1 引言
随着各种先进技术在潜艇制造工艺中的应用，现代潜艇在水下运行时噪音不断降低 ，这给反潜作战带来巨大的挑战。目前大量装备的压电型水听器灵敏度已逐渐不能满足 水声探测的实战需要，而且由于压电材料物理本质的原因，性能也难有较大的改进，这 迫切需要发展一种崭新的水下声场探测装置来应付日益严重的水声对抗的新课题。美国 海军研究实验室在80年代初提出的可以利用光纤作换能器研制光纤水听器的新方案［1］ ，给处境艰难的被动水声探测技术带来了新的希望。
光纤水听器是一种重要的光纤压力传感器，通过水下的声波对光纤的应力作用改变 光纤纤芯的折射率或长度，从而引起在光纤中传播光束的光程改变，导致相位发生变化 。采用干涉测量技术可检测出相位变化，并得到有关水声的信息。和压电陶瓷或压电晶 体型的传统水听器相比，光纤水听器具有很大的优越性。它利用光的相位干涉作为探测 手段，探测灵敏度极高，响应频带也较宽；它以光纤作为信息传感与传输媒介，而以光 为载体的信息既不会被电磁干扰也无发生泄漏的危险。光纤水听器优异的特性使它具有 十分看好的军事应用前景。美国国防部与海军共同发起了一个光纤传感器系统(FOSS)的 计划［2］，其中有关光纤水听器的研究占了很重要的一部分。自从80年代以来，伴随着 光纤通信技术带动的集成光学器件以及光纤激光器、光纤放大器技术的高速发展，光纤 水听器技术取得了长足的进步，已有多种高性能光纤水听器系统问世，典型系统性能可 达到本底噪声低于海况零(DSS0)30 dB，动态范围超过120 dB，并且从10 Hz到10 kHz均 有平坦的频响，这样的指标是传统水听器无法比拟的。
2 多路复用光纤水听器阵列
光纤水听器的研究虽然取得了长足的进步，但距实现工程化、装备化还有一定的差 距。 由于水下声场的复杂性，单元水听器很难获得目标的全部详细信息，因此光纤水听 器在军事上主要是以阵列的形式应用，是否能以低成本实现分布式阵列，是光纤水听器 最终能否在实战中得以应用的关键性因素。自80年代中期以来，各国对光纤水听器技术 研究的重点集中到如何充分利用光纤传输损耗低、传输带宽大的特点，并结合集成光电 子器件的最新进展，实现对光源、光纤以及光电探测器的多路复用，用较少的组件形成 分布式光纤水听器阵列，这样既降低了系统成本，又降低了维护上的复杂程度。而且通 过对阵列信号的处理可以极大地提高整个多路复用系统的探测性能，获取更多有关水下 目标的信息。美国海军研究实验室(NRL)，英国国防研究局(DRA)等是最先研究光纤水听 器技术的机构，日本、俄罗斯、法国、意大利的有关部门、公司和大学也已投入力量进 行光纤水听器多路复用技术的研究。
2.1 时分多路复用技术［3～8］
光纤水听器的多路复用可以通过不同的体系结构来实现，各国的研究人员根据各自 的技术优势分别发展了多种多路复用技术。其中最早被采用的是时分多路复用（TDM）技 术，它的工作原理是根据光脉冲经由阵列中各个节点处的单元光纤水听器返回时，会因 光程差而存在时间上的差异，当向阵列注入间隔相同、光波频率略有差异的相干激光脉 冲对，从每个节点处返回的光脉冲回波相位于前一个节点处回波相位之差携带了此节点 处单元光纤水听器所探测到的有关信息，而发射这两个脉冲之间的间隔由于光程差造成 的时间延迟相等，会同时到达光电探测器端，由于两脉冲是相干的，会在光电探测器端 发生干涉，利用干涉信号变化可获得有关的水声信息。同时，利用返回时间可确定信号 源的位置，当向阵列中注入间隔时间大于单个脉冲从光程最远处返回所需时间的连续光 脉冲时，通过高速数字电子技术可将经同一光电探测器检测出的来自不同单元水听器的 信号较好的分开，完成多路复用信号的解复用。
采用时分多路复用技术的光纤水听器阵列从结构上大体可分为两类，一类为反射型 结构，另一类为透射型结构。它们的结构示意图分别如图1和图2所示。 图1 反射型时分复用结构的光纤水听器阵列示意图 Fig1.Scheme of reflection-type optic fiber hydrophone array with time-multip lexing structure 图2 透射型时分复用结构的光纤水听器的阵列示意图 Fig2.Scheme of transmission-type optic fiber hydrophone array with time-mult iplexing structure
反射型结构的光纤水听器阵列只需一根光纤作为光脉冲信号的发射与接收总线，但 每个节点的单元水听器需后置一反射装置，使携带有该节点处水声信息的光脉冲信号能 够沿原路返回。透射型结构的光纤水听器阵列有两条总线，一条为信号发射总线，另一 条为信号接收总线，从而不需反射装置。阵列中各节点之间的光纤还起延时的作用，使 得从各节点返回的光脉冲不会在时域发生重叠，保证信号处理所需的时延。
时分复用结构的光纤水听器阵列的信号处理一般利用光学外差法，每次向阵列中注 入一个频率略有差异的光脉冲对，频差通常由布喇格光栅移频产生，利用光学开关对较 长相干长度的激光进行斩波或附加的延时光路对单个光脉冲复制得到相干的脉冲对，使 得脉冲对之间的时间间隔能保证从每个节点处返回的第一个脉冲与从前一个节点处返回 的第二个脉冲同时到达探测器，实现外差检测。另外也可以利用零差法实现时分复用系 统的信号处理。时分复用结构的最大复用能力，及阵列中最多可容纳的节点数主要受光 功率和信号采样率的限制，目前复用单元数最多的是英国的国防研究局1992年报道的16 单元平面阵列［4］，更大的复用能力有望通过时分复用与波分复用技术相结合来实现。
2.2 频分多路复用技术［9～11］
光纤水听器的频分多路复用（FDM）技术一般是指相位产生载波(PGC)的频分复用即 副载波频分复用，其基本原理是将由水声信号引起的各单元光纤水听器光学干涉信号的 相位变化分别用不同频率的载波进行调制，每个载波频率对应一个节点处的单元光纤水 听器，相邻载波频率之间的频差大于水声信号的频带上限的二倍，阵列中各节点信号被 同一光电探测器检测后，利用一系列中心频率与各载波频率相对应的滤波器将其分开， 而后可采用多种信号处理技术将调制到载波上的干涉信号解调出来，实现解复用的目的 。
相位产生载波技术的特点是水声信号与高频载波信号共同对干涉信号的相位进行调 制。从理论上已证明，每个节点处水听器探测到的水声信号在频域上被移到以载波频率 为中心的两侧边频位置，因相邻载波频率间隔大于水声信号频带上限的二倍，因此不会 发生信号的串扰。一个典型的9单元频分多路复用结构的水听器阵列结构如图3所示。 图3 频分多路复用光纤水听器阵列结构示意图 Fig3.Scheme of optic fiber hydrophone array with frequency-multiplexing stru cture
在一个M×N的频分复用式光纤水听器阵列中，共有M个LD光源和N个光电探测器，实 现对M×N个单元光纤水听器的复用。每个LD光源的驱动电流被不同频率的高频载波信号 调制，由于LD中F-P谐振腔的长度会受载波调制电流的温度效应影响而发生改变，从而影 响LD光源输出激光的光波波长，使之发生与调制频率相同的振动，利用阵列中不等臂长 的干涉仪结构单元光纤水听器，将调制LD光源驱动电流引起的发光波长的变化转换成为 光学干涉信号相位的变化，实现对相位的调制。每个光源驱动N个单元光纤水听器，而每 个探测器同时对来自M个水听器的信号进行检测。每个探测器的输出信号用M个带通滤波 器并联进行滤波，各带通滤波器的中心频率分别对应某一高频载波的频率，通带带宽为 各载波频率之间的频差。相位被载波调制的水声信号可利用被动零差法、主动零差法以 及合成外差法等解调出来。
采用相位产生载波的频分复用技术的光纤水听器阵列规模部分受制于LD 光源注入阵 列中的光功率，部分受制于带通滤波器的带宽。美国海军研究实验室在其对外展示的光 纤水听器阵列中大多采用的是相位产生载波的频分复用方案，其中包括49节点的平面阵 列和拖曳阵列，以及16节点的海底竖直声监控阵列［10］。
2.3 相干多路复用技术［12～15］
光纤水听器的相干多路复用采用的是远端光程匹配技术来实现的。这种技术的特点 是阵列中的单元光纤水听器均采用不等臂长的干涉仪结构，而且各干涉仪的臂长差均不 相同，并要求光源发出光的相干长度小于各干涉仪最小臂长差，使其均不能满足相干条 件；阵列信号的接收端串联一可变臂长的匹配干涉仪，臂长的调整范围能涵盖阵列所有 干涉仪的臂长差。通过调整匹配干涉仪的可调臂长度，分别对阵列中的每个干涉仪进行 光程匹配，使得在某一时刻阵列中只有一个干涉仪与匹配干涉仪串联满足相干条件。典 型的相干多路复用结构见图4。 图4 相干多路复用光纤水听器阵列结构示意图 Fig4.Scheme of optic fiber hydrophone array with coherent-multiplexing struc ture 光程匹配的实现是指阵列中干涉仪的长光臂与匹配干涉仪的短光臂长度和等于阵列 中干涉仪的短光臂与匹配干涉仪的长光臂长度和。由于阵列中各干涉仪的臂长差均不相 同，因此利用臂长差可以唯一标定某一干涉仪在阵列中所处的位置。当调整匹配干涉仪 的可调臂长度，与阵列中的某一干涉仪实现光程匹配时，光电探测器测得的干涉信号即 为该干涉仪所在节点处光纤水听器感应的水声信号。调整匹配干涉仪利用扫描方式分别 与阵列中每个干涉仪进行光程匹配，便可测得所有节点处的水声信号，达到多路复用的 目的。
2.4 其他多路复用技术
除了以上介绍的几种复用方案外，随着光纤通信技术的发展，各国的研究机构还发 展了一些由光通信技术演变而来的多路复用技术，其中包括波分复用（WDM）技术，调频 载波（FMCW）复用技术［16］和展布频谱（Spread spectrum）复用技术［17］。波分复 用技术采用的是对光波长的复用，将具有多种波长的光混合注入光纤水听器阵列中，每 个单元光纤水听器只允许某一特定波长的光通过，并将该处的水声信息调制到该波长光 的相位上，从阵列中返回的混合光信号按波长分开，用不同的探测器将信号检测出来， 实现多路复用。调频载波最早应用在雷达信号处理中，有些类似于相位产生载波的频分 复用技术，但在调频载波中被调制的不是干涉信号的相位，而是光波的频率，从不等臂 长的干涉仪返回的两束光的频率差变化则直接反映了该处水声信号对光纤水听器的应力 作用，其信号的检测是通过光学外差法实现的。展布频谱复用技术采用伪随机二进制编 码序列（PRBS）对光源进行调制，通过调整本地相关PRBS序列的时延，确定匹配节点所 在位置，实现对远端光纤水听器的信号检测。这几种多路复用方案都只有实验室研究的 报道，目前没有实际应用的水声监测系统采用其中某一技术的报道。
3 结束语
本文总结了目前分布式光纤水听器阵列技术中多路复用技术的研究进展状况，着重 介绍了发展较为成熟、实际系统中应用较广泛的时分多路复用、频分多路复用以及相干 多路复用技术。在未来军事领域应用的光纤水听器阵列将向着多节点，大监控范围的方 向发展，每个阵列将包含上千个节点，几百公里的监控范围，而且要求这种系统是低成 本、高性能、高可靠性的，这样的系统必须通过多路复用和相应的信号处理技术来实现 。
鉴于未来战争的需要，我国对光纤水听器也进行了研究。由于水听器在现代战争中 均是以阵列的形式应用，分布式传感阵列是光纤水听器应用的最终发展方向，因此我们 在进行单元光纤水听器研究的同时必须要考虑阵列技术的有关特点，考虑到研究的单元 水听器技术在向阵列形式发展时会遇到的问题，在尽量提高单元水听器灵敏度的同时还 要尽量提高整个系统多路复用的能力，为将来光纤水听器最终实现在实际中应用奠定坚 实的基础。
作者简介:韩 泽 男，1974年10月出生，1999年3月毕业于国防科技大学，获硕士学位 ，主要从事光电信息与光纤电子技术的研究。现就职于海军装备论证研究中心系统所。 作者单位：国防科技大学 应用物理系，长沙 410073 |
.jpg){kind=small}
