水听器是被动声呐系统的核心部件，光纤传感技术助力实现性能突破
　　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。历经多年发展，使用光纤传感技术的水听器凭借噪声低、动态范围大、抗干扰能力强、传输与组阵能力强、系统可靠性高、施工难度小等优点逐步取代传统压电陶瓷水听器，成为未来主流发展方向。
　　海洋信息化时代来临，技术创新与国产替代成为行业发展主旋律
　　中国海洋资源丰富，在国家政策的指引下，信息化成为推动海洋经济更进一步的新增长极。2014年，国家将搭建海底观测网列为建设海洋基础设施的首要任务，而水听器则是完成该任务的重要装备。在海洋信息化背景下，随着光纤传感技术的快速发展，光纤水听器呈现出多元化发展态势。在国际竞争层面，英国和美国是光纤水听器领域的开拓者，相关产品已在部分主战装备中列装。中国起步相对较晚，国内部分科研团队已经在干端数据算法上实现突破，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。
　　光纤传感技术通用性较高，下游应用领域广泛
　　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。在水下安防领域，中国海洋面积辽阔，光纤水听器可以通过智能核心算法实现对于入侵目标的识别和预警；在周界安防领域，光纤传感器在利用振动和压力进行目标识别的同时，有效提升系统稳定性，降低周界监控成本；在石油勘探领域，中国本土石油消耗量大，需要大量进口，光纤探测器有助于降低勘探成本，实现勘探渠道拓展；在智慧管道方面，中国部分城市管线超服役期，光纤传感器能够实现及时预警。
　　军民领域需求持续增长，未来市场发展前景广阔
　　军用领域方面，中国海军装备较美国仍有较大差距，水听器市场需求旺盛，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；民用领域方面，我们对水下安防、周界安防、石油勘探以及智慧管线领域的市场进行了分别测算，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。中性情况下未来10年军民市场合计达1542亿元，发展前景广阔。
　　产业链参与主体数量众多，下游军用领域用户较为集中
　　光纤水听器产业链上游供应商较为分散，中游制造商主要分为军用和民用两个领域，其中军用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，民用参与主体较多。相关代表企业有集智股份、中国海防、中科海讯、光格科技、神州普惠等；下游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。
　　风险提示：技术产业化速度不及预期风险，行业竞争加剧风险，疫情影响海洋业发展风险。
　　

研究报告全文：证券研究报告航天军工光纤水听器海洋之耳前景广阔华泰研究航天军工增持维持2023年2月08日中国内地专题研究研究员李聪水听器是被动声呐系统的核心部件光纤传感技术助力实现性能突破SACNoS0570521020001licong017951htsccomSFCNoBRW518861063211166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完整的水研究员朱雨时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SACNoS0570521120001zhuyushihtsccom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861063211166向民用领域拓展历经多年发展使用光纤传感技术的水听器凭借噪声低联系人田莫充动态范围大抗干扰能力强传输与组阵能力强系统可靠性高施工难度SACNoS0570121040043tianmochonghtsccom小等优点逐步取代传统压电陶瓷水听器成为未来主流发展方向862128972228海洋信息化时代来临技术创新与国产替代成为行业发展主旋律行业走势图中国海洋资源丰富在国家政策的指引下信息化成为推动海洋经济更进一步的新增长极2014年国家将搭建海底观测网列为建设海洋基础设施的航天军工沪深300首要任务而水听器则是完成该任务的重要装备在海洋信息化背景下随9着光纤传感技术的快速发展光纤水听器呈现出多元化发展态势在国际竞1争层面英国和美国是光纤水听器领域的开拓者相关产品已在部分主战装备中列装中国起步相对较晚国内部分科研团队已经在干端数据算法上实8现突破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1725光纤传感技术通用性较高下游应用领域广泛Feb-22Jun-22Oct-22Jan-23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资料来源Wind华泰研究广泛应用于水下安防周界安防石油勘探智慧管线等领域在水下安防领域中国海洋面积辽阔光纤水听器可以通过智能核心算法实现对于入侵目标的识别和预警在周界安防领域光纤传感器在利用振动和压力进行目标识别的同时有效提升系统稳定性降低周界监控成本在石油勘探领域中国本土石油消耗量大需要大量进口光纤探测器有助于降低勘探成本实现勘探渠道拓展在智慧管道方面中国部分城市管线超服役期光纤传感器能够实现及时预警军民领域需求持续增长未来市场发展前景广阔军用领域方面中国海军装备较美国仍有较大差距水听器市场需求旺盛我们预计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363亿元民用领域方面我们对水下安防周界安防石油勘探以及智慧管线领域的市场进行了分别测算我们预计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795亿元中性情况下未来10年军民市场合计达1542亿元发展前景广阔产业链参与主体数量众多下游军用领域用户较为集中光纤水听器产业链上游供应商较为分散中游制造商主要分为军用和民用两个领域其中军用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民用参与主体较多相关代表企业有集智股份中国海防中科海讯光格科技神州普惠等下游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风险提示技术产业化速度不及预期风险行业竞争加剧风险疫情影响海洋业发展风险免责声明和披露以及分析师声明是报告的一部分请务必一起阅读1航天军工正文目录水听器探析海洋世界的水下之耳3水下声波优秀捕手被动声呐核心组件3两次世界大战推动技术发展光纤水听器成为发展方向5聚焦光纤传感技术高性能高可靠易操作等优势并存8海洋信息化大势所趋光纤水听器乘风而起11海洋经济快速增长信息化时代已经到来11产业逐步迈入快速成长期技术突破推动产品多样化13多国光纤传感技术发展迅速国产替代奏响产业主旋律15光纤传感通用性高应用领域广泛17水下安防17周界安防18石油勘探19智慧管线19军民领域两翼齐飞市场发展前景广阔21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21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22相关企业梳理26集智股份300553CH26中国海防600764CH27中科海讯688122CH28光格科技A22418CH29神州普惠未上市30风险提示31免责声明和披露以及分析师声明是报告的一部分请务必一起阅读2航天军工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340ms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图表1电磁波和机械波在不同介质中的传播速度资料来源普通高中课程标准实验教科书-物理选修3-4中学物理教材编写组山东科学技术出版社2005年出版华泰研究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SoundNavigationAndRangingSONAR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免责声明和披露以及分析师声明是报告的一部分请务必一起阅读3航天军工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图表2主动声呐与被动声呐工作原理资料来源声呐平台水声信号处理研究与实现张志彬河北科技大学学位论文2014年出版华泰研究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属于高附加值产品图表3水听器照片图表4水听器在辽河油田井下的应用资料来源普赛升官网华泰研究资料来源光纤激光水听器研究进展张文涛和李芳集成技术2015年出版华泰研究免责声明和披露以及分析师声明是报告的一部分请务必一起阅读4航天军工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图表5水听器系统示意图以光纤水听器系统为例资料来源光纤激光水听器研究进展张文涛和李芳集成技术2015年出版华泰研究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免责声明和披露以及分析师声明是报告的一部分请务必一起阅读5航天军工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图表6水下无人监听技术发展历程资料来源水声学研究进展李启虎声学学报2001年出版华泰研究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图表7压电水听器结构示意图资料来源光纤激光水听器研究进展魏兵等集成技术2015年出版华泰研究免责声明和披露以及分析师声明是报告的一部分请务必一起阅读6航天军工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图表8光纤水听器示例图表9光纤水听器系统结构示意图资料来源光纤激光水听器研究进展张文涛和李芳集成技术2015资料来源光纤激光水听器研究进展张文涛和李芳集成技术2015年出版华泰研究年出版华泰研究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图表10干涉型光纤水听器示意图资料来源从马航事件浅析光纤水下声音探测技术缪璇等中国公共安全2014年出版华泰研究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免责声明和披露以及分析师声明是报告的一部分请务必一起阅读7航天军工图表11强度型光纤水听器示意图资料来源从马航事件浅析光纤水下声音探测技术缪璇等中国公共安全2014年出版华泰研究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进行分布式测量图表12光栅型光纤水听器示意图资料来源从马航事件浅析光纤水下声音探测技术缪璇等中国公共安全2014年出版华泰研究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05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免责声明和披露以及分析师声明是报告的一部分请务必一起阅读8航天军工图表13光纤传感器和电子传感器的比较比较内容光纤传感器电子传感器传感分布特性检测点连续可以全面检测被监视对象的各点的情况检测范围大几公检测点间断只有检测探头接触的点才能被检测检测范围小里至几十公里探头使用光纤抗干扰性能强绝缘性能好无击穿烧毁等问题使用电子传感器有电路通道极易受电磁干扰对与高压设备的绝缘要求特别高检修维护很难检测信号输出光信号不受电力设备的电磁干扰弱电信号极易受到电磁干扰信号通道使用光纤探头与信号通道一体不怕干扰不怕高压系统简单安全使用电路对与高压设备的绝缘要求特别高检修维护很难信号处理技术检测光电技术检测模拟电子传输光信号传输弱电信号处理高速数字技术处理数字技术系统可靠性由于系统精简可靠性很高可靠性低受探头信号传输通道主机等全部设备影响施工安装方便能在细小的夹缝易燃易爆有毒有害恶劣环境下安装布不方便许多地方无法实施甚至无法安装布线复杂维护困难线简单基本不需要维护其它特点不带电抗射频和电磁干扰防燃防爆抗腐蚀耐高压和强电磁场早期技术过去应用广泛在许多特殊环境下无法使用耐辐射能在各种有害的环境中工作资料来源光纤测温系统在电力系统的应用李伟良和张金成青海电力2002年出版华泰研究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免责声明和披露以及分析师声明是报告的一部分请务必一起阅读9航天军工图表14光纤水听器的优势资料来源光纤水听器的原理与应用张仁和和倪明等物理2004年出版华泰研究免责声明和披露以及分析师声明是报告的一部分请务必一起阅读10航天军工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18万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98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475提升至2020年的617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图表152010-2020年中国海洋经济GDP及占国民GDP比重图表162020年中国海洋主要产业结构亿元海洋经济海洋经济占比重100000GDPGDP100900008000095700009060000500008540000300008020000751000007020172011201220132014201520162018201920202010资料来源历年中国海洋经济统计公报华泰研究资料来源2020年中国海洋经济统计公报华泰研究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图表17各地所出台与海洋信息化相关的十四五规划文件省份相关政策主要内容广东省广东省海洋观测网十四五规划提升海洋观测能力增强对海洋的认知和管控能力山东省山东省十四五数字强省建设规划统筹推进海洋立体观测网海洋通信网络海底数据中心海底光纤电缆等基础设施建设海南省海南省海洋经济发展十四五规划推进海洋新型基础设施建设加快建设海南海底数据中心资料来源各地方政府网站华泰研究免责声明和披露以及分析师声明是报告的一部分请务必一起阅读11航天军工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ESONETEMSO观测网涉及供应商176家总投资额达24亿欧元加拿大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203亿美元美国OOI观测网投入39亿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图表18全球海底观测网建设情况图表19中国部分海底观测网位置资料来源全球有缆海底观测网概述朱俊江等热带海洋学报2017资料来源海底有缆在线观测系统研究与应用综述翟方国等海洋科学年出版华泰研究2020年出版华泰研究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免责声明和披露以及分析师声明是报告的一部分请务必一起阅读12航天军工图表20立体化海洋信息体系资料来源中国电子科学研究院华泰研究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05-10dB左右导致监测距离每年缩短05-20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075dB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图表21水下监听领域的摩尔定律资料来源第一讲进入21世纪的声呐技术李启虎等物理2006年出版华泰研究免责声明和披露以及分析师声明是报告的一部分请务必一起阅读13航天军工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48-60dB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图表22矢量光纤水听器基本结构图表23BK公司矢量水听器资料来源光纤水听器技术的研究进展孟洲等激光与光电子学进展资料来源BK公司官网华泰研究2021年出版华泰研究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免责声明和披露以及分析师声明是报告的一部分请务必一起阅读14航天军工图表24分布式光纤水听器图表25分布式光纤传感技术结构资料来源光纤水听器技术的研究进展孟洲等激光与光电子学进展资料来源Boreholeflowmonitoringusinganon-intrusivepassivedistributed2021年出版华泰研究acousticsensingDASFinfer等SPEAnnualTechnicalConferenceandExhibition2014年出版华泰研究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图表26拖曳阵光纤水听器示意图图表27美国弗吉尼亚级潜艇的舷侧阵和拖曳阵水听器资料来源光纤水听器技术的研究进展孟洲等激光与光电子学进展资料来源SubmarineDiary华泰研究2021年出版华泰研究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免责声明和披露以及分析师声明是报告的一部分请务必一起阅读15航天军工图表28各国典型光纤水听器项目或产品国别发布时间项目或产品名称项目或产品概述美国20世纪80年代中期全光拖曳阵列计划完成基于频分复用的8单元拖曳阵列海试和48单元拖曳阵列的研制和海试验证证明光纤水听器拖曳阵具有优异的声信号采集能力和海洋环境适应性美国1990年两个基于芯轴型Michelson干涉仪结构的水听Litton制导和控制公司与海军研究实验室合作研制该设备装备于668级攻击型器一个光纤船体穿透器和一套光电子系统潜艇和海狼级攻击潜艇美国2004年全光可拓展水听器系统AODS该系统实现深海光纤布设采用时分和波分混合复用技术阵列由64单元组成可扩展至256单元应用于岸基检测最大距离可达100公里美国2004年96单元光纤水听器海底阵列FOBMA英国QinetiQ公司与海军研究实验室合作研制该阵列采用6路波分16路时分的复用方案按48单元为一段全阵两段的方式设计工作水深大于300米美国21世纪初TB-33细线拖曳阵由切萨皮克科学公司与海军研究实验室合作研制水听器采用低反射率光纤布拉格光栅结构探头直径约10毫米采用时分和波分复用技术将解调干涉仪集成到传输缆中使每一路波分都有独立的解调干涉仪系统降噪约70dB装备于弗吉尼亚级核潜艇美国21世纪初全光轻型宽孔径舷侧阵LWWAA整个系统由6个子面阵列组成分别安装在潜艇两侧每个子阵列包括450个光纤水听器单元装备于弗吉尼亚级核潜艇在重量和成本上比海狼级攻击型核潜艇装备的ANBQG-5型宽孔径基阵声呐降低了54和37英国1998年32单元光纤水听器阵列由英国防卫评估研究局现属QinetiQ公司与联合应用物理研究所研制基于时分复用结构具有5公里以上的信号传输能力法国2002年32单元光纤水听器阵列水听器阵列系统光路噪声低于零级海况海洋环境噪声约15dB该系统的技术成果用于拖曳阵列日本1990年北极海冰下光纤声纳在离岸800米冰下100米深处安装2个光纤水听器间距2米能够检测到26dB以下的微弱声波日本21世纪初光纤水听器系统用于日本东南海域长期水下地震监测资料来源细线拖曳声纳研究进展运朝青等半导体光电2012年出版华泰研究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图表292014年中国防展展示的大规模光纤水听器阵列资料来源光明网华泰研究免责声明和披露以及分析师声明是报告的一部分请务必一起阅读16航天军工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图表30英国蛙人部队图表31外国现役或在研微型潜艇型号国家现役型号在研型号玉高级山高级朝鲜-鲑鱼级伊朗卡迪尔级-巴基斯坦SX-756X-908PA-瑞典海匕首级-俄罗斯-超级比拉鱼级韩国-HDS-400HDS-500资料来源水下奇兵蛙人部队漫谈姜森检察风云2022年出资料来源国外微型潜艇装备技术发展研究李春光等舰船科学技术版华泰研究2020年出版华泰研究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图表32分布式光纤水听器安防示意图图表33典型分布式光纤水听器资料来源光电汇官网华泰研究资料来源光电汇官网华泰研究免责声明和披露以及分析师声明是报告的一部分请务必一起阅读17航天军工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图表34分布式光纤传感器在周界监控中的应用资料来源汇安谷官网华泰研究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图表35分布式光纤传感器对不同类型入侵的识别资料来源杰锐智联科技官网华泰研究免责声明和披露以及分析师声明是报告的一部分请务必一起阅读18航天军工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图表362013-2022年中国成品油消费量万吨40000中国成品油消费量350003000025000200001500010000500002013201420152016201720182019202020212022注2020年和2022年只披露了前9个月的数据资料来源发改委华泰研究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免责声明和披露以及分析师声明是报告的一部分请务必一起阅读19航天军工图表37使用分布式光纤传感器的智能管线体统资料来源光格科技官网华泰研究免责声明和披露以及分析师声明是报告的一部分请务必一起阅读20