随着水声对抗技术的发展和探潜需求的不断提高,高可靠性大规模光纤水听器阵列成为了高性能水下探测的重要手段。基于匹配干涉的光纤光栅水听器阵列结合了光纤光栅技术小型化、高可靠性、低成本的优点以及相干检测灵敏度高的优点,逐渐成为大规模光纤水听器阵列的主要技术方案。该技术的突破将为进一步提高拖曳阵、岸基阵和舷侧阵等声纳系统的阵列规模和可靠性奠定基础,为水下探潜提供更高性能的水声探测装备。基于匹配干涉的光纤光栅水听器阵列的关键技术是在一根光纤上制作数十到数百个不同波长的光纤光栅对,形成多个光学相干单元,这对光纤光栅的制作、过程监控和信号处理均有极高要求和难度。针对光纤光栅水听器阵列的实际应用需求,课题从光纤光栅的基本理论出发,设计了基于匹配干涉的光纤光栅水听器阵列的系统结构,对该方案中的抗偏振衰落技术、串扰分析及抑制和降噪等关键技术进行了分析,试制了4个小型化的光纤光栅水听器并组成了4基元超细光纤光栅水听器阵列,研究了阵列的基本性能。论文的主要研究成果和创新性如下:1.针对光纤光栅波长匹配难题,采用预拉力法对光纤光栅的波长进行控制。对光纤光栅刻栅波长匹配进行理论分析,得到Corning单模光纤刻制光纤光栅的波长变化量与施加预应力的关系为-1.35nm/N。综合考虑载氢和退火影响,实现了光纤光栅波长控制和匹配光栅的制作,为刻制光纤光栅水听器阵列提供技术支撑,保证系统光学部分的正常运行。同时,针对窄线宽光源与光纤光栅水听器阵列的波长失配问题,采用波长匹配的高反射率保偏光纤光栅对光纤激光器的波长进行选择,并对保偏光纤光栅在不同输入光偏振态条件下的光谱特性进行测试分析,得到光栅的反射率与输入偏振光的方位角成高斯分布,并制作了波长匹配的低噪声高相干的单纵模环形光纤激光器,其相对强度噪声和相位噪声分别为-120d B Hz和-115d B Hz@1k Hz,满足实际应用要求。2.抗偏振衰落是光纤光栅水听器阵列系统中实现相干检测的一大难题。传统的干涉型光纤水听器普遍采用法拉第旋镜的方法来抑制系统的偏振衰落,但是由于光纤光栅水听器阵列系统特殊的光学结构,该方法无法适用。因此,寻求一种简单易行的适用于光纤光栅水听器阵列系统的抗偏振衰落方法是其最终走向实际应用必须解决的难题。针对匹配干涉的光纤光栅水听器系统的偏振衰落问题,本文首先对干涉型光纤光栅水听器系统各点处的偏振特性进行分析,得到系统干涉条纹可见度与引导光纤双折射、匹配干涉仪双折射和FBG-FP腔双折射的关系。最后对适用于干涉型光纤光栅水听器系统的抗偏振衰落方法进行了理论分析和实验验证。其中,脉冲偏振切换法不止可以消除偏振衰落,其结合剥层算法还可以抑制串扰,尤其适用于时分复用的光纤光栅水听器阵列系统。3.光纤光栅串之间多次反射的串扰是影响光纤光栅水听器时分复用数目的关键。针对串扰问题,推导了不同复用数的光纤光栅传感器阵列不同时刻的光强干涉公式,仿真计算和实验测试了串扰大小和光栅反射率及系统复用数的关系。对各个传感器初始相位随机性导致的串扰信号的不稳定性进行分析,并采用统计学方法进行了理论分析和实验验证,为光纤光栅水听器阵列的设计和向大规模方向发展奠定了基础。4.针对光纤光栅水听器阵列小型化应用需求,对芯轴型光纤光栅水听器基元的传感机理和封装结构进行设计分析。研制了直径为18mm和12mm的两种光纤光栅水听器,其声压相位灵敏度分别为-149.0d B和-145.7d B,在2.5k Hz以下的测试范围内,封装基元的频率响应平坦,波动小于±1d B。研制了内径7.4mm外径10mm的光纤光栅水听器,声压相位灵敏度为-149.4d B,波动小于±0.6d B,系统等效噪声声压谱级为47.4d B。5.研制了4基元的超细光纤光栅水听器阵列,对光纤光栅水听器成阵后的的声压相位灵敏度和通道串扰进行测试。成阵后光纤光栅水听器基元的声压相位灵敏度不发生改变,第二、第三和第四个基元与第一基元的串扰分别为-39.4d B、-26.7d B和-22.2d B。实现了低噪声、高灵敏度、低成本和高可靠性的匹配干涉光纤光栅水听器阵列的设计制作,为光纤光栅大规模制作与应用奠定了基础。