分布反馈式光纤激光器水听器体积小、灵敏度高，便于复用成阵和布放回收，成为光纤水听器领域重要的一种技术路径。本文对分布反馈式光纤激光水听器国内外研究的探头封装结构及应用进行了综述，根据封装结构的特点，重点介绍了弯曲梁式、侧面压迫式、轴向拉压式三种主要的封装结构及其阵列应用。对国内外主要研究机构的研究指标进行分析，对比了分布反馈式光纤激光水听器不同封装结构的优缺点，并对分布反馈式光纤激光水听器阵列后续的技术发展进行了展望。

为了探究膜片封装光纤激光水听器中光纤激光器产生弯曲振动的机理，首先基于梁的横向振动理论建立了光纤激光器弯曲振动模型，之后根据实际的封装结构进行了有限元仿真，分析了光纤激光器的固有频率与光纤激光水听器频响之间的定量关系，最后批量封装了光纤激光水听器，进行实验验证。仿真及实验结果表明：光纤激光器两端采用一体化硬固定方式易使光纤激光器发生弯曲振动；当光纤激光器的一阶固有频率落在工作频段内时，在谐振峰附近，光纤激光器的中心波长发生非均匀漂移，此时在远离谐振峰的频段内，水听器频响的平均值约为－135 dB，谐振峰值约为－125 dB。本研究为光纤激光水听器封装工艺的后续改进提供了参考。

为解决零差对称(NPS)系统中三路输出信号交流分量系数实时偏差对解调的影响,提出一种实时修正NPS的方法,并应用于分布反馈式(DFB)光纤激光水听器的解调中。把NPS解调系统里干涉仪单臂缠绕在压电陶瓷(PZT)上,施加振幅大于π rad的正弦信号,使三路输出信号满幅。获取当前PZT振动周期内三路输出信号的最大值、最小值,计算各路直流分量系数的特征值,获得当前特征值与前面所有PZT振动周期的直流分量系数和的平均值,作为当前周期的直流分量系数;计算各路交流分量系数特征值,获得当前特征值与前面所有PZT振动周期的交流分量系数和的平均值,作为当前周期的交流分量系数。各周期的三路输出信号减去各自周期的直流分量系数,交流分量除以各自的交流分量系数,从而实时获得归一化的三路交流分量信号,并进行NPS后续运算。采用该方法解调DFB光纤激光水听器,测试200 Hz~4 kHz振动信号,系统连续运行15 h后,解调结果均能真实地还原振动信号。理论和实验表明,这种实时修正NPS的方法能够提高DFB光纤激光水听器的解调精度,并且增加的硬件成本和计算量不大。

为研究声压传递函数的谐振频率对分布反馈式光纤激光水听器频响特性的影响,研制一种聚氨酯端面拉伸式增敏结构的光纤激光水听器。基于电声类比理论建立了声压传递函数模型,仿真分析水听器各结构、材料参数与水听器声压传递函数的关系,制作水听器原型样品并进行了实验研究。实验测得,该结构水听器在10~2000 Hz 频率范围内的平均声压灵敏度为-142.8 dB,波动幅度小于±1.5 dB,且谐振频率出现在3150 Hz附近,与仿真分析结果吻合较好,表明光纤激光水听器的声压灵敏度频响特性可有效预测以及精细优化,这对于应用于小型水下作战平台的小尺寸阵元的研制具有重要指导意义。

对超细型DFB光纤激光水听器探头封装进行了研究。通过有限元方法建立了封装结构理论模型, 探讨了影响超细型光纤激光水听器频率响应与灵敏度起伏之间的因素, 在灵敏度、频响一致性等指标间找到了平衡点。最后, 制作了光纤激光水听器, 直径6 mm, 长度55 mm, 灵敏度-130 dB, 100 Hz~2 kHz灵敏度响应起伏4 dB, 通过测试验证了理论分析和仿真的符合性。

对采用相位生成载波解调的光纤激光水听器系统中3 kHz附近频域内固有噪声的产生机理进行了理论推导, 并设计实验进行验证.首先测量得到泵浦激光器的驰豫振荡频率峰值, 随后以400 Hz为间隔逐渐降低相位生成载波信号频率, 观察固有噪声峰值的移动方向和大小.实验结果表明, 随着载波信号频率的降低, 固有噪声峰也向低频方向移动, 移动间隔同样为400 Hz.可知相位生成载波解调算法中高频载波调制信号与泵浦激光器的驰豫振荡频率叠加是形成探测频谱固有噪声的主要原因.通过降低高频载波调制信号频率的方法对驰豫振荡噪声进行抑制, 消除了探测频谱中的固有噪声峰, 得到了较为平坦的本底噪声谱.

激光器的弛豫振荡带来的强度噪声对分布反馈式光纤激光水听器的系统噪声有较大影响。分析了该强度噪声在NPS算法数字实现中的传递过程, 发现求导运算的非理想特性是解调结果中引入强度噪声的原因。提出了一种改进的NPS算法, 使强度噪声在进入求导运算前被抵消, 消除了强度噪声传递到解调结果中的途径。实验结果表明, 当弛豫振荡峰处相对强度噪声为-84 dB·Hz-1时对解调相位噪声的抑制在1 kHz处达到了30 dB。将改进后算法与不需要求导运算的反正切法进行了对比, 进一步验证了其可抑制求导所引入的强度噪声。

光纤激光水听器的频率响应曲线会在声压传递函数的谐振频率处出现谐振峰，使水听器的工作频带变窄。研制了一种金属膜片端面增敏结构的分布反馈式(DFB)光纤激光水听器。基于电声类比理论，建立了DFB光纤激光水听器的声压传递函数模型，仿真分析了水听器各结构参数对水听器声压传递函数的影响，实现了水听器结构的优化设计，加工制作了水听器原型样品并进行了实验研究。由实验结果可知，DFB光纤激光水听器在2.5~10 kHz 频率范围内的平均声压灵敏度为-135.99 dB，波动幅度小于±0.6 dB，且在16 kHz附近出现谐振峰，实验结果与仿真分析结果较好地吻合。该研究对DFB光纤激光水听器的研制具有重要指导意义。

为改善分布反馈式(DFB)光纤激光器水声探测性能, 利用有限元软件ANSYS, 以相对加速度灵敏度为目标函数, 结构尺寸参数为设计变量, 结构第一阶固有频率和探头声压灵敏度为状态变量, 对夹层式封装结构进行了优化设计, 对其声压探测及抗加速度机理进行了分析。分析表明, 基于优化结果设计的探头在采用100 m非平衡干涉仪时, 其声压灵敏度约为-135.1 dB, 相对加速度灵敏度可达到-19.6 dB。结果表明, 基于封装结构敏感部分分别承受声压激励和加速度激励时的不同响应机理, 对夹层式封装结构关键部位尺寸进行优化设计后, 通过合理选择承压梁与中间变形梁的厚度以及上下连接点的位置, 封装制得的光纤激光水听器具有较高的声压灵敏度和良好的抗加速度性能。