泵水器怎么使用(光纤水听器：探析海洋世界的“水下之耳”)

Posted 2023-05-31

篇首语：生活不是等待风暴过去，而是学会在雨中翩翩起舞。本文由小常识网(cha138.com)小编为大家整理，主要介绍了泵水器怎么使用(光纤水听器：探析海洋世界的“水下之耳”)相关的知识，希望对你有一定的参考价值。

泵水器怎么使用(光纤水听器：探析海洋世界的“水下之耳”)

（报告作者：华泰证券分析师李聪、朱雨时、田莫充）

声呐是水底探测领域的重要装备，而水听器则是帮助被动声呐捕捉海洋之音的“耳朵”。其属于高精尖产品，约占声呐系统成本的 15%-20%。完整的水听器系统由湿端传感器探头和干端调解设备组成，二者缺一不可。水听器最早在军用领域被广泛使用，二战结束后相关技术逐渐成熟，下游应用也开始向民用领域拓展。

水听器：探析海洋世界的“水下之耳”

水下声波优秀捕手，被动声呐核心组件

作为一种机械波，声波是传递水下信号的重要载体。波动是自然界最为常见的物质运动形式。作为一种振动能量传递方式，波动可以将波源介质中质点与质点的相对扰动以振动为途径进行传播，从而实现信息的生产和传递。从波动的性质角度看，波可以划分为电磁波、机械波、引力波和物质波。其中，机械波和电磁波在当今世界中被广泛使用于广播、电视、通信、探测等领域。根据传递介质的不同，电磁波和机械波的传播特点也有所不同：

电磁波：是以波动的形式传播的电磁场。在真空环境中，传播速度最高，可以达到光速；在空气环境中，传播速度较快，但会受到空气介质的吸收、折射和散射；在水环境中，电磁波的电场产生传导电流，能量转化为热能，导致振幅不断衰减，频率越高衰减的越快，因此只有低频电磁波可以在水中传播。

机械波：由机械振动产生、需要在介质中传播的波动。介质的特点和属性很大程度上决定了机械波的传播性能。以声波为例，其在真空环境中无法传播；在空气环境中，传播速度较电磁波更低，通常为 340m/s，受温度影响较大。通常而言，温度越高，传播速度越快；在水环境中，传播速度是空气环境的 5 倍，且传播距离较远，通常可达数十乃至上百公里。低频声波的传输能力也较为突出。正因如此，声波成为了水环境中较为重要的信号载体之一。

声呐是水底探测的核心系统，按工作方式分为主动和被动声呐。正因为声波在水环境中具有传播性能优势，因此能够捕捉声波的声呐成为了“探查海洋之眼”。声呐（Sound Navigation And Ranging，SONAR）又名声音导航与测距，是一种利用声波的水下传播特征，以声电转换为核心，通过分析声音信息，完成水下探测任务的技术。其基本工作原理是根据水下不同物体运动所发出的声波，对物体的运动趋势以及特征进行测算和判定，从而实现导航、测距、定位、跟踪等功能。根据工作方式的不同，声呐可以分为主动声呐和被动声呐。

主动声呐：核心组件包括基阵、收发转换器、接收机、定时中心、发射机、控制同步设备、指示器。在工作方式上，首先向水下发射声波信号，该信号遇到水下物体会被反射回接收机，通过计算发射和接收声波时的时间差和相对频移从而判断物体的位置、距离、移动速度等。其探测能力较强，但向外界发射声波的同时也会暴露自身位置，危险系数较高；

被动声呐：核心组件包括基阵、波束形成器、接收器、控制同步设备和指示器。在工作方式上，主要依赖接收水下或水面物体的运动噪声进行监听和定位。例如，针对舰船，被动声呐可以监听其机械噪音、螺旋桨噪音和艇体运动所产生的水噪音。由于每艘舰艇在正常航速下的螺旋桨转速较为稳定，因此被动声呐也可以基于螺旋桨噪音和机械噪音判断舰船的型号乃至速度，做到听声辨位和听声识船。被动声呐不发送声波，因此隐蔽性较高，但对于相对静音的常规动力潜艇（如装有 AIP 系统的柴电潜艇或热气机潜艇等），或是运动速度较为缓慢的舰船探测效果不好。

水听器是被动声呐的“耳朵”，约占声呐系统成本的 15%-20%。为了对水下物体进行探测，声呐需要将声波信息转化为电波信息，继而进行分析和判断，而换能器就是完成上述操作的核心部件。在被动声呐中，专门用于接收声波并转化为电波的换能器又叫做“水听器”。其功能定位类似于雷达中的天线，在被动声呐系统中充当着“耳朵”的重要角色。主要工作原理是通过各类传感器将声波能量转化为可供分析的电磁能量。由于一个被动声呐系统会包含多个水听器，因此将其进行一定形式的几何图形排列，如球形、柱形、线形、平板形等，就被称作是水听器基阵。

由于水听器具备水下监听能力，因此在水下的探测、识别、通信，以及海洋环境监测和海洋资源的开发方面发挥了重要作用，应用领域广泛。正因为水听器在被动声呐系统中较为重要，因此价值占比较高，据运朝青等 2012 年在《半导体光电》杂志上发表的《细线拖曳声纳研究进展》一文测算，细线拖曳水听器占声呐总成本的 15%-20%，属于高附加值产品。

完整的水听器系统由湿端传感器探头和干端调解设备组成，二者缺一不可。以光纤水听器为例，在水听器系统湿端（水中部分），由于光纤激光传感器具有波长编码特征，因此不同中心波长的激光传感器可以被封装成多个单独的监听阵列单元，然后由一根光纤串联形成水听器阵列，并与干端相连；在水听器系统干端（舰载或陆基部分），主要由信号处理软件和配套运算硬件模块组成。

首先，由光纤串联的泵浦源模块为传感器提供泵浦光，反射回来的光信号先经过非平衡光纤干涉仪模块，再经干涉后经过密集型波分解复用器将不同波长和类型的光信号分别送入光电探测器阵列，经过数模转换和调节算法，将光信号还原为声波信号，进而将数据进行存储和展示。在一个完整的水听器系统中，湿端主要负责将声波信号转换为光信号，干端主要负责将光信号还原为声波信号，二者相互配合，缺一不可。

两次世界大战推动技术发展，光纤水听器成为发展方向

19 世纪初，水听器技术初现雏形。水听器技术的 2 个诞生基石均出现在十九世纪。1827 年，来自瑞士的两位物理学家首次测算出了水下声速，为水下测距和定位技术奠定了理论和技术基础；随后在十九世纪中叶，科学家模仿海豚传达信息的方式，发明了一种碳粒微音器，这是世界上出现最早的水听器。该器件成为了现代声呐系统的鼻祖。

20 世纪初，泰坦尼克事件凸显水听器重要性。1912 年泰坦尼克豪华巨轮与冰山相撞，事故造成 1517 人丧生。本次事故凸显了舰船航行中进行水下探测的重要性，也推动水听器技术的发展。1914 年，美国科学家制造出第一台回声探测仪，之后被舰船声呐系统所采用，用于探测冰山、暗礁等航行障碍物。

20 世纪中叶，两次世界大战推动水听器快速发展。1914 年，第一次世界大战爆发。德国的 U-9 潜艇在短短一小时内击沉了 3 艘万吨级英国巡洋舰，创造了海战史上的奇迹。此后，各国便开始大力推进水听器技术研究，潜艇声呐和反潜声呐成为了研制的核心。1925 年，德国“信号”公司将其生产的声纳设备定名为“测深仪”，并在美国和英国销售。美国海军实验室积极改进对潜艇进行回声定位的方法，通过采用磁致伸缩换能器找到了回声定位中合适的发射换能器。与此同时，由于电子学的发展，已经可以使声呐信息经过放大和简单的处理显示给观察者。

1931 年，第二次世界大战爆发，德国凭借潜艇部队的先进装备，在大西洋战场上长期处于有利地位，这进一步刺激了同盟国水听器技术的快速推进。1938 年，美国研制出成熟的声呐设备并开始大规模生产和列装。到战争中后期，轴心国和同盟国的大部分舰艇和潜艇都装备了声呐设备。战争过程中双方损失了 1000 余艘潜艇，绝大部分都是被声呐发现后被摧毁的。

20 世纪后期，水听器向民用领域推广并呈现出多元化发展趋势。20 世纪 80 年代，随着海洋资源开发的兴起以及电子信息技术的进步，水听器技术迎来了快速发展，出现了导航声纳、通信声纳、侧扫声纳、远程警戒声纳、水声对抗声纳、拖曳阵声纳、鱼雷自导声纳、水雷自导声纳等不同类型的技术形态，并被广泛应用于水下导航、水下通信、石油勘探、灾害预警等民用领域。

需求增长带动水听器技术发展，压电式水听器成为主流。随着世界范围内开发利用海洋资源的需求与日俱增，以及水下军事防务建设的迫切性日渐升高，水听器技术在短时间内快速发展。传统的电容式和压阻式水听器逐渐被更为稳定和成熟的压电式水听器所取代。其基本运作原理是：水听器中的压电陶瓷在受外力作用时会产生形变，表面会因压电效应产生电荷，根据电荷的大小，可以测量水中声波的声压。此类水听器多使用陶瓷作为核心材料。相较于传统电容式和压阻式水听器，压电陶瓷水听器具有较强的压电性能和较高的机电耦合系数，介电损耗较小，更适应高频应用，性能更强。同时，由于压电陶瓷的可塑性较高，因此可以制作成不同形状和功率的水听器，适用范围更广，因此被广泛采用。

光纤水听器是最新一代技术，未来有望取代压电水听器。20 世纪 70 年代以来，随着光导纤维以及光纤通信技术的发展，以光纤为核心材料的光纤水听器问世，并迅速成为了水听器行业的新增长极。不同于压电陶瓷水听器，光纤水听器以光纤和光电子技术为基础，在传感器结构、阵列结构、性能方面有较大不同。根据基础原理不同，光纤水听器可以分为干涉型、强度型和光栅型。

干涉型光纤水听器：此类光纤水听器运用较为广泛，其基本工作原理为，激光器首先发射激光，经光纤耦合器分为两路，一路为参考臂，不受外界影响，一路为信号臂，接收水中声波的调制。通过反射，光纤耦合器接收两路信号并形成干涉，最终将干涉的信号转化为光电信号。干涉型光纤水听器灵敏度高，信号传输损耗小，产生串扰问题的可能性也更低。但是要求干涉条纹清晰，两路干涉光强相等、单色性好。

强度型光纤水听器：此类光纤水听器研究开发较早，主要基于光纤中传输光强被声波调制的原理制作。具体而言，两个活塞式组件受声压调制，从而挤压中间的光纤，导致光纤产生形变，继而根据因形变产生的光损耗计算声压信号。此类光纤水听器受光源起伏、光纤弯曲、连接损耗和探测器老化影响程度较大。

光栅型光纤水听器：此类光纤水听器技术较为先进，主要基于光栅的谐振耦合波长随外界参量变化而移动为原理制造，通常使用光纤布拉格光栅（FBG）进行测量。该类型光纤水听器继承了普通传感器的优点，同时传感信号是波长调制，不受光源起伏和强度变化的影响，能够使用波分复用技术在一根光纤汇中串接多个 FBG 进行分布式测量。

聚焦光纤传感技术，高性能、高可靠、易操作等优势并存

光纤传感技术测量敏感度较高，便于连接后端设备。光纤水听器所使用的光纤传感技术在性能方面具有较大优势。依托光纤优良的传输性能和传感特性，光纤传感器可以对各类物理量和机械量进行测量，具有灵敏度高、抗电磁干扰性强、绝缘性高、重量小、成本低等优点。根据《光纤传感器在军事上的应用》（杨跃轮，【信息化研究】，2010 年出版）一文，以光纤温度传感器为例，其探测范围约为-10℃到 300℃，精度为±1℃到±3℃，响应时间为 2s。如果使用砷化镓（GaAs）、锑化镉(CdTe)、磷化镓（GaP）等材料制成的光纤温度传感器，那么测量误差则会降低到±0.5℃的水平。以上表明了光纤传感器的测量灵敏度和性能较高。同时，由于光纤自身的传输速度较电缆更快，结构也更为简单轻便，因此可以与后端数据分析模块轻松连接兼容，从而实现探测、分析、显示一体化流程。

根据《光纤水听器的原理与应用》（张仁和和倪明，【物理】，2004 年出版）一文，以光纤传感器为核心的光纤水听器，继承了以上特点，相较于传统压电陶瓷水听器，具有以下优势：

噪声较低：光纤水听器采用光学原理结构，因此自噪声比压电陶瓷水听器低。在高灵敏度和低自噪声的加持下，光纤水听器可监测的最小信号比压电陶瓷水听器高 2-3 个数量级，因此弱信号探测能力较强。特别是在低信噪比的情况下，光纤水听器的噪声波动远远小于压电陶瓷水听器，性能较为稳定。

动态范围大：由于光纤对于水下物体运动所产生的声波敏感性较高，因此光纤水听器的动态范围通常可达 120-140dB，比陶瓷水听器 80-90dB 的动态范围高约 30%，所能监听到的声音范围更广。

抗干扰能力强：全光纤水听器的信号感应和传输均以光作为载体，由于光具有独特的物理特征，导致其受百兆赫以下的电磁干扰影响较小，且不同通道间的信号串扰可能性也大幅降低。

传输与组阵能力强：光纤相较于传统电缆传输损耗更小，更适用于长达几十公里的传输距离。且多数光纤水听器采用频分、波分和时分技术，可以实现多路复用，即多个水听器由一条光纤连接，因此适合水下大规模复杂组阵。

系统可靠性高：光纤水听器由光源发射激光，经过光纤线传输至水听器，在声波干涉下再经由光纤返回岸基或船基处理设备，所有零部件和设备都由光纤连接，结构简单，一体化程度高，不容易出现转接损耗和故障。同时光纤对水密性、温度、腐蚀等要求较低，因此系统整体可靠性较高。

施工难度小：光纤水听器的探测缆和传输缆均为光纤，体积小、重量轻，便于收放，因此降低了水下布线的难度。特别是对于拖曳阵而言，光纤水听器的出现解决了许多难以跨域的技术鸿沟。

海洋信息化大势所趋，光纤水听器乘风而起

海洋经济快速增长，信息化时代已经到来

中国海洋资源丰富，海洋经济快速增长凸显其重要地位。21 世纪以来，全球经济建设重点开始从陆地向海洋拓展，许多国家将海洋资源的开发与利用列为重要的国家发展战略。根据自然资源部数据，中国拥有约 300 万平方公里的海域和 1.8 万公里的海岸线，海域辽阔。其中物产资源丰富，石油资源量估计为 240亿吨左右，天然气资源量估计为 14万亿立方米，还有大量的天然气水合物资源。作为当之无愧的海洋资源大国，近年来中国海洋经济发展稳步发展，生产总值由 2010 年的 38439 亿元增长至 2019 年的 89415 亿元，2011-2019 年 CAGR 达 9.8%，海洋产业 GDP 占国民 GDP 比维持在 8%-9%左右。

虽然 2020 年海洋经济受疫情影响出现一定下滑，但随着生产恢复和经济复苏，发展前景持续向好。从海洋产业结构看，第三产业占比持续增长，从 2010 年的 47.5%提升至 2020 年的 61.7%，在 2020 年的产业结构中，滨海旅游业的贡献值最高，在主要产业中占比近一半，其余占比排名依次为海洋交通运输业、海洋渔业、海洋油气业、海洋船舶工业等。随着中国对于海洋资源的进一步开发和利用，海洋经济未来有望保持持续增长态势。

政策引领指明发展方向，信息化为海洋经济发展注入新动能。为了大力发展海洋经济，中国推出了一系列海洋战略发展规划。在二十大报告中，多次强调发展海洋经济，保护海洋生态环境，加快建设海洋强国；在加快构建现代海洋产业体系的过程中，获取并利用海洋信息成为了连接和激活海洋产业链各环节的关键抓手。2014 年底，国家海洋局印发了《全国海洋观测网规划（2014-2020 年）》，将海底观测网建设列为海洋基础设施建设的首要任务。2017 年，中国最大的海底观测网正式开始建设。各地也根据中央政府的精神围绕海洋信息化推出相关政策。我们预计，随着国家对于海洋经济的关注以及相关产业扶持政策的持续升温，海洋信息化产业有望迈向发展快车道。

世界海底观测网建设进入上行通道，中国持续加大海底观测网项目投入。海底观测网投入大，周期长，因此各国开始加快推进建设。目前，欧盟的 ESONET/EMSO 观测网涉及供应商 176 家，总投资额达 2.4 亿欧元；加拿大 NEPTUNE 观测网使用了 9000 余个传感器，海底线缆长度达 850 公里，投入超 2.03 亿美元；美国 OOI 观测网投入 3.9 亿美元，海底线缆长度达 880 公里；中国起步稍晚，于 2017 年批复了海底科学观测网项目，将在我国东海和南海分别建设海底观测系统，并在上海港建设数据观测和分析中心，项目总投资超 20 亿元，建设周期 5 年。我们预计该项目将进一步拉动海底观测网的建设，推动光纤水听器的产业化落地进程。

海底观测网建设立体化信息体系，水听器是关键组成部分。当前，中国海洋信息化建设仍处于起步阶段，目前国家致力于构建覆盖“天、空、岸、海、潜”的立体化海洋信息体系，以感知、传送、应用、管控为核心功能，实现全时域事态感知、全海域网络覆盖、全方位信息服务、全体系安全管控。而海底观测网则是实现上述目标的重要方式。根据国家海洋局规划，我国正在建设以国家基本观测网为骨干、地方基本观测网和其他行业专业观测网为补充的海洋综合观测网络，覆盖范围由近岸向近海和中远海拓展，由水面向水下和海底延伸，实现岸基观测、离岸观测、大洋和极地观测的有机结合，初步形成海洋环境立体观测能力。

作为海洋信息化体系的核心，感知和传送是信息收集端的核心业务活动，而水听器则在其中发挥了水下监听、勘探等一系列不可替代的作用。我们认为，水听器是实现海底观测网、构建海洋信息化体系的重要装备，也是保障海洋经济增长的大国重器，具有稳定、持续发展的增长潜力和活力。

产业逐步迈入快速成长期，技术突破推动产品多样化

水下探测需求增长迅速，光纤声波传感技术成为大势所趋。类似于摩尔定律，水下探测领域也存在硬件性能与时间发展间的固定关系。李启虎在发表于《物理》杂志的《第一讲进入 21 世纪的声呐技术》中，做了如下测算：在 19 世纪中叶到 20 世纪初期，潜艇的辐射噪声大约每年下降 0.5-1.0dB 左右，导致监测距离每年缩短 0.5-2.0 公里左右。而以压电陶瓷水听器为主的声呐检测能力每年只能上升约 0.75dB，导致传统水下无人监听技术无法弥补这一下降趋势所带来的监测能力空白。特别是对于压电陶瓷水听器而言，此类材料早在 19 世纪 70 年代就到达了理论设计极限，无法实现性能飞跃。因此，为了弥补压电陶瓷水听器所产生的噪音监听市场空白，以光纤为核心材料的光纤水听器技术快速发展，并逐步成为未来水听器技术的主要发展方向。

新型光纤水听器技术日趋成熟，为水下监测技术注入新动能。随着越来越多的资源投入光纤水听器的研发，除传统干涉型、强度型和光栅型光纤水听器外，又有矢量光纤水听器和分布式光纤水听器问世，较大程度地拓展了光纤水听器的功能和使用场景。

矢量光纤水听器：矢量光纤水听器是一种新型的水声测量设备，与传统水听器类似，其可以测量水下声压，但不同之处在于还可以直接、同步测量声场动能密度与声能流密度（声场坡印廷矢量），这为水下监测和测量提供了更精准和丰富的数据支撑。在结构上，矢量光纤水听器由传统无指向性声压传感器和偶极子指向性的质点振速传感器复合构成，其中质点振速传感器是核心零部件，决定了矢量光纤水听器的性能表现。

根据《光纤水听器技术的研究进展》（孟洲等，【激光与光电子学进展】，2021 年出版）一文，与传统光纤水听器相比，其具有三方面的优势：1）通过声压信号与矢量信号的结合，使得单个水听器获得心形空间指向性，空间增益达 4.8-6.0dB，从而能有效抑制环境噪音，消除左右弦模糊，提升探测距离；2）指向性不与声波频率相关，可以更好的实现低频探测；3）声压与振速信号的联合处理提供了新的数据维度，可以进一步提升整体探测性能，同时所需的阵列规模较小。目前，矢量光纤水听器的应用领域覆盖了水声警戒声呐、水雷声引信、鱼类探测、多基地声呐、水下导航等领域，同时也可以在空气中对隐身飞机和直升机进行噪音源识别和探测。

分布式光纤水听器：分布式光纤水听器是利用分布式光纤传感技术（DAS）探测水下声波信号的光纤水听器阵列。传统光纤水听器由一个光纤干涉仪组成，其中内置光纤耦合器和法拉第旋转镜等光器件。多个光纤水听器组成阵列，对水下声波进行空间分离拾取。而分布式光纤水听器仅由一根光纤组成，因此可靠性有所提升，同时也可以实现空间连续拾取水下声波。其基本原理是利用激光在光纤中传输的后向散射光来进行传感，能够测量温度、应变、磁场等。

传统光纤水听器受光衰减和光反射限制，单根光纤上最多有十几根阵元，且由于采用光纤激光器作为传感元件，因此成本较高。即便是干涉型光纤水听器，单根光纤阵元数也难以超过 100 个，且结构复杂，导致造价居高不下。而分布式光纤水听器则能实现空间连续、长距离的测量，且所有光纤传感器单缆成阵，采用简单结构的时分复用技术就能实现大规模阵列，从而降低了成本。

技术驱动应用形式转变，多接收阵模式并驾齐驱。在光纤水听器技术快速发展的背景下，水听器在水下作业的应用形式呈现出多元化发展态势。目前主流的接收阵应用形式有岸基阵、拖曳阵、舷侧阵三种。其中：1）岸基阵主要使用分布式光纤水听器，在近海海底布设的主要用于监视海湾，在远海布设的主要用于组成监视基阵。通常而言，岸基阵布设在离岸数十公里的海域中，由几百至上千个光纤水听器组成，并通过光纤传递信号；2）拖曳阵是一种移动式光纤水听器，通常由舰船或潜艇拖曳一条较长的光纤，光纤中布设多个光纤水听器，通过移动实现运动监听；3）舷侧阵主要应用于潜艇，其将光纤水听器在两舷侧壳上排列，不占舰船或潜艇的内部空间，且左右舷分辨效果好。但由于阵列过于靠近螺旋桨和发动机，因此监听效果不及上述两个方式。

多国光纤传感技术发展迅速，国产替代奏响产业主旋律

美英是光纤水听器领域的开拓者，其他国家呈现追赶态势。早在 20 世纪 70 年代，美国海军研究实验室（NRL）就开始对光纤水听器进行研究，并于 1981 年封装了第一个 Brassboard 光纤水听器；1983 年，美国海军流动噪声驳船系统开始配备塑料芯轴型光纤水听器，并成功部署于巴哈马群岛；1984 年，美国提出了全光拖曳阵水听器阵列计划，并在约 10 年间累计投入了超 1 亿美元的经费支持光纤水听器的研制。这也拉开了各国研制光纤水听器的大幕。英国同一时期开始了对于光纤水听器的研究工作，主要由 Plessy 国防研究公司、海军系统分公司以及马可尼水下系统公司联合研制，制成了全光拖曳水听器阵列以及海底光纤水听器监视系统等。日本和法国紧随其后，在 20 世纪 80 年代开始了一系列光纤水听器的研制工作，并取得了一定成果。

中国在光纤水听器领域起步较晚，国产替代有望成为发展主旋律。中国在声呐系统研制上起步较晚，对于光纤水听器的研究也一直处于追赶国际领先水平阶段。在“七五”期间，中国初步开始光纤水听器的研究，并在“八五”和“九五”期间将相关课题列入研究计划，但大部分工作处于理论研究和实验阶段；在“十五”期间，部分技术取得突破性进展：在光栅型和干涉型水听器领域，由于现有技术较为成熟，因此已经达到实用水平。

根据《光纤水听器的原理与应用》（张仁和和倪明，【物理】，2004 年出版）一文，21 世纪以来，我国光纤水听器研究进程提速明显，于 2002 年首次完成了大规模海上试验，并且在 2014 年中国国际防务电子展上亮相，标志着我国岸基阵光纤水听器进入了具体应用阶段。虽然当前大部分关键组件仍需要从国外进口，但国内许多科研团队已经在干端数据算法上实现突破，随着未来光纤水听器大规模量产并投入使用，可变成本将会降低，国产替代有望成为推动光纤水听器产业发展的主要增长逻辑。

光纤传感通用性高，应用领域广泛

光纤水听器所使用的光纤传感技术具有较强的通用性，技术可变程度高，被广泛应用于水下安防、周界安防、石油勘探、智慧管线等领域。

水下安防

中国海洋面积辽阔，如何防止水下渗透成为关键话题。根据自然资源部数据，中国管辖海域面积达 300 万平方公里，接近陆地领土面积的三分之一，500 平方米以上的岛屿 7372 个，大陆架面积居世界第五位。在领海面积广阔、岛屿众多、水下地形复杂的多重条件下，如何保障港口和海军基地的水下安全，建立有效、完善的水下安防体系，成为了关键话题。特别是当前水下渗透技术高速发展，蛙人、水下机器人和微型潜艇技术日趋成熟，构建水下无人监听体系成为了解决上述问题的重中之重。

分布式光纤水听器构建保护网，智能核心算法提供持续屏障。针对水下安防需求，结合光纤水听器，特别是分布式光纤水听器的优势，可以构建对水上、水下目标渗透入侵提供持续警戒和识别的监测网络。该网络主要包括湿端的分布式光纤水听器以及干端的传感监控中心。将分布式光纤水听器布设在需要监控的水域，并连接岸上或海面的传感监控中心，对不同类型的物体（如蛙人、潜艇、舰船等）进行感应，并通过智能算法进行识别和预警。

周界安防

分布式光纤传感器提升系统稳定性，降低周界监控成本。分布式光纤水听器除了可以在水中发挥作用，其所使用的分布式光纤传感技术还可以应用于地面和地底。如在周界安防中，分布式光纤传感器就可以替代传统红外线对射、视频监控、泄漏电缆以及电子围栏等手段，在提升监控效率的同时，凭借自身抗干扰能力强、结构简单等优势，提升系统的整体稳定性。同时，使用光纤传输信号的能耗远远低于电缆，维护成本也更低，因此能有效降低周界监控成本。

利用振动和压力进行目标识别，使安全隐患无处遁形。分布式光纤传感仅仅依靠声波和振动对物体进行探测，因此在识别性能和灵敏度上具有较大优势。同时，分布式光纤传感器可以通过挂网安装、墙体安装、地埋安装等多种方式安装，适用于变电站、看守所、机场、边境等多种多样的环境。在提升隐蔽性的同时，也能更好地识别和判断出入侵类型和方式，实现全天候监控。

石油勘探

中国石油消费量较高，分布式光纤传感技术助力拓宽石油勘探渠道。中国的石油消耗量常年位居世界第一，国内原油产量无法满足市场需求，因此需要大量进口，对外依赖程度较高。为了保障中国石油供给安全，需要借助分布式光纤传感技术进行石油勘探，从而拓宽石油获取渠道。

分布式光纤传感器在提升石油勘探效率的同时，降低了勘探成本。美国壳牌公司在 2011 年首次将分布式光纤传感技术用于石油勘探，并于 2013 年公布了垂直地震测井勘探方案。此后，该技术在石油勘探领域被不断优化和推广。其利用光缆对地震信号传感，将光缆下井，测试光缆的部署简易，整条光纤都可以动态监测地震波信号，实现“单炮全井数据覆盖”，相比传统地震检波器的点式勘探，较大促进了地震勘探生产提质降本增效。

智慧管线

我国部分城市管线超服役期，智能管线监控需求大。根据人民政协陕西省十一届委员会第五次会议第 631 号提案，我国大部分城市在城镇化建设开展之初，没有经过完善的规划和设计，因此多数管线和地下管网服役时间过长，出现了老化、损毁等问题，如何对上述管线进行监管，并在问题出现之前进行预警，成为了亟待解决的问题。特别是在地面施工过程中，部分施工人员操作失误或野蛮开挖，导致管线损毁。以上问题的解决需要借助分布式光纤传感技术。

分布式光纤传感技术可以实现长距离管线监测，降低潜在风险。分布式光纤传感将光纤作为传感器，利用光纤中瑞利散射光对振动敏感的特性，对光纤沿途外界扰动信息以及管道的泄露信号进行分布式感知和精确定位，实现全时段、全方位监测。同时，依靠后端算法处理和信号识别技术，可以实现风险预警。

军民领域两翼齐飞，市场发展前景广阔

军用市场：中国海军加速赶超，中性情况下未来十年市场空间约 439 亿元

我国海军装备较美国仍有较大差距，军用水听器市场需求旺盛。从甲午海战到建国初期，我国海军在世界范围内处于较为落后的地位，增强海军战斗实力，打造世界一流海上军队成为了实现强国强军目标的关键任务之一。为此，我国在近年间大力发展海军装备。从 2012 年辽宁舰入列至今，中国海军装备研发和服役速度持续提升，根据环球网资料，目前中国海军已经拥有了 3 艘航母，3 艘两栖攻击舰、近 50 余艘驱逐盾舰以及百余艘护卫舰，成为了世界重要的海上力量。

虽然中国海军的发展迅速，但仍与美国海军有较大差距。根据中国军网资料，以美国第 7 舰队为例，其标准配置为：1 艘蓝岭级旗舰、1 艘尼米兹级航母、 3-4 艘大型巡洋舰、18-20 艘导弹驱逐舰、5-6 艘攻击型潜艇、5-8 艘登陆舰、18 艘后勤保障船和若干气垫船、辅助船等。在紧急时还会增派 1-2 艘航母，并从第 3 或第 5 舰队抽调舰艇，整体配置堪称豪华。在维护领海权的重要性日趋凸显的今天，建设强大的现代化海军已经成为了构建世界一流军队的重要途径之一。未来中国海军规模有望进一步提升，而光纤水听器作为舰船在海洋中的“洞察器官”，也会迎来快速发展。

我们预计 2023-2032 年中国军用光纤水听器市场乐观情况下将达 506 亿元，中性情况下将达 439 亿元，悲观情况下将达 363 亿元。考虑到我国维护东海、南海领土主权的需要，同时参考中国和美国海军的军舰和潜艇配置情况，我们对中国军用光纤水听器市场进行了如下测算：

1）以美国和中国现有海军攻击舰和潜艇配置为基础，测算中国海军增量舰艇需求：航空母舰增量参考美国舰队配置，美国共有 7 支舰队，其中第 10 舰队为信息化部队，其余舰队平均拥有约 2 艘航母；两栖攻击舰增量参考美国第 7 舰队配置，与航空母舰数量一致；驱逐盾舰增量参考美国海军驱逐盾舰与航母和两栖攻击舰比例；潜艇增量、护卫艇增量与其他战斗舰艇增量参考《中国军力报告 2021》中的预测数据。

2）根据光纤水听器类型的不同，分别测算拖曳阵、舷侧阵、岸基阵水听器的未来需求，其中，拖曳阵每艘攻击舰、航母或潜艇配备 1 套（备装 1 套），舷侧阵每艘潜艇配备 2 套（备装 2 套），岸基阵每个军港配备 1 套（备装 1 套）；

3）在岸基阵测算方面，主要以能够承载航母的海港为样本。以辽宁舰为例，其排水量约 6 万吨，吃水深度约 10.5 米。满足停靠航母战斗群的海港有：大连港、青岛港、香港、三亚港、上海长兴岛、舟山港、湛江港等 7 处。

4）在光纤水听器存量换装率和增量列装率方面，按照乐观、中性和悲观三种情况进行讨论：乐观情况下，中国海军舰艇、潜艇和军港实现光纤水听器的全面换装列装，覆盖率达 100%；中性情况下，光纤水听器在新装备型号中推广顺利，增量列装率达 100%。根据人民网报道，一些旧型号舰艇所搭载的电子设备和机电系统比较落后，如果再进行改造升级，成本很高，因此该部分型号装备仍将使用传统压电陶瓷水听器，光纤水听器存量换装率为 85%；悲观情况下，约有 85%的新装备使用光纤水听器，仅有 7 成的老型号换装光纤水听器，换装率为 70%。

5）航空母舰、两栖攻击舰、驱逐盾舰、护卫舰、常规潜艇和核潜艇的光纤水听器价格参考美国主力声呐型号 AN/SQQ-89 的价格：根据美国国防部所披露的数据，AN/SQQ-89 系统价格达 1.59 亿元，据运朝青等 2012 年在《半导体光电》杂志上发表的《细线拖曳声纳研究进展》一文测算，细线拖曳水听器占声呐总成本的 15%-20%，且大型舰船与潜艇使用水听器数量较多，因此推算光纤水听器单价为 3180 万元。其他战斗舰艇光纤水听器价格参考中科海讯相关产品价格，约为 180 万元。岸基阵光纤水听器价格参考美国水下综合监视系统（IUSS）成本，约为 17 亿元。

基于上述测算，我们预计 2023-2032 年中国军用光纤水听器市场乐观情况下将达 506 亿元，中性情况下将达 439 亿元，悲观情况下将达 363 亿元。

民用市场：多领域并进助力发展，中性情况下未来十年市场空间约 1103 亿元

根据下游应用范围不同，我们分别从水下安防、周界安防、石油勘探和智慧管线等 4 个领域对光纤传感器市场进行测算：

水下安防领域：我们预计 2023-2032 年中国市场乐观情况下将达 543 亿元，中性情况下将达 415 亿元，悲观情况下将达 287 亿元。考虑到日益增长的海洋资源开发、监控和管理需求，以及部分地区在“十四五”规划中将建设海底观测网和实现海洋信息化作为海洋战略发展目标，我们对未来 10年建立海底观测网所产生的光纤水听器市场规模进行了如下测算：

1）以 200 平方公里作为单台光纤水听器的探测范围；

2）光纤水听器覆盖率按照乐观、中性和悲观三种情况进行讨论：在乐观情况下，我国海底观测网建设基本完成，实现大面积海域覆盖，光纤水听器覆盖率设定为 85%；中性情况下，我国海底观测网实现重点海域覆盖，光纤水听器覆盖率设定为 65%；悲观情况下，我国海底观测网仅实现部分港口和少数海域覆盖，光纤水听器覆盖率设定为 45%。

3）民用光纤水听器的价格以光格科技招股说明书中披露的价格为基础，每套光纤水听器设备约 270 万元。

周界安防领域：我们预计 2023-2032 年中国市场乐观情况下将达 284 亿元，中性情况下将达 254 亿元，悲观情况下将达 207 亿元。考虑到智慧城市的普及以及周界安防重要性的日趋凸显，我们对未来 10 年中国周界安防所需要的光纤传感器市场规模进行了如下测算：

1）以 Frost&Sullivan 所统计的 2019-2022 年中国周界安防市场规模作为预测基准： 2019-2022 年中国周界安防市场规模分别达 3.4/4.5/5.8/7.8 亿元，对应增长率分别达 32%/29%/34%；

2）未来市场增长率按照乐观、中性和悲观三种情况进行讨论：在乐观情况下，中国周界安防市场快速发展，相关需求持续增长，新技术和产品形态的出现不断孕育新市场，2023 年将延续 2022 年约 34%的增长速度，并且在 2025 年前增速维持在 30%以上。2025 年后，市场增长速度逐步放缓，到 2032 年降低至 10%左右；在中性情况下，2023-2025 年与乐观情况发展类似，增速维持在 30%以上，2025 年后，市场逐渐趋于饱和，因此增速稳步下降，2032 年降至 6%左右；悲观情况下，2025 年前市场迎来需求高峰，各大厂商加大供给，但市场快速饱和，导致产能过剩，2025 年后市场增长率出现大幅下滑，并于 2032 年降至 4%左右。

石油勘探领域：我们预计 2023-2032 年中国市场乐观情况下将达 494 亿元，中性情况下将达 318 亿元，悲观情况下将达 228 亿元。考虑到国内大量丰富油气资源有待开发以及高涨的石油需求，我们对未来 10 年中国石油勘探光纤传感探测器市场进行了如下测算：

1）新增探井数以自然资源部所披露的 2016-2020 年新增探井数平均值为基准，并按照乐观、中性和悲观三种情况进行讨论：2016-2020 年，中国新增探井数维持在 2800 口左右，并且国家能源局《2021 年能源工作指导意见》指出确保勘探开发投资力度不减，由此预测，在中性和悲观情况下，未来 10 年我国新增探井数将保持每年增加 2854 口（2016-2020 年平均值）；在乐观情况下，我国新增探井数将保持每年 3%的增长幅度。

2）光纤传感器布设比例按照乐观、中性和悲观三种情况进行讨论：在乐观情况下，光纤传感器市场推广较为成功，下游用户逐渐采用光纤探测器进行石油勘探，渗透率提升速度较快，2023-2029 年将每年增加 10pct，并达到 70%。

2030-2032 年，市场逐步进入成熟期，渗透增长率出现下滑，每年增加 3pct，最终达到 79%；在中性情况下，光纤传感器市场渗透率稳步提升，2023 年小部分下游用户开始使用光纤探测器，渗透率达 5%，2024 年市场开始逐步接受光纤探测器，渗透率达 10%，随后产品稳步推广，2025-2029 年渗透率以每年增加 10pct 的速度达到 60%，超一半下游用户将使用该技术，市场结构稳定，2030-2032 年渗透率增长趋于平稳，以每年增加 3pct 的速度增长至 69%；在悲观情况下，光纤传感器市场推广受阻，只有少数用户使用，2023-2028 年渗透率以每年增加 5pct 的速度达到 30%，随后市场增长出现停滞，2029-2032 年渗透率以每年增加 1pct 的速度达到 34%。

3）石油勘探光纤传感探测器价格以光格科技招股说明书中披露的价格为基础，每套光纤传感器设备约 270 万元。

智慧管线领域：我们预计 2023-2032 年中国市场乐观情况下将达 166 亿元，中性情况下将达 116 亿元，悲观情况下将达 73 亿元。考虑到国内城市地下管线老化所产生的监控需求以及电网电缆等长距离管线的风险管理需求，我们对未来 10 年中国智慧管线光纤传感器市场进行了如下测算：

1）地下管廊长度预测方面，以住建部所披露的城市道路里程与地下管廊配建率为基准： 2015-2021 年，中国城市道路建设稳步推进，道路里程增长率维持在 4%-9%。我们预测 2023-2027 年城市道路建设将保持持续稳定增长态势，增长率与 2015-2021 年复合增长率持平，达 5.77%。2028-2032 年，重点区域城市道路建设基本完成，增长率稳中有降，每年下降 0.5pct，最终达 3.27%。2019-2020 年地下管廊配建率保持在 8.1%，在乐观情况下，地下管廊建设快速发展，2023-2032 年配建率延续 8.1%的增长态势。在中性情况下， 2023-2025 年，地下管廊快速发展，配建率达 8.1%，2026-2032 年，市场进入成熟期，地下管廊配建率每年下降 0.2pct，最终达 6.7%。在悲观情况下，2023-2032 年，地下管廊推广受阻，配建率从 2023 年达 8.1%开始每年下降 0.3pct，最终达 5.4%。

2）在电网电缆领域，以中电联所披露的 220 千伏及以上输电线路长度数据为基准。 2019-2021 年，220 千伏及以上输电线路长度增长率维持在 4.5%-5.7%区间，呈现出稳步发展态势，平均增速达 5.0%。在乐观情况下，电网电缆长度增长速度较快，达到 2019-2021 年平均增速；在中性情况下，电网电缆建设保持平稳发展，增长速度保持在 4.0%；在悲观情况下，电网电缆建设发展速度放缓，增长速度设定为 3.0%。

3）地下管廊和电力电网领域光纤传感器的覆盖率根据乐观、中性和悲观三种情况讨论：在乐观情况下，光纤传感器实现对地下管廊和电力电网的大面积覆盖和监控，覆盖率假设为 85%；在中性情况下，光纤传感器对超一半的地下管廊和电力电网进行覆盖，覆盖率假设为 65%；在悲观情况下，光纤传感器仅对小部分地下管廊和电力电网实现覆盖，覆盖率为 45%。

4）在地下管廊领域，光纤传感器价格以光格科技招股说明书中披露的价格为基础，每套光纤传感器设备约 260 万元；在电网电缆领域，光纤传感器价格以光格科技招股说明书中披露的价格为基础，每套光纤传感器设备约 70 万元。

基于上述对水下安防、周界安防、石油勘探以及智慧管线领域的测算，我们预计 2023-2032 年民用光纤传感器市场乐观情况下将达 1487 亿元，中性情况下将达 1103 亿元，悲观情况下将达 795 亿元。

光纤水听器产业链中游制造企业和单位数量较多，下游军用领域用户较为集中。我国光纤水听器产业链分为上游零部件供应、中游制造以及下游应用三个环节。其中上游的零部件主要包括组成水听器的机箱、光纤、数据传输、转换分析芯片、电源等，供应商较为分散；中游制造环节主要分为军用和民用两个领域，主要参与主体多为有军工背景的企业或体制内科研院所和单位；下游应用主要围绕军用和民用展开，其中军用领域用户多为舰船、潜艇以及水下安防主体单位，用户集中在中国船舶体系的中船重工和中船工业下属造船厂。民用领域用户较为分散，在智能管线、石油勘探、周界安防领域均有不同用户。

以上内容仅供学习交流，不构成投资建议。详情参阅原报告。

精选报告来源【远瞻智库】，获取报告点击：报告中心-远瞻智库|为三亿人打造的有用知识平台