1 之江实验室光纤传感研究中心，浙江 杭州 310027
2 浙江大学海洋学院，浙江 舟山 316021
3 电子科技大学信息与通信工程学院，四川 成都 611731
报道了一种高性能大孔径分布式光纤水听拖曳阵列，其总长度为150 m，声学传感段长度为100 m，具有192个传感单元，采用单根光纤离散增敏制备而成，无需其他分离器件。传感基元通过驻波桶标定，在20~1000 Hz，平均声压灵敏度达到-127.44 dB（re rad/μPa）。阵列同时装配了自研的姿态感知模块，可实现拖曳过程的实时姿态获取。针对所研制的大规模分布式光纤水听拖曳阵列，开展了湖试综合测试，6 kn拖速下阵列声学段的倾角仅为7.8°，将192个传感单元数据波束合成后得到了16.87 dB的空间增益，传感器表现出了优异的综合性能。该高性能大规模分布式光纤水听拖曳阵列为光纤水听器发展提供了一条全新的技术路线，有力推动了基于DAS的“第三代声呐技术”的发展。
光纤光学 光纤水听器 光纤水听拖曳阵列 分布式光纤声波传感 声压灵敏度 姿态感知 目标轨迹跟踪
国防科技大学气象海洋学院深海科学技术研究所，湖南 长沙 410073
相位生成载波（PGC）调制解调是干涉型光纤水听器常用的解调方法。首先，分析并建立了PGC解调系统的噪声传递模型，研究了光源强度噪声对PGC解调输出噪声的影响机理，分析了调制深度和工作点两个参数对PGC解调噪声稳定性的影响。然后，提出了一种基于3×3耦合器的多相PGC解调方案，即在传统PGC解调架构中引入3×3耦合器进行多相检测，利用3×3耦合器的相移特性对三路干涉信号进行融合处理。在不同的调制深度条件下，该方案可以降低水听器工作点变化所引起的光源强度噪声传递系数波动范围。实验结果显示，在常用的调制深度范围（1.7~3.4）内，工作点变化导致的噪声传递系数波动峰谷值小于0.5 dB，噪声稳定性相比传统PGC解调系统显著提升。
干涉型光纤水听器 相位生成载波解调 噪声稳定性 3×3解调
1 中国科学院上海光学精密机械研究所空间激光信息传输与探测技术重点实验室，上海 201800
2 中国科学院大学材料与光电研究中心，北京 100049
分布式光纤水听器将光纤作为水下声波换能器阵列，是近年来发展的新型水听器技术，具有阵列灵活重构、易于大规模组网、湿端全自动制备等独特优势，得到了国内外相关领域的重点关注。介绍了分布式光纤水听器的基本传感原理与典型的信号解调方法，梳理了声压灵敏度、系统等效噪声、响应方向性、动态范围等分布式光纤水听器的重要性能指标与研究进展，并介绍了近年来分布式光纤水听器技术的应用概况。最后，对存在的问题与未来发展趋势进行了总结和展望。
分布式光纤水听器 分布式光纤声波传感 光纤传感 瑞利散射 水下目标探测
国防科技大学气象海洋学院，湖南 长沙 410073
光纤水听器作为一种新型水声传感器，对我国经略海洋战略有着重要意义。为了满足光纤水听器日益增长的实际应用需求，发展低成本、高集成度和高灵敏度的光纤传感技术尤为迫切。光纤光栅水听器因其易大规模成阵、高性价比和高可靠性成为下一代光纤水听器阵列的重要技术方案。本文从传感系统、探头结构和关键技术三个方面对光纤布拉格光栅水听器技术的进展进行了全面综述。此外还对目前光纤光栅水听器传感技术发展最为关键的干端信号解调问题进行了较为详细的论述。本文对于深入研究光纤光栅水听器系统的关键技术、提升其系统探测性能和推进其实际应用具有重要的指导意义。
光纤光学 光纤布拉格光栅 光纤传感 光纤水听器 瑞利散射 激光与光电子学进展
2023, 60(11): 1106015
国防科技大学气象海洋学院，湖南 长沙 410073
由于湿端极简化，光纤光栅水听器系统中普遍存在的偏振诱导信号衰落和随机相位衰落等关键问题仅能采用复合型调制解调手段解决；光纤光栅的双向反射特性会引起传感通道间信号串扰增加等新问题。报道了一种光纤光栅水听器阵列，水下仅采用80个光纤光栅构成64基元水听器阵列。采用相位生成载波与偏振切换调制解调方案，系统本底相位噪声达到-95 @1 kHz，等效噪声压为36 dB@1 kHz。系统采用低反射率光纤光栅，结合8空分×2波分×8时分复用结构设计，系统的时分、空分和波分通道串扰均稳定在-40 dB以下。该研究为光纤光栅水听器的工程实用化提供了重要的实践探索。
光纤光学 光纤水听器 光纤光栅 本底相位噪声 等效噪声压 通道串扰
光谱学与光谱分析
2022, 42(4): 1017
国防科技大学气象海洋学院，湖南 长沙 410073
构建了短程传输链路的瑞利寄生干涉模型，利用干涉可见度的参数特性，得出系统背向瑞利散射噪声与询问脉冲宽度、传输链路光纤长度、瑞利散射率等参数的关系。理论与实验结果均表明：短程传输状态下瑞利散射并不会随着传输光纤长度的增加和瑞利散射率的提高而线性增强，而是呈现出不连续特征。短程传输状态下的瑞利散射还与问询系统的调制解调参数密切相关，随着调制解调参数的变化而动态变化。该研究结果定量揭示了短程传输链路状态下光纤水听器阵列的性能随瑞利散射的恶化情况，为短程传输状态下的系统优化设计提供关键支撑。
光纤光学 光纤传感 瑞利散射噪声 光纤水听器 短程传输 光学学报
2022, 42(23): 2306005
1 中国科学院声学研究所声场声信息国家重点实验室，北京 100190
2 中国科学院大学，北京 100049
针对光源调制引起的伴生调幅和相位偏移，直流光强、交流光强和调制深度的漂移以及载波相位延迟等因素对干涉型光纤水听器相位生成载波(PGC)解调结果的影响，本文提出了一种同时适用于PGC内调制和外调制的基于扩展卡尔曼滤波(EKF)参数估计的PGC解调方法(PGC-EKF方法)。结合考虑非线性因素影响的PGC解调模型，对传统的PGC解调过程进行改进，并引入基于EKF的椭圆拟合算法对该模型中的各未知参数进行估计；改进了现有任意椭圆一般方程的系数与其对应参数方程中参数的关系式的推导过程，修正了现有推导结果中错误的部分，简化了现有推导结果，并结合本文所用模型特点进行了进一步的推导。对PGC-EKF进行实验验证，结果表明，相比传统的PGC-Atan解调方法，本文提出的PGC-EKF方法将解调结果的信噪比提高了8.84 dB，总谐波失真降低了19.25 dB，信噪谐波比提高了17.16 dB，系统性能有了明显提升。实验结果说明PGC-EKF方法能够比较有效地解调出待测信号，并抑制上述因素引起的波形失真和交流干扰。
测量 干涉型光纤水听器 相位生成载波 扩展卡尔曼滤波 椭圆参数估计 中国激光
2022, 49(17): 1709001
国防科技大学气象海洋学院，湖南 长沙 410073
光纤水听器（FOH）作为一种新型水声传感器，可应用于水下目标探测、石油天然气勘探、地震检测等**和民用领域。随着海洋背景噪声的增大和水下目标降噪水平的提高，人们对FOH的性能要求也越来越高。因此，从FOH的主要发展方向、关键技术、新型FOH三个层面介绍了FOH技术，包括大规模FOH阵列、甚低频探测、深海远程传输、拖曳细线阵、窄线宽激光器、信号处理、光纤矢量水听器和分布式FOH等方面，对于FOH系统的理论研究和实际应用具有一定的指导意义。
激光与光电子学进展
2021, 58(13): 1306009
Author Affiliations
Abstract
1 College of Meteorology and Oceanology, National University of Defense Technology, Changsha 410073, China
2 Academy of Artillery and Air Defense, Nanjing 210000, China
Fiber-optic hydrophone (FOH) is a significant type of acoustic sensor, which can be used in both military and civilian fields such as underwater target detection, oil and natural gas prospecting, and earthquake inspection. The recent progress of FOH is introduced from five aspects, including large-scale FOH array, very-low-frequency detection, fiber-optic vector hydrophone (FOVH), towed linear array, and deep-sea and long-haul transmission. The above five aspects indicate the future development trends in the FOH research field, and they also provide a guideline for the practical applications of FOH as well as its array.
Fiber-optic hydrophone large-scale array very-low-frequency detection fiber-optic vector hydrophone towed linear array deep sea long-haul fiber transmission Photonic Sensors
2021, 11(1): 109
