JJF 2286-2025 干涉型光纖水聽器相移靈敏度校準規范（差分延時外差解調法）標準立項發展報告

標題：干涉型光纖水聽器相移靈敏度校準規范（差分延時外差解調法）標準立項發展報告EnglishTitle:StandardizationDevelopmentReport:CalibrationSpecificationforPhaseShiftSensitivityofInterferometricFiber-OpticHydrophones(DifferentialDelayHeterodyneDemodulationMethod)摘要隨著水下探測、海洋資源勘探、水聲通信及國防安全等領域對高靈敏度、大動態范圍、抗干擾能力強的水聲傳感器需求的日益增長，干涉型光纖水聽器憑借其獨特優勢成為研究與應用的熱點。其核心性能指標——相移靈敏度的準確校準，直接關系到系統探測精度和數據可靠性。然而，長期以來，針對采用差分延時外差解調法的干涉型光纖水聽器，國內外缺乏統一、規范的校準技術規范，導致不同廠家、不同實驗室的測試結果缺乏可比性，制約了該類傳感器的標準化生產和規模化應用。本報告旨在系統闡述《干涉型光纖水聽器相移靈敏度校準規范（差分延時外差解調法）》（JJF2286-2025）的立項背景、研制過程、核心技術內容及未來展望。報告首先分析了當前光纖水聽器技術發展現狀、校準技術面臨的挑戰以及國內外標準空白狀況，明確了制定該規范的緊迫性和必要性。其次，詳細介紹了規范的核心技術路線，包括基于差分延時外差解調法的原理、校準裝置構成、關鍵參數定義及校準方法流程，尤其針對相位載波幅度、解調深度、非線性失真等關鍵因素提出了明確的評定與控制要求。最后，報告對規范的主要起草單位——中國計量科學研究院進行了專題介紹，并總結了規范的實施意義，即在確保測量結果的溯源性、準確性和一致性的基礎上，為促進我國光纖水聽器產業的技術進步、提升國產設備在國際市場的競爭力提供堅實的計量技術支撐。展望未來，該規范將持續演進，以適配更高帶寬、更低噪聲的新一代光纖水聽器系統。關鍵詞干涉型光纖水聽器；相移靈敏度；差分延時外差解調；校準規范；計量技術規范；聲學測量；JJF2286-2025Keywords:InterferometricFiber-OpticHydrophone;PhaseShiftSensitivity;DifferentialDelayHeterodyneDemodulation;CalibrationSpecification;MetrologicalTechnicalSpecification;AcousticMeasurement;JJF2286-2025正文1.引言海洋是地球上最大的生態系統，其資源的開發與利用、環境的監測與保護以及國家海洋權益的維護，均對水下信息獲取技術提出了極高的要求。水聽器作為水下聲場探測的核心傳感器，其性能直接決定了水聲系統的性能上限。相較于傳統的壓電陶瓷水聽器，干涉型光纖水聽器（InterferometricFiber-OpticHydrophone,IFOH）具有靈敏度高、動態范圍大、抗電磁干擾、易于組網、傳輸損耗低等顯著優勢，廣泛應用于軍事國防（如潛艇探測、水雷偵察）、海洋科學研究（如海洋環境噪聲監測、海底地震波探測）、資源勘探（如海洋油氣資源勘探）及民用領域（如水下安防、漁業聲學）。在多種干涉型光纖水聽器解調方案中，差分延時外差解調法（DifferentialDelayHeterodyneDemodulation,DDH）因其具有結構簡單、光路對稱性好、共模噪聲抑制能力強、相位解調線性度高及動態范圍大等優點，已成為當前光纖水聽器系統，尤其是高精度、大陣列系統的主流解調方案之一。該方法的校準技術，特別是對其核心指標——相移靈敏度的精確、可重復的測量，是保證系統性能和應用效果的關鍵前提。然而，在現場校準技術層面，國際上尚缺乏專門針對采用DDH解調法的干涉型光纖水聽器的相移靈敏度校準的國際標準（如IEC標準）或通用的國際建議。我國在該領域的標準制定也相對滯后，原有的水聽器校準標準主要針對傳統壓電式水聽器，未能充分考慮到光纖水聽器，特別是DDH解調方式帶來的獨特校準問題，如相位載波的幅度與頻率設定、解調深度匹配、光路延時和信道平衡度等。這種標準缺失直接導致：不同單位生產的同類產品性能標稱口徑不一；用戶采購驗收缺乏權威依據；研發測試結果的可比性差；產品的質量控制與量值溯源面臨困難。為填補這一空白，滿足國家海洋戰略和產業發展的迫切需求，國家市場監督管理總局批準立項制定了《干涉型光纖水聽器相移靈敏度校準規范（差分延時外差解調法）》，編號JJF2286-2025。該規范作為國家計量技術規范，旨在建立一套科學、統一、可操作的校準方法，為干涉型光纖水聽器性能的準確評估和量值統一提供技術依據。2.規范制定的必要性與緊迫性2.1技術發展的驅動近年來，光纖水聽器技術發展迅猛，其帶寬已從幾千赫茲擴展至百千赫茲，動態范圍超過140dB，噪聲水平不斷降低。尤其是陣列規模從幾十基元發展到數百甚至上千基元。這些技術演進對校準設備的精度、動態范圍、頻率響應、多路并行測試能力提出了前所未有的挑戰。傳統的單通道、基于電壓響應的校準方法已無法滿足新型光纖水聽器，特別是基于相位解調系統的校準需求。2.2核心性能指標校準的復雜性相移靈敏度（單位聲壓引起的干涉儀兩臂相位差變化，單位為rad/Pa）是衡量干涉型光纖水聽器性能的核心參數。準確測量該參數要求校準系統具備：-高精度相位產生與測量：能夠穩定、精確地產生并測量微小的相位變化。-解調系統響應特性校準：需要將水聽器探頭和后續解調系統作為一個整體進行校準。DDH解調法的性能受到相位載波（Carrier）的幅度、頻率以及解調器中延時線、混頻器等環節特性的直接影響，這些因素必須在校準過程中予以明確和統一。-聲場耦合的精確建模：水聽器在聲場中的響應不僅取決于自身結構，還與聲場特性（如平面波、駐波管、消聲水池）密切相關。校準必須確保聲場的可控與可溯源性。2.3行業需求的迫切性國內已有多家高校和企業在研發和批量生產光纖水聽器系統（如中國科學院聲學研究所、天津大學、北京航天控制儀器研究所、武漢理工光科股份有限公司等）。然而，由于缺乏統一的校準規范，各企業、各實驗室的“相移靈敏度”數據往往基于不同的測試環境、測試頻率點和解調參數獲得，數據難以互認。這不僅影響了產業鏈上下游的質量對接，也阻礙了國產高端光纖水聽器進入國際市場。制定統一的校準規范，是健全產業生態、促進公平競爭、提升整體水聲技術水平的必由之路。2.4國家政策的支持《國家中長期科學和技術發展規劃綱要（2006-2020年）》及后續的海洋強國戰略、《計量發展規劃（2021-2035年）》均明確提出要加強海洋、先進制造等領域的計量標準研究和體系建設。制定相關水聲計量標準，是落實國家戰略、保障海洋裝備質量、提升國防能力的具體行動。3.規范的核心技術內容JJF2286-2025規范的核心目標是建立一套針對干涉型光纖水聽器（采用差分延時外差解調法）從原理、裝置、方法到數據處理的全鏈條校準技術規范。其主要技術內容如下：3.1適用范圍本規范適用于采用差分延時外差解調法的干涉型光纖水聽器相移靈敏度的首次校準、后續校準和使用中檢查。規范不僅涵蓋單基元水聽器，也為組成陣列后的基元測試提供了參考依據。3.2計量特性參數規范明確定義了以下核心計量特性，并給出了相應的校準項目：-相移靈敏度（PhaseShiftSensitivity）：在指定頻率和聲壓級下，水聽器輸出相位變化與作用聲壓的比值。單位：rad/μPa。-頻率響應（FrequencyResponse）：相移靈敏度隨頻率變化的曲線。-動態范圍（DynamicRange）：在保證線性響應條件下的最大可測聲壓級與噪聲本底聲壓級之差。-非線性失真（NonlinearDistortion）：由水聽器探頭、解調系統引入的諧波失真，需在使用的工作頻帶內進行測量。-指向性（Directivity）：對于特定應用，校準不同入射角下的靈敏度。3.3校準條件-環境條件：明確規定了校準環境溫度、水溫和鹽度范圍，以減小環境因素對光纖和聲場的影響。-聲場條件：依據工作頻段，采用不同類型的參考聲場。例如，低頻段（<1kHz）可采用振動液柱法或駐波管法；中高頻段（1kHz-100kHz）采用自由場比較法（消聲水池）；更高頻段參考標準水聽器校準。-光學條件：對光源的波長、功率穩定性、相位噪聲水平提出要求；對DDH解調器的光路延時、光電探測器帶寬、放大增益及解調算法參數（如載波頻率、幅值、混頻器相位）進行明確規定，確保測試條件的一致性和可復現性。3.4校準方法規范詳細描述了基于“置換法”或“直接法”的校準流程：-標準器件替換：利用已知靈敏度的標準水聽器或標準相位調制器作為參考。-聲壓級測量：在消聲水池中，通過標準水聽器測量指定位置的聲壓級。-水聽器響應測量：將被校光纖水聽器置于標準水聽器位置，通過DDH解調系統解調得到其相位響應。-靈敏度計算：靈敏度(S)=相位響應(Δφ)/聲壓(p)。頻率響應通過掃頻測量獲得。-校準因子修正：考慮到標準水聽器與被校水聽器幾何尺寸、聲學中心差異導致的聲場非均勻性影響，規范給出了詳細的修正公式或系數表。3.5數據處理與不確定度評定3.6校準結果的表達規范要求校準證書至少包含：水聽器型號、編號、校準日期、校準依據（JJF2286-2025）、校準頻率點、相移靈敏度值及擴展不確定度（k=2）、頻率響應曲線、動態范圍、非線性失真等。對于陣列測試，還需注明基元編號、陣列結構等信息。4.標準實施的預期效果-統一量值：通過建立全國統一的光纖水聽器相移靈敏度量值傳遞體系，解決行業內“多把尺子”的問題。-促進產業進步：為光纖水聽器的研發、設計、生產提供明確的性能評價標尺，引導企業攻克關鍵技術難題，提升產品性能與可靠性。-提升監管效能為國家海洋監測、國防裝備等領域的采購驗收、質量監督提供權威技術依據。-增強國際競爭力：與國際水聲測量體系接軌，推動我國光纖水聽器產品及測試技術走向世界。介紹主要參與單位：中國計量科學研究院本規范的主要起草單位為中國計量科學研究院（NationalInstituteofMetrology,NIM）。作為國家最高計量科學研究中心和國家級法定計量技術機構，NIM承擔著建立、保存和維護國家計量基準、標準，開展量值傳遞和溯源，參與國際計量比對等重要職責。在水聲計量領域，NIM擁有國內最具權威性的水聲計量實驗室。該實驗室配備了從低頻到超高頻的全套計量標準裝置，包括消聲水池、駐波管、耦合腔、振動液柱法等，建立了完善的聲壓量值溯源體系。在JJF2286-2025的研制過程中，NIM的聲學計量團隊發揮了主導作用。具體貢獻包括：1.技術攻關：針對光纖水聽器相移靈敏度校準中的難點，如非接觸式聲光耦合、基于相位調制的聲場控制、DDH解調器參數影響定量分析等，設計并搭建了專用校準實驗系統。2.原理驗證：開展了大量的實驗驗證，系統分析了相位載波幅度、頻率、光路延時、光纖端面反射、偏振態等對校準結果的影響，提出了合理的控制限值和方法。3.比對與驗證：組織了國內多家主要光纖水聽器研制單位（如中國科學院聲學研究所、北京航天控制儀器研究所等）進行測量比對，驗證了規范草案的可行性和有效性，確保了其科學性與普適性。4.標準編制：匯總各方意見和建議，依據JJF1001《通用計量術語及定義》、JJF1059.1等相關規范要求，起草了規范的正式文本，并順利通過全國聲學計量技術委員會（MTC18）的審查。中國計量科學研究院的深度參與，確保了JJF2286-2025在技術水平、量值溯源性和標準嚴肅性上的最高標準，為規范的實施奠定了堅實的計量技術基礎。結論《干涉型光纖水聽器相移靈敏度校準規范（差分延時外差解調法）》（JJF2286-2025）的成功發布與實施，是我國水聲計量領域一項重要的標準化成果。它不僅填補了針對此類特定解調方式光纖水聽器校準規范的國內空白，也標志著我國在水聲傳感器精密計量能力上達到了新的高度。該規范的核心價值在于，通過確立一套科學、嚴謹、可操作的校準方法，將相移靈敏度的測量統一到國家基準上，解決了長期困擾產業界的量值溯源難題。它將對我國光纖水聽器技術的研發、質量控制、產品應用及市場公平競爭產生深遠影響，為海洋強國戰略的實施提供關鍵的計量支撐。展望未來，隨著光纖水聽器向更高靈敏度、更寬頻帶、多參量復合（如聲場、振動、溫度同時測量）及更復雜陣列結構方向發展，相關校準標準也需要持續迭代更新。預計未來1-3年內，會基于本規范的實踐經驗，開展以下工作：1.標準修訂：根據行業反饋和技術進步，適時修訂規范，擴大頻率覆蓋范圍，考慮引入分布式聲傳感（DAS）的校準方法。2.國際接軌：推動我國在該領域的校準規范與國際法制計量組織（OIML）、國際電工委員會（IEC）相關