《The Innovation》：A smart fiber-optic towed hydrophone array for open-sea cruising observation
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尊敬的编辑：海洋观测传统上依赖水面和天基平台，包括浮标、卫星测高仪、雷达、光学影像和基于自动识别系统（AIS）的船舶跟踪，这些平台提供了对表面波浪和海上活动的广泛覆盖。在海面以下，干涉型光纤水听器提供了无源、轻量、可复用且高灵敏度的声学传感。海底电缆上的分布式
尊敬的编辑：海洋观测传统上依赖水面和天基平台，包括浮标、卫星测高仪、雷达、光学影像和基于自动识别系统（AIS）的船舶跟踪，这些平台提供了对表面波浪和海上活动的广泛覆盖。在海面以下，干涉型光纤水听器提供了无源、轻量、可复用且高灵敏度的声学传感。海底电缆上的分布式声学传感（DAS）也已实现了对海底地震、海洋-固体地球相互作用、风暴、船舶和海洋生物声学的长距离观测。然而，标准光纤和电信电缆对微弱水下信号的响应度有限。最近的螺旋缠绕和敏化DAS配置改善了压力-应变耦合，并支持拖曳水听器和海洋拖缆应用。尽管如此，移动拖曳电缆中DAS水听器的更广泛能力仍未得到充分利用。在此，研究人员展示了一种自感知混合光纤拖曳水听器阵列，它将DAS部分与高信噪比（SNR）干涉部分集成在一起，在一根智能复合电缆中实现了深度和阵列形状自感知、海浪观测和水下声学探测。
《The Innovation》论文解读：智能光纤拖曳水听器阵列实现海洋观测与声学探测一体化
海洋观测传统上依赖水面和天基平台，如浮标、卫星测高仪、雷达、光学影像和基于自动识别系统（AIS）的船舶跟踪，这些手段能够覆盖表面波浪和海上活动。在水下，干涉型光纤水听器凭借无源、轻量、可复用及高灵敏度等优势，成为声学传感的重要工具。海底电缆上的分布式声学传感（DAS）也已成功用于海底地震、海洋-固体地球相互作用、风暴及船舶监测等长距离观测。然而，标准光纤和电信电缆对微弱水下信号的响应度有限。虽然近期出现的螺旋缠绕和敏化DAS配置改善了压力-应变耦合，并支持拖曳水听器与海洋拖缆应用，但移动拖曳电缆中DAS水听器的更广泛能力仍未被充分利用。为此，研究人员展示了一种自感知混合光纤拖曳水听器阵列，将DAS部分与高信噪比（SNR）干涉部分集成于同一根智能复合电缆中，从而在一根拖曳电缆内同时实现深度与阵列形状自感知、海浪观测和水下声学探测。
研究人员在开放海域试验中部署了总长约770 m的拖曳电缆，传感阵列拖在船后约500 m处。同一电缆内，干涉部分和DAS部分使用独立的传感光纤和独立的光询问路径。干涉部分包含128个水听器单元，覆盖约104 m；DAS部分包含32个单元，间距5 m，覆盖约160 m。两种单元均采用紧凑的纤维缠绕空气背衬圆柱体作为压力敏感换能结构，但缠绕光纤长度和光读出机制不同。干涉单元采用22 m推挽构型光纤，构成高SNR声学骨干；DAS单元采用55 m螺旋缠绕传感光纤，将压力和温度引起的应变转换为分布式光学相位响应。系统中还嵌入了深度传感器和弱光纤布拉格光栅（FBG），用于提供深度参考、标距长度标记和温度监测。这种无源且高度复用的架构使两种机制承担互补功能：干涉部分负责灵敏声学探测，DAS部分负责分布式深度、波浪和声学感知。
研究采用的主要技术方法包括：混合复用架构（干涉型水听器与DAS结合）；基于静水压力敏感性的分布式深度自感知，利用实测压力灵敏度为?129 dB re 1 rad/μPa进行深度换算，并通过弱FBG实时监测温度以补偿热相位贡献；频率分区解释，即准静态（<0.02 Hz）成分用于深度和阵列形状反演，0.02–0.3 Hz频段用于海浪观测，5 Hz–2 kHz频段用于声学检测；利用线性波浪理论及实时深度信息，将DAS相位谱转换为动态压力谱，再经深度校正反演有效波高；常规波束形成（CBF）以及将DAS导出深度剖面引入阵列流形的深度感知波束形成校正。参考数据采用EU Copernicus Marine Service Information（CMEMS）全球海浪分析和预报产品。
在深度感知与阵列形状反演方面，研究人员比较了DAS导出深度与深度传感器实测记录，两者时域变化高度一致，决定系数R
2为0.99，平均相对偏差为0.80%。试验期间水温变化量级仅为10
?2°C，热相位贡献远小于压力相位，因此压力主导深度反演。利用所有有效DAS单元重建的深度剖面显示，实际拖曳电缆在拖曳和水动力作用下并非理想水平阵列，这为阵列形状反演提供了比传统稀疏深度传感器更密集的深度约束，有利于后续深度感知波束形成校正。
在海浪频段观测方面，以CMEMS为参考，11:00和14:00实测DAS相位功率谱密度（PSD）峰值频率分别为0.102 Hz和0.098 Hz，CMEMS峰值为0.129 Hz和0.131 Hz。考虑波浪方向、拖曳航向和多普勒频移后，理论遭遇频率为0.105 Hz和0.107 Hz，相对差异分别为2.86%和8.41%，证明DAS电缆捕获了运动参考系中波浪引起的动态压力调制。带通滤波显示连续条带状相位结构，说明波浪扰动沿阵列空间可追踪。利用实时深度数据，基于线性波浪理论反演获得有效波高为1.41–2.66 m，与CMEMS差异为4.31%和11.03%。在50 m拖曳深度下，系统最小可探测有效波高估计为0.15 m，理论动态范围为180 dB。
在声学探测频段方面，5–2000 Hz频段内，开海拖曳条件下的DAS PSD相对于陆地安静状态中位提升11.57 dB，表明阵列响应了真实水下声场。干涉水听器在同一拖曳条件下，尤其在约2 kHz以上具有更低的高频噪声，证实其作为高SNR声学骨干的角色。对DAS数据应用CBF，在120–150 Hz（合作船机械噪声）和900–1100 Hz（距离5.7 km处合作源发射的1 kHz脉冲，标称源级160 dB re 1 μPa @ 1 m）两个频段，波束形成能量均沿GPS导出的方位轨迹分布，实现了对声学目标的检测。将DAS导出的深度剖面引入阵列流形后，在900–1100 Hz频段，深度感知校正模型使峰值波束形成功率提升了4.10 dB，展示了声学目标感知、阵列形状自感知和波束形成校正的闭环能力。
总之，该混合电缆提供了一种可扩展的架构，将阵列状态传感、海洋观测和声学检测三大传统上分离的功能集成于一体。干涉部分提供高SNR声学能力，而DAS部分将拖曳电缆转变为分布式自感知线阵，可进行深度反演、阵列形状重建、波浪频段观测、有效波高反演、声学目标检测和深度感知波束形成校正。该系统的价值不在于两种水听器技术的简单共存，而在于本质可扩展的DAS水听器与高灵敏度干涉水听器的交织集成，为新一代形状感知、高性能拖曳阵列的实际应用提供了可行路径。
