多路復(fù)用技術(shù)在水聲探測(cè)系統(tǒng)中的應(yīng)用

摘要：光纖（光柵）水聽器已經(jīng)成為目前水聲探測(cè)靈敏度最高的器件。它具有較小的體積并且適于成陣，是目前水聲探測(cè)系統(tǒng)的熱門研究對(duì)象。基于多路復(fù)用技術(shù)的分布式陣列則是光纖（光柵）水聽器應(yīng)用研究的發(fā)展方向。本文簡(jiǎn)要介紹了目前光纖（光柵）水聽器陣列多路復(fù)用技術(shù)的研究狀況以及工作原理。
一、引言

　在現(xiàn)代海上作戰(zhàn)中，擁有對(duì)水下作戰(zhàn)空間的監(jiān)視與控制技術(shù)是潛艇戰(zhàn)和反潛戰(zhàn)中掌握海戰(zhàn)主動(dòng)權(quán)的前提。但隨著各種減振降噪技術(shù)在艦艇制造工藝中的應(yīng)用，使得潛艇等水下設(shè)備的噪聲大大降低。如何遠(yuǎn)距離感知低噪聲艦艇和安靜型潛艇等水下目標(biāo)，已成為海軍實(shí)現(xiàn)先敵發(fā)現(xiàn)、先敵攻擊和精確打擊的重要研究課題。另一方面，由于單個(gè)水聽器的帶寬、測(cè)量方向以及測(cè)量范圍的限制，遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足實(shí)際海戰(zhàn)的需要。為了能夠?qū)掝l帶、全方向、大范圍、高精確的探測(cè)目標(biāo)，只有將一定數(shù)量的單元水聽器（對(duì)于分布式測(cè)量可能達(dá)到500個(gè)～1000個(gè)）安裝在一定的海域內(nèi)并組成陣列，實(shí)現(xiàn)立體探測(cè)，才能達(dá)到探測(cè)要求。但對(duì)于數(shù)量非常龐大的水聽器陣，如果每個(gè)水聽器都用一信號(hào)線相連，則會(huì)大大增加成本與體積。多路復(fù)用技術(shù)能使一根信號(hào)線傳輸多路信號(hào)，因此這一技術(shù)理所當(dāng)然的被用到了水聲信號(hào)傳輸領(lǐng)域。實(shí)際上，各國軍方很早就開始了這一研究并率先將頻分多路復(fù)用、時(shí)分多路復(fù)用技術(shù)應(yīng)用到了這一領(lǐng)域，隨著新型的性能優(yōu)異的光纖布拉格光柵（FBG）水聽器的出現(xiàn)，波分多路復(fù)用技術(shù)也已經(jīng)開始得到了應(yīng)用。

二、頻分多路復(fù)用

　頻分多路復(fù)用技術(shù)對(duì)整個(gè)物理信道的可用帶寬進(jìn)行分割，并利用載波調(diào)制技術(shù)，實(shí)現(xiàn)原始信號(hào)的頻譜搬移，使得多路信號(hào)在整個(gè)物理信道帶寬允許的范圍內(nèi)，實(shí)現(xiàn)頻譜上的不重疊，從而共用一個(gè)信道。為了防止多路信號(hào)之間的相互干擾，使用隔離頻帶來隔離每個(gè)子信道。此處將由水聲信號(hào)引起的各單元光纖水聽器光學(xué)干涉信號(hào)的相位變化分別用不同頻率的載波進(jìn)行調(diào)制，每個(gè)載波頻率對(duì)應(yīng)一個(gè)節(jié)點(diǎn)處的單元光纖水聽器，相鄰載波頻率之間的頻差大于水聲信號(hào)的頻帶上限的二倍，陣列中各節(jié)點(diǎn)信號(hào)被同一光電探測(cè)器檢測(cè)后，利用一系列中心頻率與各載波頻率相對(duì)應(yīng)的濾波器將其分開，而后可采用多種信號(hào)處理技術(shù)將調(diào)制到載波上的干涉信號(hào)解調(diào)出來，實(shí)現(xiàn)解復(fù)用的目的。理論上已證明，每個(gè)節(jié)點(diǎn)處水聽器探測(cè)到的水聲信號(hào)在頻域上被移到以載波頻率為

　中心的兩側(cè)邊頻位置，因相鄰載波頻率間隔大于水聲信號(hào)頻帶上限的二倍，因此不會(huì)發(fā)生信號(hào)的串?dāng)_。

　 采用頻分多路復(fù)用技術(shù)的光纖水聽器陣列原理圖如圖1所示：由3×3個(gè)馬赫－曾德爾干涉型光纖水聽器單元組成，分別由3個(gè)調(diào)制頻率為w1、w2、w3的LD光源驅(qū)動(dòng)，分別通過3個(gè)分光耦合器后分成9束光，之后連接到9個(gè)單元水聽器，光纖水聽器的輸出經(jīng)過合光耦合器耦合后，由3根光纖輸出。輸出的光信號(hào)經(jīng)過探測(cè)器之后變成了電信號(hào)，再經(jīng)過濾波、放大等環(huán)節(jié)得出所要檢測(cè)的聲信號(hào)。

　頻分多路復(fù)用技術(shù)研究起步較早，現(xiàn)在已得到了廣泛應(yīng)用，如美國海軍研究實(shí)驗(yàn)室采用的相位產(chǎn)生載波的頻分復(fù)用方案,其中包括49節(jié)點(diǎn)的平面陣列和拖曳陣列,以及16節(jié)點(diǎn)的海底豎直聲監(jiān)控陣列。

　 一般對(duì)于一個(gè)J×K的頻分復(fù)用式光纖水聽器陣列，共有J個(gè)ＬＤ光源和K個(gè)光電探測(cè)器來實(shí)現(xiàn)對(duì)J×K個(gè)單元光纖水聽器的復(fù)用。但是為了提高復(fù)用度，我們?cè)O(shè)計(jì)陣列時(shí)，一般令J=K或者使J與K相近。通過J個(gè)不同頻率的高頻載波信號(hào)來調(diào)制這J個(gè)光源輸出激光的光波波長(zhǎng)，使之發(fā)生與調(diào)制頻率相同的振動(dòng)，利用陣列中不等臂長(zhǎng)的干涉儀結(jié)構(gòu)單元光纖水聽器，將調(diào)制LD光源驅(qū)動(dòng)電流引起的發(fā)光波長(zhǎng)的變化轉(zhuǎn)換成為光學(xué)干涉信號(hào)相位的變化，實(shí)現(xiàn)對(duì)相位的調(diào)制。每個(gè)光源驅(qū)動(dòng)K個(gè)單元光纖水聽器，而每個(gè)探測(cè)器同時(shí)對(duì)來自J個(gè)水聽器的信號(hào)進(jìn)行檢測(cè)。每個(gè)探測(cè)器的輸出信號(hào)用K個(gè)帶通濾波器并聯(lián)進(jìn)行濾波，各帶通濾波器的中心頻率分別對(duì)應(yīng)某一高頻載波的頻率，通帶帶寬為各載波頻率之間的頻差。相位被載波調(diào)制的水聲信號(hào)可利用被動(dòng)零差法、主動(dòng)零差法以及合成外差法等解調(diào)出來。采用此方案時(shí)，系統(tǒng)中光源的最高調(diào)制頻率決定了單元水聽器的數(shù)量、信號(hào)幅度以及信號(hào)頻率[1]。

三、時(shí)分多路復(fù)用技術(shù)

　時(shí)分多路復(fù)用（TDM）技術(shù)是使多路信號(hào)輪流占用同一個(gè)公共傳輸信道中的規(guī)定時(shí)隙的技術(shù)。有幾路信號(hào)就劃分出相同數(shù)量的時(shí)隙，每路信號(hào)占用一個(gè)固定的時(shí)隙。從而實(shí)現(xiàn)在同一個(gè)公共傳輸信道上以時(shí)間分割方式進(jìn)行多路傳輸。光信號(hào)的時(shí)分多路復(fù)用(OTDM)技術(shù)是根據(jù)光脈沖經(jīng)由陣列中各個(gè)節(jié)點(diǎn)處的單元光纖水聽器返回時(shí)，會(huì)因光程差而存在時(shí)間上的差異，當(dāng)向陣列注入間隔相同、光波頻率略有差異的相干激光脈沖對(duì)時(shí)，從每個(gè)節(jié)點(diǎn)處返回的光脈沖回波相位與前一個(gè)節(jié)點(diǎn)處回波相位之差攜帶了此節(jié)點(diǎn)處單元光纖水聽器所探測(cè)到的有關(guān)信息，而發(fā)射這兩個(gè)脈沖之間的間隔由于光程差造成的時(shí)間延遲相等，會(huì)同時(shí)到達(dá)光 電探測(cè)器端，由于兩脈沖是相干的，會(huì)在光電探測(cè)器端發(fā)生干涉，通過測(cè)量干涉信號(hào)變化可獲得有關(guān)的水聲信息。同時(shí)，利用返回時(shí)間可確定信號(hào)源的位置，當(dāng)向陣列中注入間隔時(shí)間大于單個(gè)脈沖從光程最遠(yuǎn)處返回所需時(shí)間的連續(xù)光脈沖時(shí)，通過高速數(shù)字電子技術(shù)可將經(jīng)同一光電探測(cè)器檢測(cè)出的來自不同單元水聽器的信號(hào)較好的分開，完成多路復(fù)用信號(hào)的解復(fù)用[5]。

　 采用時(shí)分多路復(fù)用技術(shù)的光纖水聽器陣列從結(jié)構(gòu)上大體可分為兩類，一類為反射型結(jié)構(gòu)，其示意圖如圖2所示。可以看出，反射型結(jié)構(gòu)的光纖水聽器陣列用一根光纖串接了許多單元光纖水聽器，在每個(gè)節(jié)點(diǎn)的單元水聽器處增加了一光信號(hào)反射裝置，使攜帶有該節(jié)點(diǎn)處水聲信息的光脈沖信號(hào)能夠沿原路返回。在光源前端再由分光器將脈沖信號(hào)分離并送到光電探測(cè)器進(jìn)行信號(hào)接受與解調(diào)。由此組成了一個(gè)分布式探測(cè)陣列，但它只用了一根光纖作為光脈沖信號(hào)的發(fā)射總線與接收總線，各個(gè)節(jié)點(diǎn)處的光脈沖信號(hào)通過時(shí)分復(fù)用方式用同一根光纖傳輸。

　另一類為透射型結(jié)構(gòu)，如圖3所示。透射型結(jié)構(gòu)的光纖水聽器陣列有兩條總線，一條為信號(hào)發(fā)射總線，另一條為信號(hào)接收總線，從而不需反射裝置。由于陣列中各節(jié)點(diǎn)的空間位置不一樣，所以陣列中各節(jié)點(diǎn)之間的光纖還起到了延時(shí)的作用，使得從各節(jié)點(diǎn)返回的光脈沖不會(huì)在時(shí)域發(fā)生重疊，保證信號(hào)處理所需的時(shí)延。

　時(shí)分復(fù)用結(jié)構(gòu)的光纖水聽器陣列的信號(hào)處理一般利用光學(xué)外差法，每次向陣列中注入一個(gè)頻率略有差異的光脈沖對(duì)，頻差通常由布喇格光柵移頻產(chǎn)生，利用光學(xué)開關(guān)對(duì)較長(zhǎng)相干長(zhǎng)度的激光進(jìn)行斬波或利用附加的延時(shí)光路對(duì)單個(gè)光脈沖復(fù)制得到相干的脈沖對(duì)，使得脈沖對(duì)之間的時(shí)間間隔能保證從每個(gè)節(jié)點(diǎn)處返回的第一個(gè)脈沖與從前一個(gè)節(jié)點(diǎn)處返回的第二個(gè)脈沖同時(shí)到達(dá)探測(cè)器，實(shí)現(xiàn)外差檢測(cè)。另外也可以利用零差法實(shí)現(xiàn)時(shí)分復(fù)用系統(tǒng)的信號(hào)處理。時(shí)分多路復(fù)用技術(shù)也得到了廣泛應(yīng)用，如英國的國防研究局1992年報(bào)道的16單元平面陣列，美國L-3通信公司海洋系統(tǒng)分部正在研制的新型多功能艦殼聲納系統(tǒng)，其中包括一組具有嵌入式異步時(shí)分多路復(fù)用數(shù)字遙測(cè)裝置的水聽器側(cè)板，這種設(shè)計(jì)取消了常規(guī)艦殼主動(dòng)聲納系統(tǒng)需要的單個(gè)傳感器的布線、發(fā)射/接收開關(guān)和信號(hào)調(diào)節(jié)機(jī)柜。

四、波分多路復(fù)用技術(shù)

　光的波分多路復(fù)用是指在一根光纖中傳輸多種不同波長(zhǎng)的光信號(hào)，由于波長(zhǎng)不同，所以各路光信號(hào)互不干擾，最后再用波長(zhǎng)解復(fù)用器將各路波長(zhǎng)分解出來。所選器件應(yīng)具有靈敏度高、穩(wěn)定性好、抗電磁干擾、功耗小、體積小、重量輕、器件可替換性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)。光源輸出的光信號(hào)帶寬為40nm，在此寬帶基礎(chǔ)上可實(shí)現(xiàn)多個(gè)通道傳感器的大規(guī)模復(fù)用。

　 圖4為多通道光纖光柵水聽器檢測(cè)系統(tǒng)原理圖。用一根光纖串接多個(gè)光纖光柵水聽器探頭，各探頭所用光柵的中心波長(zhǎng)不同，利用光耦合器把各探頭反射的光波接入波長(zhǎng)解復(fù)用器，這樣可把各探頭的波長(zhǎng)依次分離出來，然后分別接入光探測(cè)器，最后進(jìn)入信號(hào)處理系統(tǒng)。此系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)是采用波分復(fù)用技術(shù)，實(shí)現(xiàn)光纖光柵水聽器分布式動(dòng)態(tài)測(cè)量。此系統(tǒng)有望解決目前光纖光柵水聽器難以解決的問題：首先，實(shí)現(xiàn)光纖光柵水聽器高速解調(diào)；其次，實(shí)現(xiàn)光纖光柵水聽器陣列分布式動(dòng)態(tài)測(cè)量，雖然光纖光柵分布式測(cè)量原理早已提出，但能夠?qū)崿F(xiàn)光柵傳感器分布式動(dòng)態(tài)測(cè)量的卻不多；最后，在現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量時(shí)，只需要將水聽器探頭及其連接光纜布置于探測(cè)現(xiàn)場(chǎng)，其他如波長(zhǎng)解復(fù)用器、信號(hào)處理系統(tǒng)等均可集成在遠(yuǎn)離現(xiàn)場(chǎng)的控制盒內(nèi)，以便于實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)操作與控制。另外，測(cè)量系統(tǒng)遠(yuǎn)離現(xiàn)場(chǎng)，既可保證儀器能正常工作，又減少了外界所帶來的誤差，因此可保證測(cè)量結(jié)果的可靠性。目前光纖光柵水聽器正處于研制階段，還沒大規(guī)模應(yīng)用，波分復(fù)用技術(shù)已經(jīng)成熟，可預(yù)見不久的將來波分復(fù)用技術(shù)即可成功應(yīng)用于光柵水聽器這一領(lǐng)域。而在光纖水聽器中，已在實(shí)驗(yàn)室里成功地將TDM與WDM/ DWDM 相結(jié)合應(yīng)用的報(bào)道[3 ]，DWDM/ TDM結(jié)合的系統(tǒng)可達(dá)到384個(gè)。

五、相干多路復(fù)用技術(shù)

　 光纖水聽器的相干多路復(fù)用是通過遠(yuǎn)端光程匹配技術(shù)來實(shí)現(xiàn)的。其特點(diǎn)是陣列中的單元光纖水聽器均采用不等臂長(zhǎng)的干涉儀結(jié)構(gòu)，而且各干涉儀的臂長(zhǎng)差均不相同，并要求光源發(fā)出光的相干長(zhǎng)度小于各干涉儀最小臂長(zhǎng)差，使其均不能滿足相干條件；陣列信號(hào)的接收端串聯(lián)一可變臂長(zhǎng)的匹配干涉儀，臂長(zhǎng)的調(diào)整范圍能涵蓋陣列所有干涉儀的臂長(zhǎng)差。通過調(diào)整匹配干涉儀的可調(diào)臂長(zhǎng)度，分別對(duì)陣列中的每個(gè)干涉儀進(jìn)行光程匹配，使得在某一時(shí)刻陣列中只有一個(gè)干涉儀與匹配干涉儀串聯(lián)滿足相干條件[4]。典型的相干多路復(fù)用結(jié)構(gòu)見圖5。

　 光程匹配的實(shí)現(xiàn)是指陣列中干涉儀的長(zhǎng)光臂與匹配干涉儀的短光臂長(zhǎng)度和等于陣列中干涉儀的短光臂與匹配干涉儀的長(zhǎng)光臂長(zhǎng)度和。由于陣列中各干涉儀的臂長(zhǎng)差均不相同，因此利用臂長(zhǎng)差可以唯一標(biāo)定某一干涉儀在陣列中所處的位置。當(dāng)調(diào)整匹配干涉儀的可調(diào)臂長(zhǎng)度與陣列中的某一干涉儀實(shí)現(xiàn)光程匹配時(shí)，光電探測(cè)器測(cè)得的干涉信號(hào)即為該干涉儀所在節(jié)點(diǎn)處光纖水聽器感應(yīng)的水聲信號(hào)[2]。調(diào)整匹配干涉儀利用掃描方式分別與陣列中每個(gè)干涉儀進(jìn)行光程匹配，便可測(cè)得所有節(jié)點(diǎn)處的水聲信號(hào)，達(dá)到多路復(fù)用的目的。目前基于相干多路復(fù)用技術(shù)的典型結(jié)構(gòu)有雙干涉儀結(jié)構(gòu)，它在實(shí)現(xiàn)高性能的光纖傳感器多路復(fù)用中有著重要的應(yīng)用，它的最大特點(diǎn)是可以保證整個(gè)干涉系統(tǒng)穩(wěn)定地工作在理想工作點(diǎn)并方便地對(duì)多路傳感信號(hào)進(jìn)行探測(cè)。在實(shí)際應(yīng)用中，用光源調(diào)制方案解決相位噪聲問題，通過與其它復(fù)用技術(shù)的結(jié)合可以大大提高系統(tǒng)的復(fù)用性能。目前,基于雙干涉儀結(jié)構(gòu)的相干、時(shí)分技術(shù)正用于高性能光纖水聽器陣列空間信噪比獲取、波束形成和定向定位探測(cè)研究中。

六、結(jié)束語

　　由于單個(gè)的水聲探測(cè)器遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足實(shí)際的軍用與民用要求，所以人們很早就開始了水聲探測(cè)器陣列技術(shù)的研究。現(xiàn)在水聲探測(cè)器正向著多節(jié)點(diǎn)，大監(jiān)控范圍的方向發(fā)展，每個(gè)陣列包含上千個(gè)節(jié)點(diǎn)，數(shù)百公里的監(jiān)控范圍，鑒于水中工作條件的惡劣性，要求探測(cè)系統(tǒng)必須具有高性能、高可靠性，多路復(fù)用技術(shù)由于其可復(fù)用性理所當(dāng)然的被用于這種陣列信號(hào)的傳輸之中，本文著重介紹了發(fā)展較為成熟、實(shí)際系統(tǒng)中應(yīng)用較廣泛的時(shí)分多路復(fù)用、頻分多路復(fù)用以及相干多路復(fù)用技術(shù)。隨著光纖光柵水聽器的出現(xiàn)，還介紹了最新的波分多路復(fù)用技術(shù)。可以預(yù)見，隨著研究的不斷深入，還會(huì)出現(xiàn)更加先進(jìn)、復(fù)用度更高的多路復(fù)用技術(shù)。