分布式光纤水听器技术的研究进展综述

作者王昌佳、桂鑫、傅雪蕾、王一鸣、韩博文、李政颖*来自武汉理工大学信息工程学院、光纤传感技术与网络国家工程研究中心及宽带无线通信与传感器网络湖北省重点实验室，该综述发表于《激光与光电子学进展》（Laser & Optoelectronics Progress）2025年7月刊第62卷第13期，作为封面文章发表。

核心主题 本文系统梳理了分布式光纤水听器（Distributed Fiber-Optic Hydrophone, DFOH）技术的原理演进、关键突破与应用进展。作为基于分布式声波传感（DAS）技术的新型水下探测系统，DFOH通过单根光纤复用数千传感单元的特性，突破传统压电水听器的阵列规模限制，实现长距离、高灵敏度连续监测。

技术原理与发展脉络 1. 传感机制创新 文章首先阐释了DFOH的声压-相位转换原理：声压作用于光纤径向产生应变，通过式(2)弹性力学关系转化为轴向长度变化，结合式(3)相位调制模型实现声信号检测。针对裸光纤灵敏度低的问题（50m长度仅-182dB），提出缠绕式增敏结构（式(6)），通过芯轴弹性层放大应变，灵敏度提升达69dB（典型值-113dB）。

1. 湿端技术三大路径

• 瑞利散射型：依托固有散射效应，中国团队通过空心缠绕（Yan等，-129dB@10-1500Hz）和薄壁复合结构（Liu等，-137dB@20-1000Hz）优化灵敏度
• 反射点增强型：孙琪真团队采用飞秒激光制备反射点，全固态阵列实现-137.2dB@5Hz-2kHz的宽频响应
• 光栅阵列型：日本防卫所早期采用FBG阵列（-137.5dB），武汉理工大学李政颖团队创新啁啾光栅设计（-113dB@10-1000Hz），实现全指向性探测

1. 干端噪声抑制技术 针对φ-OTDR系统的四大噪声源：

• 干涉衰落：采用UWFBG反射增强（信噪比提升20dB）和Golay编码（应变分辨率75pε/√Hz）
• 偏振衰落：保偏光纤（Qin等）与偏振开关技术（信噪比>30dB）
• 激光相位噪声：辅助干涉仪结合LMS算法（噪声降低40.1dB）
• 环境干扰：双脉冲短臂干涉法（低频SNR提升8dB）

1. 阵列信号处理突破

• 蔡海文团队开发基于DAS的三维定位算法，实现104m阵列湖试验证
• 饶云江团队通过CBF（常规波束形成）实现拖曳阵列8dB空间增益
• 荷兰团队利用海底光缆实现船只航迹重构（AIS数据吻合度>90%）

应用价值与挑战 军事领域：美国TB-33细线拖曳阵（直径10mm）验证DFOH在反潜作战的潜力；民用领域：海底地震监测、油气管道安全等场景已开展示范应用。现存技术瓶颈包括：海洋环境噪声抑制（温跃层扰动影响待量化）、超长距非线性效应控制（>100km传输稳定性）、实时数据处理算法优化（毫秒级延迟要求）。

发展趋势 文中指出未来将聚焦：1）智能噪声抑制算法开发；2）光栅在线刻写技术规模化（单光纤>10万光栅）；3）无人潜航器集成化（直径<5mm阵列）；4）海底光缆协同监测网络构建。通过多学科交叉创新，DFOH有望实现从实验室到工程化的跨越。

该综述的价值在于： 1. 首次系统比较三类湿端技术性能（见表1），揭示缠绕式结构（高灵敏度）与直线涂覆（细直径）的适用场景差异 2. 量化分析近五年关键指标进展：灵敏度从-158dB提升至-113dB，相位噪声降至-81.2dB@1kHz 3. 提出”湿端-干端-算法”协同优化框架，为后续研究提供明确技术路线

（注：全文引证文献100篇，包含23项中国团队成果和17项国际最新研究）