光纖水聽器行業研究：海洋之耳，前景廣闊水聽器：探析海洋世界的“水下之耳”水下聲波優秀捕手，被動聲吶核心組件作為一種機械波，聲波是傳遞水下信號的重要載體。波動是自然界最為常見的物質運動形式。作為一種振動能量傳遞方式，波動可以將波源介質中質點與質點的相對擾動以振動為途徑進行傳播，從而實現信息的生產和傳遞。從波動的性質角度看，波可以劃分為電磁波、機械波、引力波和物質波。其中，機械波和電磁波在當今世界中被廣泛使用于廣播、電視、通信、探測等領域。根據傳遞介質的不同，電磁波和機械波的傳播特點也有所不同：

電磁波：是以波動的形式傳播的電磁場。在真空環境中，傳播速度最高，可以達到光速；

在空氣環境中，傳播速度較快，但會受到空氣介質的吸收、折射和散射；在水環境中，電磁波的電場產生傳導電流，能量轉化為熱能，導致振幅不斷衰減，頻率越高衰減的越快，因此只有低頻電磁波可以在水中傳播。機械波：由機械振動產生、需要在介質中傳播的波動。介質的特點和屬性很大程度上決定了機械波的傳播性能。以聲波為例，其在真空環境中無法傳播；在空氣環境中，傳播速度較電磁波更低，通常為340m/s，受溫度影響較大。通常而言，溫度越高，傳播速度越快；

在水環境中，傳播速度是空氣環境的5倍，且傳播距離較遠，通常可達數十乃至上百公里。低頻聲波的傳輸能力也較為突出。正因如此，聲波成為了水環境中較為重要的信號載體之一。聲吶是水底探測的核心系統，按工作方式分為主動和被動聲吶。正因為聲波在水環境中具有傳播性能優勢，因此能夠捕捉聲波的聲吶成為了“探查海洋之眼”。聲吶（SoundNavigationAndRanging，SONAR）又名聲音導航與測距，是一種利用聲波的水下傳播特征，以聲電轉換為核心，通過分析聲音信息，完成水下探測任務的技術。其基本工作原理是根據水下不同物體運動所發出的聲波，對物體的運動趨勢以及特征進行測算和判定，從而實現導航、測距、定位、跟蹤等功能。根據工作方式的不同，聲吶可以分為主動聲吶和被動聲吶。主動聲吶：核心組件包括基陣、收發轉換器、接收機、定時中心、發射機、控制同步設備、指示器。在工作方式上，首先向水下發射聲波信號，該信號遇到水下物體會被反射回接收機，通過計算發射和接收聲波時的時間差和相對頻移從而判斷物體的位置、距離、移動速度等。其探測能力較強，但向外界發射聲波的同時也會暴露自身位置，危險系數較高；被動聲吶：核心組件包括基陣、波束形成器、接收器、控制同步設備和指示器。在工作方式上，主要依賴接收水下或水面物體的運動噪聲進行監聽和定位。例如，針對艦船，被動聲吶可以監聽其機械噪音、螺旋槳噪音和艇體運動所產生的水噪音。由于每艘艦艇在正常航速下的螺旋槳轉速較為穩定，因此被動聲吶也可以基于螺旋槳噪音和機械噪音判斷艦船的型號乃至速度，做到聽聲辨位和聽聲識船。被動聲吶不發送聲波，因此隱蔽性較高，但對于相對靜音的常規動力潛艇（如裝有AIP系統的柴電潛艇或熱氣機潛艇等），或是運動速度較為緩慢的艦船探測效果不好。水聽器是被動聲吶的“耳朵”，約占聲吶系統成本的15%-20%。為了對水下物體進行探測，聲吶需要將聲波信息轉化為電波信息，繼而進行分析和判斷，而換能器就是完成上述操作的核心部件。在被動聲吶中，專門用于接收聲波并轉化為電波的換能器又叫做“水聽器”。其功能定位類似于雷達中的天線，在被動聲吶系統中充當著“耳朵”的重要角色。主要工作原理是通過各類傳感器將聲波能量轉化為可供分析的電磁能量。由于一個被動聲吶系統會包含多個水聽器，因此將其進行一定形式的幾何圖形排列，如球形、柱形、線形、平板形等，就被稱作是水聽器基陣。由于水聽器具備水下監聽能力，因此在水下的探測、識別、通信，以及海洋環境監測和海洋資源的開發方面發揮了重要作用，應用領域廣泛。正因為水聽器在被動聲吶系統中較為重要，因此價值占比較高，據運朝青等2012年在《半導體光電》雜志上發表的《細線拖曳聲納研究進展》一文測算，細線拖曳水聽器占聲吶總成本的15%-20%，屬于高附加值產品。完整的水聽器系統由濕端傳感器探頭和干端調解設備組成，二者缺一不可。以光纖水聽器為例，在水聽器系統濕端（水中部分），由于光纖激光傳感器具有波長編碼特征，因此不同中心波長的激光傳感器可以被封裝成多個單獨的監聽陣列單元，然后由一根光纖串聯形成水聽器陣列，并與干端相連；在水聽器系統干端（艦載或陸基部分），主要由信號處理軟件和配套運算硬件模塊組成。首先，由光纖串聯的泵浦源模塊為傳感器提供泵浦光，反射回來的光信號先經過非平衡光纖干涉儀模塊，再經干涉后經過密集型波分解復用器將不同波長和類型的光信號分別送入光電探測器陣列，經過數模轉換和調節算法，將光信號還原為聲波信號，進而將數據進行存儲和展示。在一個完整的水聽器系統中，濕端主要負責將聲波信號轉換為光信號，干端主要負責將光信號還原為聲波信號，二者相互配合，缺一不可。兩次世界大戰推動技術發展，光纖水聽器成為發展方向19世紀初，水聽器技術初現雛形。水聽器技術的2個誕生基石均出現在十九世紀。1827年，來自瑞士的兩位物理學家首次測算出了水下聲速，為水下測距和定位技術奠定了理論和技術基礎；隨后在十九世紀中葉，科學家模仿海豚傳達信息的方式，發明了一種碳粒微音器，這是世界上出現最早的水聽器。該器件成為了現代聲吶系統的鼻祖。20世紀初，泰坦尼克事件凸顯水聽器重要性。1912年泰坦尼克豪華巨輪與冰山相撞，事故造成1517人喪生。本次事故凸顯了艦船航行中進行水下探測的重要性，也推動水聽器技術的發展。1914年，美國科學家制造出第一臺回聲探測儀，之后被艦船聲吶系統所采用，用于探測冰山、暗礁等航行障礙物。20世紀中葉，兩次世界大戰推動水聽器快速發展。1914年，第一次世界大戰爆發。德國的U-9潛艇在短短一小時內擊沉了3艘萬噸級英國巡洋艦，創造了海戰史上的奇跡。此后，各國便開始大力推進水聽器技術研究，潛艇聲吶和反潛聲吶成為了研制的核心。1925年，德國“信號”公司將其生產的聲納設備定名為“測深儀”，并在美國和英國銷售。美國海軍實驗室積極改進對潛艇進行回聲定位的方法，通過采用磁致伸縮換能器找到了回聲定位中合適的發射換能器。與此同時，由于電子學的發展，已經可以使聲吶信息經過放大和簡單的處理顯示給觀察者。1931年，第二次世界大戰爆發，德國憑借潛艇部隊的先進裝備，在大

西洋戰場上長期處于有利地位，這進一步刺激了同盟國水聽器技術的快速推進。1938年，美國研制出成熟的聲吶設備并開始大規模生產和列裝。到戰爭中后期，軸心國和同盟國的大部分艦艇和潛艇都裝備了聲吶設備。戰爭過程中雙方損失了1000余艘潛艇，絕大部分都是被聲吶發現后被摧毀的。20世紀后期，水聽器向民用領域推廣并呈現出多元化發展趨勢。20世紀80年代，隨著海洋資源開發的興起以及電子信息技術的進步，水聽器技術迎來了快速發展，出現了導航聲納、通信聲納、側掃聲納、遠程警戒聲納、水聲對抗聲納、拖曳陣聲納、魚雷自導聲納、水雷自導聲納等不同類型的技術形態，并被廣泛應用于水下導航、水下通信、石油勘探、災害預警等民用領域。需求增長帶動水聽器技術發展，壓電式水聽器成為主流。隨著世界范圍內開發利用海洋資源的需求與日俱增，以及水下軍事防務建設的迫切性日漸升高，水聽器技術在短時間內快速發展。傳統的電容式和壓阻式水聽器逐漸被更為穩定和成熟的壓電式水聽器所取代。其基本運作原理是：水聽器中的壓電陶瓷在受外力作用時會產生形變，表面會因壓電效應產生電荷，根據電荷的大小，可以測量水中聲波的聲壓。此類水聽器多使用陶瓷作為核心材料。相較于傳統電容式和壓阻式水聽器，壓電陶瓷水聽器具有較強的壓電性能和較高的機電耦合系數，介電損耗較小，更適應高頻應用，性能更強。同時，由于壓電陶瓷的可塑性較高，因此可以制作成不同形狀和功率的水聽器，適用范圍更廣，因此被廣泛采用。光纖水聽器是最新一代技術，未來有望取代壓電水聽器。20世紀70年代以來，隨著光導纖維以及光纖通信技術的發展，以光纖為核心材料的光纖水聽器問世，并迅速成為了水聽器行業的新增長極。不同于壓電陶瓷水聽器，光纖水聽器以光纖和光電子技術為基礎，在傳感器結構、陣列結構、性能方面有較大不同。根據基礎原理不同，光纖水聽器可以分為干涉型、強度型和光柵型。干涉型光纖水聽器：此類光纖水聽器運用較為廣泛，其基本工作原理為，激光器首先發射激光，經光纖耦合器分為兩路，一路為參考臂，不受外界影響，一路為信號臂，接收水中聲波的調制。通過反射，光纖耦合器接收兩路信號并形成干涉，最終將干涉的信號轉化為光電信號。干涉型光纖水聽器靈敏度高，信號傳輸損耗小，產生串擾問題的可能性也更低。但是要求干涉條紋清晰，兩路干涉光強相等、單色性好。強度型光纖水聽器：此類光纖水聽器研究開發較早，主要基于光纖中傳輸光強被聲波調制的原理制作。具體而言，兩個活塞式組件受聲壓調制，從而擠壓中間的光纖，導致光纖產生形變，繼而根據因形變產生的光損耗計算聲壓信號。此類光纖水聽器受光源起伏、光纖彎曲、連接損耗和探測器老化影響程度較大。光柵型光纖水聽器：此類光纖水聽器技術較為先進，主要基于光柵的諧振耦合波長隨外界參量變化而移動為原理制造，通常使用光纖布拉格光柵（FBG）進行測量。該類型光纖水聽器繼承了普通傳感器的優點，同時傳感信號是波長調制，不受光源起伏和強度變化的影響，能夠使用波分復用技術在一根光纖匯中串接多個FBG進行分布式測量。聚焦光纖傳感技術，高性能、高可靠、易操作等優勢并存光纖傳感技術測量敏感度較高，便于連接后端設備。光纖水聽器所使用的光纖傳感技術在性能方面具有較大優勢。依托光纖優良的傳輸性能和傳感特性，光纖傳感器可以對各類物理量和機械量進行測量，具有靈敏度高、抗電磁干擾性強、絕緣性高、重量小、成本低等優點。根據《光纖傳感器在軍事上的應用》（楊躍輪，【信息化研究】，2010年出版）一文，以光纖溫度傳感器為例，其探測范圍約為-10℃到300℃，精度為±1℃到±3℃，響應時間為2s。如果使用砷化鎵（GaAs）、銻化鎘(CdTe)、磷化鎵（GaP）等材料制成的光纖溫度傳感器，那么測量誤差則會降低到±0.5℃的水平。以上表明了光纖傳感器的測量靈敏度和性能較高。同時，由于光纖自身的傳輸速度較電纜更快，結構也更為簡單輕便，因此可以與后端數據分析模塊輕松連接兼容，從而實現探測、分析、顯示一體化流程。根據《光纖水聽器的原理與應用》（張仁和和倪明，【物理】，2004年出版）一文，以光纖傳感器為核心的光纖水聽器，繼承了以上特點，相較于傳統壓電陶瓷水聽器，具有以下優勢：

噪聲較低：光纖水聽器采用光學原理結構，因此自噪聲比壓電陶瓷水聽器低。在高靈敏度和低自噪聲的加持下，光纖水聽器可監測的最小信號比壓電陶瓷水聽器高2-3個數量級，因此弱信號探測能力較強。特別是在低信噪比的情況下，光纖水聽器的噪聲波動遠遠小于壓電陶瓷水聽器，性能較為穩定。動態范圍大：由于光纖對于水下物體運動所產生的聲波敏感性較高，因此光纖水聽器的動態范圍通常可達120-140dB，比陶瓷水聽器80-90dB的動態范圍高約30%，所能監聽到的聲音范圍更廣。抗干擾能力強：全光纖水聽器的信號感應和傳輸均以光作為載體，由于光具有獨特的物理特征，導致其受百兆赫以下的電磁干擾影響較小，且不同通道間的信號串擾可能性也大幅降低。傳輸與組陣能力強：光纖相較于傳統電纜傳輸損耗更小，更適用于長達幾十公里的傳輸距離。且多數光纖水聽器采用頻分、波分和時分技術，可以實現多路復用，即多個水聽器由一條光纖連接，因此適合水下大規模復雜組陣。系統可靠性高：光纖水聽器由光源發射激光，經過光纖線傳輸至水聽器，在聲波干涉下再經由光纖返回岸基或船基處理設備，所有零部件和設備都由光纖連接，結構簡單，一體化程度高，不容易出現轉接損耗和故障。同時光纖對水密性、溫度、腐蝕等要求較低，因此系統整體可靠性較高。施工難度小：光纖水聽器的探測纜和傳輸纜均為光纖，體積小、重量輕，便于收放，因此降低了水下布線的難度。特別是對于拖曳陣而言，光纖水聽器的出現解決了許多難以跨域的技術鴻溝。海洋信息化大勢所趨，光纖水聽器乘風而起海洋經濟快速增長，信息化時代已經到來中國海洋資源豐富，海洋經濟快速增長凸顯其重要地位。21世紀以來，全球經濟建設重點開始從陸地向海洋拓展，許多國家將海洋資源的開發與利用列為重要的國家發展戰略。根據自然資源部數據，中國擁有約300萬平方公里的海域和1.8萬公里的海岸線，海域遼闊。其中物產資源豐富，石油資源量估計為240億噸左右，天然氣資源量估計為14萬億立方米，還有大量的天然氣水合物資源。作為當之無愧的海洋資源大國，近年來中國海洋經濟發展穩步發展，生產總值由2010年的38439億元增長至2019年的89415億元，2011-2019年CAGR達9.8%，海洋產業GDP占國民GDP比維持在8%-9%左右。雖然2020年海洋經濟受疫情影響出現一定下滑，但隨著生產恢復和經濟復蘇，發展前景持續向好。從海洋產業結構看，第三產業占比持續增長，從2010年的47.5%提升至2020年的61.7%，在2020年的產業結構中，濱海旅游業的貢獻值最高，在主要產業中占比近一半，其余占比排名依次為海洋交通運輸業、海洋漁業、海洋油氣業、海洋船舶工業等。隨著中國對于海洋資源的進一步開發和利用，海洋經濟未來有望保持持續增長態勢。政策引領指明發展方向，信息化為海洋經濟發展注入新動能。為了大力發展海洋經濟，中國推出了一系列海洋戰略發展規劃。在二十大報告中，多次強調發展海洋經濟，保護海洋生態環境，加快建設海洋強國；在加快構建現代海洋產業體系的過程中，獲取并利用海洋信息成為了連接和激活海洋產業鏈各環節的關鍵抓手。2014年底，國家海洋局印發了《全國海洋觀測網規劃（2014-2020年）》，將海底觀測網建設列為海洋基礎設施建設的首要任務。2017年，中國最大的海底觀測網正式開始建設。各地也根據中央政府的精神圍繞海洋信息化推出相關政策。我們預計，隨著國家對于海洋經濟的關注以及相關產業扶持政策的持續升溫，海洋信息化產業有望邁向發展快車道。世界海底觀測網建設進入上行通道，中國持續加大海底觀測網項目投入。海底觀測網投入大，周期長，因此各國開始加快推進建設。目前，歐盟的ESONET/EMSO觀測網涉及供應商176家，總投資額達2.4億歐元；加拿大NEPTUNE觀測網使用了9000余個傳感器，海底線纜長度達850公里，投入超2.03億美元；美國OOI觀測網投入3.9億美元，海底線纜長度達880公里；中國起步稍晚，于2017年批復了海底科學觀測網項目，將在我國東海和南海分別建設海底觀測系統，并在上海港建設數據觀測和分析中心，項目總投資超20億元，建設周期5年。我們預計該項目將進一步拉動海底觀測網的建設，推動光纖水聽器的產業化落地進程。海底觀測網建設立體化信息體系，水聽器是關鍵組成部分。當前，中國海洋信息化建設仍處于起步階段，目前國家致力于構建覆蓋“天、空、岸、海、潛”的立體化海洋信息體系，以感知、傳送、應用、管控為核心功能，實現全時域事態感知、全海域網絡覆蓋、全方位信息服務、全體系安全管控。而海底觀測網則是實現上述目標的重要方式。根據國家海洋局規劃，我國正在建設以國家基本觀測網為骨干、地方基本觀測網和其他行業專業觀測網為補充的海洋綜合觀測網絡，覆蓋范圍由近岸向近海和中遠海拓展，由水面向水下和海底延伸，實現岸基觀測、離岸觀測、大洋和極地觀測的有機結合，初步形成海洋環境立體觀測能力。作為海洋信息化體系的核心，感知和傳送是信息收集端的核心業務活動，而水聽器則在其中發揮了水下監聽、勘探等一系列不可替代的作用。我們認為，水聽器是實現海底觀測網、構建海洋信息化體系的重要裝備，也是保障海洋經濟增長的大國重器，具有穩定、持續發展的增長潛力和活力。產業逐步邁入快速成長期，技術突破推動產品多樣化水下探測需求增長迅速，光纖聲波傳感技術成為大勢所趨。類似于摩爾定律，水下探測領域也存在硬件性能與時間發展間的固定關系。李啟虎在發表于《物理》雜志的《第一講進入21世紀的聲吶技術》中，做了如下測算：在19世紀中葉到20世紀初期，潛艇的輻射噪聲大約每年下降0.5-1.0dB左右，導致監測距離每年縮短0.5-2.0公里左右。而以壓電陶瓷水聽器為主的聲吶檢測能力每年只能上升約0.75dB，導致傳統水下無人監聽技術無法彌補這一下降趨勢所帶來的監測能力空白。特別是對于壓電陶瓷水聽器而言，此類材料早在19世紀70年代就到達了理論設計極限，無法實現性能飛躍。因此，為了彌補壓電陶瓷水聽器所產生的噪音監聽市場空白，以光纖為核心材料的光纖水聽器技術快速發展，并逐步成為未來水聽器技術的主要發展方向。新型光纖水聽器技術日趨成熟，為水下監測技術注入新動能。隨著越來越多的資源投入光纖水聽器的研發，除傳統干涉型、強度型和光柵型光纖水聽器外，又有矢量光纖水聽器和分布式光纖水聽器問世，較大程度地拓展了光纖水聽器的功能和使用場景。矢量光纖水聽器：矢量光纖水聽器是一種新型的水聲測量設備，與傳統水聽器類似，其可以測量水下聲壓，但不同之處在于還可以直接、同步測量聲場動能密度與聲能流密度（聲場坡印廷矢量），這為水下監測和測量提供了更精準和豐富的數據支撐。在結構上，矢量光纖水聽器由傳統無指向性聲壓傳感器和偶極子指向性的質點振速傳感器復合構成，其中質點振速傳感器是核心零部件，決定了矢量光纖水聽器的性能表現。根據《光纖水聽器技術的研究進展》（孟洲等，【激光與光電子學進展】，2021年出版）一文，與傳統光纖水聽器相比，其具有三方面的優勢：1）通過聲壓信號與矢量信號的結合，使得單個水聽器獲得心形空間指向性，空間增益達4.8-6.0dB，從而能有效抑制環境噪音，消除左右弦模糊，提升探測距離；2）指向性不與聲波頻率相關，可以更好的實現低頻探測；3）聲壓與振速信號的聯合處理提供了新的數據維度，可以進一步提升整體探測性能，同時所需的陣列規模較小。目前，矢量光纖水聽器的應用領域覆蓋了水聲警戒聲吶、水雷聲引信、魚類探測、多基地聲吶、水下導航等領域，同時也可以在空氣中對隱身飛機和直升機進行噪音源識別和探測。分布式光纖水聽器：分布式光纖水聽器是利用分布式光纖傳感技術（DAS）探測水下聲波信號的光纖水聽器陣列。傳統光纖水聽器由一個光纖干涉儀組成，其中內置光纖耦合器和法拉第旋轉鏡等光器件。多個光纖水聽器組成陣列，對水下聲波進行空間分離拾取。而分布式光纖水聽器僅由一根光纖組成，因此可靠性有所提升，同時也可以實現空間連續拾取水下聲波。其基本原理是利用激光在光纖中傳輸的后向散射光來進行傳感，能夠測量溫度、應變、磁場等。傳統光纖水聽器受光衰減和光反射限制，單根光纖上最多有十幾根陣元，且由于采用光纖激光器作為傳感元件，因此成本較高。即便是干涉型光纖水聽器，單根光纖陣元數也難以超過100個，且結構復雜，導致造價居高不下。而分布式光纖水聽器則能實現空間連續、長距離的測量，且所有光纖傳感器單纜成陣，采用簡單結構的時分復用技術就能實現大規模陣列，從而降低了成本。技術驅動應用形式轉變，多接收陣模式并駕齊驅。在光纖水聽器技術快速發展的背景下，水聽器在水下作業的應用形式呈現出多元化發展態勢。目前主流的接收陣應用形式有岸基陣、拖曳陣、舷側陣三種。其中：1）岸基陣主要使用分布式光纖水聽器，在近海海底布設的主要用于監視海灣，在遠海布設的主要用于組成監視基陣。通常而言，岸基陣布設在離岸數十公里的海域中，由幾百至上千個光纖水聽器組成，并通過光纖傳遞信號；2）拖曳陣是一種移動式光纖水聽器，通常由艦船或潛艇拖曳一條較長的光纖，光纖中布設多個光纖水聽器，通過移動實現運動監聽；3）舷側陣主要應用于潛艇，其將光纖水聽器在兩舷側殼上排列，不占艦船或潛艇的內部空間，且左右舷分辨效果好。但由于陣列過于靠近螺旋槳和發動機，因此監聽效果不及上述兩個方式。多國光纖傳感技術發展迅速，國產替代奏響產業主旋律美英是光纖水聽器領域的開拓者，其他國家呈現追趕態勢。早在20世紀70年代，美國海軍研究實驗室（NRL）就開始對光纖水聽器進行研究，并于1981年封裝了第一個Brassboard光纖水聽器；1983年，美國海軍流動噪聲駁船系統開始配備塑料芯軸型光纖水聽器，并成功部署于巴哈馬群島；1984年，美國提出了全光拖曳陣水聽器陣列計劃，并在約10年間累計投入了超1億美元的經費支持光纖水聽器的研制。這也拉開了各國研制光纖水聽器的大幕。英國同一時期開始了對于光纖水聽器的研究工作，主要由Plessy國防研究公司、海軍系統分公司以及馬可尼水下系統公司聯合研制，制成了全光拖曳水聽器陣列以及海底光纖水聽器監視系統等。日本和法國緊隨其后，在20世紀80年代開始了一系列光纖水聽器的研制工作，并取得了一定成果。中國在光纖水聽器領域起步較晚，國產替代有望成為發展主旋律。中國在聲吶系統研制上起步較晚，對于光纖水聽器的研究也一直處于追趕國際領先水平階段。在“七五”期間，中國初步開始光纖水聽器的研究，并在“八五”和“九五”期間將相關課題列入研究計劃，但大部分工作處于理論研究和實驗階段；在“十五”期間，部分技術取得突破性進展：在光柵型和干涉型水聽器領域，由于現有技術較為成熟，因此已經達到實用水平。根據《光纖水聽器的原理與應用》（張仁和和倪明，【物理】，2004年出版）一文，21世紀以來，我國光纖水聽器研究進程提速明顯，于2002年首次完成了大規模海上試驗，并且在2014年中國國際防務電子展上亮相，標志著我國岸基陣光纖水聽器進入了具體應用階段。雖然當前大部分關鍵組件仍需要從國外進口，但國內許多科研團隊已經在干端數據算法上實現突破，隨著未來光纖水聽器大規模量產并投入使用，可變成本將會降低，國產替代有望成為推動光纖水聽器產業發展的主要增長邏輯。光纖傳感通用性高，應用領域廣泛光纖水聽器所使用的光纖傳感技術具有較強的通用性，技術可變程度高，被廣泛應用于水下安防、周界安防、石油勘探、智慧管線等領域。水下安防中國海洋面積遼闊，如何防止水下滲透成為關鍵話題。根據自然資源部數據，中國管轄海域面積達300萬平方公里，接近陸地領土面積的三分之一，500平方米以上的島嶼7372個，大陸架面積居世界第五位。在領海面積廣闊、島嶼眾多、水下地形復雜的多重條件下，如何保障港口和海軍基地的水下安全，建立有效、完善的水下安防體系，成為了關鍵話題。特別是當前水下滲透技術高速發展，蛙人、水下機器人和微型潛艇技術日趨成熟，構建水下無人監聽體系成為了解決上述問題的重中之重。分布式光纖水聽器構建保護網，智能核心算法提供持續屏障。針對水下安防需求，結合光纖水聽器，特別是分布式光纖水聽器的優勢，可以構建對水上、水下目標滲透入侵提供持續警戒和識別的監測網絡。該網絡主要包括濕端的分布式光纖水聽器以及干端的傳感監控中心。將分布式光纖水聽器布設在需要監控的水域，并連接岸上或海面的傳感監控中心，對不同類型的物體（如蛙人、潛艇、艦船等）進行感應，并通過智能算法進行識別和預警。周界安防分布式光纖傳感器提升系統穩定性，降低周界監控成本。分布式光纖水聽器除了可以在水中發揮作用，其所使用的分布式光纖傳感技術還可以應用于地面和地底。如在周界安防中，分布式光纖傳感器就可以替代傳統紅外線對射、視頻監控、泄漏電纜以及電子圍欄等手段，在提升監控效率的同時，憑借自身抗干擾能力強、結構簡單等優勢，提升系統的整體穩定性。同時，使用光纖傳輸信號的能耗遠遠低于電纜，維護成本也更低，因此能有效降低周界監控成本。利用振動和壓力進行目標識別，使安全隱患無處遁形。分布式光纖傳感僅僅依靠聲波和振動對物體進行探測，因此在識別性能和靈敏度上具有較大優勢。同時，分布式光纖傳感器可以通過掛網安裝、墻體安裝、地埋安裝等多種方式安裝，適用于變電站、看守所、機場、邊境等多種多樣的環境。在提升隱蔽性的同時，也能更好地識別和判斷出入侵類型和方式，實現全天候監控。石油勘探中國石油消費量較高，分布式光纖傳感技術助力拓寬石油勘探渠道。中國的石油消耗量常年位居世界第一，國內原油產量無法滿足市場需求，因此需要大量進口，對外依賴程度較高。為了保障中國石油供給安全，需要借助分布式光纖傳感技術進行石油勘探，從而拓寬石油獲取渠道。分布式光纖傳感器在提升石油勘探效率的同時，降低了勘探成本。美國殼牌公司在2011年首次將分布式光纖傳感技術用于石油勘探，并于2013年公布了垂直地震測井勘探方案。此后，該技術在石油勘探領域被不斷優化和推廣。其利用光纜對地震信號傳感，將光纜下井，測試光纜的部署簡易，整條光纖都可以動態監測地震波信號，實現“單炮全井數據覆蓋”，相比傳統地震檢波器的點式勘探，較大促進了地震勘探生產提質降本增效。智慧管線我國部分城市管線超服役期，智能管線監控需求大。根據人民政協陜西省十一屆委員會第五次會議第631號提案，我國大部分城市在城鎮化建設開展之初，沒有經過完善的規劃和設計，因此多數管線和地下管網服役時間過長，出現了老化、損毀等問題，如何對上述管線進行監管，并在問題出現之前進行預警，成為了亟待解決的問題。特別是在地面施工過程中，部分施工人員操作失誤或野蠻開挖，導致管線損毀。以上問題的解決需要借助分布式光纖傳感技術。分布式光纖傳感技術可以實現長距離管線監測，降低潛在風險。分布式光纖傳感將光纖作為傳感器，利用光纖中瑞利散射光對振動敏感的特性，對光纖沿途外界擾動信息以及管道的泄露信號進行分布式感知和精確定位，實現全時段、全方位監測。同時，依靠后端算法處理和信號識別技術，可以實現風險預警。軍民領域兩翼齊飛，市場發展前景廣闊軍用市場：中國海軍加速趕超，中性情況下未來十年市場空間約439億元我國海軍裝備較美國仍有較大差距，軍用水聽器市場需求旺盛。從甲午海戰到建國初期，我國海軍在世界范圍內處于較為落后的地位，增強海軍戰斗實力，打造世界一流海上軍隊成為了實現強國強軍目標的關鍵任務之一。為此，我國在近年間大力發展海軍裝備。從2012年遼寧艦入列至今，中國海軍裝備研發和服役速度持續提升，根據環球網資料，目前中國海軍已經擁有了3艘航母，3艘兩棲攻擊艦、近50余艘驅逐盾艦以及百余艘護衛艦，成為了世界重要的海上力量。雖然中國海軍的發展迅速，但仍與美國海軍有較大差距。根據中國軍網資料，以美國第7艦隊為例，其標準配置為：1艘藍嶺級旗艦、1艘尼米茲級航母、3-4艘大型巡洋艦、18-20艘導彈驅逐艦、5-6艘攻擊型潛艇、5-8艘登陸艦、18艘后勤保障船和若干氣墊船、輔助船等。在緊急時還會增派1-2艘航母，并從第3或第5艦隊抽調艦艇，整體配置堪稱豪華。在維護領海權的重要性日趨凸顯的今天，建設強大的現代化海軍已經成為了構建世界一流軍隊的重要途徑之一。未來中國海軍規模有望進一步提升，而光纖水聽器作為艦船在海洋中的“洞察器官”，也會迎來快速發展。我們預計2023-2032年中國軍用光纖水聽器市場樂觀情況下將達506億元，中性情況下將達439億元，悲觀情況下將達363億元。考慮到我國維護東海、南海領土主權的需要，同時參考中國和美國海軍的軍艦和潛艇配置情況，我們對中國軍用光纖水聽器市場進行了如下測算：

1）以美國和中國現有海軍攻擊艦和潛艇配置為基礎，測算中國海軍增量艦艇需求：航空母艦增量參考美國艦隊配置，美國共有7支艦隊，其中第10艦隊為信息化部隊，其余艦隊平均擁有約2艘航母；兩棲攻擊艦增量參考美國第7艦隊配置，與航空母艦數量一致；驅逐盾艦增量參考美國海軍驅逐盾艦與航母和兩棲攻擊艦比例；潛艇增量、護衛艇增量與其他戰斗艦艇增量參考《中國軍力報告2021》中的預測數據。2）根據光纖水聽器類型的不同，分別測算拖曳陣、舷側陣、岸基陣水聽器的未來需求，其中，拖曳陣每艘攻擊艦、航母或潛艇配備1套（備裝1套），舷側陣每艘潛艇配備2套（備裝2套），岸基陣每個軍港配備1套（備裝1套）；

3）在岸基陣測算方面，主要以能夠承載航母的海港為樣本。以遼寧艦為例，其排水量約6萬噸，吃水深度約10.5米。滿足停靠航母戰斗群的海港有：大連港、青島港、香港、三亞港、上海長興島、舟山港、湛江港等7處。4）在光纖水聽器存量換裝率和增量列裝率方面，按照樂觀、中性和悲觀三種情況進行討論：

樂觀情況下，中國海軍艦艇、潛艇和軍港實現光纖水聽器的全面換裝列裝，覆蓋率達100%；

中性情況下，光纖水聽器在新裝備型號中推廣順利，增量列裝率達100%。根據人民網報道，一些舊型號艦艇所搭載的電子設備和機電系統比較落后，如果再進行改造升級，成本很高，因此該部分型號裝備仍將使用傳統壓電陶瓷水聽器，光纖水聽器存量換裝率為85%；悲觀情況下，約有85%的新裝備使用光纖水聽器，僅有7成的老型號換裝光纖水聽器，換裝率為70%。5）航空母艦、兩棲攻擊艦、驅逐盾艦、護衛艦、常規潛艇和核潛艇的光纖水聽器價格參考美國主力聲吶型號AN/SQQ-89的價格：根據美國國防部所披露的數據，AN/SQQ-89系統價格達1.59億元，據運朝青等2012年在《半導體光電》雜志上發表的《細線拖曳聲納研究進展》一文測算，細線拖曳水聽器占聲吶總成本的15%-20%，且大型艦船與潛艇使用水聽器數量較多，因此推算光纖水聽器單價為3180萬元。其他戰斗艦艇光纖水聽器價格參考

中科海訊相關產品價格，約為180萬元。岸基陣光纖水聽器價格參考美國水下綜合監視系統（IUSS）成本，約為17億元。基于上述測算，我們預計2023-2032年中國軍用光纖水聽器市場樂觀情況下將達506億元，中性情況下將達439億元，悲觀情況下將達363億元。民用市場：多領域并進助力發展，中性情況下未來十年市場空間約1103億元根據下游應用范圍不同，我們分別從水下安防、周界安防、石油勘探和智慧管線等4個領域對光纖傳感器市場進行測算：

水下安防領域：我們預計2023-2032年中國市場樂觀情況下將達543億元，中性情況下將達415億元，悲觀情況下將達287億元。考慮到日益增長的海洋資源開發、監控和管理需求，以及部分地區在“十四五”規劃中將建設海底觀測網和實現海洋信息化作為海洋戰略發展目標，我們對未來10年建立海底觀測網所產生的光纖水聽器市場規模進行了如下測算：

1）以200平方公里作為單臺光纖水聽器的探測范圍；2）光纖水聽器覆蓋率按照樂觀、中性和悲觀三種情況進行討論：在樂觀情況下，我國海底觀測網建設基本完成，實現大面積海域覆蓋，光纖水聽器覆蓋率設定為85%；中性情況下，我國海底觀測網實現重點海域覆蓋，光纖水聽器覆蓋率設定為65%；悲觀情況下，我國海底觀測網僅實現部分港口和少數海域覆蓋，光纖水聽器覆蓋率設定為45%。3）民用光纖水聽器的價格以光格科技招股說明書中披露的價格為基礎，每套光纖水聽器設備約270萬元。周界安防領域：我們預計2023-2032年中國市場樂觀情況下將達284億元，中性情況下將達254億元，悲觀情況下將達207億元。考慮到智慧城市的普及以及周界安防重要性的日趨凸顯，我們對未來10年中國周界安防所需要的光纖傳感器市場規模進行了如下測算：

1）以Frost&Sullivan所統計的2019-2022年中國周界安防市場規模作為預測基準：

2019-2022年中國周界安防市場規模分別達3.4/4.5/5.8/7.8億元，對應增長率分別達32%/29%/34%；

2）未來市場增長率按照樂觀、中性和悲觀三種情況進行討論：在樂觀情況下，中國周界安防市場快速發展，相關需求持續增長，新技術和產品形態的出現不斷孕育新市場，2023年將延續2022年約34%的增長速度，并且在2025年前增速維持在30%以上。2025年后，市場增長速度逐步放緩，到2032年降低至10%左右；在中性情況下，2023-2025年與樂觀情況發展類似，增速維持在30%以上，2025年后，市場逐漸趨于飽和，因此增速穩步下降，2032年降至6%左右；悲觀情況下，2025年前市場迎來需求高峰，各大廠商加大供給，但市場快速飽和，導致產能過剩，2025年后市場增長率出現大幅下滑，并于2032年降至4%左右。石油勘探領域：我們預計2023-2032年中國市場樂觀情況下將達494億元，中性情況下將達318億元，悲觀情況下將達228億元。考慮到國內大量豐富油氣資源有待開發以及高漲的石油需求，我們對未來10年中國石油勘探光纖傳感探測器市場進行了如下測算：

1）新增探井數以自然資源部所披露的2016-2020年新增探井數平均值為基準，并按照樂觀、中性和悲觀三種情況進行討論：2016-2020年，中國新增探井數維持在2800口左右，并且國家能源局《2021年能源工作指導意見》指出確保勘探開發投資力度不減，由此預測，在中性和悲觀情況下，未來10年我國新增探井數將保持每年增加2854口（2016-2020年平均值）；在樂觀情況下，我國新增探井數將保持每年3%的增長幅度。2）光纖傳感器布設比例按照樂觀、中性和悲觀三種情況進行討論：在樂觀情況下，光纖傳感器市場推廣較為成功，下游用戶逐漸采用光纖探測器進行石油勘探，滲透率提升速度較快，2023-2029年將每年增加10pct，并達到70%。2030-2032年，市場逐步進入成熟期，滲透增長率出現下滑，每年增加3pct，最終達到79%；在中性情況下，光纖傳感器市場滲透率穩步提升，2023年小部分下游用戶開始使用光纖探測器，滲透率達5%，2024年市場開始逐步接受光纖探測器，滲透率達10%，隨后產品穩步推廣，2025-2029年滲透率以每年增加10pct的速度達到60%，超一半下游用戶將使用該技術，市場結構穩定，2030-2032年滲透率增長趨于平穩，以每年增加3pct的速度增長至69%；在悲觀情況下，光纖傳感器市場推廣受阻，只有少數用戶使用，2023-2028年滲透率以每年增加5pct的速度達到30%，隨后市場增長出現停滯，2029-2032年滲透率以每年增加1pct的速度達到34%。3）石油勘探光纖傳感探測器價格以光格科技招股說明書中披露的價格為基礎，每套光纖傳感器設備約270萬元。智慧管線領域：我們預計2023-2032年中國市場樂觀情況下將達166億元，中性情況下將達116億元，悲觀情況下將達73億元。考慮到國內城市地下管線老化所產生的監控需求以及電網電纜等長距離管線的風險管理需求，我們對未來10年中國智慧管線光纖傳感器市場進行了如下測算：1）地下管廊長度預測方面，以住建部所披露的城市道路里程與地下管廊配建率為基準：

2015-2021年，中國城市道路建設穩步推進，道路里程增長率維持在4%-9%。我們預測2023-2027年城市道路建設將保持持續穩定增長態勢，增長率與2015-2021年復合增長率持平，達5.77%。2028-2032年，重點區域城市道路建設基本完成，增長率穩中有降，每年下降0.5pct，最終達3.27%。2019-2020年地下管廊配建率保持在8.1%，在樂觀情況下，地下管廊建設快速發展，2023-2032年配建率延續8.1%的增長態勢。在中性情況下，2023-2025年，地下管廊快速發展，配建率達8.1%，2026-2032年，市場進入成熟期，地下管廊配建率每年下降0.2pct，最終達6.7%。在悲觀情況下，2023-2032年，地下管廊推廣受阻，配建率從2023年達8.1%開始每年下降0.3pct，最終達5.4%。2）在電網電纜領域，以中電聯所披露的220千伏及以上輸電線路長度數據為基準。2019-2021年，220千伏及以上輸電線路長度增長率維持在4.5%-5.7%區間，呈現出穩步發展態勢，平均增速達5.0%。在樂觀情況下，電網電纜長度增長速度較快，達到2019-2021年平均增速；在中性情況下，電網電纜建設保持平穩發展，增長速度保持在4.0%；在悲觀情況下，電網電纜建設發展速度放緩，增長速度設定為3.0%。3）地下管廊和電力電網領域光纖傳感器的覆蓋率根據樂觀、中性和悲觀三種情況討論：在樂觀情況下，光纖傳感器實現對地下管廊和電力電網的大面積覆蓋和監控，覆蓋率假設為85%；在中性情況下，光纖傳感器對超一半的地下管廊和電力電網進行覆蓋，覆蓋率假設為65%；在悲觀情況下，光纖傳感器僅對小部分地下管廊和電力電網實現覆蓋，覆蓋率為45%。4）在地下管廊領域，光纖傳感器價格以光格科技招股說明書中披露的價格為基礎，每套光纖傳感器設備約260萬元；在電網電纜領域，光纖傳感器價格以光格科技招股說明書中披露的價格為基礎，每套光纖傳感器設備約70萬元。基于上述對水下安防、周界安防、石油勘探以及智慧管線領域的測算，我們預計2023-2032年民用光纖傳感器市場樂觀情況下將達1487億元，中性情況下將達1103億元，悲觀情況下將達795億元。重點公司分析光纖水聽器產業鏈中游制造企業和單位數量較多，下游軍用領域用戶較為集中。我國光纖水聽器產業鏈分為上游零部件供應、中游制造以及下游應用三個環節。其中上游的零部件主要包括組成水聽器的機箱、光纖、數據傳輸、轉換分析芯片、電源等，供應商較為分散；

中游制造環節主要分為軍用和民用兩個領域，主要參與主體多為有軍工背景的企業或體制內科研院所和單位；下游應用主要圍繞軍用和民用展開，其中軍用領域用戶多為艦船、潛艇以及水下安防主體單位，用戶集中在中國船舶體系的中船重工和中船工業下屬造船廠。民用領域用戶較為分散，在智能管線、石油勘探、周界安防領域均有不同用戶。集智股份杭州集智機電股份有限公司成立于2004年，并于2016年在深交所創業板上市，是國內唯一一家主營全自動平衡機產品的A股上市企業。自成立以來便專注于全自動平衡機的研發、設計、生產和銷售，掌握了全自動平衡機核心技術，解決了精密速度傳感器設計、精確定位、數學模型建立、自動對刀與進刀、動態密度補償等難題，在2020年入選國家專精特新小巨人企業名單。與之江實驗室展開深度合作，進軍光纖水聽器領域。公司2020年起開始涉足光纖水聽器領域，2022年以子公司諦聽智能為主體，與之江實驗室合作開發智能聲學傳感系統。之江實驗室是浙江省政府、浙江大學、阿里巴巴共同舉辦的混合所有制新型研發機構，以智能感知、未來網絡、大數據分析及人工智能等主要方向。根據公司定增招股書披露，公司目前已完成分布式光纖傳感系統和海量傳感信號處理方法與特征識別AI算法等技術研發。頂級學者坐鎮，之江實驗室矗立分布式光纖傳感研究前沿。2019年，饒云江受聘成為之江實驗室光纖傳感首席科學家，其至今一直擔任“光纖傳感與通信”教育部重點實驗室主任，曾帶領團隊成功研制uDAS分布式光纖傳感地震儀，標志著我國井中地球物理技術——井中光纖“卡脖子”技術實現跨越式發展。在饒云江的坐鎮下，之江實驗室重點打造光纖水聽系統、光纖傳感系統、傳感光纖光纜、光子集成器件四大研究方向。依托之江實驗室-電子科技大學光纖傳感聯合研究中心、之江-富通聯合創新研究中心，通過打造產學研合作聯盟，將逐步形成一支超過200人的一流光纖傳感研發隊伍，力爭成為國際一流的光纖傳感研究中心和產業基地。中國海防中國船舶重工集團海洋防務與信息對抗股份有限公司成立于1993年，1996年公司在上交所上市。2017年，中國海防經歷第一次資產重組，主營業務轉變為水聲信息傳輸裝備和各類電控系統的研制和生產，具體產品包括各類軍民用水聲信息傳輸裝備、水下武器系統專項設備等軍品領域產品，以及壓載水電源等民品領域產品；2019年，經歷第二次資產重組，在現有業務基礎上新增水下信息探測、水聲信息偵測和處理、水下控制系統等等領域的業務，業務協同進一步加強。水聲電子防務是一大業務，具有較強競爭力。2021年公司收入結構中，水聲電子防務產品實現收入19.81億元，占比達40.64%，是公司收入和利潤的主要來源，也是競爭力最強的業務。目前，在水下信息化領域，公司處于行業領先地位，主要產品包括水下信息獲取/探測/通信/對抗/導航系統及設備、水聲換能器、各類水聲儀器及器材、航空聲信標、壓電陶瓷元件等。公司是防務領域通信聲納裝備的核心供應商和一體化聲納水聲通信功能系統總體牽頭單位，掌握和擁有水下通信、水下探測、水下信息對抗設備的主體技術和核心技術。多個子公司從事水聽器及水聲系統研制生產，技術實力和市占率領先市場。公司子公司長城