无源干涉型光纤布拉格光栅水听器研究进展综述

作者及发表信息
本文由国防科技大学气象海洋学院的胡琪浩、朱小谦、马丽娜*、戚悦、尚凡、卞玉洁合作完成，发表于《激光与光电子学进展》（*Laser & Optoelectronics Progress*）2023年第60卷第11期。

研究背景与主题
光纤水听器（fiber optic hydrophone）作为新型水声传感器，对我国海洋战略具有重要意义。传统干涉型光纤水听器（如Michelson干涉仪结构）虽已实用化，但存在成本高、复用复杂度高等问题。光纤布拉格光栅（Fiber Bragg Grating, FBG）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方面综述了FBG水听器的研究进展，并重点探讨了干端信号解调（dry-end signal demodulation）这一核心问题。

主要观点与论据

1. FBG水听器的分类与传感原理

   • 单FBG水听器：通过FBG中心波长漂移响应外界应变，结合非平衡干涉仪（如Mach-Zehnder干涉仪）解调相位变化。其优势在于结构简单，但灵敏度受FBG反射光相干长度限制，且存在温度与应力交叉敏感问题。
     
   • 法布里-珀罗（F-P）干涉型FBG水听器：由成对FBG构成F-P腔，通过腔长变化解调声压信号。其灵敏度显著高于单FBG结构，且更易实现时分/波分复用。例如，美国海军实验室（NRL）的TB-33型拖曳阵列采用超低反射率FBG-FPI结构，复用通道数达上百个。
     

2. 关键技术突破

   • 调制解调技术：
     
     • 相位生成载波（PGC）技术：通过压电陶瓷（PZT）引入高频调制信号，结合微分交叉相乘算法（DCM）解调相位，抑制随机相位衰落。
       
     • 外差解调技术：利用高频载波分离信号与噪声，适用于窄线宽激光光源系统。
       
   • 时分复用串扰抑制：低反射率FBG设计（如-30 dB）、宽谱光源（降低相干串扰）及复合脉冲外差技术可有效减少通道间串扰。挪威Optoplan公司的海底地震监测系统通过优化反射率参数，实现了4000个4C基元（含加速度计和声压传感器）的大规模阵列。
     

3. 探头增敏与封装技术

   • 标量水听器探头：空气腔芯轴型结构（如差动探测FBG-FPI探头）通过双腔反向应变提升灵敏度；薄壳弹簧增敏结构可将声压响应提高2900倍。
     
   • 矢量水听器探头：基于FBG-FPI的三维加速度计（如Optoplan的4C阵列）通过正交布局探测声压梯度，方向性指数在100 Hz下大于30 dB。
     
   • 涂敷增敏：聚氨酯（如RTV655）涂覆光纤可提升灵敏度20 dB以上，但需解决基元一致性问题。
     

4. 实际应用案例

   • 军事领域：美国TB-33拖曳阵列和日本防卫局的FBG-FPI系统已验证其在甚低频水声探测中的可靠性。
     
   • 民用领域：挪威Optoplan的海底地震监测系统在200 km光缆上部署4000个传感基元，实现了油气储量的长期监测。
     

研究意义与价值
本文系统梳理了FBG水听器的技术路线与工程化挑战，其核心贡献包括：
1. 技术整合：对比了单FBG与FBG-FPI的优劣，指出后者在复用能力和灵敏度上的优势。
2. 工程指导：提出增敏设计、串扰抑制和解调算法的具体解决方案，为大规模阵列部署提供参考。
3. 应用拓展：军事与民用案例表明，FBG水听器在海洋监测、资源勘探等领域具有不可替代性。

亮点与创新
- 复用技术突破：通过超弱反射FBG（反射率<-30 dB）和混合复用（时分/波分/空分）实现千基元级阵列。
- 探头小型化：国防科技大学团队开发的20 mm外径32基元拖曳阵列，展现了FBG水听器在微型化方向的潜力。
- 噪声抑制：涂敷增敏与隔振设计可将环境噪声降低70 dB，接近传统干涉仪水平。

总结
本文不仅总结了FBG水听器的研究现状，还揭示了未来方向：进一步提高解调实时性、优化增敏材料（如低杨氏模量聚合物）、开发多物理量融合探头（如声压-温度-加速度集成传感）。这些进展将推动光纤水听器在深远海探测和水下预警系统中的广泛应用。