工作，而传统拖曳声呐就必须定期维护，工作量还是很大的。
低工程应用门槛：相比压电矢量水听器，FOVH的光器件构造简单，体积重量小，价格低廉。压电式水听器一个阵元需要几百个电子和光学器件，而FOVH一个阵元只有一个手指大小，为大规模工程奠定了扎实的基础。进一步的，由于FOVH的几何形状适应性大大高于声压水听器，传输光缆也比电缆更细更轻，和更好的空间适应性，因此，不仅可制成很长的线性阵列传感器.而且还可制成均匀紧贴舰体的共形传感器，这就为FOVH布设在设备空间狭小的中小型舰船、潜艇、无人潜航器提供了良好的工程可行性。
此外，上述工程优势，使得FOVH在石油、天然气等资源勘探中获得了军事反潜应用的广阔前景。 用FOVH采集地震波信号,经过信号处理可以得到待测区域的资源分布信息。用于海洋勘探时,FOVH可以布放在海底。用于陆地勘探时,FOVH可以吊放到高温高压的勘测井中,或埋到沙漠中的沙子底下。比如美国基于光纤水听器的钻孔成像系统,就可以勘探地下石油或天然气。
国外光纤矢量水听器的研究和应用发展
西方发达国家（矢量）光纤水听器的研究和发展，已经渐入佳境。各国国防和研究部门为此投入了大量的经费和科研实力，将FOVH进行工程化。表1 为各国研究机构的列表：
表1 发达国家光纤矢量水听器研发部门
国别 研发部门
美国 美国海军研究实验室(NRL)
俄罗斯 俄罗斯无线电和电子研究所
英国 英国国防研究局(DRA)
英国海军部水下武器研究所(AUWEI)
英国普菜西舰用设备公司和普莱西电子研究所
日本 日本国防科学院应用物理部
日本冲电气(OKI)国防研发部
意大利 意大利Alenia防务系统
如果说,在声压矢量水听器方面,美国和苏联并驾齐驱,互有短长,那么在光纤矢量水听器领域,只能说美国是处于一枝独秀的领先地位，已经将其他国家远远甩在后面。
岔一句，兵器迷老说美国是帝范儿，绝对是崇洋不媚外。碳纤维、钛合金、铼、卫星、发动机、无人机…你说哪方面美国不占领先优势？他犯过错误，打过败仗。但世界第一，依然是妥妥的。你就是恨的牙根痒，也得承认这一点。你要是想超过他，顶要紧的就是跟他学。
只要是有志气的中国军工人，眼睛里就有美国这样的目标，而且，只有美国。
书归正传。美国人的FOVH研究脉络大体如下：
1976年: 美国海军研究实验室Bucaro等人发表了第一篇有关光纤水听器的论文，演示了一套基于光纤技术的水声传感系统，这是首次对光纤水听器进行探索性的研究。
1980年：成功地进行了“玻璃板(Cqassboard)”塑料心轴型光纤水听器试验。
1981年：封装第一个“黄铜板(BrassY )”光纤水听器。
1982年7月：进行光纤水听器的第一次海上试验，在巴哈马群岛部署为海军流动噪声驳船(MONOB)系统的噪声监测装置开发的塑料心轴型光纤水听器。试验结果证实了光纤水听器低于海况零（即零级海况）的噪声特性。
1983～1986年期间，美国海军实验室进行了多次拖曳阵列海上演示，其中包括心轴型光纤水听器。
1987年：成功地进行了两次拖曳光缆试验和一次声纳阵列试验(10单元水听器)。试验和海军研究实验室进行的8单元频分复用(FDM)实验共同确定了全光拖曳阵列计划的询问方法。同年，美国Gould公司海事系统分公司获得了美国海上系统司令部价值1300万美元的全光拖曳阵列合同
1988年全光拖曳阵列在海上试验中取得很大成功。6月，美国海军研究实验室制订出潜艇用“光纤水听器系统标准”。
1990年代，美国国防部把光纤海底监视系统作为22项关键技术之一。美国1986-1990财年用于光纤反潜战的技术预算达到8000万美元，绝大部分用在光纤水听器上。
1990年6月，Litton制导和控制公司根据与海军研究实验室签定的合同，制作出两个基于心轴型迈克尔逊干涉仪结构的水听器、—个光纤船体穿透器和光电子子系统，装在668级攻击潜艇上，并进行了首次演示，水听器的工作带宽为64Hz~50kHz。之后，光纤水听器平面阵列将安装在海狼级(SSN一21级)和其它新型攻击潜艇上。
1990年4月.美国海军研究实验室在格陵兰Kap Eiler Rasmussen附近的Independence峡湾出海口，用两个水听器测量海岸坚冰下的环境噪声.获得了北极寂静噪声数据。该系统在北极9天的测试期间工作正常，水听器在500Hz时的噪声电平低于零级海况26dB，系统背景噪声低于零级海况33dB。
2000 年,美国利通资源勘探仪器公司研制成功96阵元全光光纤水听器系统,应用于海洋、陆地石油、天然气勘探.
2001 年,美国海军与利通资源勘探仪器公司签订基于光纤水听器的远程供电全光固定分布式系统(RP FDS2C) 开发合同。
2003年，美国弗吉尼亚级核潜艇安装了2700个光纤水听器阵元的全光水听器阵列声呐
近年来，美国海军研究实验室把主攻方向集中在三个方面：第一.中频工作的声透明薄型大面积(3OSmm×305mm)水听器和高频工作的小面积平面水听器，用于海底声监测的宽带(1Hz~50kHz)、高灵敏度(在整个频带内低于零级海况10dB)且能工作于浅海和深海的光纤水听器。
有朋友问了，说了那么多美帝的先进事迹，地球人都知道了，赶快说说中国的事吧。
预知后事如何，且听下回——《中国篇》分解
注：所有资料来自于互联网公开报道和公开出版物，如：
《声矢量传感器研究进展》
《光纤矢量水听器原理与应用》
《光纤矢量水听器研究进展》
《声学学报》
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