CN110207674A - 一种基于光纤光栅传感技术的海洋底质特性探测及温度测量系统 - Google Patents

一种基于光纤光栅传感技术的海洋底质特性探测及温度测量系统 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于光纤光栅传感技术的海洋底质特性探测及温度测量系统，主要包括自沉式全光纤探头、探头发射单元、甲板单元，自沉式全光纤探头主要由内部的加速度和温度传感单元和内抽式快速释放光纤卷A构成，探头发射单元内设有内抽式快速释放光纤卷B，甲板单元由光纤波长信号解调模块、数据采集及综合处理模块、导航及定位模块、数据显示及控制模块构成。本发明可实现探头入水后温度的实时、连续采集；探头对振动以及温度敏感，可实现探头不同状态条件下的加速度探测以及探头下沉过程中海水温度的实时采集，在探头触底后，根据其触底撞击时采集的加速度数据，进行数据反演，可给出海底底质的沉积物类型定性判断结果。

Description

一种基于光纤光栅传感技术的海洋底质特性探测及温度测量 系统
技术领域
本发明涉及海洋探测和光纤光栅传感技术的领域，具体涉及一种基于光纤光栅传感技术的海洋底质特性探测及温度测量系统。
背景技术
XBT系统(英文全称：Expendable Bathythermograph system)是全球广泛使用的抛弃式海洋调查产品，系统基于热敏电阻温度测量、处理以及利用深度经验公式对深度数据的获取。XBT使用量巨大，从1963年发明以来，以年均150000枚巨大投放量稳居海洋调查设备首位；我国目前的年均投放量约在20000枚左右。国际上的XBT主要生产商有美国、日本、意大利等国的多家公司，有代表性的是美国的Lockheed Martin公司子公司Sippican的产品，国内主要包括声中科院声学所东海研究站、国家海洋技术中心以及北京海蓝信、西安天和防务等单位。XBT广泛应用于海军反潜战、国际海洋科考等领域。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术存在的不足，而提供一种基于光纤光栅传感技术的海洋底质特性探测及温度测量系统。
本发明的目的是通过如下技术方案来完成的：这种基于光纤光栅传感技术的海洋底质特性探测及温度测量系统，主要包括自沉式全光纤探头、探头发射单元、甲板单元，自沉式全光纤探头由流线形导流罩、流线形导流头及内部的加速度和温度传感单元和内抽式快速释放光纤卷A构成，探头发射单元内设有内抽式快速释放光纤卷B，甲板单元由光纤波长信号解调模块、数据采集及综合处理模块、导航及定位模块、数据显示及控制模块构成，加速度和温度传感单元采集的加速度和温度数据经过光纤耦合器耦合为光信号后通过内抽式快速释放光纤卷A和抽式快速释放光纤卷B连通传输至光纤波长信号解调模块构成完整低损光路传输，光纤波长信号解调模块解调信号并传输给光纤波长信号解调模块，光纤波长信号解调模块处理数据后传输给数据显示及控制模块。
所述自沉式全光纤探头和发射单元集成在一起。
所述加速度和温度传感单元为核心模块，负责自沉式全光纤探头发射及下沉过程中关键点加速度信号采集，其关键点包括发射瞬间、入水瞬间、加速下沉过程、匀速下沉过程以及触底时瞬间，加速度和温度传感单元同时负责自沉式全光纤探头水中下沉过程中温度的实时采集。
所述加速度和温度传感单元选用光纤光栅加速度计和光纤光栅温度计，同时选择性复用集成光纤光栅盐度计、光纤光栅深度计，以拓展自沉式全光纤探头功能。
所述自沉式全光纤探头中的流线形导流罩和流线形导流头构成流线形结构，结构外形为纺锤形及其他流线型外形设计。
所述流线形导流罩靠近出水孔的外部末端部分，具有导流尾翼。
所述导流尾翼末端具有一定面积、一定大小和方向的弯角。
所述内抽式快速释放光纤卷A和内抽式快速释放光纤卷B采用对称放纤设计，在光纤释放时释放掉绕制过程中累计的扭矩。
所述内抽式快速释放光纤卷A的长度由测试海深决定，内抽式快速释放光纤卷B的长度由探头投放平台航速决定。
所述甲板单元的光纤传感信号解调模块具有加速度、温度信号的采集解调功能，并选择性配有自沉式全光纤探头集成其他种类的海洋参数测量光纤传感器的数据采集解调功能。
所述自沉式全光纤探头具有唯一的序列号，所述序列号由6-8位数字组成，包括探头生产日期、传感器类别信息。
本发明的有益效果为：本发明提出了一种全新的消耗性、海洋底质探测系统概念，以光纤光栅传感相关技术为基础，集成复用光纤光栅加速度计和光纤光栅温度计，可实现探头入水后温度的实时、连续采集；探头对振动以及温度敏感，可实现探头不同状态条件下的加速度探测以及探头下沉过程中海水温度的实时采集，在探头触底后，根据其触底撞击时采集的加速度数据，进行数据反演，可给出海底底质的沉积物类型定性判断结果；系统探头及信号传输部分实现了全光纤化，具有光纤传感技术的通用优势，并支持数据的显示、存储以及回放；有效拓展了光纤光栅传感技术的应用纵深，是抛弃式海洋仪器装备领域的新概念，对大洋考察及海洋声传播特性研究具有积极意义，在海洋调查设备领域应用前景广阔；对研究海床声波吸收、反射以及散射等海洋中的声传播特性以及对促进和发展我国海洋仪器产业发展都具有积极的意义。
附图说明
图1为本发明的构成及工作流程示意图。
图2为本发明的甲板单元构成及工作流程示意图。
附图标记说明：自沉式全光纤探头1、流线形导流罩2、加速度和温度传感单元3、流线形导流头4、内抽式快速释放光纤卷A5、探头发射单元6、内抽式快速释放光纤卷B7、甲板单元8、光纤波长信号解调模块9、数据采集及综合处理模块10、导航及定位模块11、数据显示及控制模块12。
具体实施方式
下面将结合附图对本发明做详细的介绍：
实施例：如附图所示，这种基于光纤光栅传感技术的海洋底质特性探测及温度测量系统，主要包括自沉式全光纤探头1、探头发射单元6、甲板单元8，自沉式全光纤探头1由流线形导流罩2、流线形导流头4及内部的加速度和温度传感单元3和内抽式快速释放光纤卷A5构成，探头发射单元6内设有内抽式快速释放光纤卷B7，甲板单元8由光纤波长信号解调模块9、数据采集及综合处理模块10、导航及定位模块11、数据显示及控制模块12构成，自沉式全光纤探头1中的流线形导流罩2和流线形导流头4构成流线形结构，结构外形为纺锤形及其他流线型外形设计。流线形导流罩2靠近出水孔的外部末端部分，具有导流尾翼。导流尾翼末端具有一定面积、一定大小和方向的弯角，弯角面积和大小决定探头的自旋速度，以维持探头姿态稳定，弯角方向决定了探头的自旋方向，或为顺时针，或为逆时针。加速度和温度传感单元3采集的加速度和温度数据经过光纤耦合器耦合为光信号后通过内抽式快速释放光纤卷A5和抽式快速释放光纤卷B7连通传输至光纤波长信号解调模块9构成完整低损光路传输，光纤波长信号解调模块9解调信号并传输给光纤波长信号解调模块9，光纤波长信号解调模块9处理数据后传输给数据显示及控制模块12，从而构成构成正常完整的系统链路。自沉式全光纤探头1和发射单元6集成在一起。自沉式全光纤探头1具有唯一的序列号以用于探头传感器参数的识别和读取。序列号由6-8位数字组成，包括探头生产日期、传感器类别信息。
加速度和温度传感单元3为核心模块，负责自沉式全光纤探头1发射及下沉过程中关键点加速度信号采集，其关键点包括发射瞬间、入水瞬间、加速下沉过程、匀速下沉过程以及触底时瞬间，加速度和温度传感单元3同时负责自沉式全光纤探头1水中下沉过程中温度的实时采集。加速度和温度传感单元3选用光纤光栅加速度计和光纤光栅温度计，同时选择性复用集成光纤光栅盐度计、光纤光栅深度计，以拓展自沉式全光纤探头1功能。
内抽式快速释放光纤卷A5和内抽式快速释放光纤卷B7采用对称放纤设计，在光纤释放时释放掉绕制过程中累计的扭矩，以防止光纤扭结在一起。内抽式快速释放光纤卷A5的长度由测试海深决定，内抽式快速释放光纤卷B7的长度由探头投放平台航速决定。
甲板单元8的光纤传感信号解调模块9具有加速度、温度信号的采集解调功能，并选择性配有自沉式全光纤探头1集成其他种类的海洋参数测量光纤传感器的数据采集解调功能。
本发明工作过程：在发射开始前，自沉式全光纤探头1的序列号信息、导航及定位模块11采集的相关地理坐标信息一次性发送到数据采集及综合处理模块10，确保系统采集信息的完整性，并进入数据记录状态。发射过程当中，加速度以及温度信息通过由内抽式快速释放光纤卷A5以及内抽式快速释放光纤卷B7和光纤信号解调模块9构成完整的光路链路进行传输，传输并解调后的数据经过数据采集及综合处理模块10处理，得到加速度、温度数据。对触底前的加速度数据，由数据采集及综合处理模块10完成不同下沉阶段的加速度一次或二次时间积分，得到探头的不同时刻的速度和深度数据，结合温度的时空数据，给出海洋的温深剖面曲线；对触底后的加速度数据，由数据采集及综合处理模块10根据数据库模型比对结果，进行计算和解析、模型对比，可以对海底的底质类别做出甄别；对温度数据，根据用户实际需求，给出温度-深度曲线，或者根据声速公式，计算得到声速，给出声速-深度曲线。所有由数据采集及综合处理模块10实时采集的原始数据以及处理之后的数据，均实时存储在数据采集及综合处理模块10内部，处理之后的数据，发送到数据显示及控制模块12。自沉式全光纤探头1需要和发射单元6集成在一起，同步更换，以便开展下一次投放测试。
可以理解的是，对本领域技术人员来说，对本发明的技术方案及发明构思加以等同替换或改变都应属于本发明所附的权利要求的保护范围。

Claims (10)

1.一种基于光纤光栅传感技术的海洋底质特性探测及温度测量系统，其特征在于：主要包括自沉式全光纤探头(1)、探头发射单元(6)、甲板单元(8)，自沉式全光纤探头(1)由流线形导流罩(2)、流线形导流头(4)及内部的加速度和温度传感单元(3)和内抽式快速释放光纤卷A(5)构成，探头发射单元(6)内设有内抽式快速释放光纤卷B(7)，甲板单元(8)由光纤波长信号解调模块(9)、数据采集及综合处理模块(10)、导航及定位模块(11)、数据显示及控制模块(12)构成，加速度和温度传感单元(3)采集的加速度和温度数据经过光纤耦合器耦合为光信号后通过内抽式快速释放光纤卷A(5)和抽式快速释放光纤卷B(7)连通传输至光纤波长信号解调模块(9)构成完整低损光路传输，光纤波长信号解调模块(9)解调信号并传输给光纤波长信号解调模块(9)，光纤波长信号解调模块(9)处理数据后传输给数据显示及控制模块(12)。
2.根据权利要求1所述的基于光纤光栅传感技术的海洋底质特性探测及温度测量系统，其特征在于：所述加速度和温度传感单元(3)为核心模块，负责自沉式全光纤探头(1)发射及下沉过程中关键点加速度信号采集，其关键点包括发射瞬间、入水瞬间、加速下沉过程、匀速下沉过程以及触底时瞬间，加速度和温度传感单元(3)同时负责自沉式全光纤探头(1)水中下沉过程中温度的实时采集。
3.根据权利要求1或2所述的基于光纤光栅传感技术的海洋底质特性探测及温度测量系统，其特征在于：所述加速度和温度传感单元(3)选用光纤光栅加速度计和光纤光栅温度计，同时选择性复用集成光纤光栅盐度计、光纤光栅深度计，以拓展自沉式全光纤探头(1)功能。
4.根据权利要求1所述的基于光纤光栅传感技术的海洋底质特性探测及温度测量系统，其特征在于：所述自沉式全光纤探头(1)中的流线形导流罩(2)和流线形导流头(4)构成流线形结构，结构外形为纺锤形及其他流线型外形设计。
5.根据权利要求1或4所述的基于光纤光栅传感技术的海洋底质特性探测及温度测量系统，其特征在于：所述流线形导流罩(2)靠近出水孔的外部末端部分，具有导流尾翼。
6.根据权利要求5所述的基于光纤光栅传感技术的海洋底质特性探测及温度测量系统，其特征在于：所述导流尾翼末端具有一定面积、一定大小和方向的弯角。
7.根据权利要求1所述的基于光纤光栅传感技术的海洋底质特性探测及温度测量系统，其特征在于：所述内抽式快速释放光纤卷A(5)和内抽式快速释放光纤卷B(7)采用对称放纤设计，在光纤释放时释放掉绕制过程中累计的扭矩。
8.根据权利要求1或7所述的基于光纤光栅传感技术的海洋底质特性探测及温度测量系统，其特征在于：所述内抽式快速释放光纤卷A(5)的长度由测试海深决定，内抽式快速释放光纤卷B(7)的长度由探头投放平台航速决定。
9.根据权利要求1所述的基于光纤光栅传感技术的海洋底质特性探测及温度测量系统，其特征在于：所述甲板单元(8)的光纤传感信号解调模块(9)具有加速度、温度信号的采集解调功能，并选择性配有自沉式全光纤探头(1)集成其他种类的海洋参数测量光纤传感器的数据采集解调功能。
10.根据权利要求1所述的基于光纤光栅传感技术的海洋底质特性探测及温度测量系统，其特征在于：所述自沉式全光纤探头(1)具有唯一的序列号，所述序列号由6-8位数字组成，包括探头生产日期、传感器类别信息。
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