仿生纤毛结构共振增强型光纤水声传感器：高灵敏度与方向识别的突破

【编辑推荐】针对水下弱声信号检测中信噪比(SNR)提升难题，研究人员受生物纤毛启发，设计了一种共振增强型仿生纤毛光纤声学传感器。该传感器通过共振效应实现54.0 Hz下?118.0 dB re 1 rad/μPa的相位灵敏度，最小可检测压力(MDP)达13.37 μPa/Hz1/2，较传统压电水听器SNR提升15.39 dB，且水平/垂直方向响应对比度达15.9 dB，为高噪声环境下窄带弱信号检测提供了创新解决方案。

　　

水下声学探测长期面临一个"听不清"的困境：在深海环境中，目标信号往往微弱且窄带，却被强烈的环境噪声所淹没。传统线性传感器虽然带宽宽，但就像用大网捕小鱼，难以从噪声海洋中精准捕捉特定频率的声波。更棘手的是，现有技术依赖复杂的多通道处理和阵列配置，不仅成本高昂，还会牺牲时间分辨率。这种矛盾在军事侦察、海洋监测等领域尤为突出——我们亟需一种能"听得更细、辨得更准"的新型传感器。

在这一背景下，国防科技大学的研究团队将目光投向了自然界最精密的声学探测器——生物纤毛。这些微观结构通过机械传导(mechanotransduction)原理，能在高阻尼介质中实现高增益信号转换。受此启发，团队创新性地将仿生纤毛结构与光纤干涉系统结合，开发出共振增强型光纤水声传感器，相关成果发表于《Sensors and Actuators A: Physical》。

研究采用三项核心技术：1）仿生纤毛结构设计，通过延伸光纤段模拟纤毛的机械传感功能；2）法布里-珀罗干涉仪(Fabry-Pérot interferometer)光学检测系统，利用硅晶片反射镜和镀膜光纤端面构成光学腔；3）共振调控机制，通过优化纤毛长度(10 mm)和直径(125 μm)实现54.0 Hz的机械共振。实验采用驻波管测试系统，以标准水听器为参照进行性能验证。

【设计及性能模拟】
通过COMSOL Multiphysics仿真显示，10 mm纤毛在54.0 Hz处呈现显著共振峰，位移响应比非共振频率高22.2 dB。光学仿真证实，法布里-珀罗干涉仪相位灵敏度达?118.0 dB re 1 rad/μPa，这与后续实验结果高度吻合。

【实验结果与讨论】
实测数据验证了传感器的三大优势：1）灵敏度方面，在54.0 Hz共振点达到13.37 μPa/Hz^1/2的MDP，比压电水听器SNR提升15.39 dB；2）共振增强效应使信号增益较非共振状态提高≥22.2 dB；3）方向识别能力突出，水平与垂直方向响应差达15.9 dB，远超传统全向性传感器。

【结论】
该研究开创性地将生物纤毛的共振特性与光纤传感技术结合，突破了线性传感器的固有局限。其意义不仅在于具体性能指标——如将弱信号检测阈值降低至13 μPa级，更在于提供了一种"以简驭繁"的技术路线：单通道结构即可实现传统阵列系统的功能，这对简化水下探测装备、降低部署成本具有重要工程价值。作者XuYu Zhang等特别指出，该技术可延伸应用于次声监测、生物医学传感等领域，为高噪声环境下的弱信号检测提供了普适性解决方案。