美国海军潜艇光纤水听器的发展（翻译）

🔻（1986-1990年）：20世纪70年代末，美国海军研究实验室（NRL）开始研发用于海军监控应用的光纤传感器。最初的重点是用于拖曳阵列的光纤声学传感器。基本方法采用无源光纤干涉仪来测量声学诱导的光纤应变（利用光纤应变放大技术），而询问激光器和处理电子设备则位于光纤传感器阵列的远端。在拖曳阵列的光纤传感器远程询问和复用技术取得进展的同时，人们也在考虑将光纤传感器用于舷侧阵列。到20世纪80年代末，NRL积极参与开发用于舷侧水听器系统的光纤水听器设计、复用方法以及激光源。初期工作集中在低频（12×12英寸）和中频（小于5×5英寸）水听器上。然而，到80年代末，情况变得清晰，最可能的转化路径是开发一种中频范围、面积平均型水听器，以形成海军用于快速攻击潜艇的宽孔径阵列（WAA）水听器系统的轻量版（即轻型宽孔径阵列，LWAA）。该系统大幅减轻了重量，并通过将所有电子设备和有源光学器件移至阵列本地，实现了更简便、成本更低的技术更新。图1展示了系统概念。---光纤LWAA· 6个阵列（每侧三个）· 每个阵列450个水听器· 无需机动即可提供测距能力· 无源声学---技术挑战包括设计一种频率响应平坦、工作频率范围比现有设计高出一个数量级以上的面积平均型光纤水听器。这一目标通过采用两个缠绕光纤、空气背衬的金属芯轴得以实现，其声学响应度针对实际工作静水压环境进行了优化。第二个挑战是提供一种低噪声的询问/复用方法，以满足可靠性要求，最小化询问阵列所需的光纤数量，并为高频、大动态范围信号提供足够的带宽。这通过使用铌酸锂相位调制器产生相位载波，以及采用改进的FM相位生成载波询问/复用方法来解决。最后，为了满足系统严格的噪声要求，NRL确定采用一种工作于1.3μm波段的钕钇铝石榴石（Nd:YAG）固态激光器。与当时用于光纤传感器询问、噪声基底差约25dB的半导体激光器不同，这种Nd:YAG光源的调频噪声随频率具有快速滚降特性，从而能够以可用的裕量满足噪声基底要求。---

🔻原型系统（1990-1993年）：在NRL演示了该系统的每个基本构建模块（并对双芯轴光纤水听器进行了初步的流噪声测试）之后，一份合同被授予Litton Guidance and Control Systems（现为诺斯罗普·格鲁曼公司），用于建造一个49通道的原型阵列，以便在爱达荷州庞德奥雷利湖进行流噪声测试，并在纽约州塞内卡湖进行声学/振动测试。这项工作由海军海上系统司令部赞助的一项先进技术演示（ATD）项目资助。在此期间，NRL（以及负责阵列机械结构的海军水下战中心NUWC）与承包商密切合作，以确保该子阵列能满足海军所有严格的规范。这要求改为三芯轴设计。这项工作需要NRL在1991年和1992年进行一系列重要测试，以向团队展示特定的技术方法，这些方法是ATD成功所必须遵循的。NRL发挥主要作用的一个特定领域是定义解调器的关键性能参数。图2展示了NRL在流噪声测试期间改进解调器性能的一个例子。这些测试还使NRL能够展示对基线系统的改进，其中一些改进将用于预生产和生产系统。1993年，原型ATD阵列成功完成了所有要求的测试，为下一阶段的开发铺平了道路。

🔻高级开发阶段（1994-1999年）：ATD成功完成后，Litton被要求在设计系统时考虑生产需求。其中一个主要变化是采用双芯轴、空气背衬的聚碳酸酯芯轴水听器。幸运的是，NRL在三年前就已经演示了这一基本设计，并且我们能够在无需进行另一项昂贵的流噪声测试的情况下验证其流噪声性能。在电信繁荣期间，承包商失去关键人员后，NRL在保持项目正常进行方面也发挥了重要作用。在许多情况下，只有NRL拥有详细的系统设计知识，能够克服众多技术挑战，使系统在所有声学/压力环境下都能满足性能指标。

🔻生产系统（2000年及以后）：生产阶段的大部分工作涉及封装所需的组件以及对水听器进行必要的修改以易于制造。在此阶段，NRL的参与度大大降低；然而，我们仍在鉴定采用优化制造技术生产的水听器方面发挥了重要作用。我们还持续优化用于干涉信号低噪声解调的各种算法。2003年8月，美国海军最新一级攻击潜艇的首艇"弗吉尼亚"号（图3）被命名。该舰的声纳套件包括光纤宽孔径阵列，这是首个在实际作战平台上使用的光纤监控级声学传感器系统。目前的系统仍然使用NRL在20世纪80年代末提出的基本水听器概念、询问/复用方法和激光器。

上述LWAA原型在核潜艇上的典型探测距离：设声呐导流罩处自噪声等于海洋背景噪声70分贝，目标2khz连续谱1hz带宽噪声级95分贝，声呐探测距离有十几公里。这个距离不算远，但是对于潜艇战仍然十分有意义，当十几公里处出现目标时双方很可能互相发现，此时应尽早掌握目标距离，即使其他诸元掌握不全，紧急射出鱼雷按三点一线“笨”办法引导，仍然是先敌攻击、迫使敌艇转向规避、掌握主动权的制胜手段。