基于外差相干检测的分布式光纤水听器使用

敏化光纤螺旋形缠绕在芯轴上，包覆并置于水下，使用基于外差相干检测（hetΦ-OTDR）的水听器。



定位声源的Φ-OTDR光纤水听器的现场测试，375和625Hz的信号，实际和测量角度之间具有良好的角度感应一致性。当声源随时间推移而移动时，光缆会准确地对其进行跟踪。(Image credit: SIOM) 使用水听器进行水下声学监视一般是军事应用，例如潜艇位置，也同时可以民用，例如监视海洋动物、探索海洋矿产资源等。

与其他类型的水听器相比，基于光纤的水听器具有一定的优势，例如，体积小、强度大，无源电子设备，较强的抗电磁干扰力。 这些设备通常是基于干涉仪的（typically interferometer-based），包括沿着光纤的一系列传感元件。但是，由于技术限制，这些阵列仅限于约一百或更少的传感器。另外，传感器阵列元件的间距通常是固定的（the sensor array-element spacing is typically fixed），并且缺乏满足海洋声学检测领域中不同频率检测需求的灵活性（lacks the flexibility to satisfy different frequency detection）。

来自中国科学院上海光学精密机械研究所（SIOM）的研究人员与中国电子科技集团公司第二十三研究所合作，展示了一种基于分布式光纤水听器（distributed optical-fiber hydrophone，DOFH）的产品。在外差相干检测（hetΦ-OTDR）上进行了现场测试，并对该设备的104米长版本进行了现场测试，显示出高达-146 dB rad /μPa/ m的灵敏度（比传统光缆高）。

<3 kHz线宽的激光器（<3 kHz-linewidth laser diode）通过光纤耦合器（OC）分为探测光和参考光（probe and reference light）。然后，一个声光调制器（AOM）将探测光斩波成100 ns持续时间的脉冲，并将频率偏移160 MHz。在通过掺Er光纤放大器（EDFA）放大并通过循环器（CIR）之后，参考光和探测光混合，该光被发送到被测光纤（FUT）。返回信号由平衡光电检测器（BPD）检测，并发送到数据采集板（DAQ）和信号处理器。  

光缆内部的光纤缠绕芯轴结构

直径为12.5毫米的光缆本身由一个支撑芯轴（supporting mandrel），特殊的敏化光纤和光缆护套组成。弯曲不敏感的光纤（链接：光纤怎么抗弯？）以螺旋路径（每1 m光缆7.5 m的光纤）缠绕在光缆中心轴（为保护起见，用护套保护）上的声敏芯轴上。声信号会干扰芯轴和光纤，从而导致瑞利散射光的相位变化，这正是要解调的信号。

构造了用于DOFH的阵列信号处理模型，以使用hetΦ-OTDR作为声传感器的分布式阵列来分析声波响应的等效性和特异性（equivalence and specificity of the acoustic wave），尽管光纤沿其长度连续感测，但是该模型可以选择某间隔，例如，在整个360°都以高角度特异性检测到375 Hz处的信号，在675 Hz处存在一些角度盲点。

现场测试是在一个水库中进行的，将Φ-OTDR系统放在水中的平台上，并把104 m长的光缆伸入水中。375和625 Hz测试信号的声波波长分别为4和2.4 m，相应的阵列元素间距为1.34和0.67 m。声源被放置在距离电缆189至367 m的不同位置的水下。

通过阵列信号处理，可以准确实现水下声源信号的定向和运动轨迹跟踪。在两个声波波长下，光源的角位置都精确。

研究人员指出，光缆的制造可以很容易地实现自动化，尽管当前的系统噪声比传统的干涉式水听器高得多，但是可以使用多路复用或其他方法进一步优化系统的检测带宽。

审核编辑：刘清