分布式光纤水听器（Distributed Fiber-Optic Hydrophone, DFOH）技术研究和应用进展综述

作者及机构
本文由王照勇（1,2*）、刘依凡（1,2）、陈义赐（1,2）等合作完成，作者团队来自中国科学院上海光学精密机械研究所空间激光信息传输与探测技术重点实验室（1）和中国科学院大学材料与光电研究中心（2）。论文发表于2024年1月的《光学学报》第44卷第1期。

研究背景与主题
分布式光纤水听器技术是近年来水声探测领域的重要发展方向，其核心是将光纤作为水下声波换能器阵列，通过激光脉冲问询实现声压信号的分布式感知。传统水听器技术（如压电式水听器和干涉型光纤水听器）受限于阵元规模固定、湿端制备效率低等问题，难以满足大规模海洋监测、安静型目标探测等需求。DFOH凭借阵列灵活重构、全自动湿端制备、长距离覆盖（数十公里）等优势，成为国内外研究热点。本文系统梳理了DFOH的传感原理、性能指标、技术进展及应用场景，并对未来挑战与发展趋势进行了展望。

主要技术原理
1. 传感机制
DFOH基于光纤的弹光效应和瑞利散射（Rayleigh scattering）原理。声压作用于光纤时，通过空心圆柱增敏结构（图1）产生轴向应变，调制传输光波的相位（公式1）。相位变化与声压呈线性关系（公式5），通过解调相位即可重建声场信息。与干涉型光纤水听器不同，DFOH利用后向瑞利散射实现空间连续探测。

1. 信号解调方法
   
   • 相位解调：包括正交差分解调（数字域、光学域）、相位生成载波解调（PGC）和频移解调等。
     
   • 信道分离：通过光时域反射计（OTDR）或光频域反射计（OFDR）实现空间差分，典型方案如双脉冲法、延时自差法和频域映射技术。以φ-OTDR系统（图2）为例，结合数字相干检测和空间差分算法（公式8），实现声压信号的定量提取。
     

性能指标与研究进展
1. 声压灵敏度（Response Sensitivity）
裸光纤灵敏度约为−208 dB re rad/μPa，通过增敏结构（如聚碳酸酯空心圆柱）可提升至−131 dB（公式9）。表1列举了国内外代表性成果，最高灵敏度达−125.3 dB @1 Hz（华中科技大学团队）。

1. 系统噪声与等效噪声

   • 噪声水平（NL）：通过功率谱密度（PSD）评估，目前最优结果为0.15 pε/√Hz（上海光机所团队）。
     
   • 等效噪声（NE）：表征最小可探测声压，华中科技大学团队将NE降至48 dB @1 kHz，接近零级海况噪声水平（45~50 dB）。
     

2. 动态范围与指向性

   • 动态范围受限于相位解绕算法，DUI方法（华中科技大学）将范围扩展至131.7 dB。
     
   • 指向性模型（公式12）显示，DFOH阵元响应受声波频率、缠绕比和探测孔径影响，需针对应用场景优化设计。
     

应用场景
1. 悬浮水平阵
上海光机所团队首次实现湖试（图4），验证了目标定向能力；海军工程大学在浅水区完成25米距离目标定位。DFOH的密集空间采样特性支持灵活阵列重构。

1. 轻量化拖曳阵
   之江实验室开发了节点式拖曳缆（图6），外径仅1.7 mm，海试中成功探测流噪声和模拟声源，为无人载具部署奠定基础。

2. 通信海缆声波阵
   挪威科技大学团队利用北极海底光缆（图7）实现了鲸鱼叫声探测和轨迹跟踪（定位误差约100米），展示了低成本大范围监测潜力。

未来挑战与展望
1. 技术瓶颈：需进一步降低系统噪声、提升低频探测能力，并解决信道串扰理论缺失问题。
2. 应用扩展：干端设备小型化、多分量探测技术开发，以及结合海底中继站构建全球声学监测网络。

研究价值与亮点
- 科学价值：建立了DFOH的性能评估体系，揭示了其独特的空间积分响应特性。
- 应用创新：首次实现湖试与海试验证，推动了轻量化拖曳阵和通信海缆复用技术的实用化。
- 技术突破：散射增强、分集探测等技术的引入显著提升了灵敏度和噪声性能。

本文系统总结了DFOH从原理到应用的完整技术链条，为水声探测领域提供了新的技术路径，未来有望在海洋安全、生态监测等领域发挥变革性作用。