首页技术中心行业应用利用分布式光纤水听器探测水下声信号

利用分布式光纤水听器探测水下声信号

发布时间：2026-03-10 16:36:45 阅读数： 524

发表于《MDPI-Sensors》期刊的最新研究成果揭示了分布式光纤水听器（DFOH）的指向性与其阵列结构之间的关系。在湖南省青羊湖利用DFOH测量的声信号与理论预测相符。该研究由周萌教授团队在中国长沙国防科技大学气象与海洋学院完成。

图片描述

研究：分布式光纤水听器的指向性对阵列结构的依赖性。

声学传感

声信号是材料扰动引起的纵波。这些振动可以在材料中远距离传播。声信号检测在工业和科学领域有着广泛的应用。以下列举部分应用领域（并非全部）：

· 铁路运输基础设施

· 管道安全

· 周界安全

· 火山监测

· 海啸监测

· 地震和雪崩监测

水下声学传感方法也备受关注。这是因为许多水生生物利用声波进行交流、繁殖和捕猎。收集全球海洋环境振动信号的大量数据对于确定和评估人类活动和自然过程的影响至关重要。

水听器是一种可以在水下使用的仪器，用于探测和记录来自海洋各个方向的振动。水听器像麦克风拾取空气中的声音一样，在水下接收声信号。大多数水听器都利用某些材料的独特特性，这种材料在水下压力变化时会产生微弱的电流。

水听器技术的最新发展充分利用了光纤传感技术的独特优势。在光纤水听器（FOH）的基础上，集成分布式声学传感器（DAS）实现了远距离空间连续的声信号测量。基于DAS的FOH被称为分布式光纤水听器（DFOH）。

与传统的FOH阵列相比，DFOH阵列具有一些显著优势。DAS技术使其能够连续采集海底声波。DFOH主要由光纤构成。而FOH则由大量的光纤和光学元件组成，例如法拉第旋转器、偏振器和光纤耦合器。由于其结构简单，DFOH比传统的FOH更易于部署。

周猛教授及其同事着重研究了分布式光纤天线阵列结构对指向性函数的影响。本研究首先对指向性函数进行仿真，从理论上分析了指向性函数对阵列结构的依赖性。随后，通过实验验证了理论模型。

DFOH由一系列独立的传感通道构成。每个通道由一个弹性圆柱体组成，传感光纤连续缠绕在其上。传感光纤的长度与弹性圆柱体的长度之比尤为重要。在信号处理端，DFOH被分割成若干个等间距的离散通道。传感通道的长度和间距均可任意改变。

水下振动是通过分布式声波传感（DAS）技术在数字光纤声波接收器（DFOH）中检测的。DFOH上的各个通道测量后向散射光束的相位。DFOH中的每个通道通过将接收到的声信号与后向散射光相位信号进行比较来转换声信号。由于声信号随机到达传感器，因此DFOH会测量到相位延迟。

相邻两个传感通道之间的相位延迟决定了DFOH的方向性。该团队提出的理论模型中，与相位延迟相关的特定参数和初始值均经过精心选择。他们还模拟了DFOH在不同通道长度和间距下的行为特性。

在湖南省青羊湖进行了DFOH的实验验证。声信号发生器被放置在湖面以下5米处作为声源。DFOH各变量的初始值详见MDPI-Sensors 论文。

根据实验结果，DFOH的指向性取决于其几何形状的特定特征。传感通道的指向性会影响DFOH的指向性。通道长度对DFOH的灵敏度有直接影响。但只要通道间距小于被测声信号的波长，通道间距对DFOH的性能就没有影响。

通过改进波束形成架构，可以进一步优化当前DFOH研究的结果。采用更严格的仿真软件包，考虑权重函数、超指向性方法和DFOH的指向性模式，可以进一步提升结果。

这项研究将支持 DFOH 在声波方向性方面的应用，并为信号处理中 SFOH 的结构和设计提供建议。