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超强激光科学卓越创新简报

(第七百七十四期)

2026年5月22日

上海光机所成功研制基于FPGA的小型化低功耗水下分布式声学传感系统并实现毫赫兹级甚低频响应探测

近日，中国科学院上海光学精密机械研究所空天激光技术与系统部叶青研究员团队在水下声学传感技术领域取得重要进展。研究团队成功研制出一款小型化、低功耗、具备甚低频响应能力的水下分布式声学传感（DAS）系统-HyDAS2.0，为广域海洋监测提供了全新的技术手段，相关研究成果以“Miniaturized frequency-diversity FPGA-DAS system for small-size object hydro-acoustic detection”为题，于11月14日在线发表于Optics Express。

传统大型DAS系统依赖岸基设施，体积庞大（>38L）、功耗高（>100W），难以部署在远海、孤岛礁盘等关键区域。为突破此限制，研究团队提出并实现了一种基于现场可编程门阵列（FPGA）的小型化频率分集DAS技术。该系统采用多项核心技术以确保性能与可靠性：

  1. 实时处理：设计了四级流水线加速算法，实现了对多通道分集信号的实时解调，处理速度比高性能通用处理器（Core i9）快约40倍；
  2. 抗干扰与降噪：通过频率分集技术有效抑制了信号衰落；采用“多域时钟同源”设计，从根源上抑制了时钟异步引入的低频相位噪声；通过“隔离式集成封装”技术，实现了对无源光学器件的热隔离与振动隔离；
  3. 小型化设计：最终系统尺寸仅为210×168×70 mm³（小于半张A4纸），重量1.6kg，功耗低至30W，并采用无风扇设计以增强稳定性。

上述HyDAS2.0系统分别在实验室与南海环境中进行了测试，实验室结果表明，该系统具备稳定的毫赫兹（mHz）级甚低频响应能力。在南海进行的海试中，该系统成功捕捉并精确重构了潜水员（0.05-0.1 Hz频段）的非接触式运动轨迹，平均视速度约为0.35m/s。这是国际上首次利用如此小型化的DAS系统实现潜水员探测与mHz量级的甚低频响应。该研究将DAS技术从实验室推向了海洋应用前沿，为海洋生物监测、渔业研究、水下科学考察及搜救等领域的小尺寸目标水声探测，提供了一种兼具高实时性、高低频灵敏度与优异环境适应性的可行技术方案。

相关研究得到了国家科技部重点研发项目、国家自然科学基金、以及上海市自然科学基金的支持。（空天激光技术与系统部供稿）

论文DOI

图1. HyDAS2.0系统FPGA实现框架

图2.海试中HyDAS2.0探测到潜水员沿缆无接触运动。(a)频率-波数图；(b)潜水员轨迹。


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