声纳（或水听器）是用于海洋声监测的最常用技术之一，光纤水听器具有抗电磁干扰，体积小，重量轻，水下无电等优点，已成为下一代水听器的研究热点。目前常见光纤水听器是基于干涉仪结构的。这种光纤水听器要实现大范围测量需要通过时分复用（TDM），波分复用（WDM）和空分复用（SDM）技术，将多个单点光纤水听器结合从而构成了整个阵列。阵列系统复杂，体积大且成本较高。相敏光时域反射计（Φ-OTDR -212 dB）是一种基于光纤瑞利背向散射（RBS）效应的分布式光纤传感器，其原理示意图如图1所示。它除了具有光纤传感器的优点外，还具有传感范围长、空间分辨率高等前优良特性，为大范围、长距离水声探测提供了新思路。图1 分布式光纤声传感原理示意图（来源：Silixa）由于水声信号较为微弱，传统的光缆在水中的声压灵敏度相对较低（单模光纤的灵敏度约为-212dB rad·μPa-1·m-1 ，无法满足水声探测的需求，因此需要对光缆进行增敏处理。此外，目前还没有相应的用于分布式光纤阵列的阵列信号处理方法的完整理论，在信号处理方面具有一定难度。中国科学院上海光学精密机械研究所和中电23所等研究机构的研究人员合作完成了基于Φ-OTDR的分布式光纤水听器在水下声信号的定向，波束形成和运动轨迹跟踪的工作，研究成果以“Distributed optical fiber hydrophone based onΦ-OTDR and its field test”为题在Optics Express上发表。验证了基于Φ-OTDR的分布式光纤水听器的可行性，并取得如下技术突破：如图2所示，增敏后的光缆由支撑的芯轴、专用光纤和光缆保护套管组成。支撑芯轴由声敏材料制成，抗弯曲光纤紧紧缠绕在其上。当光缆上的某个区域被水声信号激发时，内部支撑芯轴会发生径向变形，缠绕光纤的长度也会相应发生变化，从而导致该区域中瑞利散射光受到相位调制。由于支撑芯轴材料的杨氏模量比光纤小很多，因此该方法的声压灵敏度可以大大提高，光缆的灵敏度可达-146dB rad·μPa-1·m-1 。此外，为了保护缠绕的光纤并确保声耦合效率，光缆的最外层挤出了一层聚氨酯光缆保护套管，该套管还起到保护光纤和防水的作用。光缆的最终直径仅为12.5 mm，均匀缠绕在每米光缆上的光纤长度约为7.5 m。建立了基于分布式光纤水听器的阵列信号处理模型，以Φ-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
由于受阵列元件孔径的影响，部分响应与声源方向不一致，对于某些声源的入射方向以及远场声源，Φ-OTDR的空间相关性不会通过声波在阵列元件孔径内的积分而改变。
采用频率分集和聚合方案，在有效消除干涉衰落的同时，降低了传统Φ-OTDR的噪声水平
研究人员在声光调制器（AOM）前加入了一个相位调制器，相位调制器由一个20 MHz的正弦信号调制，从而产生谐波。谐波在不同频率下的反向散射相关性较低，不会同时发生干涉衰落，因此可以通过最佳选择、直接平均或加权平均方法来消除干涉衰落的影响。此外，由于传感响应对不同谐波高度相干，而加性测量噪声（包括散粒噪声，热噪声等）是高斯随机变量，没有相关性，因此几种谐波的聚集结果将有助于降低本底噪声。文章中的矢量是在I/Q解调过程中重建的，采用旋转矢量相加的方法可以用于实现5次谐波的聚集。文章对放置在隔离室内的光纤线圈，通过在930 m位置的PZT上施加了625 Hz正弦信号进行实验测试。测试结果如图3所示，结果标明在频率聚集后由衰落点引起的相位误差得到了消除，且聚集的本底噪声比单谐波的本底噪声低约7 dB，证明该方法也降低了系统本底噪声。
图3 （a）沿距离的微分相位分布；（b）干扰位置的功率谱密度。首次对基于Φ-OTDR的分布式光纤水听器进行了现场测试
现场测试在水库完成，水库中部署了104 m长的光缆，测试了基于外差相干检测的Φ-OTDR系统，如图4所示。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，这是基于的现场试验的第一份报告。基于外差解调的Φ-OTDR系统和104米长的增敏光缆验证了分布式光纤水听器的可行性。方案中的光缆可以自动制造，有利于后期大规模水听器阵列的实现。由于Φ-OTDR的噪声水平远高于传统的干涉式水听器，基于Φ-OTDR的光纤水听器的解调具有一定的技术难度。文章通过频率分集和聚合方案，在实现干涉衰落的有效消除的同时，降低本底噪声。虽然目前系统本底噪声仍然远远高于传统的干涉式水听器，但是对于降低Φ-OTDR的噪声水平具有参考意义。该研究实现了水下声信号的定向，波束形成和运动轨迹跟踪，并有可能实现数十公里的阵列范围的探测，在船用声学检测中具有广阔的应用前景，同时为改善传统光纤水听器的阵列规模和减轻阵列重量提供新的解决方案。由于在现场测试中，方位角估计误差可能部分由测距望远镜的测量误差引起。由于重力等的影响，光缆在水下会有部分弯曲，且光纤可能未严格均匀地缠绕在支撑芯轴上，这两者都会导致理想方位角与实际方位角之间的偏差，文章建立的模型并没有考虑到上述因素产生的影响。
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