光纖水聽器是一種以光纖為信息傳輸和傳感媒介的新型傳感器，它通過(guò)高靈敏度的光學(xué)相干檢測(cè)，可實(shí)現(xiàn)對(duì)水聲信號(hào)的高精度測(cè)量（圖1）。相比于傳統(tǒng)水聽器，光纖水聽器具備靈敏度高、動(dòng)態(tài)范圍大、抗電磁干擾、耐惡劣環(huán)境、結(jié)構(gòu)靈巧、易于遠(yuǎn)程傳輸和大規(guī)模成陣等優(yōu)點(diǎn)，在水下目標(biāo)探測(cè)、石油天然氣勘探、地震檢測(cè)等軍事和民用領(lǐng)域都具有重要應(yīng)用。
圖1 光纖水聽器探頭和陣列實(shí)物圖
自1977年美國(guó)海軍實(shí)驗(yàn)室發(fā)表關(guān)于光纖水聽器的首篇論文后，各發(fā)達(dá)國(guó)家便積極開展了對(duì)光纖水聽器的研發(fā)。我國(guó)光纖水聽器技術(shù)自提出至今已超過(guò)20年。自20世紀(jì)90年代末期，國(guó)防科技大學(xué)在關(guān)鍵光纖器件與光纖水聽器系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)方面取得突破，并于2000年進(jìn)行了國(guó)內(nèi)首次光纖水聽器海試以來(lái)，國(guó)內(nèi)多家單位對(duì)光纖水聽器技術(shù)進(jìn)行了研究并取得一系列成果，目前光纖水聽器技術(shù)已經(jīng)在多個(gè)領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)了應(yīng)用。
我國(guó)光纖水聽器技術(shù)克服了從基礎(chǔ)理論到實(shí)際應(yīng)用的一系列難題，已經(jīng)在若干領(lǐng)域進(jìn)入了應(yīng)用階段，但在以下方面仍面臨著巨大挑戰(zhàn)。光纖水聽器的應(yīng)用朝著深海領(lǐng)域拓展，如何在深海高靜水壓的惡劣條件下實(shí)現(xiàn)光纖水聽器的高靈敏度和低本底噪聲是需要重點(diǎn)考慮的問(wèn)題。
光纖水聽器朝著遠(yuǎn)程化方向發(fā)展，其所能容納的光纖對(duì)數(shù)有限，長(zhǎng)距離光纖傳輸還引入了嚴(yán)重的非線性效應(yīng)，使光纖水聽器系統(tǒng)的復(fù)用規(guī)模和傳輸距離受到很大限制。
水下目標(biāo)噪聲集中于100 Hz以下的頻段，如何在較大的海洋噪聲背景下實(shí)現(xiàn)光纖水聽器對(duì)水下目標(biāo)的有效探測(cè)是目前的技術(shù)難點(diǎn)。
單光纖分布式光纖水聽器相比于分立式干涉型光纖水聽器，大大簡(jiǎn)化濕端結(jié)構(gòu)、提高了可靠性，但噪聲抑制能力及水聲信號(hào)檢測(cè)穩(wěn)定性需進(jìn)一步提高。
5、分布式布里淵光纖傳感技術(shù)
分布式布里淵光纖傳感可以實(shí)現(xiàn)溫度和應(yīng)變等參數(shù)在空間上的連續(xù)測(cè)量，監(jiān)測(cè)距離可達(dá)百公里，監(jiān)測(cè)點(diǎn)位可達(dá)百萬(wàn)個(gè)，在大范圍、長(zhǎng)距離和大容量傳感方面具有傳統(tǒng)點(diǎn)式傳感器不可比擬的優(yōu)勢(shì)。經(jīng)過(guò)多年的發(fā)展，分布式布里淵光纖傳感在油氣管道、高壓輸電線和橋梁等大型基礎(chǔ)設(shè)施的健康監(jiān)測(cè)，以及山體滑坡和路面沉降等地質(zhì)災(zāi)害的監(jiān)測(cè)預(yù)警等領(lǐng)域獲得了廣泛的應(yīng)用，如圖2所示。
圖2 分布式布里淵光纖傳感用于基礎(chǔ)設(shè)施監(jiān)測(cè)示意圖
經(jīng)過(guò)多年的發(fā)展，基于后向受激布里淵散射的傳統(tǒng)分布式光纖傳感器性能得到了大幅提升，空間分辨率已經(jīng)從米量級(jí)提升至厘米（時(shí)域）和毫米（相關(guān)域）量級(jí)，測(cè)量時(shí)間已經(jīng)從分鐘量級(jí)降低到毫秒甚至微秒量級(jí)，測(cè)量距離已經(jīng)超過(guò)100 km。此外，基于布里淵動(dòng)態(tài)光柵和前向受激布里淵散射的新型分布式傳感機(jī)制在近幾年得到了極大關(guān)注。布里淵動(dòng)態(tài)光柵傳感可以實(shí)現(xiàn)更多參量（包括溫度、應(yīng)變、鹽度、靜壓力和橫向壓力等）的測(cè)量，前向受激布里淵散射可以實(shí)現(xiàn)光纖外部環(huán)境物質(zhì)鑒別。
基于后向受激布里淵散射的傳統(tǒng)分布式光纖傳感器主要朝以下三個(gè)方面發(fā)展：
1、高空間分辨率、超快測(cè)量和超長(zhǎng)距離；
2、布里淵動(dòng)態(tài)光柵傳感主要用于多參量測(cè)量；
3、前向受激布里淵散射傳感技術(shù)方興未艾，探索分布式測(cè)量方案和提高傳感性能是目前主要的研究方向。
目前分布式布里淵光纖傳感技術(shù)在實(shí)際應(yīng)用中面臨的挑戰(zhàn)性問(wèn)題和難點(diǎn)包括：
●利用無(wú)中繼放大實(shí)現(xiàn)150~200 km測(cè)量距離對(duì)于鐵路、電網(wǎng)和油氣管道監(jiān)測(cè)具有重要意義；
●融合布里淵散射、拉曼散射和瑞利散射實(shí)現(xiàn)更高性能和更豐富功能傳感以滿足一些特殊場(chǎng)合應(yīng)用；
●進(jìn)行多參量測(cè)量的同時(shí)消除各參量之間的串?dāng)_；
●前向受激布里淵散射中的泵浦光和斯托克斯光同向傳輸，因此無(wú)法直接利用飛行時(shí)間進(jìn)行定位，這為實(shí)現(xiàn)分布式傳感帶來(lái)了挑戰(zhàn)；
●小型化、高可靠?jī)x器是在多領(lǐng)域推廣應(yīng)用的重要前提。
6、Φ-OTDR/DAS光纖傳感技術(shù)
Ф-OTDR利用光纖中的相干后向瑞利散射光進(jìn)行傳感，通過(guò)解調(diào)后向瑞利散射光的強(qiáng)度或相位信息，可實(shí)現(xiàn)高靈敏振動(dòng)/聲波分布式探測(cè)。
近年來(lái)，可定量還原外界振動(dòng)/聲波信息的相位解調(diào)型Ф-OTDR技術(shù)【也稱為光纖分布式聲波傳感（DAS）技術(shù)】在研發(fā)與應(yīng)用方面均取得了重大進(jìn)展。該技術(shù)具有傳感容量大、感知距離遠(yuǎn)、采集效率高、運(yùn)行成本低、使用壽命長(zhǎng)等突出優(yōu)點(diǎn)，已成功應(yīng)用于地震信號(hào)監(jiān)測(cè)、油氣資源勘探、管線安全監(jiān)測(cè)等領(lǐng)域。圖3為電子科技大學(xué)與中國(guó)石油集團(tuán)東方地球物理勘探有限責(zé)任公司聯(lián)合研制的超靈敏光纖分布式聲波傳感(uDAS)地震儀架構(gòu)示意圖和實(shí)物照片。
