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，航機編號為QZ8501失聯(lián)。據悉，航機在失聯(lián)前曾要求改變航道，現與地面失去聯(lián)系，至今下落不明。對此，印尼交通部一名官員說(shuō)，客機與地面失去聯(lián)絡(luò )前，飛行員曾請求一條“不尋?！钡暮骄€(xiàn)，以躲避云層，隨后與地面失聯(lián)。亞航在一份聲明中說(shuō)，客機在飛行途中遭遇惡劣天氣。印尼交通部表示，飛機失聯(lián)前沒(méi)有發(fā)出求救信號。

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”到現在仍成為“疑案”。其搜索區域北到中亞地區，南至南印度洋，東至南中國海，西及安達曼海，最多時(shí)有26個(gè)國家參與搜尋，無(wú)論從搜索區域及規模，均創(chuàng )造國際救援的新紀錄，但至今仍未有客機的任何消息。鑒于今年多起飛機失聯(lián)事件，飛機是否順利抵達目的地越發(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(lèi)對于水下探測與搜尋基本靠‘聲’”。

　　試著(zhù)把耳朵放進(jìn)水里，看看能聽(tīng)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 )出現讓人意想不到的變化，據了解：海水若放“煙霧彈”，這正是在監聽(tīng)和定位失聯(lián)航班的黑匣子信號時(shí)搜救隊所面臨的巨大難題。人類(lèi)的聽(tīng)力系統并非為水中環(huán)境而設計，潛入水后“聽(tīng)”到的一切都變得模糊起來(lái)，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、聲吶浮標和拖曳式聲波定位器都在對海底進(jìn)行顯微鏡式的監察。平時(shí)，這些替代了人耳的機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，因為聲音在水底“不走尋常路”，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°轉向，“避開(kāi)”探測儀器，這無(wú)疑又為水下探索黑匣子信號增加了難度。飛機黑匣子的信號有非常高的音頻，超過(guò)人耳可聽(tīng)見(jiàn)的最高音頻。這樣，黑匣子的信號雖然傳不遠，但有助于搜救隊對它進(jìn)行精確定位。水下也有噪音污染。不同的聲音在水中運動(dòng)，非常有可能會(huì )影響到黑匣子傳出的聲音信號。

　　水下測音器、聲吶浮標和拖曳式聲波定位器等水下聲音探測設備基本都是基于水下聲納技術(shù)，而水下聲納技術(shù)的應用重點(diǎn)就是在水域反恐安保。目前水域監控安全措施多數集中覆蓋水面以上的區域，而水下區域安保環(huán)節薄弱，恐怖勢力或敵對方面有可能利用潛艇、水下蛙人、機器人以及小型水下運載器等乘虛而人，對水域設施進(jìn)行破壞，造成重大財產(chǎn)損失，使人員安全受到威脅。因此，建立完備的水下安保機制，對重點(diǎn)水域實(shí)施嚴密監控，保證關(guān)鍵設施的安全是國防安全的重中之重。目前，世界各國進(jìn)行水下防護與監控的最主要的手段便是運用探測聲納系統。聲吶，是一種利用聲波在水下的傳播特性，通過(guò)電聲轉換和信息處理，完成水下探測和通信任務(wù)的電子系統設備。二戰時(shí)期，德軍創(chuàng )造了海戰史上著(zhù)名的“狼群戰術(shù)”，聲吶在德軍潛艇發(fā)現與摧毀目標過(guò)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)既古老又飽含現代高科技味道的名詞呈現在了世人面前。在這次事件中，英國核潛艇“前衛”號與法國核潛艇“凱旋”號在大西洋水下發(fā)生了猛烈的相撞事故。外電評論指出，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(lái)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，而聲吶系統便是潛艇的眼睛和耳朵，它被譽(yù)為水下對抗的殺手锏。是什么問(wèn)題導致了潛艇的碰撞?聲納系統工作原理如何，尚且存在哪些不足?（點(diǎn)擊下頁(yè)）

聲納系統在水下的工作原理

　　聲吶：聲吶是英文縮寫(xiě)SONAR的音譯，其英文全稱(chēng)為“Sound Navigation And Ranging”(聲音導航與測距)，是一種利用聲波在水下的傳播特性，通過(guò)電聲轉換和信息處理，完成水下探測和通訊任務(wù)的電子設備，有主動(dòng)式和被動(dòng)式兩種類(lèi)型。主動(dòng)聲吶：聲吶主動(dòng)發(fā)射聲波“照射”目標，而后接收水中目標反射的回波以測定目標的參數。大多數采用脈沖體制，也有采用連續波體制的。它由簡(jiǎn)單的回聲探測儀器演變而來(lái)，它主動(dòng)地發(fā)射超聲波，然后收測回波進(jìn)行計算，適用于探測冰山、暗礁、沉船、海深、魚(yú)群、水雷和關(guān)閉了發(fā)動(dòng)機的隱蔽的潛艇。

　　被動(dòng)聲吶：被動(dòng)接收艦船等水中目標產(chǎn)生的輻射噪聲和水聲設備發(fā)射的信號，以測定目標的方位。它由簡(jiǎn)單的水聽(tīng)器演變而來(lái)，它收聽(tīng)目標發(fā)出的噪聲，判斷出目標的位置和某些特性，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(shuō)主動(dòng)聲納就是嘴和耳朵，從喊出聲音到聽(tīng)到回聲，判定目標距離位。那么，被動(dòng)聲納就只有耳朵，聽(tīng)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，然后收測目標回波進(jìn)行判斷,測試準確度較高，但容易暴露，被發(fā)現，不適合用于隱蔽性探測場(chǎng)所。被動(dòng)聲吶，能夠隱蔽收聽(tīng)目標發(fā)出的噪聲，判斷出目標的位置和特性，但測試的準備度不高。而應對水下聲吶技術(shù)，各國也在大力進(jìn)行反聲吶系統的研究與開(kāi)發(fā)。

　　反聲吶系統：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%，這樣對方聲吶就很難發(fā)現潛艇的存在。而同時(shí)，各國潛艇的降噪水平越來(lái)越高，反探測能力越來(lái)越強。

　　目前水聲探測所用的水聽(tīng)器一般都是聲壓水聽(tīng)器，它只能得到聲場(chǎng)的聲壓標量。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)也對電磁類(lèi)器件在水下的長(cháng)期使用提出了諸多限制。傳統的壓電陶瓷具有噪聲大、動(dòng)態(tài)范圍小、抗電磁干擾與信號串擾能力差、結構笨重、不適于遠距離傳輸、組網(wǎng)等缺點(diǎn)。

　　光纖水聽(tīng)器是建立在光纖、光電子技術(shù)基礎上的水下聲信號傳感器,它能將水聲信號轉換成光信號,再通過(guò)光纖傳至信號處理系統從而提取聲信號信息,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,體積小、重量輕等特點(diǎn),還有易于全天候實(shí)時(shí)探測和識別、易于集成化以及網(wǎng)絡(luò )化等優(yōu)點(diǎn)。光纖水聽(tīng)器按原理可分為干涉型、強度型、光柵型等。（點(diǎn)擊下頁(yè)）

三種典型的光纖水聽(tīng)器工作原理　　

干涉型

　　干涉型光纖水聽(tīng)器是基于光學(xué)干涉儀的原理構造的。

圖1(a)是基于Michelson光纖干涉儀光纖水聽(tīng)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:一路構成光纖干涉儀的傳感臂，接受聲波的調制，另一路則構成參考臂，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，干涉的光信號經(jīng)光電探測器轉換為電信號，經(jīng)過(guò)信號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(tīng)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(guò)傳感臂與參考臂，由另一個(gè)耦合器合束發(fā)生干涉，經(jīng)光電探測器轉換后拾取聲信號。

　　圖1(c)是基于Fabry2Perot光纖干涉儀光纖水聽(tīng)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(guò)解調干涉的信號得到聲信號。

　　圖1(d)是基于Sagnac光纖干涉儀光纖水聽(tīng)器的原理示意圖。該型光纖水聽(tīng)器的核心是由一個(gè)3×3光纖耦合器構成的Sagnac光纖環(huán)，順時(shí)針或逆時(shí)針傳播的激光經(jīng)信號臂時(shí)對稱(chēng)性被破壞，形成相位差，返回耦合器時(shí)干涉，解調干涉信號得到聲信號。

　　基于Sagnac干涉儀光纖水聽(tīng)器的優(yōu)點(diǎn)：①光源的相位噪聲將不轉換為系統的強度噪聲，而基于Michelson及MachZehnder干涉儀，其光源相位噪聲將轉換為系統噪聲;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(tīng)器也有缺點(diǎn)，如低頻不敏感，進(jìn)行多路復用時(shí)困難較大。

　　圖1：基于光纖干涉儀的光纖水聽(tīng)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

強度型

　　強度型光纖水聽(tīng)器基于光纖中傳輸光強被聲波調制的原理，該型光纖水聽(tīng)器研究開(kāi)發(fā)較早,主要調制形式有光纖微彎式、光纖絞合式、受抑全內反射式及光柵式。

　　微彎光纖水聽(tīng)器是根據光纖微彎損耗導致光功率變化的原理而制成的光纖水聽(tīng)器。其原理如圖2所示:兩個(gè)活塞式構件受聲壓調制，它們的頂端是一帶凹凸條紋的圓盤(pán)，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受到調制，轉換為電信號即可得到聲場(chǎng)的聲壓信號。

　　光纖光柵型

　　光纖光柵水聽(tīng)器是以光柵的諧振耦合波長(cháng)隨外界參量變化而移動(dòng)為原理。目前光纖光柵水聽(tīng)器一般基于光纖布拉格(B r ag g)光柵構造，如圖3所示，當寬帶光源(BBS)的輸出光波經(jīng)過(guò)一個(gè)光纖布拉格光柵(FBG)時(shí)，根據模式耦合理論可知，波長(cháng)滿(mǎn)足布拉格條件λB = 2 neffΛ的光波將被反射回來(lái)，其余波長(cháng)的光波則透射。式中λB為FBG的諧振耦合波長(cháng)，也即中心反射波長(cháng)，neff為纖芯有效折射率，Λ為光柵柵距。當傳感光柵周?chē)膽﹄S水中聲壓變化時(shí)，將導致neff或Λ 的變化，從而產(chǎn)生傳感光柵相應的中心反射波長(cháng)偏移，偏移量由ΔλB = 2ΔneffΛ + 2 neffΔΛ確定，這樣就實(shí)現了水聲聲壓對反射信號光的波長(cháng)調制。所以，通過(guò)實(shí)時(shí)檢測中心反射波長(cháng)偏移情況，再根據Δneff 、ΔΛ與聲壓之間的線(xiàn)性關(guān)系，即可獲得聲壓變化的信息。

對于強度型而言，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，信號經(jīng)光纖傳輸損耗小，無(wú)串擾，能在惡劣的水下、地下環(huán)境中實(shí)現長(cháng)期、穩定工作。但是要觀(guān)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，又因為它的傳感信號是波長(cháng)調制,不受光源強度的起伏變化影響，能方便的使用波分復用技術(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(tīng)器對水下安防的意義

　　美國海軍研究實(shí)驗室于1976年發(fā)表了第一篇有關(guān)光纖水聽(tīng)器的論文，這是首次對光纖水聽(tīng)器進(jìn)行探索性的研究。至今，美國在光纖水聽(tīng)器研究方面已經(jīng)達到了較高的水平。由于光纖水聽(tīng)器幾何形狀的適應性.不僅可制成很長(cháng)的線(xiàn)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(tīng)器的研究雖然取得了相當大的進(jìn)步，但距離實(shí)現工程化、裝備化還有一定差距。由于水下聲場(chǎng)的復雜性，光纖水聽(tīng)器在軍事中主要是以陣列的形式應用，低成本實(shí)現分布式陣列是光纖水聽(tīng)器在實(shí)戰中得以應用的關(guān)鍵。

　　光纖語(yǔ)音陣列是一種建立在光纖、光電子技術(shù)基礎上的水下三維聲場(chǎng)信號傳感器。它通過(guò)高靈敏度的光學(xué)相干檢測，將聲波振速信號轉換為光信號，并通過(guò)光纖傳至信號處理系統提取聲波信息。系統具有光纖網(wǎng)絡(luò )的特點(diǎn)，可大規模組陣實(shí)現水下大范圍聲學(xué)監測。

自上世紀80年代中期以來(lái)，各國對光纖水聽(tīng)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)，并結合集成光電子器件的最新進(jìn)展，實(shí)現對光源、光纖以及光電探測器的多路復用，用較少的組件形成分布式光纖水聽(tīng)器陣列。這樣既降低了系統成本，又降低了維護的復雜程度。而且通過(guò)對陣列信號的處理可以極大地提高整個(gè)多路復用系統的探測性能，獲取更多有關(guān)水下目標的信息。我國在“七五”計劃期間開(kāi)始了光纖水聽(tīng)器研究，并在“八五”、“九五”計劃期間列入研究計劃，從實(shí)驗室原理性研究到現場(chǎng)水域試驗，也取得一定的進(jìn)展。光纖水聽(tīng)器研究

　　在“十五”計劃期間繼續在國內多個(gè)單位開(kāi)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(tīng)器的研究大多還處于理論和實(shí)驗室的層次，實(shí)用化、工程化的應用程度還不高。隨著(zhù)現代戰爭環(huán)境的日趨復雜化，需要更先進(jìn)有效的武器裝備運用到軍事中去。而光纖水聽(tīng)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)力貢獻力量。（上海復旦智能監控成套設備有限公司供技術(shù)部分資料、本文部分圖片來(lái)源網(wǎng)絡(luò )）