1.光纤水听器应用史
水声传感器简称水听器，是在水中侦听声波信号的仪器，作为反潜声纳的核心部件，在军事领域有着重要的应用。
早在1853年，克里米亚半岛战争期间，世界军事力量就已经依赖于海底电缆电报通信，而且也把电缆用于其他各种目的，例如在位于太平洋西部的夸贾林环礁（Kwajalein）就建立了专门军用电缆系统。本质上，电缆电报电话的发明就是用于军事目的。现在，光纤水听器阵列已用于海岸和港口监视系统。美国国防部高级研究规划局（DARPA）已经研究大范围海军网络。
光纤水听器是一种建立在光纤、光电子技术基础上的水下声波信号传感器。它通过高灵敏度的光相干检测技术，将水声振动转换成光信号，通过光纤传至信号处理系统提取声信号信息，如图7-19所示。与压电陶瓷（PZT）声呐相比，它具有灵敏度高，频响特性好等特点。由于采用光纤作信息载体，适宜远距离大范围监测。
光纤水听器及其阵列已成为被动声呐水下部分的发展方向，是海洋探测、微弱声场信号监听最有发展潜力的技术。早在1976年，美国海军研究实验室Bucaro等人发表了第一篇有关光纤水听器的论文，演示了光纤水声传感系统，进行了探索性研究。
自21世纪起，光纤水听器系统开始应用于油气勘探，光纤水听器阵列声呐系统开始陆续应用于军事装备上。
我国光纤水听器的研究工作始于20世纪80年代，在国内技术人员的共同努力下取得了很大的进展。2002年，我国进行了首次光纤水听器阵列海上试验；2012年，建成了岸基光纤阵列水声综合探测系统；2013年，我国已开始在南海建设新一代反潜光纤水听器阵列；2014年，我国建成了首个水下监视系统和海底观测系统。
2.干涉型光纤水听器原理介绍
光纤水听器根据工作原理，可分为强度型、干涉型和光纤光栅型。干涉型光纤水听器技术最为成熟，且适于大规模组阵。其基本原理是，激光器发出的相干光经光纤耦合器分为两路，进入马赫-曾德尔干涉仪，一路构成光纤干涉仪的传感臂，受声波调制产生应力变化，与参考臂相比，产生相位差△ϕ；另一路构成光纤干涉仪的参考臂，不受声波调制，或者接受与传感臂声波调制相反的调制。两路光信号在第2个光纤耦合器处，发生干涉、干涉光信号经光电探测器转换为电信号，经信号处理后就可以获取声波信息，相干检测马赫-曾德尔干涉型光纤水听器系统如图7-19所示。
光纤水听器用小直径大数值孔径光纤，缠绕在用作传感臂的充气卷筒上，该卷筒在声压作用下，直径发生形变，带动光纤产生轴向应变。光纤在声波作用下，产生与其强弱对应的应力，与参考臂相比，应力产生相位差△ϕ，两路光在耦合器会合时，发生干涉。这种利用干涉原理进行的测量，灵敏度较高。水听器传感器是无源的，可以组成阵列，每个光纤传感器可使用不同的波长。为了方便，可使用ITU-T规范的WDM光栅波长信号，也可以使用远泵光纤放大器，扩展系统测量范围。其商用产品已投入使用。(www.xing528.com)
图7-19 马赫-曾德尔干涉型光纤水听器系统基本结构
3.TDM+DWDM96个水听器阵列系统
美国海军研究办公室（ONR）下属的海军国际计划办公室（NIPO）和英国国防部资助的课题组2003年报道，他们演示了远泵大规模光纤水听器阵列系统，该系统设计用于监听水下几十千米范围内的声波活动。系统有96个传感器（可扩展到500个），用6波长DWDM和16时分复用（TDM）光纤传感器阵列组成，如图7-20所示。16个光纤迈克尔逊干涉仪传感器以时分复用并联方式复用在一起，占用1个波长，其余80个相同的传感器分成5组，每组以同样方式复用后各占用1个波长，用密集波分复用将这6个波长间距1.6nm的波长复用在一起。每个水听传感器由80m长的大数值孔径1500nm标准单模光纤（SM15006.4/80）缠绕在充气卷筒上构成。
在发送端，DWDM采用掺铒光纤分布反馈光纤激光器。复用后的光信号送入一个等效160m光纤延迟的补偿干涉仪，两臂分别接入一个光纤耦合的声光调制器（AOM），分别施加100MHz和110MHz电信号，该干涉仪输出一个10MHz差频电信号调制的光信号。
DWDM信号经过40km（30kmSMF，10km色散移位光纤）海底光缆（损耗11.8dB），进入水听器阵列。16个传感器组成一组，每个并联（或串联）传感器之后，接入一个光纤延迟线，这样就使这16个传感器以时分复用的方式复用在一起。水听器阵列输出信号经40km光纤传输后，进入接收机，首先进行波分解复用，然后再时分解复用、判决和数字解调，恢复出声波信号。
美国国防部高级研究规划局（DARPA）主动倡议，开发海军运行网络，提供水下、水面和水上无所不在的、可生存的、持久的通信网络。只有光缆才能构建这样一个网络，支持这样一个网络的标准、结构、设施和器件的开发和集成，必须凭借工业界、海底光缆通信界的共同努力，以有效的手段，应对无处不在的威胁。
图7-20 时分复用（TDM）+波分复用（DWDM）96个水听器阵列实现原理图
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