CN108507697B - 一种基于光纤传感的海水温深剖面测量系统 - Google Patents

Abstract

一种基于光纤传感的海水温深剖面测量系统，包括窄带光源、光耦合器、光分路器、环行器、光开关、光纤温深缆、数据采集卡和控制单元，所述窄带光源输出的光信号由光耦合器分成参考光和传感光，参考光依次经F‑P标准具和光电检测器送入数据采集卡，传感光经光分路器分为多路，每一路依次经环行器和光开关进入光纤温深缆，光纤温深缆的反射光沿原路返回到环行器后经光电检测器送入数据采集卡，所述数据采集卡与控制单元连接。本发明利用光纤温深缆对海水的深度和温度进行测量，不仅实现了海水温度剖面的实时、准分布式测量，而且测量精度高，设备故障率低。由于传感探头采用并联布置方式，不存在信号串扰问题，从而提高了设备的工作可靠性。

Description

一种基于光纤传感的海水温深剖面测量系统

技术领域

本发明涉及一种采用光纤传感技术实时测量海水温度剖面的装置，属于测量技术领域。

背景技术

海水温度是海洋调查、监测的重要内容，是海洋水文、气象观测及调查中不可或缺的技术参数。海水温度剖面的测量对研究海洋科学、海洋环境监测、季节气候预测以及海洋渔业等都有十分重要的实用意义。所谓海水温度剖面测量是指沿深度方向测量海水温度分布情况，即给出水深和相应深度处的温度信息，长时间实时观测还要给出对应的观测时间。

目前，国内外均采用温盐深海洋观测仪(CTD)来测量海水温度剖面，温盐深海洋观测仪主要由温度、盐度和压力三种传感器配以电子测量线路构成。它将数据采集器、数据传输单元和电源等电子部件密封在高强度的压力容器内。CTD测温精确度可以达到0.001℃等级，它通过吊放在不同深度逐点巡测温度、盐度和深度，获得温盐深剖面，缺点是不能实现实时和长时间同步观测温度剖面的变化。

温盐深海洋观测仪是通过测量海水压力来间接测量海洋深度的，其测量性能直接决定了海洋要素观测层次的定位精度。目前海洋压力传感主要采用电子式压力传感器，如硅压阻压力传感器和石英谐振压力传感器等。电子式压力传感器在恶劣复杂海洋环境中易受信号串扰，线缆进水也会导致短路等故障，从而影响了海洋压力监测的可靠性。

综上所述，现有的海水温深剖面测量装置存在易受信号串扰、故障率高、工作可靠性差，无法实现实时和长时间同步观测等缺点，有必要加以改进。

发明内容

本发明的目的在于针对现有技术之弊端，提供一种基于光纤传感的海水温深剖面测量系统，以实现海水温深剖面的实时和长时间同步观测，并提高系统的工作可靠性。

本发明所述问题是以下述技术方案实现的：

一种基于光纤传感的海水温深剖面测量系统，构成中包括波长值可调的窄带光源、光耦合器、光分路器、环行器、光开关、光纤温深缆、数据采集卡和控制单元，所述窄带光源输出的光信号由光耦合器分成参考光和传感光，参考光依次经F-P标准具和光电检测器送入数据采集卡，传感光经光分路器分为多路，每一路依次经环行器和光开关进入光纤温深缆，光纤温深缆的反射光沿原路返回到环行器后经光电检测器送入数据采集卡，所述数据采集卡与控制单元连接。

上述基于光纤传感的海水温深剖面测量系统，所述波长值可调的窄带光源包括宽带光源、隔离器、可调谐F-P滤波器和光放大器，所述宽带光源输出的光信号依次经隔离器、可调谐F-P滤波器和光放大器送入光耦合器，所述可调谐F-P滤波器的波长值控制端通过数据采集卡与控制单元连接。

上述基于光纤传感的海水温深剖面测量系统，所述光纤温深缆包括光信号传输缆和沿光信号传输缆等间距排列的多个温深传感单元，每个温深传感单元包括带有密封盖的不锈钢壳体、双芯光缆、FBG温度传感器和光纤F-P压力传感器，所述双芯光缆穿过并固定在密封盖的中心孔中，所述FBG温度传感器通过不锈钢支架固定在不锈钢壳体的内壁上并通过双芯光缆中的一根光纤与光信号传输缆中的一根光纤连接，所述光纤F-P压力传感器固定在不锈钢壳体上的通孔中并通过双芯光缆中的另一根光纤与光信号传输缆中的一根光纤连接。

上述基于光纤传感的海水温深剖面测量系统，所述光纤F-P压力传感器包括毛细石英管16、硅基底17和压力敏感硅片19，所述硅基底17位于不锈钢壳体上的通孔中并通过密封胶与通孔的孔壁密封连接，在硅基底17朝向不锈钢壳体外部的一面设有由压力敏感硅片19封盖的凹槽，所述毛细石英管16固定在硅基底17的凹槽底部的通孔中，双芯光缆中的一根光纤插入毛细石英管16中，在该光纤与压力敏感硅片19相对的端面上以及压力敏感硅片19与光纤相对的一面均设有高反膜。

上述基于光纤传感的海水温深剖面测量系统，所述不锈钢壳体上设有与FBG温度传感器相对应的通孔，该通孔由光栅密封螺栓密封。

上述基于光纤传感的海水温深剖面测量系统，所述不锈钢壳体上设有不锈钢丝编织网，所述不锈钢丝编织网罩在光栅密封螺栓和光纤F-P压力传感器上。

上述基于光纤传感的海水温深剖面测量系统，所述光信号传输缆包括多根不锈钢管和多根单模光纤，多根不锈钢管绞扭成缆，每根不锈钢管中穿入一根单模光纤，所述单模光纤与不锈钢管之间填充光纤油膏。

上述基于光纤传感的海水温深剖面测量系统，所述温深传感单元由硫化橡胶保护管包扎在光信号传输缆上。

上述基于光纤传感的海水温深剖面测量系统，所述光开关为多路光开关，多路光开关的每个通道与光纤温深缆中的一根光纤相对应。

上述基于光纤传感的海水温深剖面测量系统，所述密封盖与不锈钢壳体之间通过螺纹连接，在二者之间还设有密封胶圈。

本发明利用光纤温深缆对海水的深度和温度进行测量，不仅实现了海水温度剖面的实时、准分布式测量，而且测量精度高，设备故障率低。由于传感探头采用并联布置方式，不存在信号串扰问题，从而提高了设备的工作可靠性。

本发明利用光纤温深缆对海水的深度和温度进行测量，传感探头采用并联布置方式，能够避免串联复用时单个光栅温度传感器损坏时，后端传感器测量数据无法传输的问题。系统采用的F-P压力传感器基于多光束干涉原理，F-P腔不仅精细度高，而且腔长很短，使其自由光谱范围大于光源的波长范围，保证反射回的干涉光谱在光源波长范围内只包含一个波谷。F-P压力传感器采用并联的方式，能够避免测量过程中反射光谱的波谷重叠产生的串扰，减小测量误差。实现了海水温度剖面的实时、准分布式测量，而且测量精度高，设备故障率低。

附图说明

下面结合附图对本发明作进一步详述。

图1是本发明所用光纤温深缆的结构示意图；

图2是温深传感单元纵向剖面图；

图3是温深传感单元底面示意图(去掉了不锈钢丝编织网)；

图4是光纤F-P压力传感器结构示意图；

图5是本发明的光路图；

图6是FBG反射谱示意图；

图7是光纤F-P压力传感器反射谱示意图。

图中各标号为：1、光信号传输缆，2、温深传感单元，3、硫化橡胶保护管，4、双芯光缆，5、密封盖，6、光纤，7、密封胶圈，8、不锈钢支架，9、环氧树脂，10、FBG温度传感器，11、不锈钢壳体，12、光栅密封螺栓，13、不锈钢丝编织网，14、密封胶，15、光纤F-P压力传感器，16、毛细石英管，17、硅基底，18、高反膜，19、压力敏感硅片。

具体实施方式

本发明提供了一种基于光纤传感的海水温深剖面连续测量的系统，该系统可以实时和长时间同步观测温度剖面动态变化，以提高立体化海洋环境信息获取和深海探测、取样能力，推动国家海洋高技术装备的发展。

本发明包括光纤温深缆和高精度的解调系统，各部分的结构如下：

参看图1，光纤温深缆包括光信号传输缆1(毛细钢管绞扭传输光缆)、温深传感单元2和硫化橡胶保护管3。硫化橡胶保护管将温深传感单元与光信号传输缆1的熔接点和光信号传输缆1及部分不锈钢壳体11硫化固定，同时要保证温深传感单元中光纤F-P压力传感器的测量端和FBG温度传感器在硫化橡胶保护管以外，硫化橡胶保护管在保护熔接点的同时固定温深传感单元。本实施例中，12个温深传感单元为一组，通过开窗结构连接在一条24芯光缆上，共5组，60个测量点，测量点间隔5m，全长300m。

光信号传输缆1采用毛细不锈钢管绞扭结构，多根不锈钢管绞扭成缆，每根不锈钢管中包含1根单模光纤，管中填充光纤油膏。不锈钢管外部采用不同颜色标识。光纤温深传感单元按等间隔熔接在光信号传输缆1上，熔接点和温深传感单元采用硫化橡胶固定及保护。

参看图2，温深传感单元2包括带有密封盖5的不锈钢壳体11、双芯光缆4、FBG温度传感器10和光纤F-P压力传感器15，密封盖5和不锈钢壳体11由316L不锈钢套管制成，FBG温度传感器10通过环氧树脂9粘接在不锈钢支架8上，将不锈钢支架8放入不锈钢壳体11中，并在两端利用激光焊接，将不锈钢支架8固定在不锈钢壳体11中，不锈钢壳体11两端利用密封胶圈7和光栅密封螺栓12进行密封；光纤F-P压力传感器15放入到不锈钢壳体11中；传感器四周利用密封胶14密封；不锈钢壳体11外部覆盖带螺纹的不锈钢丝编织网13；双芯光缆4中的光纤6通过带中心孔的密封盖5与不锈钢壳体11内的FBG温度传感器10及光纤F-P压力传感器15熔接，熔接点采用微型的光纤接头热缩管保护；不锈钢壳体11与带中心孔的密封盖5通过密封胶圈7和螺纹密封连接，中心孔部分加密封胶防水。

FBG温度传感器为光纤光栅传感器，它是利用光纤光栅中心波长与外界参数成一定的函数关系的原理，通过探测波长的变化从而获得外界环境参数的一种传感器。由于光纤光栅传感是对光的波长进行检测，光强起伏对传感量(波长)没有影响，因此其抗干扰能力强，灵敏度高，体积小，易组成传感网络。温度传感器既可以采用光纤布拉格光栅(FBG)，也可以采用长周期光纤光栅(LPG)。

光纤F-P压力传感器基于F-P干涉仪原理，利用光线在光纤端面与压力敏感膜片间的多次来回反射，使光纤端面的反射光与压力敏感膜片的反射光形成干涉光谱，当敏感膜受到压力时造成F-P腔长发生变化，两束反射光的光程差发生变化，使干涉谱发生变化。通过检测干涉谱的变化能够测量F-P腔长的变化，进而得到海水的压力值。此种传感器对构成F-P腔的两个反射面间的距离变化非常敏感，具有传感灵敏度高、耐腐蚀、不受电磁干扰、体积小、耐久性强等优点。

图4是光纤F-P压力传感器的结构示意图，加工过程是首先利用高深宽比加工技术刻蚀硅基底17，刻蚀深度等于硅基底的厚度，通孔直径大于毛细石英管16的直径；凹槽的刻蚀深度等于EFPI传感器的腔长，光纤末端设有梯度折射率透镜GRIN；将光纤插入毛细石英管中，光纤与毛细石英管熔接固定，毛细石英管和硅基底17采用熔接方法连接；光纤端面镀高反膜，压力敏感硅片19的一个端面镀高反膜18；高反膜可以为复合介质膜；硅基底17与压力敏感硅片19采用阳极键合的方式连接，光纤端面与压力敏感硅片19之间形成F-P腔。

参看图5，高精度的解调系统由宽带光源、隔离器、可调谐F-P滤波器、光放大器、光耦合器、F-P标准具、光分路器、光纤环行器、光开关、光电检测器、数据采集卡和控制单元组成。

宽带光源为C波段或C+L波段的经过放大及增益平坦化的宽带光源，通常选用SLED宽带光源；高精度的解调系统解调速率为100～500Hz，满足海水温度变化的需要；隔离器只允许来自宽带光源方向的光经过，经传感器反射回的光无法通过，以避免反射光对宽带光源的影响。

宽带光源发出的宽带光信号经隔离器后入射可调谐F-P滤波器，经可调谐F-P滤波器后形成窄带光波，窄带光波经光放大器放大及增益平坦化后，经分光比为99：1的耦合器分成两路光信号，占比为1％的光通道作为参考通道，参考光信号经F-P标准具和光电检测器后被数据采集卡采集；占比为99％的一路为传感通道，传感光信号经1×M光分路器分成M路光信号，每路光信号再经环行器接1个1×N光开关，光开关由控制单元进行控制。由于每个传感单元分为温度和深度测量两部分，因此，系统共能接入个传感单元，根据测量需求，选择合适的光源、光分路器及光开关。

信号经光开关后接温深传感单元，每个温深传感单元的两条传感通路分别接两个光开关的对应位置，保证温度和深度能够同时测量。控制单元通过数据采集卡提供的锯齿波电压扫描可调谐F-P滤波器，调节可调谐F-P滤波器透射窄带光波的波长值，使之遍历整个工作波谱范围，传感通道中光谱范围在可调谐F-P滤波器通带范围内的光纤光栅的反射光强最大，光电检测器输出最大值时所对应的可调谐F-P滤波器的中心波长即为该光谱范围内的光纤光栅的峰值波长。测深通道中的光纤F-P压力传感器15同时受海水压力及海水温度变化的影响，利用温度传感器测量的海水温度进行实时补偿，获得高精度的海水深度测量值。温度和深度传感通道返回的光经光电检测器转换为电信号后输入到同步高速数据采集卡，数据采集卡将采集的信号送到控制单元进行处理。

本发明的具体测量步骤如下：

a、对每个FBG温度传感器进行实验室温度标定，获得温度传感器的布拉格波长λ与温度T之间的关系式；

b、对每个光纤F-P压力传感器进行实验室温度标定和压力标定：通过实验室温度标定，获得压力传感器在大气压力条件下只考虑温度影响时F-P腔长的变化，以及压力传感器在参考温度条件下只考虑压力影响时F-P腔长的变化，获得F-P腔长与温度、压力的关系。

c、将光纤温深缆沿海水深度方向布放于海水中；

d、利用解调系统及光纤温深缆进行测量；

e、将测得的信号进行处理，获得温度及深度值。根据传感单元测得的海水温度和海水深度，绘制海水温度剖面曲线。

图6为FBG反射谱示意图，FBG是一种光纤光栅，其折射率调制深度和光栅周期一般都是常数，当入射光谱经过FBG时，波长为λ的单色光被光栅反射回入射端，其余光透射。FBG的反射光布拉格波长λ满足λ＝2n_effΛ，其中n_eff为光纤有效折射率，Λ为光栅的周期。光纤基模在布拉格波长上的有效折射率和光栅的周期都是温度和应变的函数。因此，温度和应变的变化可以通过布拉格波长λ的变化反映出来。在屏蔽应变的条件下，布拉格波长λ只是温度的函数，通过检测反射谱布拉格波长值，利用标定的系数计算测量的温度。

图7为本发明中光纤F-P压力传感器的反射谱示意图，F-P压力传感器基于多光束干涉原理，采用的F-P腔不仅精细度高，而且腔长很短，使其自由光谱范围大于光源的波长范围，保证反射回的干涉光谱在光源波长范围内只包含一个波谷。利用波谷位置的变化，可以获得EFPI腔长的变化。

本发明利用光纤光栅进行温度测量，同时利用光纤F-P压力传感器实现深度的高精度测量，提高海洋要素观测层次的定位精度，温度传感器及压力传感器采用防水耐压的密封设计，接触海水的部件采用316L不锈钢材料，抗腐蚀性好。系统的传感探头采用并联方式，不仅能够实现海水温度剖面的实时、准分布式测量，而且当某个光栅损坏之后，其他光栅仍能继续测量。

Claims (8)

1.一种基于光纤传感的海水温深剖面测量系统，其特征是，构成中包括波长值可调的窄带光源、光耦合器、光分路器、环行器、光开关、光纤温深缆、数据采集卡和控制单元，所述窄带光源输出的光信号由光耦合器分成参考光和传感光，参考光依次经F-P标准具和光电检测器送入数据采集卡，传感光经光分路器分为多路，每一路依次经环行器和光开关进入光纤温深缆，光纤温深缆的反射光沿原路返回到环行器后经光电检测器送入数据采集卡，所述数据采集卡与控制单元连接；

所述波长值可调的窄带光源包括宽带光源、隔离器、可调谐F-P滤波器和光放大器，所述宽带光源输出的光信号依次经隔离器、可调谐F-P滤波器和光放大器送入光耦合器，所述可调谐F-P滤波器的波长值控制端通过数据采集卡与控制单元连接；

所述光纤温深缆包括光信号传输缆(1)和沿光信号传输缆(1)等间距排列的多个温深传感单元(2)，每个温深传感单元(2)包括带有密封盖(5)的不锈钢壳体(11)、双芯光缆(4)、FBG温度传感器(10)和光纤F-P压力传感器(15)，所述双芯光缆(4)穿过并固定在密封盖(5)的中心孔中，所述FBG温度传感器(10)通过不锈钢支架(8)固定在不锈钢壳体(11)的内壁上并通过双芯光缆(4)中的一根光纤与光信号传输缆(1)中的一根光纤连接，所述光纤F-P压力传感器(15)固定在不锈钢壳体(11)上的通孔中并通过双芯光缆(4)中的另一根光纤与光信号传输缆(1)中的一根光纤连接。

2.根据权利要求1所述的一种基于光纤传感的海水温深剖面测量系统，其特征是，所述光纤F-P压力传感器(15)包括毛细石英管(16)、硅基底(17)和压力敏感硅片(19)，所述硅基底(17)位于不锈钢壳体(11)上的通孔中并通过密封胶(14)与通孔的孔壁密封连接，在硅基底(17)朝向不锈钢壳体(11)外部的一面设有由压力敏感硅片(19)封盖的凹槽，所述毛细石英管(16)固定在硅基底(17)的凹槽底部的通孔中，双芯光缆(4)中的一根光纤插入毛细石英管(16)中，在该光纤与压力敏感硅片(19)相对的端面上以及压力敏感硅片(19)与光纤相对的一面均设有高反膜(18)。

3.根据权利要求2所述的一种基于光纤传感的海水温深剖面测量系统，其特征是，所述不锈钢壳体(11)上设有与FBG温度传感器(10)相对应的通孔，该通孔由光栅密封螺栓(12)密封。

4.根据权利要求3所述的一种基于光纤传感的海水温深剖面测量系统，其特征是，所述不锈钢壳体(11)上设有不锈钢丝编织网(13)，所述不锈钢丝编织网(13)罩在光栅密封螺栓(12)和光纤F-P压力传感器(15)上。

5.根据权利要求4所述的一种基于光纤传感的海水温深剖面测量系统，其特征是，所述光信号传输缆(1)包括多根不锈钢管和多根单模光纤，多根不锈钢管绞扭成缆，每根不锈钢管中穿入一根单模光纤，所述单模光纤与不锈钢管之间填充光纤油膏。

6.根据权利要求5所述的一种基于光纤传感的海水温深剖面测量系统，其特征是，所述温深传感单元(2)由硫化橡胶保护管(3)包扎在光信号传输缆(1)上。

7.根据权利要求6所述的一种基于光纤传感的海水温深剖面测量系统，其特征是，所述光开关为多路光开关，多路光开关的每个通道与光纤温深缆中的一根光纤相对应。

8.根据权利要求7所述的一种基于光纤传感的海水温深剖面测量系统，其特征是，所述密封盖(5)与不锈钢壳体(11)之间通过螺纹连接，在二者之间还设有密封胶圈(7)。