据腾讯微信，于2025年07月16日报道，武汉理工大学桂鑫、李政颖教授团队在《激光与光电子学进展》发表题为“分布式光纤水听器技术的研究进展”的文章。文章分别从湿端（水听器阵列）、干端（解调系统）以及阵列信号处理方法阐释关键技术进展，重点针对声压灵敏度、等效相位噪声等核心指标展开讨论，并介绍了近年来分布式光纤水听器技术的应用概况。

封面展示了由光栅阵列光纤构成的大规模水听器阵列，光纤以螺旋缠绕状延伸，捕捉并放大海洋深处的微弱声信号，构建大规模分布式声学传感网络，具备高灵敏度、大规模成阵的优势。研究目标直指水下安全与防御的核心需求——潜艇与蛙人的高效探测。通过部署固定式阵列（关键海域、港口）和拖曳式阵列（搭载于舰船或潜航器），构建多层次、立体化的水下声学监视体系，提升对水下弱小目标的定位、识别与跟踪能力，为水下态势感知提供强有力的技术支撑。

1.研究背景

随着现代海洋对抗技术的发展，水下目标的声隐身能力显著提升，传统被动声呐系统面临探测距离缩短、信号易被掩盖的瓶颈。在此背景下，如何实现对微弱声信号的远距离、高精度感知，成为新一代水声技术亟待突破的核心问题。分布式光纤水听器技术（DFOH）因其高灵敏度、大规模、抗电磁干扰等优势，正逐步成为海洋声学探测的重要技术方向。

DFOH通过相位敏感光时域反射技术（Φ-OTDR），将声波引起的光纤微小形变转化为光信号的相位扰动，从而实现对水下声场的动态感知。与传统压电水听器不同，DFOH利用一根普通光纤，即可实现千点级的声压测量，具有天然的大规模成阵能力和连续的空间感知特性；其系统结构由湿端水听器阵列和干端信号解调以及信号处理端组成，能够实现从信号感知到目标定位的全过程链路。

2.湿端设计：让光纤“听”得更清楚

湿端部分作为DFOH的直接感知单元，核心在于将声压信号转化为光相位变化，其结构设计和声敏感性能直接影响整体系统的探测灵敏度、频响范围与环境适应能力。当前主要发展出三类核心技术路线：瑞利散射型、反射增强型和光栅阵列增强型。

2.1 瑞利散射型

基于瑞利散射的分布式光纤水听器、利用光纤内固有的瑞利散射效应，将水下声场的微小变化转化为沿光纤传播的散射光信号相位变化，具有良好的可扩展性和布设灵活性。该方案适合拖曳式阵列、港口布控等场景，浙江实验室严国锋团队设计了100 m 192单元阵列大孔径分布式光纤水听拖曳阵列，在20 Hz~1000 Hz，平均声压灵敏度达到−127.44 dB（re rad/µPa）。

2.2 反射点增强型

反射增强型通过在光纤内部以飞秒激光等方式刻写散射点，提高局部反射信号强度与相位敏感性，从而在保持简洁结构的同时提升信噪比和响应稳定性。相较瑞利型，该结构能够有效减少通道间的灵敏度波动，华中科技大学孙琪真团队采用反射增强光纤设计全固态多层复合光纤水听器阵列，在5 Hz~2 kHz范围，平均声灵敏度为-137.2 dB（re rad/µPa/m），平坦度±2 dB，在1 Hz时甚至可以达到-125.3 dB。

2.3 光栅阵列增强型

光栅阵列增强型通过光栅的反射和干涉效应来增强声波信号的检测能力。武汉理工大学李政颖团队通过双层芯轴缠绕结构（图1）实现应变放大，使灵敏度跃升至-113 dB（re rad/µPa），光纤轴向应变被放大为裸光纤的170倍。同时，该团队用啁啾光栅阵列结合聚氨酯涂覆增敏方法，设计了直径仅为5 mm的细直径水听器阵列（图2），平均声压灵敏度−148 dB（re rad/µPa）。值得关注的是，缠绕结构与直线涂覆结构形成性能互补——前者在宽频带保持高声压灵敏度、平坦度，后者具备超细直径和低频段高灵敏度的特性，此类特性使其更适配于体积敏感、低频探测需求突出的无人潜航器集成应用。

3.干端解调：提升“听力”的信噪比

干端系统作为DFOH的信号处理中心，负责从光纤反射信号中提取相位扰动信息，其性能决定着整个系统的最小可探测声压级。核心挑战主要包括：干涉衰落带来的信号失真、偏振态波动造成的信号抖动、激光器相位噪声引起的相位漂移，以及干端环境扰动引发的低频噪声。

为抑制干涉衰落，电子科技大学饶云江团队结合双极Golay编码与激光频率漂移补偿，消除干涉衰落，SNR提高约10dB。针对偏振衰弱噪声，武汉理工大学李政颖团队采用偏振开关脉冲间匹配干扰的偏振衰落抑制技术（图3），选择干涉可见度较高的信号进行解调，保持30 dB以上的信噪比。

针对激光器的相位噪声，武汉理工大学李政颖团队采用辅助干涉仪构建参考通道，用于实时追踪光源漂移，结合数字滤波与自适应补偿算法，实现低频相位波动的有效抑制（图4）。针对环境干扰，武汉理工大学李政颖团队提出基于双脉冲短臂干涉法的抗噪声探测技术，在噪声频率≤100 Hz、振动加速度≤0.1 m/s²的低频弱扰动工况下，使系统SNR提升幅度超过8 dB。

4.阵列信号处理：让“听力”变成“判断力”

分布式光纤水听器系统天然具备多通道阵列优势，为阵列信号处理提供了极为有利的结构基础。通过在光纤中构建空间连续或离散的多通道测量节点，可形成等间距或非等间距线性阵列，进而实现波束指向控制、声源定位与轨迹跟踪。

当前广泛应用的信号处理方法包括传统的波束形成（CBF）、高分辨空间谱估计（如MUSIC）、最小方差方法（MVDR）等，可在复杂背景噪声条件下实现多目标分离与空间域增强。同时，为适配大规模布设需求，研究团队还开发了自适应通道校准算法与快速求逆滤波器结构，提高阵列一致性与实时处理能力。

在湖试实验中，中国科学院上海光学精密机械研究所蔡海文团队已完成104 m分布式光纤水听器阵列部署，采用经典Music算法完成空间谱估计、波束形成与运动轨迹跟踪。电子科技大学饶云江团队通道采用常规波束形成（CBF）来抑制随机噪声，CBF对阵列各等效单元采样的信号进行相干求和，以降低来自信号波束外方向的噪声，空间增益为~ 8 dB。

5.总结与展望

分布式光纤水听器以其高灵敏度、连续感知、结构柔性与部署简便的特性，在水下探测领域展现出巨大潜力。当前技术已突破传统探测范围和分辨率限制，在湖试和拖曳阵测试中均取得积极成果；未来其将在多通道协同、海洋环境适应性、智能识别能力等方面进一步演进，构建水下智能感知网络体系。作为光纤传感与水声工程的交叉成果，DFOH有望成为海洋信息感知的基础设施核心组件，在国家海洋安全、资源开发、生态保护等领域发挥重要作用。