水下安防型分布式光纖水聽(tīng)器陣列

發(fā)布時(shí)間：

2025-09-12

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海底“智慧耳”：

分布式光纖水聽(tīng)器陣列實(shí)戰(zhàn)案例解析

本次光博會(huì)上，用戶對(duì)我司的分布式光纖水聽(tīng)器陣列產(chǎn)品表示了濃厚的興趣，同時(shí)隨著全球海洋無(wú)人平臺(tái)（UUV、USV）的發(fā)展，如何對(duì)蛙人、水面及水下小目標(biāo)進(jìn)行有效識(shí)別與持續(xù)監(jiān)測(cè)，成為海洋安全保障、海洋緝私、海洋環(huán)境保護(hù)的關(guān)鍵難題，這不僅關(guān)系到海洋安全，也直接影響海洋資源的開(kāi)發(fā)、利用與保護(hù)。

2025年8月，公司在威海開(kāi)展的一項(xiàng)基于分布式光纖聲傳感（DAS）技術(shù)的分布式光纖水聽(tīng)器陣列試驗(yàn)，為我們展示了這一技術(shù)的巨大潛力與應(yīng)用前景。本文將結(jié)合實(shí)際案例，為大家解析該系統(tǒng)的實(shí)際能力與應(yīng)用場(chǎng)景。

原理簡(jiǎn)介

什么是分布式光纖水聽(tīng)器陣列？

分布式聲學(xué)傳感（DAS）核心原理是利用光在傳輸過(guò)程中產(chǎn)生的背向瑞利散射信號(hào)來(lái)感知外界變化。光纖不僅是信息傳輸?shù)拿浇?，更直接充?dāng)傳感器本身，這使得系統(tǒng)結(jié)構(gòu)極為簡(jiǎn)潔，無(wú)需復(fù)雜的光學(xué)器件即可實(shí)現(xiàn)高效探測(cè)。借助先進(jìn)DAS詢問(wèn)器（解調(diào)儀），一根普通的光纖就能被“等效”為成千上萬(wàn)個(gè)高靈敏度的水聽(tīng)器陣列，具有傳感距離長(zhǎng)、采樣密度高以及連續(xù)、無(wú)遺漏的測(cè)量能力，這項(xiàng)技術(shù)在水下探測(cè)和海洋安防中具有巨大應(yīng)用潛力。

圖1 激光脈沖（紅色）下發(fā)到光纖引起背向瑞利散射光（黃色），通過(guò)解調(diào)背向瑞利散射光的相位實(shí)現(xiàn)外界聲場(chǎng)的感知和恢復(fù)。

系統(tǒng)簡(jiǎn)介

什么是分布式光纖水聽(tīng)器陣列？

分布式光纖聲學(xué)傳感的關(guān)鍵在于光纖本身就能作為傳感器。由于單根光纖在聲學(xué)探測(cè)中靈敏度有限，我們借鑒了高靈敏度水聽(tīng)器的設(shè)計(jì)理念，將傳感光纖連續(xù)纏繞在易于形變的彈性體上。通過(guò)這種結(jié)構(gòu)，外界聲波引起的微小形變會(huì)被“放大”傳遞到光纖中，從而顯著提升探測(cè)靈敏度。

所謂分布式光纖水聽(tīng)器陣列，實(shí)際上就是在一根光纖上進(jìn)行連續(xù)、有序的纏繞，通過(guò)疏密變化和陣列化設(shè)計(jì)，使其能夠靈活適配不同應(yīng)用需求。例如，在拖曳場(chǎng)景下，光纖可以圍繞節(jié)點(diǎn)連續(xù)纏繞進(jìn)行快速化低成本成陣；而在海底固定陣列中，最簡(jiǎn)單的實(shí)現(xiàn)方式之一就是將光纖連續(xù)纏繞或者疏密纏繞在纜芯上，形成纜-陣一體的陣列。一根光纖的巧妙纏繞，就能構(gòu)建起大規(guī)模、高靈敏度的分布式水聽(tīng)器陣列。

圖2 普惠自研的分布式光纖水聽(tīng)器陣列，實(shí)測(cè)聲壓靈敏度高至-120dB，可按需定制。

海試驗(yàn)證

威海海試現(xiàn)場(chǎng)驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)效果

2025年8月，神州普惠在威海成功開(kāi)展了一次基于分布式光纖聲傳感（DAS）技術(shù)的分布式光纖水聽(tīng)器陣列海試。在試驗(yàn)海域，我們將一條分布式光纖水聽(tīng)器陣列沉放至海底，構(gòu)建成固定陣列，并在岸端接入高性能的普惠DAS端機(jī)。隨著系統(tǒng)快速完成聯(lián)通與配置，陣列的整體監(jiān)測(cè)能力即刻形成，實(shí)現(xiàn)了對(duì)海域目標(biāo)的實(shí)時(shí)感知與有效覆蓋。

圖3 神州普惠在威海海試現(xiàn)場(chǎng)

圖4 PH-DAS高性能DAS解調(diào)端機(jī)

試驗(yàn)效果表明，水面船在穿行陣列頂部時(shí)，直接觀察到了強(qiáng)烈的航行波，指示船只穿行，結(jié)合子陣列波束形成，可以有效實(shí)現(xiàn)目標(biāo)定位，如圖5所示。

圖5 部分海試實(shí)驗(yàn)結(jié)果

場(chǎng)景拓展

實(shí)際使用案例

場(chǎng)景1：港口與航道安防監(jiān)控

問(wèn)題：如何在不影響船只通行的前提下，實(shí)時(shí)監(jiān)控港口入口、防范非法入侵？

解決方案：在港口入口處布設(shè)分布式光纖水聽(tīng)器陣列陣列，可實(shí)現(xiàn)對(duì)進(jìn)出船只的自動(dòng)識(shí)別與跟蹤。即便是低速行駛的小型船只，也能在一定距離外被探測(cè)到，具備良好的早期預(yù)警能力。

場(chǎng)景2：海上風(fēng)電場(chǎng)周邊水域監(jiān)測(cè)

問(wèn)題：風(fēng)電場(chǎng)周邊常有小船或UUV活動(dòng)，如何保障設(shè)施安全？

解決方案：

沿風(fēng)電場(chǎng)外圍布設(shè)分布式光纖水聽(tīng)器陣列，可監(jiān)測(cè)是否有船只或水下設(shè)備靠近。系統(tǒng)能區(qū)分不同速度、角度的目標(biāo)，甚至判斷其是否為潛在威脅。

場(chǎng)景3：海洋生態(tài)環(huán)境監(jiān)測(cè)與科研調(diào)查

問(wèn)題：如何長(zhǎng)時(shí)間、大范圍監(jiān)測(cè)海洋哺乳動(dòng)物（如鯨類）的游動(dòng)軌跡？

解決方案：

分布式光纖水聽(tīng)器陣列系統(tǒng)可識(shí)別特定頻率的聲學(xué)信號(hào)（如鯨歌），結(jié)合軌跡分析，幫助科研人員了解動(dòng)物行為、遷徙路徑等，且不會(huì)對(duì)生物造成干擾。

場(chǎng)景4：水下管線與電纜安全防護(hù)

問(wèn)題：海底管線易被漁船拖網(wǎng)、錨鏈等破壞，如何實(shí)現(xiàn)無(wú)人值守防護(hù)？

解決方案：

沿管線布設(shè)分布式光纖水聽(tīng)器陣列，一旦有船只接近或拖網(wǎng)操作，系統(tǒng)即可發(fā)出警報(bào)，并記錄船只軌跡，為事后追責(zé)提供依據(jù)。

場(chǎng)景5：重要目標(biāo)水下警戒、水下緝私

問(wèn)題：如何在水下布設(shè)一道“隱形防線”，防范UUV等水下設(shè)備滲透？

解決方案：

分布式光纖水聽(tīng)器陣列系統(tǒng)對(duì)UUV具備中距離探測(cè)能力，且能識(shí)別其運(yùn)動(dòng)特征，適合用于重要水域的長(zhǎng)期、隱蔽布防。

總結(jié)

分布式光纖水聽(tīng)器陣列系統(tǒng)的優(yōu)勢(shì)與適用性

隱蔽性強(qiáng)：布設(shè)在海底，不易被發(fā)現(xiàn)和破壞。
覆蓋范圍廣：?jiǎn)螚l纜即可覆蓋數(shù)百米范圍。
多目標(biāo)兼容：可同時(shí)監(jiān)測(cè)水面船、UUV、海洋生物等。
數(shù)據(jù)豐富：不僅能探測(cè)目標(biāo)，還能分析其速度、方位、頻率特征等。
適用場(chǎng)景多樣：民用、科研、安防均可應(yīng)用。

未來(lái)展望

本次試驗(yàn)驗(yàn)證了分布式光纖水聽(tīng)器陣列水聲監(jiān)測(cè)系統(tǒng)在實(shí)際海洋環(huán)境中的可行性。未來(lái)，隨著算法優(yōu)化升級(jí)，該系統(tǒng)有望在更復(fù)雜的海洋環(huán)境中發(fā)揮更大作用，成為智慧海洋建設(shè)中不可或缺的“水下智慧耳”。

如果您的單位正在考慮開(kāi)展海洋監(jiān)測(cè)、安防布控或科研調(diào)查項(xiàng)目，不妨將分布式光纖水聽(tīng)器陣列水聲監(jiān)測(cè)系統(tǒng)納入方案中——它或許正是您需要的那個(gè)“看不見(jiàn)的守護(hù)者”。普惠可協(xié)助需求方提供分布式聲波光纖傳感系統(tǒng)級(jí)解決方案，針對(duì)不同應(yīng)用場(chǎng)景，提出適配不同的傳感端光纜，不同的性能的DAS端機(jī)，歡迎各大企業(yè)、高校、研究所聯(lián)系合作，一起探索分布式光纖聲學(xué)傳感新的可能。