在美國最為先進的新型核潛艇——“弗吉尼亞”級潛艇中，為了提高反潛、反艦和遠端偵察能力，裝備了大孔徑陣列光纖聲學感測器系統，即光纖水聽器。它利用光纖和鐳射技術把目標在水中傳播的聲音訊號轉化為光學資訊，從而使“弗吉尼亞”級潛艇能夠精準識別和跟蹤目標。
光纖水聽器就像人類洞察汪洋的一雙“慧眼”。難怪美國海軍研究實驗室光纖水聽器的研究人員曾經自豪地說：“屬於光纖水聽器技術的時代已經到來！”
01
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傳統聲吶偵聽難度大大增加
看似安寧的海洋，其實從來都不平靜。聲波是目前人類知道的唯一能夠在水中遠距離傳播的物質，而光和電磁波在水中傳播時很快就會被吸收。聲波不僅可以在水裡傳得很遠，而且當聲波遇到海洋中的物體時，會被反射回來，不同頻率的聲波，在水中被吸收和反射的程度也不相同。人們根據聲波的這一特性發明瞭聲吶，用來進行水中探測、定位和通訊。
但近年來隨著武器裝備的迅速發展和消噪技術的不斷進步，各類靜音效果良好的核動力潛艇以及AIP潛艇先後列裝各國海軍，利用傳統聲吶裝置進行偵聽的難度大大增加。反潛作戰成為當今世界各國海軍公認的最大難題之一。
2009年2月初，英國“前衛”號彈道導彈核潛艇與法國“凱旋”號核潛艇在大西洋深海上演了“深情一吻”。當時兩艘潛艇均在水下航行，而且艇上帶著核導彈，碰撞發生時，潛艇上共有約250名乘員，可竟然無人利用聲吶裝置發現對方。
其實，自冷戰時代起，美國和西方國家就經常派潛艇近距離監視蘇聯的大型海上軍事演習，雙方潛艇發生相撞事件時有發生。
據不完全統計，在北方艦隊和太平洋艦隊過去30年來進行軍事演習的海域，就曾發生過11起俄羅斯（前蘇聯）潛艇與外國潛艇相撞事故。俄核潛艇“庫爾斯克”號的沉沒引發了世人的種種猜測，其中有一種猜測就是認為發生了潛艇相撞事件。
02
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光纖水聽器引起各國關注
光纖水聽器是一種建立在光纖感測和光電子技術基礎上的水下聲訊號探測器。它透過高靈敏度的光纖相干檢測技術，將水聲訊號轉換成光訊號，並透過光纖傳至訊號處理系統提取聲訊號資訊。
它可以有效克服傳統的聲吶系統需要大量水下電子元件和訊號傳輸電纜、價格昂貴、重量較大、密封性不好等問題，有效提高水聲訊號的探測精度和系統的穩定度。
光纖水聽器技術的研究始於1977年，美國海軍實驗室Bucaro等人發表了光纖水聽器的首篇論文，作為未來聲吶系統的重要發展方向，此後各國相繼開展了相關領域的研究。
上個世紀70年代美國海軍研究實驗室就開始執行光纖感測器系統計劃，光纖水聽器是該實驗系統的重要內容。隨後美國在海軍流動噪聲駁船系統上對塑膠芯軸光纖水聽器進行了第一次海上實驗，並於1983年7月在巴哈馬群島成功部署。
其後，美國海軍進行了多次拖曳式光纖水聽器陣列的海上實驗，並取得了重大成功。1988年美國海軍實驗室制訂了潛艇用“光纖水聽器系統標準”，標誌著光纖水聽器邁向實用武器系統的巨大進步。
除了美國以外，英、法、日等國也相繼開展光纖水聽器領域的研究。英國海軍特別關注的領域是利用陣列進行淺海監視和海岸線監控技術，成功研製出了光纖海底陣系統，光纖水聽器陣列技術可以實現遠距離的可耗式低成本陣列器件，具有巨大的應用價值。
日本於上個世紀80年代開始光纖水聽器系統調研與開發研究，並於1995年製成原理樣機。除此以外，法國、義大利與挪威合作執行全光纖光學水聽器線陣計劃，主要目的是發展靜態光纖水聽器陣列，並於2002年成功進行了海上試驗，這個專案也成為了歐洲長期防衛聯盟專案的一部分。
03
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水聽網可以軍民兩用
光纖水聽器與傳統水聽器相比，具有將大量單元訊號經由一根光纖傳輸從而形成大規模陣列的特殊能力，而且水聽器單元可以靈活設計，響應頻寬寬，靈敏度極高，在訊號傳輸和單元佈設時無需擔心電磁環境的干擾，具有較好的系統穩定性，具有組建形成光纖水聽器大規模探測陣列的巨大潛力，也就是可以形成一張巨大的洞察海底的“水聽網”。
未來光纖水聽網將組成由岸基光纖列陣水聲綜合探測系統、陸地地面衛星接收站以及空天探測衛星編織成的一張天、地、海的綜合探測網，形成涵蓋整個被探測區域的新型感測網路。
光纖水聽器既可用於現代海軍反潛作戰及水下兵器試驗檢測，又可用於海洋石油天然氣勘探，也可用於海洋地震波檢測以及海洋環境檢測，必將在軍民用領域極大促進海洋事業的發展。
早在2000年美國利通資源勘探儀器公司就與英國防衛研究局成功開發出一套海洋陸地鑽孔成像系統，這個系統的核心部件為96基元的8公里傳輸全光光纖水聽器系統，可以用於勘探地下石油或天然氣儲備。
此外，為防止海洋平臺、水下儲油罐、海底電纜、海底輸油管線等設施出現洩漏或被破壞，都需要經常觀測和檢查，這時光纖水聽器就可以發揮巨大的作用。
光纖水聽器的研究雖然取得了相當大的進步，但是在工程實現和裝備化方面還面臨著諸多挑戰，是各國競相發展的重點方向。可以預見在不遠的將來，它必將對人類開發和利用海洋發揮更大的作用！
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光纖水聽器型別及特點
調相型光纖水聽器
光纖水聽器是利用光纖的傳光特性以及它與周圍聲場相互作用產生的種種調製效應，在海洋中接收水聲訊號的儀器。
調相型光纖水聽器主要指干涉型光纖水聽器，它是基於光學干涉儀的原理構造的。圖1是基於幾種典型光學干涉儀的光纖水聽器的原理示意圖。圖1(a)所示是基於Mach-Zehnder光纖干涉儀光纖水聽器的原理示意圖，鐳射經3dB光纖耦合器分為兩路，分別經過感測臂與參考臂，由另一個耦合器合束髮生干涉，經光電探測器轉換後拾取聲訊號。圖1(b)所示是基於Fabry-Perot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成一個Fabry-Perot干涉儀，鐳射經該干涉儀時形成多光束干涉，透過解調幹涉的訊號得到聲訊號。
(a)Mach-Zehnder干涉型
(b)Fabry-Perot干涉型
圖1 干涉型水聽器結構圖
強度型光纖水聽器
強度型光纖水聽器基於光纖中傳輸光強被聲波調製的原理，該型光纖水聽器研究開發較早，主要調製形式有光纖微彎式等。微彎光纖水聽器是根據光纖微彎損耗導致光功率變化的原理而製成的光纖水聽器。
其原理如圖2所示。兩個活塞式構件受聲壓調製，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，光纖由於彎曲而損耗變化，這樣輸出光纖的光強受到調製，轉換為電訊號即可得到聲場的聲壓訊號。
（a）柱狀結構 (b)雙螺旋結構 (c)星狀結構
圖2 強度型光纖水聽器結構簡圖
偏振型光纖水聽器
光纖光柵水聽器是典型的偏振型光纖水聽器，它是利用光纖光柵作為基本感測元件，以光柵的諧振耦合波長隨外界參量變化而移動為基本原理來實現的。
目前，光纖光柵水聽器典型的一種是基於光纖布拉(Bragg)光柵構造，如圖3所示。當寬頻光源(BBS)的輸出光波經過一個光纖布拉格光柵(FBG)時，根據模式耦合理論可知，波長滿足布拉格條件的光波將被反射回來，其餘波長的光波則透射，這樣就實現了水聲聲壓對反射訊號光的波長調製。所以，透過實時檢測中心反射波長偏移情況來獲得聲壓變化的資訊。
圖3 光纖光柵水聽器結構簡圖
無源光纖光柵水聽器
無源光纖光柵水聽器是以刻寫在光纖上的單個光纖布拉格光柵(FBG)為感測元件，如圖4所示，光纖光柵的載體為普通單模光纖，光纖內部無摻雜，當C波段寬頻光源(1535～1565nm)輸入到光纖光柵時，由於光纖光柵的窄帶反射特性，將後向反射回一個窄帶反射光，該反射光的中心波長隨外界物理量的變化而產生相應變化。
當FBG水聽器受外界聲壓作用時，其反射譜發生漂移，透過檢測反射波長或功率解調出相應的聲壓變化。
圖4 無源型光纖光柵水聲感測系統原理框圖
分佈布拉格反射式光纖鐳射(DBR-FL)水聽器
DBR 光纖鐳射器結構由一對波長匹配的FBG 作為諧振腔反射鏡和摻鉺光纖(EDF)作為鐳射器的增益介質，如圖5、圖6所示。採用980nm泵浦鐳射入射到DBR鐳射諧振腔內，經泵浦的鉺離子形成粒子集居數反轉後產生受激輻射，該輻射透過光纖光柵諧振腔發射鐳射DBR 光纖鐳射器所發射的鐳射中心波長與光柵本身的反射中心波長相匹配。
因此在受到外界物理量的作用時依然會產生波長的偏移，利用波長解調系統和聲訊號轉換系統即可解調出相應的聲訊號。
圖5 DBR光纖鐳射器結構圖
圖6 DBR光纖鐳射水聽器系統圖
光纖水聽器自誕生以來，備受關注，由於其體積小，便於多路複用，並可以將多種感測器整合在一起等顯明特點，二十年來，歐、美、英等國家相繼投入大量的人力和物力，使該技術在理論研究和應用開發上都有了長足的進步。光纖水聽器技術已經逐漸發展成熟，在軍事、能源勘探以及水聲物理等眾多領域獲得應用，應用前景十分廣闊。
