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，它通過高靈敏度的光學相干檢測，可實現(xiàn)對水聲信號的高精度測量（圖1）。相比于傳統(tǒng)水聽器，光纖水聽器具備靈敏度高、動態(tài)范圍大、抗電磁干擾、耐惡劣環(huán)境、結(jié)構靈巧、易于遠程傳輸和大規(guī)模成陣等優(yōu)點，在水下目標探測、石油天然氣勘探、地震檢測等軍事和民用領域都具有重要應用。
圖1 光纖水聽器探頭和陣列實物圖
自1977年美國海軍實驗室發(fā)表關于光纖水聽器的首篇論文后，各發(fā)達國家便積極開展了對光纖水聽器的研發(fā)。我國光纖水聽器技術自提出至今已超過20年。自20世紀90年代末期，國防科技大學在關鍵光纖器件與光纖水聽器系統(tǒng)關鍵技術方面取得突破，并于2000年進行了國內(nèi)首次光纖水聽器海試以來，國內(nèi)多家單位對光纖水聽器技術進行了研究并取得一系列成果，目前光纖水聽器技術已經(jīng)在多個領域?qū)崿F(xiàn)了應用。
我國光纖水聽器技術克服了從基礎理論到實際應用的一系列難題，已經(jīng)在若干領域進入了應用階段，但在以下方面仍面臨著巨大挑戰(zhàn)。光纖水聽器的應用朝著深海領域拓展，如何在深海高靜水壓的惡劣條件下實現(xiàn)光纖水聽器的高靈敏度和低本底噪聲是需要重點考慮的問題。
光纖水聽器朝著遠程化方向發(fā)展，其所能容納的光纖對數(shù)有限，長距離光纖傳輸還引入了嚴重的非線性效應，使光纖水聽器系統(tǒng)的復用規(guī)模和傳輸距離受到很大限制。
水下目標噪聲集中于100 Hz以下的頻段，如何在較大的海洋噪聲背景下實現(xiàn)光纖水聽器對水下目標的有效探測是目前的技術難點。
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，大大簡化濕端結(jié)構、提高了可靠性，但噪聲抑制能力及水聲信號檢測穩(wěn)定性需進一步提高。
5、分布式布里淵光纖傳感技術
分布式布里淵光纖傳感可以實現(xiàn)溫度和應變等參數(shù)在空間上的連續(xù)測量，監(jiān)測距離可達百公里，監(jiān)測點位可達百萬個，在大范圍、長距離和大容量傳感方面具有傳統(tǒng)點式傳感器不可比擬的優(yōu)勢。經(jīng)過多年的發(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設施的健康監(jiān)測，以及山體滑坡和路面沉降等地質(zhì)災害的監(jiān)測預警等領域獲得了廣泛的應用，如圖2所示。
圖2 分布式布里淵光纖傳感用于基礎設施監(jiān)測示意圖
經(jīng)過多年的發(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)從米量級提升至厘米（時域）和毫米（相關域）量級，測量時間已經(jīng)從分鐘量級降低到毫秒甚至微秒量級，測量距離已經(jīng)超過100 km。此外，基于布里淵動態(tài)光柵和前向受激布里淵散射的新型分布式傳感機制在近幾年得到了極大關注。布里淵動態(tài)光柵傳感可以實現(xiàn)更多參量（包括溫度、應變、鹽度、靜壓力和橫向壓力等）的測量，前向受激布里淵散射可以實現(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方面發(fā)展：
1、高空間分辨率、超快測量和超長距離；
2、布里淵動態(tài)光柵傳感主要用于多參量測量；
3、前向受激布里淵散射傳感技術方興未艾，探索分布式測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在實際應用中面臨的挑戰(zhàn)性問題和難點包括：
●利用無中繼放大實現(xiàn)150~200 km測量距離對于鐵路、電網(wǎng)和油氣管道監(jiān)測具有重要意義；
●融合布里淵散射、拉曼散射和瑞利散射實現(xiàn)更高性能和更豐富功能傳感以滿足一些特殊場合應用；
●進行多參量測量的同時消除各參量之間的串擾；
●前向受激布里淵散射中的泵浦光和斯托克斯光同向傳輸，因此無法直接利用飛行時間進行定位，這為實現(xiàn)分布式傳感帶來了挑戰(zhàn)；
●小型化、高可靠儀器是在多領域推廣應用的重要前提。
6、Φ-OTDR/DAS光纖傳感技術
Ф-OTDR利用光纖中的相干后向瑞利散射光進行傳感，通過解調(diào)后向瑞利散射光的強度或相位信息，可實現(xiàn)高靈敏振動/聲波分布式探測。
近年來，可定量還原外界振動/聲波信息的相位解調(diào)型Ф-OTDR技術【也稱為光纖分布式聲波傳感（DAS）技術】在研發(fā)與應用方面均取得了重大進展。該技術具有傳感容量大、感知距離遠、采集效率高、運行成本低、使用壽命長等突出優(yōu)點，已成功應用于地震信號監(jiān)測、油氣資源勘探、管線安全監(jiān)測等領域。圖3為電子科技大學與中國石油集團東方地球物理勘探有限責任公司聯(lián)合研制的超靈敏光纖分布式聲波傳感(uDAS)地震儀架構示意圖和實物照片。
