（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m/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（SoundNavigationAndRanging，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。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。年泰坦尼克豪华巨轮与冰山相撞，事故造成人丧生。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。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。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。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。

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。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，，年出版）一文，以光纤温度传感器为例，其探测范围约为-10℃到℃，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，，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-dB，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，生产总值由年的亿元增长至年的亿元，-年CAGR达9.8%，海洋产业GDP占国民GDP比维持在8%-9%左右。

虽然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，从年的47.5%提升至年的61.7%，在年的产业结构中，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。年底，国家海洋局印发了《全国海洋观测网规划（-年）》，将海底观测网建设列为海洋基础设施建设的首要任务。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

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