本實(shí)用新型涉及一種海水溫深剖面測量系統(tǒng)，特別是涉及一種船載投棄式全光學(xué)海水溫深剖面測量系統(tǒng)。

背景技術(shù)：

船載投棄式溫度剖面測量儀(Expendable Bathy Thermograph，XBT)是海洋溫深度測量的重要儀器，對(duì)獲得的海洋水文數(shù)據(jù)對(duì)于氣候變化、物理海洋學(xué)及軍事研究有重要的意義，因此受到極大關(guān)注。然而，傳統(tǒng)的XBT深度數(shù)據(jù)并非精確測量的結(jié)果，且因傳輸信道采用漆包線作為傳輸媒介，本身類似一個(gè)動(dòng)態(tài)濾波系統(tǒng)，使得系統(tǒng)的傳輸速率和傳輸準(zhǔn)確性受到了極大的限制。

光纖光柵傳感器是利用光纖光柵中心波長與外界環(huán)境參數(shù)成一定的函數(shù)關(guān)系的原理，通過探測波長的變化從而獲得外界環(huán)境參數(shù)的一種傳感器。由于光纖光柵傳感是對(duì)光的波長進(jìn)行檢測，光強(qiáng)起伏對(duì)傳感量(波長)沒有影響，抗干擾能力強(qiáng)，靈敏度高，體積小，易組成傳感網(wǎng)絡(luò)。

傳感器是投棄式光纖海水溫深剖面測量系統(tǒng)(光纖XBT)的核心問題。七一五研究所提出過一種消耗性光纖溫深探頭(申請?zhí)枺?01110032997.5)，國家海洋技術(shù)中心也提出一種光學(xué)投棄式海洋溫度深度剖面測量探頭(ZL201510191680.4)。重慶理工大學(xué)提出利用組合光纖光柵同時(shí)測量蔗糖濃度和溫度(中國光學(xué)，2014，7(3)：476-482)。以上方案中的測溫單元均采用布拉格光纖光柵(Fiber Bragg Gratings：FBG)，而FBG的理論測溫精度極限僅為0.1℃，溫度靈敏度低，無法滿足海洋觀測的需要。

數(shù)據(jù)傳輸是光纖XBT系統(tǒng)的另一核心問題。山東省科學(xué)院海洋儀器儀表研究所定性的表述了光纖進(jìn)行投棄式水文設(shè)備數(shù)據(jù)傳輸?shù)目赡苄?ZL 201020176096.4)；天津工業(yè)大學(xué)采用康寧SMF-28單模光纖作為XCTD的傳輸信道，并測試了單模光纖海水介質(zhì)中0～20℃水溫變化時(shí)，以10MB/S的傳輸速率傳輸數(shù)據(jù)時(shí)誤碼率為0，且傳輸損耗可以忽略(海洋通報(bào)，2015，34(2)：197-201)?？梢姡胀▎文９饫w作為傳輸媒介，能夠提高信號(hào)傳輸?shù)乃俾屎蛿?shù)據(jù)的傳輸穩(wěn)定性。但在實(shí)際應(yīng)用中，光纖XBT探頭的體積、重量都有嚴(yán)格的限制，作為集成在探頭內(nèi)部的下纖軸可利用的空間十分有限，要求傳輸光纖盡可能緊湊的纏繞在一起，這會(huì)極大的增加纖軸部分光纖的傳輸損耗。之前的研究均未考慮過緊密纏繞對(duì)數(shù)據(jù)傳輸?shù)挠绊憽?/p>

綜上所述，傳統(tǒng)XBT方法存在深度數(shù)據(jù)測不準(zhǔn)，信道易受外界干擾，系統(tǒng)偏差大等缺點(diǎn)；現(xiàn)有光纖XBT方法溫度靈敏度又太低，無法滿足海洋觀測的需求，因此迫切需要一種既能夠滿足海洋溫深剖面監(jiān)測需求，又能夠克服現(xiàn)有XBT方法缺點(diǎn)的新技術(shù)。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本實(shí)用新型目的是通過建立全光纖海水溫深剖面測量系統(tǒng)，提出一種船載投棄式光纖海水溫深剖面測量方法，以克服傳統(tǒng)技術(shù)的不足，推進(jìn)現(xiàn)有技術(shù)的進(jìn)展。

一種船載投棄式光纖海水溫深剖面測量系統(tǒng)，其特征在于該系統(tǒng)包括全光纖探頭、傳輸光纖和甲板單元，其中：所述全光纖探頭包括安裝在防護(hù)罩內(nèi)的光纖海水溫深度傳感器和下纖軸；所述光纖海水溫深度傳感器的敏感元件采用光纖光柵，具體的是利用鍍增敏膜的長周期光纖光柵(Long period fiber gratings:LPG)測量海水溫度，利用FBG測量海水深度，以實(shí)現(xiàn)對(duì)海水溫深度剖面的高靈敏度、分別獨(dú)立測量；

所述甲板單元包括寬帶光源、動(dòng)態(tài)光纖光柵快速高精度解調(diào)模塊、光纖隔離器、第一光纖耦合器、第二光纖耦合器和上纖軸，寬帶光源發(fā)出的光依次經(jīng)過光纖隔離器和第二光纖耦合器，耦合進(jìn)入上纖軸，經(jīng)過傳輸光纖到達(dá)集成在光纖探頭內(nèi)部后方的下纖軸，之后到達(dá)光纖海水溫深度傳感器。在光纖海水溫深度傳感器內(nèi)部依次經(jīng)過FBG和LPG，經(jīng)光纖端面反射鏡反射，再依次經(jīng)過LPG、FBG、下纖軸、上纖軸，到達(dá)第二光纖耦合器，由于光纖隔離器的存在，反射光只能經(jīng)第二光纖耦合器的另一分路進(jìn)入第一光纖耦合器，并被分成兩路分別連接到動(dòng)態(tài)光纖光柵快速高精度解調(diào)模塊的不同解調(diào)端口上。

所述光纖海水溫深度傳感器是利用光纖熔接機(jī)依次將光纖端面反射鏡、作為海水溫度傳感器的鍍增敏膜的LPG、作為海水深度傳感器的FBG以及尾纖進(jìn)行連接，并分別在鍍增敏膜的LPG與FBG的兩側(cè)選擇連接點(diǎn)，通過連接點(diǎn)將上述光纖海水溫深度傳感器粘接在固定支架的突出部上，所述尾纖用于連接下纖軸。

所述長周期光纖光柵的增敏膜是采用先鍍一層銀膜增敏，再鍍一層鈍化膜對(duì)增敏膜進(jìn)行防氧化保護(hù)的方法制得。

所述寬帶光源為C波段或C+L波段或S+C+L波段的經(jīng)過增益平坦化的SLED光源，且通常選用1510～1590nm波長范圍。

所述動(dòng)態(tài)光纖光柵快速高精度解調(diào)模塊的解調(diào)速率為500～5000Hz，解調(diào)精度為±1pm，以保證系統(tǒng)對(duì)溫深度信息的快速高精度動(dòng)態(tài)響應(yīng)；光纖隔離器的作用是只允許來自寬帶光源方向的光經(jīng)過，而經(jīng)光纖端面反射鏡反射回來的光無法通過，以避免反射光對(duì)寬帶光源的影響，保證寬帶光源發(fā)光的穩(wěn)定性。

所述第一光纖耦合器和第二光纖耦合器為3dB耦合器或光環(huán)行器。

所述的甲板單元還包括安裝在工程船尾舷上的伸縮支架，該伸縮支架上設(shè)有鎖緊裝置，伸縮支架末端安裝發(fā)射槍，全光纖探頭安裝在發(fā)射槍的發(fā)射筒內(nèi)，所述下纖軸位于全光纖探頭的內(nèi)部、光纖海水溫深度傳感器的后方，所述上纖軸固定于所述伸縮支架的末端，且所述上、下纖軸的繞線方向相反，以消除探頭旋轉(zhuǎn)下落引起的傳輸光纖扭轉(zhuǎn)。

所述數(shù)據(jù)傳輸光纖為單根抗彎曲單模光纖或者包層直徑為80μm的超細(xì)光纖，既能保證信號(hào)的傳輸速率和穩(wěn)定性，也能減小纖軸中光纖緊密纏繞引起的光損耗，同時(shí)簡化纖軸繞制工藝和減小纖軸體積。

所述全光纖探頭保護(hù)罩為流線型設(shè)計(jì)，并帶3片尾翼。

從上述技術(shù)方案可以看出，本實(shí)用新型具有以下有益效果：

船載投棄式光纖海洋溫深測量系統(tǒng)是光纖傳感技術(shù)與海洋監(jiān)測需求的有機(jī)結(jié)合。針對(duì)傳統(tǒng)XBT和現(xiàn)有光纖XBT測量方法存在的技術(shù)問題，本實(shí)用新型提出一種船載投棄式光纖海水溫深剖面測量方法，并建立了由全光纖探頭、單模傳輸光纖和快速解調(diào)儀組成的海水溫深剖面測量系統(tǒng)。具體功能包括：利用光纖光柵作為海水溫深度敏感元件，其中以鍍增敏膜的LPG作為海水溫度敏感元件，提高了溫度測量靈敏度；以FBG作為海水深度敏感元件，獲得了深度的直接測量值；利用光纖進(jìn)行海水溫深度數(shù)據(jù)傳輸，克服了漆包線信道引起的誤差，保證信號(hào)的傳輸速率和穩(wěn)定性；動(dòng)態(tài)光纖光柵快速高精度解調(diào)模塊作為船載解調(diào)設(shè)備的方法，以保證系統(tǒng)對(duì)溫深度信息的快速高精度動(dòng)態(tài)響應(yīng)，且系統(tǒng)制作簡單，探頭成本低廉，為海水溫深剖面探測提供了一種新的技術(shù)手段。

本專利與傳統(tǒng)XBT技術(shù)相比較，具體優(yōu)勢和創(chuàng)造性體現(xiàn)在：

提出利用LPG和FBG級(jí)聯(lián)復(fù)合結(jié)構(gòu)同步測量海水溫度和深度，其溫度和深度精度分別達(dá)0.01℃和0.1％F.S.，且其數(shù)據(jù)均為測量數(shù)據(jù)，克服了傳統(tǒng)XBT深度數(shù)據(jù)為估算的問題，同時(shí)利用單根單模光纖作為數(shù)據(jù)傳輸通道，提高了數(shù)據(jù)傳輸速率和準(zhǔn)確率。在本實(shí)用新型的研發(fā)過程中，利用LPG的溫度靈敏度高于FBG的特性以期替代FBG測量溫度。但是在實(shí)際的應(yīng)用中，LPG測溫存在交叉敏感、靈敏度有待提高和透射光路結(jié)構(gòu)復(fù)雜等問題，具體如：

交叉敏感的解決方案。LPG對(duì)外界溫度變化敏感，同時(shí)也受環(huán)境折射率的影響，溫度與折射率之間存在交叉敏感的問題。本實(shí)用新型以在LPG柵區(qū)鍍膜的方式屏蔽外界折射率的影響，先鍍一層銀膜增敏，再鍍一層鈍化膜對(duì)增敏膜進(jìn)行防氧化保護(hù)的方法制得；此外，LPG對(duì)扭轉(zhuǎn)和彎曲也敏感，采用彈簧或彈性懸臂梁等特殊拉伸結(jié)構(gòu)，產(chǎn)生了大小適宜的軸向拉力，使得LPG柵區(qū)始終處于恒定拉力拉直狀態(tài)，解決了扭轉(zhuǎn)和彎曲對(duì)LPG的影響。

傳感器增敏的方案。業(yè)內(nèi)公認(rèn)FBG的溫度靈敏度為10pm/℃，普通LPG的溫度靈敏度在40～50pm/℃，鍍增敏膜的LPG溫度靈敏度達(dá)-370pm/℃以上(如圖1所示)。如果按照應(yīng)用廣泛的商用MOI解調(diào)儀其解調(diào)精度1pm計(jì)，則FBG的測溫精度為0.1℃，普通LPG的測溫精度為0.02℃左右，鍍增敏膜的LPG測溫精度高于0.003℃?？梢婂冊雒裟ず蟮腖PG測溫精度有較大提高，基本達(dá)到了海洋測溫需求。

光路結(jié)構(gòu)優(yōu)化方案。由于LPG無后向反射光，屬于透射型器件，因此通常采用透射光路對(duì)其進(jìn)行解調(diào)。考慮到XBT系統(tǒng)中纖軸繞制的方便，要求采用單根光纖進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。而典型的透射光路是由雙光路組成，給纖軸繞制造成了幾乎無法克服的困難。對(duì)此本實(shí)用新型提出了在光路末端連接光纖端面反射鏡的方案，如此一來不但發(fā)揮了LPG靈敏度高的優(yōu)勢，而且簡化了光路結(jié)構(gòu)，同時(shí)降低了纖軸制作的難度。

本專利與現(xiàn)有光纖XBT技術(shù)相比較，具體優(yōu)勢和創(chuàng)造性體現(xiàn)在：

(1)溫度測量精度的提高

利用鍍增敏膜的LPG作為測溫單元(現(xiàn)有LPG溫度靈敏度已達(dá)0.003℃以上)，比七一五研究所和國家海洋技術(shù)中心方案(以FBG為測溫單元，溫度靈敏度為0.1℃)的靈敏度高2個(gè)數(shù)量級(jí)，克服了已有技術(shù)的解調(diào)難題，對(duì)溫度剖面的測量更加精準(zhǔn)。

(2)實(shí)現(xiàn)FBG和LPG的單光路級(jí)聯(lián)

提出利用光纖端面反射鏡的方式，將LPG的經(jīng)典透射式雙光路(雙尾纖，重慶大學(xué)的方案)簡化為反射式單光路(單尾纖)，使得FBG和LPG級(jí)聯(lián)復(fù)合結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)在一根光纖中發(fā)射和接收，簡化了光路結(jié)構(gòu)，降低了后來的纖軸繞制難度，減小了纖軸體積，優(yōu)化了系統(tǒng)性能。

(3)合理分配光譜范圍，實(shí)現(xiàn)溫深度同步檢測

對(duì)同一通道而言，現(xiàn)有商用解調(diào)儀(典型工作帶寬：1510～1590nm)無法同時(shí)測量峰值和谷值，但不同的通道卻可以分別測量波峰和波谷。利用3dB耦合器和光纖隔離器將返回光分別接到解調(diào)儀的兩個(gè)通道上，并且將FBG和LPG的光譜范圍分別設(shè)計(jì)為為1510～1550nm和1550～1590nm，實(shí)現(xiàn)波峰與波谷的同步測量。

附圖說明

圖1鍍增敏膜的LPG溫度靈敏度實(shí)驗(yàn)結(jié)果圖。

圖2船載投棄式光纖溫深剖面測量系統(tǒng)整體組成示意圖。

圖3光纖溫深探頭內(nèi)部傳感結(jié)構(gòu)示意圖。

圖4全光纖探頭外形示意圖。

圖5船載投棄式光纖溫深剖面測量系統(tǒng)光路圖。

圖6船載投棄式光纖溫深剖面測量系統(tǒng)投放示意圖。

其中，1、全光纖探頭，2、傳輸光纖，3、甲板單元，4、工程船；11、光纖海水溫深度傳感器；111、LPG溫度傳感器；112、FBG深度傳感器；113為光纖端面反射鏡；114、固定基座；115、粘接點(diǎn)；116、尾部光纖；21、下纖軸；22、上纖軸；31、寬帶光源；32、動(dòng)態(tài)光纖光柵快速高精度解調(diào)模塊；33、光纖隔離器；341、第一光纖耦合器；342、第二光纖耦合器；35、發(fā)射槍，36、伸縮支架，37、鎖緊裝置；41、工程船尾舷。

具體實(shí)施方式

一種船載投棄式光纖海水溫深剖面測量系統(tǒng)包括全光纖探頭1、傳輸光纖2、甲板單元3，上述裝置搭載于工程船4，如圖2所示。其中：

所述全光纖探頭1包括安裝在防護(hù)罩內(nèi)的光纖海水溫深度傳感器11和下纖軸21，其內(nèi)部傳感結(jié)構(gòu)包括鍍增敏膜的LPG溫度傳感器111、FBG深度傳感器、光纖端面反射鏡113和固定基座114，光纖溫深探頭內(nèi)部傳感結(jié)構(gòu)如圖3所示。具體實(shí)施時(shí)，可利用光纖熔接機(jī)依次將光纖端面反射鏡113、作為海水溫度傳感器的鍍增敏膜的LPG111、作為海水深度傳感器的FBG112以及尾纖116依次進(jìn)行連接，并分別在鍍增敏膜的長周期光纖光柵111與布拉格光纖光柵112的兩側(cè)選擇連接點(diǎn)115，通過連接點(diǎn)115將上述光纖海水溫深度傳感器11粘接在固定支架114的突出部上，所述尾纖116用于連接下纖軸21，全光纖探頭外形如圖4所示。

所述甲板單元3包括寬帶光源31、動(dòng)態(tài)光纖光柵快速高精度解調(diào)模塊32、光纖隔離器33、第一光纖耦合器341、第二光纖耦合器342和上纖軸22。將第二光纖耦合器342的一個(gè)分支端口與寬帶光源31連接，另一個(gè)分支端口端口與第一光纖耦合器341的單端口相連，第一光纖耦合器341的兩個(gè)分支端口分別連接到動(dòng)態(tài)光纖光柵快速高精度解調(diào)模塊32上；在第二光纖耦合器342與寬帶光源31之間串聯(lián)上光纖隔離器33，注意光纖隔離器33為單向無源光器件具有正向?qū)ǎ嫦蚪刂沟奶攸c(diǎn)，其導(dǎo)通方向與寬帶光源31出射光方向一致。將第二光纖耦合器342的單端口依次與上纖軸22、下纖軸21和光纖海水溫深度傳感器11相連，完成船載投棄式光纖海水溫深剖面測量系統(tǒng)光路連接，如圖5所示。

所述的甲板單元3還包括安裝在工程船4尾舷41上的伸縮支架36，該伸縮支架36上設(shè)有鎖緊裝置37，伸縮支架36末端安裝發(fā)射槍35，全光纖探頭1安裝在發(fā)射槍35的發(fā)射筒內(nèi)，所述下纖軸21位于全光纖探頭1的內(nèi)部、光纖海水溫深度傳感器11的后方，所述上纖軸22固定于所述伸縮支架36的末端，且所述上、下纖軸22、21的繞線方向相反，以消除探頭旋轉(zhuǎn)下落引起的傳輸光纖扭轉(zhuǎn)。投放時(shí)，工程船調(diào)整到預(yù)定航速，啟動(dòng)寬帶光源34，拔出發(fā)射槍上的插銷，全光纖探頭11在重力作用下發(fā)射入水，開始剖面數(shù)據(jù)測量，探頭采集的數(shù)據(jù)經(jīng)傳輸光纖2傳輸至甲板單元3，通過動(dòng)態(tài)光纖光柵快速高精度解調(diào)模塊33實(shí)時(shí)記錄并讀出海水溫深度數(shù)據(jù)，如圖6所示。