專利名稱：一種基于光纖布里淵散射原理的海水溫度剖面測量方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種沿深度方向測量海水溫度分布情況的方法，屬測量技術(shù)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
海水溫度是海洋調(diào)查、監(jiān)測中的重要內(nèi)容，是海洋水文、氣象觀測及調(diào)查中不可或缺的技術(shù)參數(shù)。海水溫度剖面的測量對研究海洋科學(xué)、海洋環(huán)境監(jiān)測、季節(jié)氣候預(yù)測以及海 洋漁業(yè)等有十分重要的實(shí)用意義。所謂海水溫度剖面測量是指沿深度方向測量海水溫度分 布情況。需要給出水深和相應(yīng)深度的溫度信息，長時(shí)間實(shí)時(shí)觀測還需要給出觀測時(shí)間。國內(nèi)外用于海水溫度剖面測量的主要設(shè)備是溫鹽深海洋觀測儀(CTD)，儀器主要 由溫度、鹽度和壓力三種傳感器配以電子測量線路構(gòu)成。它將數(shù)據(jù)采集器、數(shù)據(jù)傳輸單元和 電源等電子部件密封在高強(qiáng)度的壓力容器內(nèi)。CTD測溫精確度可以達(dá)到0. OOrc等級，它通 過吊放在不同深度逐點(diǎn)巡測溫度、鹽度和深度，缺點(diǎn)是不能實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)和長時(shí)間同步觀測溫 度剖面的變化。中國專利“海水溫度測量傳感器鏈”提出了一種多探頭陣列型準(zhǔn)分布式傳感器鏈 結(jié)構(gòu)，其結(jié)構(gòu)包括溫度傳感器、壓力傳感器、浮子、鋼纜、吊掛鋼柱、承重鋼柱和屏蔽電纜線。 其中，灌封式熱敏電阻溫度傳感器鑲嵌在浮子上，浮子以5cm至IOOcm間距配置在鋼纜上， 鋼纜的兩端分別用鋼纜鋼套和鋼絲夾子鎖定在吊掛鋼柱和承重鋼柱的鋼杯內(nèi)。壓力傳感器 固定在測溫鏈下端的承重鋼柱的上部，一束33根各50m長的屏蔽電纜線由浮子的中心孔穿 過，作為傳輸電纜。另外，挪威AANDERAA公司的SEAGUARD傳感器鏈系統(tǒng)采用多探頭陣列型準(zhǔn)分布式 傳感器鏈結(jié)構(gòu)，可以用來測量溶解氧、電導(dǎo)率、溫度、電流、壓力和潮汐等海洋環(huán)境參數(shù)，基 本部件包括傳感器鏈和記錄儀。該系統(tǒng)可以采用自容式工作方式，每次投放后開始記錄測 量數(shù)據(jù)，經(jīng)過一段時(shí)間的測量后，打撈出水面，提取記錄儀中的存儲數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理。如 果選配實(shí)時(shí)采集和通信傳輸配件也可以實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)測量。該系統(tǒng)可以設(shè)25個(gè)測量點(diǎn)，在每個(gè) 測量點(diǎn)采用傳感器鏈固定夾具固定傳感器，每個(gè)夾具中可以固定2個(gè)傳感器。傳感器鏈總 長可達(dá)300米，系統(tǒng)采用灌封式熱敏電阻溫度傳感器。以上兩種準(zhǔn)分布式傳感器鏈結(jié)構(gòu)雖然克服了 CTD只能逐點(diǎn)巡測而不能實(shí)時(shí)測量 的缺點(diǎn)，但是溫度鏈體積龐大，不方便使用絞車收放；整個(gè)系統(tǒng)的測量節(jié)點(diǎn)數(shù)量受供電容量 限制，難以滿足空間分辨率高(觀測節(jié)點(diǎn)密集)和測量深度范圍大的應(yīng)用要求；需要考慮海 水中的電絕緣和電信號傳輸過程中的抗干擾與屏蔽問題；只能測量固定的空間點(diǎn)位置溫度 和深度信息，不能實(shí)現(xiàn)空間真正意義上的連續(xù)分布式測量。分布式光纖布里淵傳感技術(shù)是一種新型的測量技術(shù)，具有只需一次測量即可獲取 沿整個(gè)光纖被測場的連續(xù)分布信息、測量精度高、定位準(zhǔn)確、傳感距離遠(yuǎn)等獨(dú)特優(yōu)點(diǎn)。采用 分布式光纖布里淵傳感技術(shù)實(shí)現(xiàn)海水溫度剖面測量需要使用特殊的光纜，這種光纜應(yīng)該能 滿足耐受海水腐蝕、具有良好的抗拉和抗壓性能、體積小、重量輕、易于布放等特殊要求；另 夕卜，由于海流的影響，光纜并不能保持理想的垂直姿態(tài)，其長度和實(shí)際的水深并不一致，所以要求海水溫度剖面測量用光纜能同時(shí)感知溫度和相應(yīng)的水深信息。但現(xiàn)有光纜并不能滿 足以上應(yīng)用需求。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一種基于光纖布里淵散射原理的海水溫度剖面測量方法， 它可以實(shí)時(shí)和長時(shí)間地同步觀測溫度剖面動(dòng)態(tài)變化，且能夠?qū)崿F(xiàn)空間點(diǎn)連續(xù)測量，不必考 慮電絕緣和抗干擾問題等優(yōu)點(diǎn)。本發(fā)明所稱問題是以下述技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)的一種基于光纖布里淵散射原理的海水溫度剖面測量方法，它將直接與海水接觸的 壓力傳感光纖和屏蔽了海水壓力的溫度傳感光纖組合在一起構(gòu)成傳感光纜，并由窄線寬激 光器、光耦合器、脈沖發(fā)生器、光調(diào)制器、光柵濾波器、光放大器、偏振控制器、環(huán)行器、光開 關(guān)、光電檢測器和布里淵頻移檢測單元組成一個(gè)基于布里淵光時(shí)域反射原理的測量系統(tǒng)中 的測量部分，測量時(shí)將傳感光纜放入海水中，窄線寬激光器發(fā)出的光信號經(jīng)光耦合器分為 兩路信號，一路輸出光信號作為本振光，經(jīng)第二偏振控制器控制本振光信號的偏振態(tài)；另一 路光信號經(jīng)第一偏振控制器控制光信號的偏振態(tài)，經(jīng)脈沖發(fā)生器和第一光調(diào)制器調(diào)制成脈 沖光，脈沖光經(jīng)第一光放大器放大，由第一光柵濾波器濾除第一光放大器引入的自發(fā)熱輻 射噪聲，再經(jīng)環(huán)形器和光開關(guān)進(jìn)入傳感光纜中的一條傳感光纖中，傳感光纖中產(chǎn)生的自發(fā) 布里淵背向散射光經(jīng)環(huán)形器和第二光放大器及第二光柵濾波器，在光電檢測器中與本振光 實(shí)現(xiàn)光域外差檢測，最后由布里淵頻移檢測單元采用微波掃頻方法從光電檢測器輸出電信 號中解調(diào)并求取沿傳感光纜光纖長度分布的各散射點(diǎn)的布里淵頻移信息，進(jìn)而依據(jù)布里淵 頻移和溫度、對應(yīng)不同海水深度的靜壓力的函數(shù)關(guān)系，得到沿傳感光纖長度分布的海水深 度和溫度分布，實(shí)現(xiàn)海水溫度剖面的分布式測量。上述基于光纖布里淵散射原理的海水溫度剖面測量方法，所述布里淵頻移檢測單 元由微波本振源、混頻器、放大器、低通濾波器、數(shù)據(jù)采集卡及計(jì)算機(jī)組成，檢測時(shí)，按一定 的頻率間隔逐次調(diào)節(jié)微波本振源的頻率從而遍歷給定的頻率范圍，微波本振源輸出的微波 信號與光電檢測器輸出的布里淵頻移信號在混頻器中進(jìn)行混頻，混頻后的輸出信號經(jīng)放大 器放大和低通濾波器濾波，由數(shù)據(jù)采集卡采集數(shù)據(jù)并傳輸給計(jì)算機(jī)進(jìn)行處理，對于沿光纖 長度分布的各散射點(diǎn)，計(jì)算機(jī)將在一個(gè)微波掃頻周期內(nèi)獲得的所有數(shù)據(jù)進(jìn)行洛倫茲擬合， 得到布里淵譜分布曲線，曲線中幅度最大點(diǎn)對應(yīng)的頻率便是該散射點(diǎn)的布里淵頻移。本發(fā)明所稱問題還可以采用另一技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)一種基于光纖布里淵散射原理的海水溫度剖面測量方法，它將直接與海水接觸的 壓力傳感光纖和屏蔽了海水壓力的溫度傳感光纖組合在一起構(gòu)成傳感光纜，并由窄線寬激 光器、光耦合器、脈沖發(fā)生器、第一光調(diào)制器、光放大器、掃頻電光調(diào)制器、環(huán)行器、光柵濾波 器、光隔離器、擾偏器、光濾波器、光開關(guān)、布里淵頻移檢測單元組成一個(gè)基于布里淵光時(shí)域 分析原理的測量系統(tǒng)的測量部分；所述掃頻電光調(diào)制器包括第二偏振控制器、掃頻信號發(fā) 生器、第二光調(diào)制器；測量時(shí)傳感光纜放入海水中，窄線寬激光器產(chǎn)生的光信號通過光耦合 器分為兩路，一路光信號經(jīng)第一偏振控制器控制光信號的偏振態(tài)，由脈沖發(fā)生器、第一光調(diào) 制器調(diào)制成窄脈沖光，經(jīng)第一光放大器放大、第一光柵濾波器濾除第一光放大器產(chǎn)生的自 發(fā)輻射噪聲，再經(jīng)第一光隔離器、環(huán)形器、光開關(guān)進(jìn)入傳感光纜中的一條傳感光纖；另一路光信號由掃頻電光調(diào)制器產(chǎn)生約IlGHz頻移的連續(xù)光信號，經(jīng)光濾波器選取已調(diào)制信號的上邊帶，經(jīng)第二光隔離器、擾偏器、光開關(guān)進(jìn)入傳感光纜中的另一條傳感光纖；兩條光纖在 水下經(jīng)光纖連接器構(gòu)成環(huán)路；當(dāng)環(huán)路光纖中相向傳輸?shù)膬陕饭獾念l率差與光纖中某散射點(diǎn) 的布里淵頻移一致時(shí)，光纖中在該散射點(diǎn)產(chǎn)生的受激布里淵散射信號最強(qiáng)；受激布里淵散 射信號通過光開關(guān)、環(huán)形器進(jìn)入布里淵頻移檢測單元，由布里淵頻移檢測單元采用電光掃 頻方法求取沿傳感光纜光纖長度分布的各散射點(diǎn)的布里淵頻移信息，進(jìn)而依據(jù)布里淵頻移 和溫度、對應(yīng)不同海水深度的靜壓力的函數(shù)關(guān)系，得到沿傳感光纖長度分布的海水深度和 溫度分布，實(shí)現(xiàn)海水溫度剖面的分布式測量。上述基于光纖布里淵散射原理的海水溫度剖面測量方法，所述布里淵頻移檢測單 元由光電檢測器、放大器、低通濾波器、數(shù)據(jù)采集卡及計(jì)算機(jī)組成，光電檢測器將受激布里 淵散射光信號轉(zhuǎn)換為電信號，經(jīng)放大器放大和低通濾波器濾波，由數(shù)據(jù)采集卡采集數(shù)據(jù)并 傳輸給計(jì)算機(jī)進(jìn)行處理，對于沿光纖長度分布的各散射點(diǎn)，計(jì)算機(jī)將在一個(gè)微波掃頻周期 內(nèi)獲得的所有數(shù)據(jù)進(jìn)行洛倫茲擬合，得到布里淵譜分布曲線，曲線中幅度最大點(diǎn)對應(yīng)的頻 率便是該散射點(diǎn)的布里淵頻移。上述兩種技術(shù)方案中確定散射點(diǎn)位置的方法相同在t = 0時(shí)刻從光纖的一端發(fā) 送光脈沖，從t = 0開始在脈沖光的發(fā)送端可以接收到一系列的散射信號，測定某散射點(diǎn)對 應(yīng)的散射信號與輸入光脈沖之間的時(shí)間間隔t，依據(jù)公式L = Ct/(2η)確定該散射點(diǎn)與脈沖 光入射端之間的光纖長度L，式中c為真空中的光速，η為光纖的折射率。上述兩種技術(shù)方案中使用的傳感光纜相同，均由雙扣不銹鋼軟管及其內(nèi)部的溫度 傳感子光纜和壓力傳感子光纜組成，所述溫度傳感子光纜由溫度傳感光纖和套裝在其外部 的不銹鋼套管組成，所述壓力傳感子光纜由壓力傳感光纖和依次套裝在其外部的彈簧管和 不銹鋼絲編織網(wǎng)組成，所述壓力傳感光纖表面涂覆有聚氨酯壓力敏感材料層。上述基于光纖布里淵散射原理的海水溫度剖而測量方法，所述溫度傳感子光纜中 的溫度傳感光纖設(shè)置2 4條；所述壓力傳感子光纜設(shè)置兩條。本發(fā)明所設(shè)計(jì)傳感光纜的有益效果為雙扣不銹鋼軟管具有良好的抗拉和抗側(cè) 壓性能，用于承重以便將光纜投放到設(shè)計(jì)深度；采用不銹鋼套管具有良好的感溫性能同時(shí) 抗海水壓力，使用時(shí)入水終端密封防水，使溫度傳感光纖不受應(yīng)力影響，提高溫度測量的精 度；聚氨酯壓力敏感材料具有較高的壓力靈敏度，用于水深測量時(shí)可以改善空間分辨率，校 正光纜因海流而傾斜對于剖面測溫結(jié)果的影響。彈簧管和不銹鋼絲編織網(wǎng)用于增強(qiáng)光纖的 機(jī)械強(qiáng)度，易于晾干，抗腐蝕。本發(fā)明將基于光纖布里淵散射原理的測量技術(shù)應(yīng)用于海水溫度剖面的實(shí)時(shí)監(jiān)測， 可以很好地解決現(xiàn)有測量溫度鏈體積龐大、不能實(shí)現(xiàn)連續(xù)監(jiān)測的問題，并且可以給出海水 剖面的連續(xù)溫度場分布。


下面結(jié)合附圖對本發(fā)明作進(jìn)一步詳述。圖1是本發(fā)明所提出傳感光纜的剖面圖；圖2是BOTDR光纖傳感系統(tǒng)；圖3是BOTDA光纖傳感系統(tǒng)；
圖4是沿光纖長度上的布里淵譜分布示例。圖中各標(biāo)號為1、雙扣不銹鋼軟管；2、溫度傳感光纖；3、不銹鋼套管；4、不銹鋼 絲編織網(wǎng)；5、彈簧管；6、壓力傳感光纖；7、聚氨酯壓力敏感材料層；E0M1、第一光調(diào)制器； E0M2、第二光調(diào)制器；EDFA1、第一光放大器；EDFA2、第二光放大器；PC1、第一偏振控制器； PC2、第二偏振控制器；OF、光濾波器；PS、擾偏器；GX、傳感光纖。文中所用符號T、海水溫度；P、海水壓力；vB1 (T)、溫度子光纜在溫度T時(shí)的對應(yīng)布里淵頻移； ；、參考溫度；νΒ1(Ι；)、溫度子光纜在參考溫度時(shí)的對應(yīng)布里淵頻移；νΒ2(Τ，P)、壓 力子光纜在溫度T和壓力P時(shí)的對應(yīng)布里淵頻移；Pr、參考壓力；VB2 (Tr，Pr)、壓力子光纜在參 考溫度和參考壓力時(shí)的對應(yīng)布里淵頻移；Cvn、為溫度子光纜的溫度傳感系數(shù)；Cvt2、壓力子 光纜的溫度傳感系數(shù)；cvp、壓力子光纜的壓力傳感系數(shù)；B0TDR、布里淵光時(shí)域反射；B0TDA、 布里淵光時(shí)域分析。
具體實(shí)施例方式BOTDR和BOTDA系統(tǒng)都是通過檢測布里淵頻移的方法實(shí)現(xiàn)分布式測量的，本發(fā)明 的測量方法是測量時(shí)將測量儀器安裝在海洋浮標(biāo)、船舶或海上石油平臺，將傳感光纜垂直 放入海水中，從光纖的一端發(fā)送光脈沖，在光纖介質(zhì)中產(chǎn)生布里淵散射光，溫度和壓力都會 引起布里淵散射光的頻移變化，圖4為一種實(shí)施例(沿光纖長度的溫度分布按5個(gè)區(qū)間呈 階梯形變化，相應(yīng)于各區(qū)間的峰值光強(qiáng)處的布里淵頻移各不相同)。從圖4可以看出，當(dāng)溫 度變化時(shí)沿150m傳感光纖的布里淵散射譜表現(xiàn)出布里淵譜的中心頻率(布里淵頻移)隨 溫度變化的明顯偏移。海水的深度由海水的靜水壓測量值來體現(xiàn)，本實(shí)施例中由壓力傳感 子光纜獲得。海水的溫度由溫度傳感子光纜獲得。利用布里淵頻移檢測單元測量各子光纜 沿光纖長度方向各散射點(diǎn)的頻移數(shù)值。測量公式為vB1 ⑴=vB1 (Tr) [l+CvT1 (T-Tr) ](1)νΒ2 (Τ, P) = vB2 (Tr，Pr) [l+CvP (P-Pr) +CvT2 (T-Tr) ](2)其中，T、P分別代表溫度、壓力；Tr、Pr分別為參考溫度、參考壓力；Vbi(T)和VB1(Tr) 分別為溫度子光纜在溫度τ和 ；時(shí)的對應(yīng)布里淵頻移；對于溫度傳感子光纜，由于采用不 銹鋼套管屏蔽了海水壓力帶來的應(yīng)變，布里淵頻移只和溫度相關(guān)，Cvn為溫度子光纜的溫度 傳感系數(shù)；vB2(T，P)和vB2(Tr，Pr)分別為壓力子光纜在溫度Τ、壓力P和參考溫度、參考壓力 時(shí)的對應(yīng)布里淵頻移；Cvt2、(；ρ分別為壓力子光纜的溫度和壓力傳感系數(shù)。通過對系統(tǒng)進(jìn)行 實(shí)驗(yàn)室定標(biāo)(具體過程見后面的測量步驟部分)來確定系數(shù)CvT1、CvT2、CvP。實(shí)際測量時(shí)，采用布里淵頻移檢測儀器測出溫度傳感子光纜沿光纖長度分布的各 散射點(diǎn)信號的布里淵頻移vB1 (T)，由實(shí)驗(yàn)室標(biāo)定溫度系數(shù)Cvn，依據(jù)公式(1)即可求解沿光 纖長度的溫度分布。對于壓力傳感子光纜，其布里淵頻移包括兩部分溫度變化引入的頻移 和靜水壓引入的頻移。將溫度傳感子光纜測得的沿光纜長度的溫度分布數(shù)值、采用布里淵 頻移檢測儀器測出的壓力傳感子光纜沿光纖長度分布的各散射點(diǎn)信號的布里淵頻移VB2 (T， P)、實(shí)驗(yàn)室標(biāo)定系數(shù)Cvt2和Cvp代入公式(2)，求解沿光纖長度的靜水壓力分布，根據(jù)海水的
壓力值P求得對應(yīng)的海水深度H = |，其中，y為海水的比重。進(jìn)而獲得沿光纖長度的海
水深度信息，最終由以上測量值繪制出溫度-深度曲線。
利用本發(fā)明光纜的姿態(tài)還可以給出沿海水深度方向的洋流分布情況，光纖長度和 壓力子光纜測定的海水深度之間的關(guān)系即反映光纜的姿態(tài)。參看圖1，本發(fā)明提供的光纜包括雙扣不銹鋼軟管1、溫度傳感子光纜和兩條壓 力傳感子光纜。溫度傳感子光纜由溫度傳感光纖2及其不銹鋼套管3組成。壓力傳感子光 纜包括壓力傳感光纖6、彈簧管5和不銹鋼絲編織網(wǎng)4，壓力傳感光纖6表面涂覆有聚氨酯 壓力敏感材料層7。本發(fā)明中光纜的主要制作步驟包括1、溫度傳感光纖2涂覆導(dǎo)熱油膏(在提高溫度靈敏度的同時(shí)減少光纖磨損)，然后 包覆不銹鋼套管3，制成溫度傳感子光纜；2、將壓力傳感光纖6涂覆聚氨酯壓力敏感材料層7，然后外包彈簧管5和不銹鋼絲 編織網(wǎng)4，制成壓力傳感子光纜(兩條)；3、將三條子光纜絞繞成一體以便改善抗彎曲能力，然后外包雙扣不銹鋼軟管1，制 成本光纜。注意先將溫度傳感子光纜輕微絞繞，再將兩條壓力傳感子光纜順勢纏繞，防備 損壞聚氨酯壓力敏感材料層7。本光纜外徑為10 12mm，抗拉能力最大可達(dá)3000牛頓，光纜長度350米。雙扣不 銹鋼軟管1由厚度為0. 2 0. 3mm的鋼帶制成。溫度傳感子光纜的不銹鋼套管3外直徑約 3_，厚0.2_。壓力傳感子光纜涂覆的壓力敏感材料要求低楊氏模量和較高泊松比(本實(shí) 施例中分別為8*107Pa和0.4)。壓力傳感子光纜的靈敏度比裸纖提高2 3個(gè)數(shù)量級。不 銹鋼絲編織網(wǎng)4采用直徑0. 2mm的不銹鋼線材編織而成；抗側(cè)壓彈簧管5采用直徑Imm的 不銹鋼絲密繞制成。具體實(shí)施時(shí)，將溫度傳感子光纜中的溫度傳感光纖2沿軸線方向在光纖整個(gè)長度 范圍內(nèi)按一定的間隔點(diǎn)和不銹鋼套管3內(nèi)壁粘接，保證粘接點(diǎn)之間的光纖處于自由松弛的 狀態(tài)。壓力子光纜的各部件也選擇間隔點(diǎn)粘接，由不銹鋼絲編織網(wǎng)4承受子光纜的自重。參看圖2，在BOTDR光纖傳感系統(tǒng)中，窄線寬激光器發(fā)出的光經(jīng)光耦合器輸出，一 路光作為本振光，第二偏振控制器(PC2)用以控制本振光信號的偏振態(tài)；另一路光經(jīng)第一 偏振控制器(PCl)控制光信號的偏振態(tài)，經(jīng)第一電光調(diào)制器(EOMl)被調(diào)制成脈沖光，經(jīng)第 一光放大器(EDFAl)放大，由第一光柵濾波器濾除第一光放大器的自發(fā)熱輻射(ASE)噪聲， 光信號經(jīng)環(huán)行器和光開關(guān)進(jìn)入傳感光纜中的一條光纖，光纖中產(chǎn)生的布里淵背向散射光經(jīng) 環(huán)行器和第二光放大器(EDFA2)及第二光柵濾波器，在光電檢測器中與本振光實(shí)現(xiàn)光域外 差檢測，然后采用微波掃頻方法從光電檢測器輸出電信號中解調(diào)布里淵頻移信息，調(diào)節(jié)微 波本振源的中心頻率，微波本振與布里淵信號進(jìn)行混頻，輸出信號經(jīng)低通濾波器濾波，由數(shù) 據(jù)采集卡采集數(shù)據(jù)并傳輸給計(jì)算機(jī)進(jìn)行洛倫茲擬合，頻譜幅度最大點(diǎn)對應(yīng)的頻率便是該散 射點(diǎn)的布里淵頻移。參看圖3，在BOTDA光纖傳感系統(tǒng)中，窄線寬激光器通過光耦合器將光信號分為 兩路，一路光信號由第一光調(diào)制器(EOMl)調(diào)制成窄脈沖光，第一摻鉺光纖放大器(EDFAl) 放大光信號，第一光柵濾波器濾除第一摻鉺光纖放大器(EDFAl)產(chǎn)生的自發(fā)輻射(ASE)噪 聲，光隔離器限制光的傳播方向，最后光信號由光開關(guān)進(jìn)入傳感光纜中某一條光纖的一端； 另一路光信號由第二光調(diào)制器(E0M2)產(chǎn)生約IlGHz頻移的連續(xù)光信號，第二偏振控制器 (PC2)和擾偏器(PS)進(jìn)行偏振態(tài)的控制，光濾波器OF選取已調(diào)制信號的上邊帶，最后光信號經(jīng)過光開關(guān)進(jìn)入傳感光纜另一條光纖的一端；兩條光纖在水下經(jīng)過光纖連接器構(gòu)成環(huán) 路。當(dāng)環(huán)路光纖中相向傳輸?shù)膬陕饭獾念l率差與光纖某點(diǎn)的布里淵頻移一致時(shí)，光纖在該 點(diǎn)產(chǎn)生的受激布里淵散射信號最強(qiáng)。受激布里淵散射信號通過環(huán)行器進(jìn)入布里淵頻移檢測 單元，由布里淵頻移檢測單元完成光電轉(zhuǎn)換、數(shù)據(jù)濾波、洛倫茲擬合、數(shù)據(jù)管理和顯示等功 能。本實(shí)施例中布里淵系統(tǒng)中采用的器件名稱與型號為窄線寬激光器，采用TL-2020-C-102-A;光耦合器，分光比為50 50;光調(diào)制器(EOM)，采用lOGb/s鈮酸鋰光強(qiáng)度調(diào)制器M0D22212 ；脈沖發(fā)生器，采用81110A ；光放大 器(EDFA)，采用EDFA-PA-I-X-FC型摻鉺光纖放大器；環(huán)行器，采用3 口環(huán)行器；光柵濾 波器，采用參數(shù)1550nm士40nm光柵；偏振控制器(PC)，采用PCD-M02 ；光電檢測器，采用 UltraFast-200SM ；微波本振源，采用HWFS46-10K ；混頻器，采用HWMY82C ；低噪聲放大器， 采用NLNA00201L30 ；低通濾波器，采用LPF100 ；數(shù)據(jù)采集卡，采用ZT410-2X ；掃頻信號發(fā) 生器(頻率綜合器)，采用HWFS46-10K ；光濾波器(OF)，采用1550. 0336nm士 0. 08nm光柵； 光隔離器，PIIS1-121122 ；擾偏器(PS)，采用PCD-003，光開關(guān)，采用PRMS-12T1L1222和 PRMS-14M1L1222.本發(fā)明的測量步驟為①實(shí)驗(yàn)室溫度標(biāo)定取傳感光纜樣品(本實(shí)施例中不少于15米)放入溫控裝置進(jìn) 行常壓(參考壓力)下溫度值定標(biāo)，首先調(diào)節(jié)溫控裝置到35°C，然后以設(shè)定的溫度間隔遞 減，直到-2°C。溫度的標(biāo)定間隔依據(jù)實(shí)際的測量要求來確定，本實(shí)施例中依據(jù)300米海水的 溫度梯度分布規(guī)律，設(shè)定系列標(biāo)定溫度值35°C，250C，15°C，5°C，-2°C。這里取參考溫度為 250C。采用布里淵頻移檢測儀器測出對應(yīng)各溫度點(diǎn)T下溫度傳感光纖的布里淵頻移vB1 (T)， 同一溫度點(diǎn)下測量多次從而對標(biāo)定數(shù)據(jù)(νΒ1(Τ)，Τ)的多次測量值進(jìn)行平均以獲得更好的 重復(fù)性和精度，將各溫度值T及其對應(yīng)的布里淵頻移vB1 (T)平均值依據(jù)公式(1)進(jìn)行線性 擬合求解系數(shù)Cvn ；由于常壓下測量，公式(2)中= 0，采用布里淵頻移檢測儀器測出 對應(yīng)各溫度點(diǎn)T下壓力傳感光纖的布里淵頻移vB2 (T，Pr)，同一溫度點(diǎn)下測量多次，從而對 標(biāo)定數(shù)據(jù)(vB2(T，P》，T)的多次測量值進(jìn)行平均以獲得更好的重復(fù)性和精度，將各溫度值T 及其對應(yīng)的布里淵頻移vB2 (T，P》平均值依據(jù)公式(2)進(jìn)行線性擬合求解系數(shù)CvT2.②實(shí)驗(yàn)室壓力標(biāo)定取傳感光纜樣品(本實(shí)施例中不少于15米)放入壓力調(diào)節(jié)容 器進(jìn)行常溫(參考溫度)下壓力值定標(biāo)，首先調(diào)節(jié)壓力值為OMPa，然后以設(shè)定的壓力間隔遞 增，直到3MPa。標(biāo)定間隔依據(jù)實(shí)際的測量要求來確定，本實(shí)施例中設(shè)定系列標(biāo)定值0MPa， 0. 5MPa, IMPa, 1. 5MPa, 2MPa, 2. 5MPa, 3MPa。由于常溫下測量，公式(2)中 Τ- ； = 0，采用布 里淵頻移檢測儀器測出對應(yīng)各壓力P點(diǎn)下壓力傳感光纖的布里淵頻移νΒ2 O；，P)，同一壓力 點(diǎn)下測量多次以便對標(biāo)定數(shù)據(jù)(νΒ20;，Ρ)，Ρ)的多次測量值進(jìn)行平均，從而獲得更好的重復(fù) 性和精度，將各壓力值P及其對應(yīng)的布里淵頻移VB2 (Tr，P)平均值依據(jù)公式(2)進(jìn)行線性擬 合求解系數(shù)Cvp.③實(shí)時(shí)測量前，先連接好系統(tǒng)各單元，檢查系統(tǒng)是否工作正常。④確保系統(tǒng)性能良好的情況下，通過光纜布放系統(tǒng)將傳感光纜沿深度方向布放。⑤光纜布放完畢則可以正式開始海水溫度剖面的實(shí)時(shí)測量。先控制光開關(guān)，將激 光脈沖產(chǎn)生器接入溫度傳感光纖2，由布里淵頻移檢測單元接收沿光纖長度范圍內(nèi)的溫度引起的布里淵頻移信號。完成溫度測量后再控制光開關(guān)，將激光脈沖產(chǎn)生器接入壓力傳感 光纖6，由布里淵頻移檢測單元接收沿光纖長度范圍內(nèi)的溫度和壓力共同作用引起的布里 淵頻移信號。⑥布里淵頻移檢測單元對步驟⑤獲得的數(shù)據(jù)按公式(1)、公式(2)和步驟①②給 出的標(biāo)定參數(shù)進(jìn)行解調(diào)，最終計(jì)算出沿光纖長度范圍內(nèi)的溫度和深度數(shù)值。⑦由布里淵頻移檢測單元中安裝的管理軟件實(shí)現(xiàn)打印報(bào)表(用曲線和表格形式描述海水溫度_深度關(guān)系)、數(shù)據(jù)傳輸?shù)裙δ?。具體實(shí)施時(shí)，如果受到標(biāo)定容器的制約，可以采用標(biāo)定后成纜的方法，S卩先標(biāo)定 傳感光纜中的感溫光纖2和涂覆聚氨酯壓力敏感材料層7的壓力傳感光纖6，標(biāo)定的具體過 程和步驟①②相同，然后再制作成纜。但注意成纜過程中盡量不要弓I入應(yīng)力。
權(quán)利要求
一種基于光纖布里淵散射原理的海水溫度剖面測量方法，其特征是，它將直接與海水接觸的壓力傳感光纖和屏蔽了海水壓力的溫度傳感光纖組合在一起構(gòu)成傳感光纜，并由窄線寬激光器、光耦合器、脈沖發(fā)生器、光調(diào)制器、光柵濾波器、光放大器、偏振控制器、環(huán)行器、光開關(guān)、光電檢測器和布里淵頻移檢測單元組成一個(gè)基于布里淵光時(shí)域反射原理的測量系統(tǒng)的測量部分，測量時(shí)將傳感光纜放入海水中，窄線寬激光器發(fā)出的光信號經(jīng)光耦合器分為兩路信號，一路輸出光信號作為本振光，經(jīng)第二偏振控制器控制本振光信號的偏振態(tài)；另一路光信號經(jīng)第一偏振控制器控制光信號的偏振態(tài)，經(jīng)脈沖發(fā)生器和第一光調(diào)制器調(diào)制成脈沖光，脈沖光經(jīng)第一光放大器放大，由第一光柵濾波器濾除第一光放大器引入的自發(fā)熱輻射噪聲，再經(jīng)環(huán)形器和光開關(guān)進(jìn)入傳感光纜中的一條傳感光纖中，傳感光纖中產(chǎn)生的自發(fā)布里淵背向散射光經(jīng)環(huán)形器和第二光放大器及第二光柵濾波器，在光電檢測器中與本振光實(shí)現(xiàn)光域外差檢測，最后由布里淵頻移檢測單元采用微波掃頻方法從光電檢測器輸出電信號中解調(diào)并求取沿傳感光纜光纖長度分布的各散射點(diǎn)的布里淵頻移信息，進(jìn)而依據(jù)布里淵頻移和溫度、對應(yīng)不同海水深度的靜壓力的函數(shù)關(guān)系，得到沿傳感光纖長度分布的海水深度和溫度分布，實(shí)現(xiàn)海水溫度剖面的分布式測量。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述基于光纖布里淵散射原理的海水溫度剖面測量方法，其特征 是，所述布里淵頻移檢測單元由微波本振源、混頻器、放大器、低通濾波器、數(shù)據(jù)采集卡及計(jì) 算機(jī)組成，檢測時(shí)，按一定的頻率間隔逐次調(diào)節(jié)微波本振源的頻率從而遍歷給定的頻率范 圍，微波本振源輸出的微波本振信號與光電檢測器輸出的布里淵頻移信號在混頻器中進(jìn)行 混頻，混頻后的輸出信號經(jīng)放大器放大和低通濾波器濾波，由數(shù)據(jù)采集卡采集數(shù)據(jù)并傳輸 給計(jì)算機(jī)進(jìn)行處理，對于沿光纖長度分布的各散射點(diǎn)，計(jì)算機(jī)將在一個(gè)微波掃頻周期內(nèi)獲 得的所有數(shù)據(jù)進(jìn)行洛倫茲擬合，得到布里淵譜分布曲線，曲線中幅度最大點(diǎn)對應(yīng)的頻率便 是該散射點(diǎn)的布里淵頻移。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述基于光纖布里淵散射原理的海水溫度剖面測量方法，其特 征是，所述傳感光纜由雙扣不銹鋼軟管(1)及其內(nèi)部的溫度傳感子光纜和壓力傳感子光纜 組成，所述溫度傳感子光纜由溫度傳感光纖(2)和套裝在其外部的不銹鋼套管(3)組成，所 述壓力傳感子光纜由壓力傳感光纖(6)和依次套裝在其外部的彈簧管(5)和不銹鋼絲編織 網(wǎng)(4)組成，所述壓力傳感光纖(6)表面涂覆有聚氨酯壓力敏感材料層(7)。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述基于光纖布里淵散射原理的海水溫度剖面測量方法，其特征 是，所述溫度傳感子光纜中的溫度傳感光纖(2)設(shè)置2 4條；所述壓力傳感子光纜設(shè)置兩^^ ο
5.一種基于光纖布里淵散射原理的海水溫度剖面測量方法，其特征是，它將直接與海 水接觸的壓力傳感光纖和屏蔽了海水壓力的溫度傳感光纖組合在一起構(gòu)成傳感光纜，并由 窄線寬激光器、光耦合器、脈沖發(fā)生器、第一光調(diào)制器、光放大器、掃頻電光調(diào)制器、環(huán)行器、 光柵濾波器、光隔離器、擾偏器、光濾波器、光開關(guān)、布里淵頻移檢測單元組成一個(gè)基于布里 淵光時(shí)域分析原理的測量系統(tǒng)；所述掃頻電光調(diào)制器包括第二偏振控制器、掃頻信號發(fā)生 器、第二光調(diào)制器；測量時(shí)傳感光纜放入海水中，窄線寬激光器產(chǎn)生的光信號通過光耦合器 分為兩路，一路光信號經(jīng)第一偏振控制器控制光信號的偏振態(tài)，由脈沖發(fā)生器、第一光調(diào)制 器調(diào)制成窄脈沖光，經(jīng)第一光放大器放大、第一光柵濾波器濾除第一光放大器產(chǎn)生的自發(fā) 輻射噪聲，再經(jīng)第一光隔離器、環(huán)形器、光開關(guān)進(jìn)入傳感光纜中的一條傳感光纖；另一路光信號由掃頻電光調(diào)制器產(chǎn)生約IlGHz頻移的連續(xù)光信號，經(jīng)光濾波器選取已調(diào)制信號的上 邊帶，經(jīng)第二光隔離器、擾偏器、光開關(guān)進(jìn)入傳感光纜中的另一條傳感光纖；兩條光纖在水 下經(jīng)光纖連接器構(gòu)成環(huán)路；當(dāng)環(huán)路光纖中相向傳輸?shù)膬陕饭獾念l率差與光纖中某散射點(diǎn)的 布里淵頻移一致時(shí)，光纖中在該散射點(diǎn)產(chǎn)生的受激布里淵散射信號最強(qiáng)；受激布里淵散射 信號通過光開關(guān)、環(huán)形器進(jìn)入布里淵頻移檢測單元，由布里淵頻移檢測單元采用電光掃頻 方法求取沿傳感光纜光纖長度分布的各散射點(diǎn)的布里淵頻移信息，進(jìn)而依據(jù)布里淵頻移和 溫度、對應(yīng)不同海水深度的靜壓力的函數(shù)關(guān)系，得到沿傳感光纖長度分布的海水深度和溫 度信息，實(shí)現(xiàn)海水溫度剖面的分布式測量。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述基于光纖布里淵散射原理的海水溫度剖面測量方法，其特征 是，所述布里淵頻移檢測單元由光電檢測器、放大器、低通濾波器、數(shù)據(jù)采集卡及計(jì)算機(jī)組 成，光電檢測器將受激布里淵散射光信號轉(zhuǎn)換為電信號，經(jīng)放大器放大和低通濾波器濾波， 由數(shù)據(jù)采集卡采集數(shù)據(jù)并傳輸給計(jì)算機(jī)進(jìn)行處理，對于沿光纖長度分布的各散射點(diǎn)，計(jì)算 機(jī)將在一個(gè)微波掃頻周期內(nèi)獲得的所有數(shù)據(jù)進(jìn)行洛倫茲擬合，得到布里淵譜分布曲線，曲 線中幅度最大點(diǎn)對應(yīng)的頻率便是該散射點(diǎn)的布里淵頻移。
7.根據(jù)權(quán)利要求5或6所述基于光纖布里淵散射原理的海水溫度剖面測量方法，其特 征是，所述傳感光纜由雙扣不銹鋼軟管(1)及其內(nèi)部的溫度傳感子光纜和壓力傳感子光纜 組成，所述溫度傳感子光纜由溫度傳感光纖(2)和套裝在其外部的不銹鋼套管(3)組成，所 述壓力傳感子光纜由壓力傳感光纖(6)和依次套裝在其外部的彈簧管(5)和不銹鋼絲編織 網(wǎng)(4)組成，所述壓力傳感光纖(6)表面涂覆有聚氨酯壓力敏感材料層(7)。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述基于光纖布里淵散射原理的海水溫度剖面測量方法，其特征 是，所述溫度傳感子光纜中的溫度傳感光纖(2)設(shè)置2 4條；所述壓力傳感子光纜設(shè)置兩條ο
全文摘要
一種基于光纖布里淵散射原理的海水溫度剖面測量方法，它由窄線寬激光器、光耦合器、脈沖發(fā)生器、光調(diào)制器、環(huán)行器、光開關(guān)、光電檢測器、布里淵頻移檢測單元和傳感光纜組成一個(gè)基于布里淵光時(shí)域反射原理的測量系統(tǒng)。本發(fā)明所用傳感光纜體積小，使用方便，耐海水腐蝕；本測量系統(tǒng)可靠性和測量靈敏度高，并且能夠給出海水剖面的連續(xù)溫度場分布，特別適用于海水溫度剖面的實(shí)時(shí)連續(xù)測量。
文檔編號G01K11/32GK101825499SQ201010174498
公開日2010年9月8日 申請日期2010年5月18日 優(yōu)先權(quán)日2010年5月18日
發(fā)明者尚秋峰, 李永倩, 楊志, 趙麗娟 申請人:華北電力大學(xué)(保定)