基于外差相干檢測的分布式光纖水聽器使用

敏化光纖螺旋形纏繞在芯軸上，包覆并置于水下，使用基于外差相干檢測（hetΦ-OTDR）的水聽器。



定位聲源的Φ-OTDR光纖水聽器的現(xiàn)場測試，375和625Hz的信號，實(shí)際和測量角度之間具有良好的角度感應(yīng)一致性。當(dāng)聲源隨時間推移而移動時，光纜會準(zhǔn)確地對其進(jìn)行跟蹤。(Image credit: SIOM) 使用水聽器進(jìn)行水下聲學(xué)監(jiān)視一般是軍事應(yīng)用，例如潛艇位置，也同時可以民用，例如監(jiān)視海洋動物、探索海洋礦產(chǎn)資源等。

與其他類型的水聽器相比，基于光纖的水聽器具有一定的優(yōu)勢，例如，體積小、強(qiáng)度大，無源電子設(shè)備，較強(qiáng)的抗電磁干擾力。 這些設(shè)備通常是基于干涉儀的（typically interferometer-based），包括沿著光纖的一系列傳感元件。但是，由于技術(shù)限制，這些陣列僅限于約一百或更少的傳感器。另外，傳感器陣列元件的間距通常是固定的（the sensor array-element spacing is typically fixed），并且缺乏滿足海洋聲學(xué)檢測領(lǐng)域中不同頻率檢測需求的靈活性（lacks the flexibility to satisfy different frequency detection）。

來自中國科學(xué)院上海光學(xué)精密機(jī)械研究所（SIOM）的研究人員與中國電子科技集團(tuán)公司第二十三研究所合作，展示了一種基于分布式光纖水聽器（distributed optical-fiber hydrophone，DOFH）的產(chǎn)品。在外差相干檢測（hetΦ-OTDR）上進(jìn)行了現(xiàn)場測試，并對該設(shè)備的104米長版本進(jìn)行了現(xiàn)場測試，顯示出高達(dá)-146 dB rad /μPa/ m的靈敏度（比傳統(tǒng)光纜高）。

<3 kHz線寬的激光器（<3 kHz-linewidth laser diode）通過光纖耦合器（OC）分為探測光和參考光（probe and reference light）。然后，一個聲光調(diào)制器（AOM）將探測光斬波成100 ns持續(xù)時間的脈沖，并將頻率偏移160 MHz。在通過摻Er光纖放大器（EDFA）放大并通過循環(huán)器（CIR）之后，參考光和探測光混合，該光被發(fā)送到被測光纖（FUT）。返回信號由平衡光電檢測器（BPD）檢測，并發(fā)送到數(shù)據(jù)采集板（DAQ）和信號處理器。 ?

光纜內(nèi)部的光纖纏繞芯軸結(jié)構(gòu)

直徑為12.5毫米的光纜本身由一個支撐芯軸（supporting mandrel），特殊的敏化光纖和光纜護(hù)套組成。彎曲不敏感的光纖（鏈接：光纖怎么抗彎？）以螺旋路徑（每1 m光纜7.5 m的光纖）纏繞在光纜中心軸（為保護(hù)起見，用護(hù)套保護(hù)）上的聲敏芯軸上。聲信號會干擾芯軸和光纖，從而導(dǎo)致瑞利散射光的相位變化，這正是要解調(diào)的信號。

構(gòu)造了用于DOFH的陣列信號處理模型，以使用hetΦ-OTDR作為聲傳感器的分布式陣列來分析聲波響應(yīng)的等效性和特異性（equivalence and specificity of the acoustic wave），盡管光纖沿其長度連續(xù)感測，但是該模型可以選擇某間隔，例如，在整個360°都以高角度特異性檢測到375 Hz處的信號，在675 Hz處存在一些角度盲點(diǎn)。

現(xiàn)場測試是在一個水庫中進(jìn)行的，將Φ-OTDR系統(tǒng)放在水中的平臺上，并把104 m長的光纜伸入水中。375和625 Hz測試信號的聲波波長分別為4和2.4 m，相應(yīng)的陣列元素間距為1.34和0.67 m。聲源被放置在距離電纜189至367 m的不同位置的水下。

通過陣列信號處理，可以準(zhǔn)確實(shí)現(xiàn)水下聲源信號的定向和運(yùn)動軌跡跟蹤。在兩個聲波波長下，光源的角位置都精確。

研究人員指出，光纜的制造可以很容易地實(shí)現(xiàn)自動化，盡管當(dāng)前的系統(tǒng)噪聲比傳統(tǒng)的干涉式水聽器高得多，但是可以使用多路復(fù)用或其他方法進(jìn)一步優(yōu)化系統(tǒng)的檢測帶寬。

審核編輯：劉清