特种光缆专栏
水下螺旋光缆
螺旋增敏
突破声压灵敏度瓶颈
特种传感缆之水下螺旋缆
水下环境的感知难题，长期受困于一个看似简单却极其顽固的物理瓶颈：水下声压场测量，传统直光纤或普通通信光缆水下声压灵敏度严重不足——常规光缆灵敏度常见值约-212dB，光纤套在钢管中，声压作用于光纤径向圆柱面时引发的应变极其有限，应变传递效率低下，难以捕捉微弱的远场声信号。因此，海洋地震勘探中来自海底地层的微弱反射波，还是水下目标横穿光缆时产生的航行波、亦或是港口水域中蛙人/ UUV 等目标发出的隐蔽声学信号，传统光缆都因声压灵敏度不足而“听不清、听不远”。
神州普惠的「水下螺旋光缆」（HWC）通过创新的螺旋缠绕增敏技术，成功破解了声压灵敏度瓶颈：将增敏光纤以特定比例螺旋缠绕在声敏芯棒/弹性体上，当声压作用于芯棒时，芯棒同时产生轴向和径向应变并带动光纤产生显著的形变，单位测量长度内积累的光程差变化量大幅增加，从而将声压灵敏度提升约4个数量级，最高可达-120dB。
这一螺旋增敏结构让每一根光纤提高灵敏度，为水下安防、海洋物探、海底观测网等场景提供高信噪比的分布式声学感知前端。
产品介绍
01、水下声学探测的核心矛盾：声压灵敏度不足
水声探测的本质，是通过检测水下声压场这一标量场的变化来获取海洋信息。传统基于普通通信光缆的分布式声学传感系统（DAS），在水下应用中面临根本性的灵敏度瓶颈：
• 声压灵敏度低：普通通信光缆灵敏度常见值约-212dB，光纤本身的声压灵敏度约为-200dB/m（re rad/μPa），难以捕捉微弱的远场声信号
• 应变传递效率低：直光纤套在钢管中，声压作用于光纤径向圆柱面时引发的应变极其有限
• 垂直入射波接收能力弱：埋设于地表的直光缆 DAS 系统无法有效接收几乎垂直入射的地震反射波，限制了在物探场景的应用
神州普惠的水下螺旋光缆（HWC），通过将增敏光纤以特定比例螺旋缠绕在声敏芯棒/弹性体上的连续增敏结构，从根本上提升了光缆的声压灵敏度：
♦ 声压灵敏度跃升：水下螺旋光缆配合PH-DAS解调端机，可实现不低于-130dB的声压灵敏度指标；在最优配置下最高可达-120dB，比常规光纤提高约4个数量级
♦ 可定制缠绕比：螺旋光缆缠绕比1:2，标距2m可定制向上调节，道间距1m可定制向上调节——通过控制螺旋缠绕比可灵活调整空间分辨率，大幅提升系统信噪比
♦ 声学可重构：通过调整标距，实现多尺度数据融合——大标距用于目标探测，小标距用于方位分辨，灵活适应不同场景
♦ 应变传递效率高：光纤螺旋缠绕在弹性体上，声压作用下芯棒同时发生轴向和径向应变并带动光纤产生应变，以芯轴的应变带动光纤产生应变，从而显著放大同等声压激励下光纤产生的长度变化，进而提高声压灵敏度
螺旋缆产品实拍图
02、 湿端与干端协同：完整的水下分布式声学感知系统
水下螺旋光缆并非孤立的传感介质，而是与解调设备协同工作的系统级解决方案：
湿端——高灵敏度分布式光纤水听器阵列
• 声压灵敏度：-120.8dB @100Hz（0dB ref μPa）
• 技术特点：更高的放大增益，卓越的信号捕捉能力
• 光缆结构：声敏芯棒 + 增敏光纤，螺旋缠绕于弹性体中，应变传递效率高
干端——高性能分布式光纤解调端机（phDAS）
螺旋光缆的“声学可重构”特性，使其可通过调整缠绕角度灵活适配不同入射角的声波信号，这是传统直光纤无法具备的核心优势。
分布式光纤水听器阵列湿端实物图与高性能PH-DAS解调端机干端实物图
应用场景
01、水下安防：构筑港口岛礁的“水下栅栏”
水下关键基础设施面临的蛙人、无人潜航器（UUV）等非对称威胁，需要大范围、高灵敏度的分布式感知手段。
2025年8月，神州普惠在威海开展海试，将分布式光纤水听器阵列沉放至海底构建固定阵列，成功实现对水面船只、UUV的非合作目标探测：
♦ 过顶检测能力：目标穿过光缆时，系统采集到强烈的原始航行波
♦ 精确定位能力：波束形成后，目标定位方位与实际方位高度一致
♦ 追踪能力：具备目标运动轨迹的实时追踪功能
♦ 探测距离：最大探测距离不少于1km
该能力为港口、码头、海军基地、岛礁等要域提供了快速部署、全天候守护的高效水下安防解决方案，形成“水下栅栏式探测”能力。
2025年8月威海海试现场照片
2025年8月威海海试水面船探测情况数据图
02、 海洋地震勘探与资源调查：听清地层的声音
海洋地震勘探长期依赖内置压电水听器的拖缆，结构复杂、成本高昂。分布式光纤水听器通过单根光纤即可化身数千个监测点，构建起覆盖数十公里的"水下侦察网"。
神州普惠的水下螺旋光缆的高声压灵敏度特性，使其在海洋物探场景中展现出显著优势：
♦ 微弱信号捕捉：灵敏度提升至-120dB级别，比常规光纤提高约4个数量级，能够捕捉更微弱的地质信号和远场反射波
♦ 空间连续监测：分布式光纤水听器具备空间连续拾取水下声信号的能力，实现对水声信号的高灵敏度和空间连续采集
♦ 多尺度数据融合：通过调整标距，获得不同测量尺度下的数据集结果，为高精度定制化成像以及储层的多尺度表征提供可能
适用场景包括：海底地质探测、油气资源勘探、海底管道监测。在碳封存监测场景中，分布式螺旋光缆阵列同规模成本比传统光纤水听器阵列方案低4倍以上，兼具点式和分布式传感优势。
分布式光纤拖缆海洋地震勘探示意图
03、海底观测网与SMART Subsea Cables：让海底光缆成为感知设施
国际组织推动的SMART Subsea Cables倡议，核心思路是在海底电缆中集成科学传感能力，利用海底光缆作为载体，进行温度、海底压力、地震加速度三类环境量的实时监测，服务于气候变化研究、地震与海啸预警。
水下螺旋光缆作为高灵敏度的声学感知前端，可与海底观测网深度融合：
• 为海底断层活动、海洋动力过程提供长距离分布式声学监测
• 与海底通信电缆结合，使海底光缆从单纯的“连接设施”升级为“感知设施”
• 在海底地震与海啸预警中，提供高空间分辨率的声学信号采集能力
海底观测网与SMART Subsea Cables集成示意图
04、水下装备拖曳与工业设施监测
♦ 拖曳阵与拖缆作业：水下螺旋光缆柔韧性好、易于收放，可随拖曳阵列作业，为海洋调查、资源勘探提供沿线连续声场数据
♦ 长输管道与工业厂区：利用螺旋光缆的卓越灵敏度，为长输管道泄漏、第三方破坏提供高灵敏度监测；为工业厂区周界入侵检测、异常振动识别提供分布式感知手段
♦ 桥梁隧道与大坝：高灵敏度螺旋光缆可捕捉更早期的风险信号，为基础设施结构健康监测提供声学维度的补充感知
技术展望：
开启水下DAS应用新纪元
从直光纤到螺旋增敏光缆，从-212dB到-120dB，水下螺旋光缆的成功研制，标志着分布式光纤声学传感技术进入了全新发展阶段：
♦ 突破了普通光缆声压灵敏度不足的核心瓶颈
♦ 实现了传感器的可标定、可计量、可量产
♦ 建立了完整的从湿端到干端的技术体系
♦ 为水下安防、海洋物探、海底观测网提供高性价比的感知前端
水下螺旋光缆与PH-DAS解调端机组成的系统级方案，已在2025年8月威海海试中实现水面船只与UUV的有效探测，并在海洋物探、碳封存监测等场景中展现出显著的成本与性能优势。未来，随着SMART Subsea Cables倡议的全球推进，水下螺旋光缆有望成为海底观测网的标准感知前端，为水下安防、资源勘探、工业监测、海洋科学等领域贡献科技力量。
参考资料：
[1] Angeliki Xenaki et al., "Distributed acoustic sensing for ocean applications", arXiv, 2025
[2] 北京大学等，"领航深海勘查新时代：中心科学家首创分布式光纤海洋拖缆地震采集系统"，2026
[3] ITU/WMO/UNESCO IOC Joint Task Force, SMART Subsea Cables Initiative
