光纖水聽器陣列

A. 光纖水聽器的應用領域

光纖水聽器主要用於海洋聲學環境中的聲傳播、雜訊、混響、海底聲學特性、目標聲學特性等的探測，是現代海軍反潛作戰、水下兵器試驗、海洋石油勘探和海洋地質調查的先進探測手段。 較傳統水聽器相比，光纖水聽器具有靈敏度高，可以探測微弱信號;抗電磁干擾和信號串擾能力強，可以遠距離傳輸;體積小，易於布放實施，且收放容易，高可靠性，並且大規模組網。光纖水聽器技術也將掀起感測器改革的新篇章，為傳統的測量手段帶來新風向，光纖水聽器陣列對空間信號進行測量，通過對每個固定位置上的水聽器測量的聲信號進行信號處理，確定聲源位置，實現水下探測，水下目標偵測，水下/水面目標輻射雜訊測量，並應用與水下安防，地震預測，海洋石油和天然氣勘探等領域，是具有自主知識產權的水下探測技術，為港口防護、水聲情報搜集以及目標探測提供技術支撐。
在大規模光纖水聽器陣列組裝過程中，面臨的最大困難是當系統中存在數以千計的大量器件時，很難保證系統的光學均衡。光學系統的失衡，將影響系統的探測性能，對平衡要求提高，將大幅度增加系統的製造成本和製造難度，而神州普惠已經發展了基於動態匹配的大容差光學均衡陣列設計與組裝創新技術來解決這一問題。 在多基元的大規模光纖水聽器陣列水聲探測中，涉及到多通路的光信號探測和復雜的信號處理。在這方面神州普惠具有基於統一時鍾和分布時差修正的高精度大容量同步信號採集控制技術、基於復合結構FPGA和多核DSP的大容量數據連續採集與並行幀結構信號處理數據交換技術、嵌入式自適應參數設定大容量光電相干信號處理技術等大規模光纖水聽器陣列探測專有技術。
通過數據採集和信號處理，可以獲得各個光纖水聽器探測基元的數字聲信號，對這些信號必須通過專門的資料庫管理和通過不同的介面傳輸才能提供給用戶使用。 大型的水聲探測系統開發有較大的難度，這種開發需要聲學模擬平台的支持。國內有企業研發出了聲學模擬平台，提供基於軟體模擬的系統級振動雜訊解決方案，實現對整個復雜系統及系統內關鍵零件結構進行工程分析;輻射雜訊分析;識別振動雜訊問題及其產生的根本原因，並能夠快速地評價，為後期結構優化設計提供前提保障。

B. 什麼是光纖水聽器陣列

光纖水聽器是一種建立在光纖、光電子技術基礎上的水下聲信號感測器。它通過高靈敏度的光學相干檢測，將水聲振動轉換成光信號，通過光纖傳至信號處理系統提取聲信號信息。它具有靈敏度高，頻響特性好等特點。由於採用光纖作信息載體，適宜遠距離大范圍監測。

C. 光纖感測器的發展前景

光纖感測器發展現狀
國內市場上，應用最為廣泛的光纖感測技術當屬布拉格光纖光柵和基於光時域反射的分布式感測器，這種技術基本上可以滿足中低端市場的需求。而現在光譜線寬窄至2kHz的單頻光纖激光器及其引申出來的最新一代光感測技術，這與傳統的光纖感測有很大的區別,它可以進行超遠距離的傳輸，精度和敏感度能達到更高的要求，這在高端市場上需求很大，21實際初，該項技術在國內尚處於立項和預研階段。國內市場上光纖感測器應用主要在以下四種：光纖陀螺、光纖光柵感測器、光纖電流感測器和光纖水聽器。下面對這四種產品分別介紹一下。
一、光纖陀螺。 光纖陀螺按原理可分為干涉型、諧振型和布里淵型，這是三代光纖陀螺的代表。第一代干涉型光纖陀螺，21實際初期，該項技術就已經成熟，適合進行批量生產和商品化；第二代諧振型光纖陀螺，暫時還處於實驗室研究向實用化推進的發展階段；第三代布里淵型，它還處於理論研究階段。光纖陀螺結構根據所採用的光學元件有三種實現方法：小型分立元件系統、全光纖系統和集成光學元件系統。21世紀初期，分立光學元件技術已經基本退出，全光纖系統用在開環低精度、低成本的光纖陀螺中，集成光學器件陀螺由於其工藝簡單、總體重復性好、成本低，所以在高精度光纖陀螺很受歡迎，是其主要實現方法。
二、光纖光柵感測器。 目前國內外感測器領域的研究熱點之一光纖布拉格光柵感測器。傳統光纖感測器基本上可分為兩種類型：光強型和干涉型。光強型感測器的缺點在於光源不穩定，而且光纖損耗和探測器容易老化；干涉型感測器由於要求兩路干涉光的光強同等，所以 需要固定參考點而導致應用不方便。21世紀初期開發的以光纖布拉格光柵為主的光纖光柵感測器可以避免出現上面兩種情況，其感測信號為波長調制、復用能力強。在建築健康檢測、沖擊檢測、形狀控制和振動阻尼檢測等應用中，光纖光柵感測器是最理想的靈敏元件。光纖光柵感測器在地球動力學、航天器、電力工業和化學感測中有廣泛的應用。
三、光纖電流感測器。電力工業的迅猛發展帶動電力傳輸系統容量不斷增加，運行電壓等級也越來越高，電流也越來越大，這樣測量起來就非常困難，這就顯現出光纖電流感測器的優點了。在電力系統中，傳統的用來測量電流的感測器是以電磁感應為基礎，這就存在以下缺點：它容易爆炸以至引起災難性事故；大故障電流會造成鐵芯磁飽和；鐵芯發生共振效應；頻率響應慢；測量精度低；信號易受干擾；體積重量大、價格昂貴等等，已經很難滿足新一代數字電力網的發展需要。這個時候光纖電流感測器應運而生。
四、光纖水聽器。 光纖水聽器主要用來測量水下聲信號，它通過高靈敏度的光纖相干檢測，將水聲信號轉換為光信號，並通過光纖傳至信號處理系統進行識別。與傳統水聽器相比，光纖水聽器具有靈敏度高、響應帶寬寬、不受電磁干擾等特點，廣泛用於軍事和石油勘探、環境檢測等領域，具有很大的發展潛力。光纖水聽器按原理可分為干涉型、強度型、光柵型等。干涉型光纖水聽器關鍵技術已經逐步發展成熟，在部分領域形成產品；光纖光柵水聽器則是當前研究的熱點，研究的關鍵技術涉及光源、光纖器件、探頭技術、抗偏振衰落技術、抗相位衰落技術、信號處理技術、多路復用技術以及工程技術等。
光纖感測器技術是建立在光纖、光通信和光電子技術的基礎上發展起來的，電磁干擾和腐蝕作用對它的影響很小，還能適應各種惡劣的氣象環境，不要額外的電源進行供電，就可以長距離的進行傳輸，已成為感測器行業的研究熱點。
感測器一直朝著靈敏、精確、適應性強、小巧和智能化的方向發展。在這一過程中，光纖感測器這個感測器家族的新成員倍卻是倍受青睞。光纖具有很多優異的性能，例如：抗電磁干擾和原子輻射的性能。光纖感測器應用於對磁、聲、壓力、溫度、加速度、陀螺、位移、液面、轉矩、光聲、電流和應變等物理量的測量。其應用范圍十分廣泛。因此我們可以說光纖感測器具有很大的市場需求，不說長久，至少在未來5年，光纖感測器將會有廣闊的發展前景。
光纖感測技術及其相關技術的迅速發展，滿足了各類控制裝置及系統對信息的獲取與傳輸提出的更高要求，使得各領域的自動化程度越來越高，作為系統信息獲取與傳輸核心器件的光纖感測器的研究非常重要。光纖感測器技術發展的主要方向是：（1）多用途。即一種光纖感測器不僅只針對一種物理量，要能夠對多種物理量進行同時測量。（2）提高分布式感測器的空間解析度、靈敏度，降低其成本，設計復雜的感測器網路工程。注意分布式感測器的參數，即壓力、溫度，特別是化學參數（碳氫化合物、一些污染物、濕度、PH值等）對光纖的影響。（3）新型感測材料、感測技術等的開發。（4）在惡劣條件下（高溫、高壓、化學腐蝕）低成本感測器（支架、連接、安裝）的開發和應用。（5）光纖連接器及與其它微技術結合的微光學技術。
光纖感測運用主要分為五大方向:
（1）石油和天然氣——油藏監測井下的P/T感測、地震陣列、能源工業、發電廠、鍋爐及蒸汽渦輪機、電力電纜、渦輪機運輸、煉油廠；
（2）航空航天——噴氣發動機、火箭推進系統、機身；
（3）民用基礎建設——橋梁、大壩、道路、隧道、滑坡；
（4）交通運輸——鐵路監控、運動中的重量、運輸安全；
（5）生物醫學——醫用溫度壓力、顱內壓測量、微創手術、一次性探頭。

D. 光纖水聽器陣列會用到光準直器整列嗎

光纖準直器 collimator 由尾纖與自聚焦透鏡精確定位而成。它可以將光纖內的傳輸光轉變成準直光(平行光)，或將外界平行(近似平行)光耦合至單模光纖內。
主要用途：環形器、光開關、準直器陣列、MEMS光開關、無源光網路。
準直器的工作距離與光纖頭和透鏡間距 L相關，增加間距 L可增加工作距離，但是對一個確定的準直透鏡，工作距離不能無限增加。當光纖端面在透鏡焦點附近調節時，光斑尺寸變化較大，然而將光纖端面置於透鏡焦點上（此時工作距離接近 0），計算所得光斑尺寸仍有參考作用，有助於估算確定的透鏡參數所能得到的光斑尺寸。點精度隨光纖頭位置變化不大，取間距 L等於透鏡焦距所得點精度可作為其他情況的近似。

E. 光纖感測技術的光纖感測技術的應用

光纖感測技術在結構工程檢測中的應用 鋼筋混凝土是目前非常廣泛應用的材料，將光纖材料直接埋入混凝土結構內或粘貼在表面，是光纖的主要應用形式，可以檢測熱應力和固化、撓度、彎曲以及應力和應變等。混凝土在凝固時由於水化作用會在內部產生一個溫度梯度，如果其冷卻過程不均勻。熱應力會使結構產生裂縫，採用光纖感測器埋入混凝土可以監測其內部溫度變化，從而控製冷卻速度。 混凝土構件的長期撓度和彎曲是人們感興趣的一個力學問題，為此已研製出能測量結構彎曲和撓度的微彎應變光纖感測器，並用一根光纖連接整個結構不同位置上的感測器進行同時監測，每個感測器的位置可用OTDR來識別。光纖感測器還能探測混凝土結構內部損傷。在正常荷載作用下，由於鋼筋阻止干化收縮或溫度引起的體積變化都會引起裂縫，裂縫的出現和發展可以通過埋入的光纖中光傳播的強度變化而測得。 光纖感測技術在橋梁檢測中的應用 橋梁是一個國家的經濟命脈，橋梁的建造和維護是一個國家基礎設施建設的重要部分。利用光纖感測器測量振動，主要可得到橋梁的振動響應參數如頻率、振幅等，其方法是：將信號光纖粘貼於橋梁內部，它隨著橋梁的振動而產生振動響應， 輸出光的相位作周期性的變化，則光電探測器接收到的光強也作周期性的變化。 成功的案例有：加拿大在1993年將光纖感測器預裝到一座碳纖維預應力混凝土公路橋上，在橋開通後連續監測了8個月，測量了混凝土內部的整體分布應變，並用動態規化理論處理數據，准確而又快速的評估了橋梁的使用狀態及壽命。1996年，美國海軍實驗研究中心研製了新墨西哥州I -10橋健康檢測系統，它由60個FBG感測器組成，可實現動態與靜態應變測量。 光纖感測技術在岩土力學與工程中的應用 岩土工程檢測具有長時效性、環境復雜、具有時空限制、施工環境制約等特點，其檢測工作一直是等待解決的難題。目前已有的常規的測試技術在長期的工程應用中表明，滿足上述測試要求十分困難。而由於光纖感測器體積小、質量輕、不導電、反應快、抗腐蝕等諸多優良特性，使用它成為岩土力學工程的檢測工具成為學者們的研究對象。下面列舉一例成功應用光纖感測器檢測岩土工程的成功案例： 三峽大壩壩前水溫監測 三峽大壩壩體內部靠近上游面埋設有點式溫度計，因埋設點位於壩體內，所測溫度與實際庫水溫度存在一定的差異。為了能更真實地反映庫水溫度的變化規律，長江科學院結合壩前水溫觀測的實際現狀，在左廠14-2壩段布設1條測溫垂線，採取光纖Bargg光柵溫度感測器進行監測，通過實際工程應用，光纖Bargg光柵溫度感測器測量水溫，可以滿足水溫監測的要求，且與水銀溫度計直接測量水溫相比，結果較好。 光纖感測技術在軍事上的應用 光纖感測技術在軍事上同樣應用廣泛。光纖陀螺儀經過30多年的發展，已經廣泛應用與民航機，無人機，導彈的定位和控制中。光纖水聽器可以用於船舶軍艦收集聲音，探測越來越先進的潛艇。且近幾年來，基於光纖感測技術的光纖網路安全警戒系統開始在邊防及重點區域防衛中得到推廣應用。目前，世界上發達國家使用的安全防衛系統就是基於分布式光纖感測網路系統的安全防衛技術。
石油和天然氣：油藏監測井下的P / T感測、地震陣列、能源工業、發電廠、鍋爐及蒸汽渦輪機、電力電纜、渦輪機運輸、煉油廠；
航空航天：噴氣發動機、火箭推進系統、機身；
民用基礎建設：橋梁、大壩、道路、隧道、滑坡；
交通運輸：鐵路監控、運動中的重量、運輸安全；
生物醫學：醫用溫度壓力、顱內壓測量、微創手術、一次性探頭。