水下安防型分布式光纖水聽器陣列

發(fā)布時間：

2025-09-12

閱讀次數(shù)：

海底“智慧耳”：

分布式光纖水聽器陣列實戰(zhàn)案例解析

本次光博會上，用戶對我司的分布式光纖水聽器陣列產(chǎn)品表示了濃厚的興趣，同時隨著全球海洋無人平臺（UUV、USV）的發(fā)展，如何對蛙人、水面及水下小目標(biāo)進(jìn)行有效識別與持續(xù)監(jiān)測，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發(fā)、利用與保護(hù)。

2025年8月，公司在威海開展的一項基于分布式光纖聲傳感（DAS）技術(shù)的分布式光纖水聽器陣列試驗，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)合實際案例，為大家解析該系統(tǒng)的實際能力與應(yīng)用場景。

原理簡介

什么是分布式光纖水聽器陣列？

分布式聲學(xué)傳感（DAS）核心原理是利用光在傳輸過程中產(chǎn)生的背向瑞利散射信號來感知外界變化。光纖不僅是信息傳輸?shù)拿浇椋苯映洚?dāng)傳感器本身，這使得系統(tǒng)結(jié)構(gòu)極為簡潔，無需復(fù)雜的光學(xué)器件即可實現(xiàn)高效探測。借助先進(jìn)DAS詢問器（解調(diào)儀），一根普通的光纖就能被“等效”為成千上萬個高靈敏度的水聽器陣列，具有傳感距離長、采樣密度高以及連續(xù)、無遺漏的測量能力，這項技術(shù)在水下探測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），通過解調(diào)背向瑞利散射光的相位實現(xiàn)外界聲場的感知和恢復(fù)。

系統(tǒng)簡介

什么是分布式光纖水聽器陣列？

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)探測中靈敏度有限，我們借鑒了高靈敏度水聽器的設(shè)計理念，將傳感光纖連續(xù)纏繞在易于形變的彈性體上。通過這種結(jié)構(gòu)，外界聲波引起的微小形變會被“放大”傳遞到光纖中，從而顯著提升探測靈敏度。

所謂分布式光纖水聽器陣列，實際上就是在一根光纖上進(jìn)行連續(xù)、有序的纏繞，通過疏密變化和陣列化設(shè)計，使其能夠靈活適配不同應(yīng)用需求。例如，在拖曳場景下，光纖可以圍繞節(jié)點連續(xù)纏繞進(jìn)行快速化低成本成陣；而在海底固定陣列中，最簡單的實現(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器陣列。

圖2 普惠自研的分布式光纖水聽器陣列，實測聲壓靈敏度高至-120dB，可按需定制。

海試驗證

威海海試現(xiàn)場驗證實驗效果

2025年8月，神州普惠在威海成功開展了一次基于分布式光纖聲傳感（DAS）技術(shù)的分布式光纖水聽器陣列海試。在試驗海域，我們將一條分布式光纖水聽器陣列沉放至海底，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)測能力即刻形成，實現(xiàn)了對海域目標(biāo)的實時感知與有效覆蓋。

圖3 神州普惠在威海海試現(xiàn)場

圖4 PH-DAS高性能DAS解調(diào)端機(jī)

試驗效果表明，水面船在穿行陣列頂部時，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，可以有效實現(xiàn)目標(biāo)定位，如圖5所示。

圖5 部分海試實驗結(jié)果

場景拓展

實際使用案例

場景1：港口與航道安防監(jiān)控

問題：如何在不影響船只通行的前提下，實時監(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)分布式光纖水聽器陣列陣列，可實現(xiàn)對進(jìn)出船只的自動識別與跟蹤。即便是低速行駛的小型船只，也能在一定距離外被探測到，具備良好的早期預(yù)警能力。

場景2：海上風(fēng)電場周邊水域監(jiān)測

問題：風(fēng)電場周邊常有小船或UUV活動，如何保障設(shè)施安全？

解決方案：

沿風(fēng)電場外圍布設(shè)分布式光纖水聽器陣列，可監(jiān)測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。

場景3：海洋生態(tài)環(huán)境監(jiān)測與科研調(diào)查

問題：如何長時間、大范圍監(jiān)測海洋哺乳動物（如鯨類）的游動軌跡？

解決方案：

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

場景4：水下管線與電纜安全防護(hù)

問題：海底管線易被漁船拖網(wǎng)、錨鏈等破壞，如何實現(xiàn)無人值守防護(hù)？

解決方案：

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

場景5：重要目標(biāo)水下警戒、水下緝私

問題：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：

分布式光纖水聽器陣列系統(tǒng)對UUV具備中距離探測能力，且能識別其運動特征，適合用于重要水域的長期、隱蔽布防。

總結(jié)

分布式光纖水聽器陣列系統(tǒng)的優(yōu)勢與適用性

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：單條纜即可覆蓋數(shù)百米范圍。
多目標(biāo)兼容：可同時監(jiān)測水面船、UUV、海洋生物等。
數(shù)據(jù)豐富：不僅能探測目標(biāo)，還能分析其速度、方位、頻率特征等。
適用場景多樣：民用、科研、安防均可應(yīng)用。

未來展望

本次試驗驗證了分布式光纖水聽器陣列水聲監(jiān)測系統(tǒng)在實際海洋環(huán)境中的可行性。未來，隨著算法優(yōu)化升級，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展海洋監(jiān)測、安防布控或科研調(diào)查項目，不妨將分布式光纖水聽器陣列水聲監(jiān)測系統(tǒng)納入方案中——它或許正是您需要的那個“看不見的守護(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)級解決方案，針對不同應(yīng)用場景，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。