CN111238554B - 用于海洋的多参数传感仓、监测方法和传感仓的制造方法 - Google Patents
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Abstract
本发明用于海洋的多参数传感仓，具有三个串联的光纤Fabry‑Perot干涉仪腔体结构，可实现同时测量海底待测点的温度、压力和盐度等参数，即进行多参数的测量，基于Fabry‑Perot干涉仪的高灵敏度，本发明可以做到高精度测量，且规划合理、结构紧凑，稳定性好，制造和维护成本低，比传统测量方式更具有优势，有较好的应用前景。同时，本发明基于海底光缆提出了一种多参数监测方法，将传感仓作为平台在线实时监测海洋多物理参量，可以适应海底复杂的海洋环境，海底光缆具有通信与供电的双重功能，可为传感系统提供信号高速回传，持续供电，另外光缆分布广，分布式监测更有利于实现网络化监测。同时，本发明制造方法易于实施，可保证外部传感模块干涉仪采集信号精准。
Description
技术领域
本发明属于传感技术领域，尤其涉及一种用于海洋的多参数传感仓、监测方法和传感仓的制造方法。
背景技术
作为全球通信系统最重要的一环，海底光缆的总长度已达130多万公里，涵盖了全世界绝大部分国家的海岸线，也连接了所有的国家，形成完善的互联通信网络。特别的，毗邻南海的粤港澳大湾区具有多个海底光缆接入点，为我国通信及互联网的发展起到了至关重要的作用。
光纤传感器具有应用方便、抗腐蚀、抗电磁干扰、结构紧凑、稳定性好、灵敏度高等优点，已经广泛应用于各个传感领域，比如能源环保、工矿企业、航空航天、医药卫生等领域。随着我国科学技术的不断发展，对于海洋的研究逐渐深入,面对海洋广阔的面积以及复杂多样的环境，传统的探测手段，如目前常使用的，基于移动浮漂、拖拽、海底固定传感器阵列，以及有限的传感网络等来获取所需要的海洋信息等方法，其均在信息的获取上有很大的局限性，主要包括以下两个方面的问题:
首先是时效性，在监测信号的获取方式上，尤其是对远海区域的监控，目前数据的获取大多是通过存储卡保存，定期取回的低效率形式，也可通过卫星回传数据,但其通信速率和容量等现实条件也明显制约着实时监控的效率；
其次，由于海洋环境较为复杂，目前对海洋的监控手段在多参数同时测量方面比较欠缺，现有的多参数测量方式一般为分系统测量，浪费了宝贵的信息存储资源，且在铺设过程中，需要投入比较多的人力物力。
综上所述，即移动浮漂、拖拽传感器阵列等现有技术在满足大范围、多参量、实时检测的需求上，存在不足。
发明内容
本发明的技术目的是设计一种新型的用于海洋的多参数传感仓，以改善现有技术的不足。本发明提供的技术方案为：
一种用于海洋的多参数传感仓，其特征在于，包括内部传感模块、外部传感模块和密封壳体：
所述外部传感模块设有直接与海水接触的三腔混合Fabry-Perot干涉仪，位于密封壳体外，所述三腔混合Fabry-Perot干涉仪在光纤上设有三个串联的腔体，分别为空气泡腔、SiO2腔和开腔，即内部传感模块发送的光信号依次经过空气泡腔、SiO2腔和开腔；
所述内部传感模块安装在所述密封壳体内，包括波长扫描模块、解调与调制系统、光环行器和供电模块；
所述波长扫描模块包括用作光源设备的激光器，其输出的光信号分成两路，一路与光环行器的第一个信号端口连接，以通过光环行器的第二个信号端口传输至外部传感模块干涉仪中，另一路则直接与解调与调制系统连接，用于提供基准波长，而所述干涉仪的反馈信号则是通过光环行器的第三个端口发送至解调与调制系统；
所述密封壳体设有水密光纤接头，所述解调与调制系统的信号端通过所述水密光纤接头与水下光缆连接，通过光缆将输出信号发送至外部的信号接收端。
在上述方案的基础上，进一步改进或优选的方案还包括：
设所述空气泡腔的前端面为第一反射端面M1，空气泡腔的后端面为第二反射端面M2，开腔的前壁面为第三反射端面M3，后壁面为第四反射端面M4；
所述三腔混合Fabry-Perot干涉仪反射光的干涉强度I表示为：
其中，I1为M1反射的光强，I2为M2反射的光强，I3为M3反射的光强，I4为M4反射的光强；
φ12＝4πn1L1/λ、φ23＝4πn2L2/λ和φ34＝4πn3L3/λ分别为空气泡腔、SiO2腔、开腔的相移，φ13＝φ12+φ23为空气腔和SiO2腔的双腔相加相移，φ24＝φ23+φ34为SiO2和开腔的双腔相加相移，φ14＝φ12+φ23+φ34为空气腔、SiO2腔和开腔的三腔相加相移，n1＝1、n2＝1.46分别为空气、光纤纤芯SiO2材料的折射率，n3为开腔中海水的折射率，L1、L2和L3分别为空气腔、SiO2腔和开腔的腔长。
所述开腔在光纤径向方向的两个壁面上镀有反射膜，以提高干涉仪光纤中光的反射强度。
一种用于海洋的多参数监测方法，其特征在于，在海底光缆上预设安装座，以所述多参数传感仓作为监测平台，将其密封壳体固定在海底光缆的安装座中，利用海底光缆供电和传输信号，利用传感仓外部传感模块干涉仪的空气泡腔、SiO2腔、开腔完成对传感仓所在海底位置的压力、温度、盐度参数的监测。
一种用于如上所述多参数传感仓的制造方法，其特征在于，包括：
步骤一：通过光纤熔接机将一段端面平齐的单模光纤与一段空心光纤毛细微管熔接到一起，并将毛细微管在预定位置处断开，熔接过程中，确保第一段单模光纤和毛细微管的中轴线在同一条直线上；
设所述单模光纤为第一段单模光纤，所述第一段单模光纤的外径大于毛细微管的内径，小于毛细微管的外径，同时第一段单模光纤纤芯的直径小于毛细微管的内径；
步骤二：利用电弧在毛细微管的末端放电，使毛细微管坍缩成一个空气泡腔；
步骤三：在所述空气泡腔的末端再熔接一段端面平整的单模光纤，并在预定位置处断开，得到第二段单模光纤，所述第二段单模光纤与第一段单模光纤在同一直线上；
步骤四：在第二段单模光纤的末端错位熔接一段端面平整的单模光纤，并在预定的位置处断开，得到第三段单模光纤；
在所述第三段单模光纤的末端再错位熔接一段端面平整的单模光纤，并在预定位置处断开，得到第四段单模光纤；
所述第二、第四段单模光纤的中轴线在同一直线上，第三段单模光纤在径向上偏移，使第二、第四段单模光纤之间形成一开腔，且第二、第四段单模光纤的纤芯至少露出一半，至此构成三腔混合Fabry-Perot干涉仪的三腔结构；
上述步骤中，所述毛细微管和第二、第三段单模光纤的断面均为平面，而第四单段模光纤的断面则为具有凹凸结构的毛面。
作为优选，所述第一至第四段单模光纤的包层和纤芯的尺寸规格设为一致，所述空心光纤毛细微管的长度为80μm，内径为75μm，外径150μm；第二段单模光纤的长度为150μm，第三段单模光纤的长度为200μm。
进一步的：
步骤二的熔接过程中，设置70bit的电弧强度和2000ms的电弧放电时间，利用电弧在断面位置放电，使SiO2微管坍缩成一个空气泡腔；
步骤三的熔接过程中，设置10bit的电弧放电强度，1000ms的电弧放电时间，50μm的电弧偏离熔接点长度，10μm的熔接重叠长度；
步骤四的两个熔接过程中，设置5bit的电弧放电强度，750ms的电弧放电时间，8μm的熔接重叠长度。
制作第二、第三单模光纤时，其断开处采用切断的方式，形成平整的断面，制作第四单模光纤时，其断开处采用折断的方式，以形成凹凸不平的断面，降低该处对干涉仪反射信号的影响。
进一步的，所述多参数传感仓的制造方法，还包括：
步骤五：将所述开腔径向方向的两个壁面镀上反射膜。
有益效果：
本发明用于海洋的多参数传感仓，具有三个串联的光纤Fabry-Perot干涉仪腔体结构，可实现同时测量海底待测点的温度、压力和盐度等参数，即进行多参数的测量，基于Fabry-Perot干涉仪的高灵敏度，本发明可以做到高精度测量，且规划合理、结构紧凑，稳定性好，制造和维护成本低，比传统测量方式更具有优势，有较好的应用前景。同时，本发明基于海底光缆提出了一种多参数监测方法，将传感仓作为平台在线实时监测海洋多物理参量，可以适应海底复杂的海洋环境，海底光缆具有通信与供电的双重功能，可为传感系统提供信号高速回传，持续供电，另外光缆分布广，分布式监测更有利于实现网络化监测。同时，本发明制造方法易于实施，可保证外部传感模块干涉仪采集信号精准。
附图说明
图1为步骤一的制作示意图；
图2为空气泡腔的结构示意图；
图3为步骤三的制作示意图；
图4为步骤四的制作示意图；
图5为步骤五的制作示意图；
图6为干涉仪的四光干涉原理图；
图7为传感仓的整体结构示意图。
具体实施方式
为了进一步阐明本发明的技术方案和工作原理，下面结合附图与具体实施例对本发明做详细的介绍。
实施例一：
如图7所示的一种用于海洋的多参数传感仓，包括内部传感模块、外部传感模块和密封壳体。所述内部传感模块安装在密封壳体内，外部传感模块安装在密封壳体外，与海水直接接触。
所述外部传感模块为具有空气泡腔、SiO2腔和开腔的三腔混合Fabry-Perot干涉仪，内部传感模块发送的光信号依次经过空气泡腔、SiO2腔和开腔。
所述三腔混合Fabry-Perot干涉仪的制作过程如下：
1)空气泡腔结构制作
如图1所示，通过光纤熔接机(FSM-45PM,Fujikura)将一段端面平齐的单模光纤(SMF-28)与一段内径75μm、外径150μm空心光纤毛细微管熔接到一起，本实施例中单模光纤与毛细微管的材料均为高纯度的二氧化硅(SiO2)，所述空心光纤毛细微管即去掉纤芯的光纤空管。
设上述单模光纤为第一段单模光纤，所述第一段单模光纤的外径大于毛细微管的内径，小于毛细微管的外径，同时第一段单模光纤纤芯的直径小于毛细微管的内径。熔接过程中，确保第一段单模光纤和毛细微管的中轴线在同一条直线上。
接着将熔接到一起的光纤结构固定在光纤调整架上，在工业显微镜的帮助下找到接下来的空气泡腔熔接点，转动光纤调整架的水平轴，由于需要获得对于压力比较敏感的空气炮腔结构，因此所述毛细微管的长度比一般制作空气泡时要短，经过实验，约为80μm，故向微管右侧方向移动80μm，然后用光纤切割刀切平，将毛细微管断开。
在光纤熔接机中，设置70bit的电弧强度和2000ms的电弧放电时间，利用电弧在毛细微管断面位置放电，使毛细微管坍缩成一个泡腔，结果如图2所示。
2)S iO2腔结构制作
在所述空气泡腔的末端再熔接一段端面平整的单模光纤，并将其在预定位置处断开，得到第二段单模光纤。
所述第二段单模光纤与第一段单模光纤在同一直线上。熔接过程中，为了不损坏前面的两个反射面，经过实验，设置10bit的电弧放电强度，1000ms的电弧放电时间，50μm的电弧偏离熔接点长度，10μm的熔接重叠长度。得到熔接好的光纤结构之后，在光纤调整架上利用工业显微镜找到下一个熔接点，从熔接点的位置向单模光纤的方向移动150μm切断，制作过程如图3所示。
3)开腔结构制作
如图4a)所示，在光纤熔接机中，一端为上述步骤制作好的双腔结构，另外一端为一段单模光纤。
在第二段单模光纤的末端错位熔接一段端面平整的单模光纤，该熔接过程的电弧放电强度为5bit，电弧放电时间为750ms，熔接重叠长度为8μm。由于光纤直径为125μm，因此光纤错位横向偏置最好超过62.5μm，这样可以使光纤的纤芯超过一半接触到空气，从而实现更强的菲涅尔反射。如图4b)所示，熔接好之后，将结构置于光纤调整架上，在工业显微镜的帮助下找到下一个熔接点，向单模光纤的右侧方向移动200μm，切断，得到第三段单模光纤。
之后，如图4c)，重复上述步骤，在错位的第三段单模光纤后端再熔接一段端面平整单模光纤，并在其预定位置处断开，得到第四段单模光纤，如图4d)所示，为了不让反射光束影响测量，第一段单模光纤的尾端应该折断而非切平，最终得到的结构如图所示，为具有凹凸结构的毛面。
所述第二、第四段单模光纤的中轴线在同一直线上，第三段单模光纤在径向方向上偏移，使得第二、第四段单模光纤之间形成一开腔，且第二、第四段单模光纤的纤芯至少露出一半，至此构成所述三腔混合Fabry-Perot干涉仪的三腔结构。
由于干涉仪放置于海水中，当开腔中被注满海水时，开腔表面对于光的反射率比较低，因此，如图5所示，还需要在开腔的两个表面，镀上两层反射膜，以提高光的反射强度。
在三腔结构中，存在四束光的反射，原理图如图6所示，由一个空气球腔、一个SiO2腔、一个开腔串联而成，三腔结构光纤Fabry-Perot干涉仪的三腔效果主要体现在其干涉谱线是通过四束反射光干涉而成，四束反射光分别由四段光纤与空气的界面产生菲涅尔反射。设空气泡腔的前端面(也可视为第一段单模光纤的后端面)为第一反射端面M1，空气泡腔的后端面(也可视为第二段单模光纤的前端面)为第二反射端面M2，开腔的前壁面(也可视为第二段单模光纤的后端面，或第三段单模光纤的前端面)为第三反射端面M3，后壁面(也可视为第三段单模光纤的后端面，或第四段单模光纤的前端面)为第四反射端面M4，所述三腔混合Fabry-Perot干涉仪反射光的干涉强度I可表示为：
其中，I1为M1反射的光强，I2为M2反射的光强，I3为M3反射的光强，I4为M4反射的光强；φ12＝4πn1L1/λ、φ23＝4πn2L2/λ和φ34＝4πn3L3/λ分别为空气泡腔、SiO2腔、开腔的相移，φ13＝φ12+φ23为空气泡腔和SiO2腔的双腔相加相移，φ24＝φ23+φ34为SiO2腔和开腔的双腔相加相移，φ14＝φ12+φ23+φ34为空气腔、SiO2腔和开腔的三腔相加相移，n1＝1为空气的折射率，n2＝1.46为光纤纤芯SiO2材料的折射率，n3为开腔中海水的折射率，L1、L2和L3分别为空气泡腔、SiO2腔和开腔的腔长。
需要说明的是，空气泡腔的腔长L1即第一反射端面M1到第二反射端面M2的轴向距离，SiO2腔的腔长L2即第二反射端面M2到第三反射端面M3的轴向距离，开腔的腔长L3即三反射端面M3到第四反射端面M4的轴向距离，SiO2腔即空气泡腔与开腔之间的部分，熔接操作时，第二段单模纤维纤芯紧接空气泡腔，使二者之间的隔层(图中相应部分仅为结构示意，不计尺寸)可忽略不计，同时，开腔两壁面镀的反射膜厚度也远小于开腔长，故计算尺寸时，将其对开腔长度的影响也做忽略不计处理。
之后，对传感仓进行封装处理，如图7所示，外部传感模块固定在所述密封壳体外，所述内部传感模块安装在所述密封壳体内，外部传感模块连接内部传感模块的引线穿过设有密封隔离构件的线孔进入密封壳体，以隔离海水，防止海水进入内部。
所述内部传感模块包括波长扫描模块、解调与调制系统、光环行器和供电模块等组件。
所述供电模块用于为传感仓的所有耗电元器件供电，其电源来自于外部潜望基站，或者由岸上的城市用电，利用海底光缆的导线传输电能。
所述波长扫描模块包括用作光源设备的激光器，它通过对激光器的微机电系统部分施加电压进行调制，以用作传感仓波长的扫描光源，其输出的光信号分成两路，一路与光环行器的第一个信号端口连接，以通过光环行器的第二个信号端口传输至外部传感模块干涉仪中，另一路则直接与解调与调制系统连接，用于提供调制的基准波长，而所述干涉仪的反馈信号则是通过光环行器的第三个端口发送至解调与调制系统。
所述密封壳体设有水密光纤接头，接头处经过密封处理，所述解调与调制系统的信号端通过所述水密光纤接头与水下光缆连接，经过调制之后的传感信号被由此通道进入到海底光缆中，通过光缆被发送至岸上的研究中心。
传感仓密封壳体的设计采用与海底光缆中继器类似的抗压、抗腐蚀技术，保证内部元器件不受影响。传感仓内部的电路和光学路径均采取分离排布设计。传感仓的外部固定采用铆钉的方式，与潜标或座底观测站的固定部位匹配，直接进行机械连接。
当传感仓的干涉仪光纤受到外界力场或温度场的作用时，三腔的几何尺寸和折射率等参数会发生变化，从而导致光纤中的光相位变化。当海水盐度发生变化时，相应的开腔中的光传播介质的折射率也会发生变化。故本实施例传感仓可利用其外部传感模块的空气泡腔、SiO2腔和开腔，分别实现对待测点温度、压力和盐度的测量。
实施例二：
一种用于海洋的多参数监测方法，在海底光缆上预设沟槽类的安装座，以实施例一多参数传感仓作为监测平台，将其密封壳体通过机械结构固定在海底光缆的安装座中，使其外部传感模块与海水直接接触，利用海底光缆供电和传输信号，完成对传感仓所在海底位置的压力、温度和盐度参数的监测。
以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，本发明要求保护范围由所附的权利要求书、说明书及其等效物界定。
Claims (9)
1.一种用于海洋的多参数传感仓，其特征在于，包括内部传感模块、外部传感模块和密封壳体：
所述外部传感模块设有直接与海水接触的三腔混合Fabry-Perot干涉仪，位于密封壳体外，所述三腔混合Fabry-Perot干涉仪在光纤上设有三个串联的腔体，分别为空气泡腔、SiO2腔和开腔，即内部传感模块发送的光信号依次经过空气泡腔、SiO2腔和开腔，所述空气泡腔、SiO2腔、开腔分别用于对传感仓所在海底位置的压力、温度、盐度参数的监测；
所述内部传感模块安装在所述密封壳体内，包括波长扫描模块、解调与调制系统、光环行器和供电模块；
所述波长扫描模块包括用作光源设备的激光器，其输出的光信号分成两路，一路与光环行器的第一个信号端口连接，以通过光环行器的第二个信号端口传输至外部传感模块干涉仪中，另一路则直接与解调与调制系统连接，而所述干涉仪的反馈信号则是通过光环行器的第三个端口发送至解调与调制系统；
所述密封壳体设有水密光纤接头，所述解调与调制系统的信号端通过所述水密光纤接头与水下光缆连接，通过光缆将输出信号发送至外部的信号接收端。
2.根据权利要求1所述一种用于海洋的多参数传感仓，其特征在于，设所述空气泡腔的前端面为第一反射端面M1，空气泡腔的后端面为第二反射端面M2，开腔的前壁面为第三反射端面M3，后壁面为第四反射端面M4；
所述三腔混合Fabry-Perot干涉仪反射光的干涉强度I表示为：
其中，I1为M1反射的光强，I2为M2反射的光强，I3为M3反射的光强，I4为M4反射的光强；
φ12＝4πn1L1/λ、φ23＝4πn2L2/λ和φ34＝4πn3L3/λ分别为空气泡腔、SiO2腔、开腔的相移，φ13＝φ12+φ23为空气泡腔和SiO2腔的双腔相加相移，φ24＝φ23+φ34为SiO2和开腔的双腔相加相移，φ14＝φ12+φ23+φ34为空气泡腔、SiO2腔和开腔的三腔相加相移，n1＝1、n2＝1.46分别为空气、光纤纤芯SiO2材料的折射率，n3为开腔中海水的折射率，L1、L2和L3分别为空气泡腔、SiO2腔和开腔的腔长。
3.根据权利要求1或2所述的一种用于海洋的多参数传感仓，其特征在于，所述开腔在光纤径向方向的两个壁面上镀有反射膜。
4.一种用于海洋的多参数监测方法，其特征在于，在海底光缆上预设安装座，以权利要求1-3中任一项所述多参数传感仓作为监测平台，将其密封壳体固定在海底光缆的安装座中，利用海底光缆供电和传输信号，利用传感仓外部传感模块干涉仪的空气泡腔、SiO2腔、开腔完成对传感仓所在海底位置的压力、温度、盐度参数的监测。
5.一种用于如权利要求1-3中任一项多参数传感仓的制造方法，其特征在于，包括：
步骤一：通过光纤熔接机将一段端面平齐的单模光纤与一段空心光纤毛细微管熔接到一起，并将毛细微管在预定位置处断开，熔接过程中，确保第一段单模光纤和毛细微管的中轴线在同一条直线上；
设所述单模光纤为第一段单模光纤，所述第一段单模光纤的外径大于毛细微管的内径，小于毛细微管的外径，同时第一段单模光纤纤芯的直径小于毛细微管的内径；
步骤二：利用电弧在毛细微管的末端放电，使毛细微管坍缩成一个空气泡腔；
步骤三：在所述空气泡腔的末端再熔接一段端面平整的单模光纤，并在预定位置处断开，得到第二段单模光纤，所述第二段单模光纤与第一段单模光纤在同一直线上；
步骤四：在第二段单模光纤的末端错位熔接一段端面平整的单模光纤，并在预定的位置处断开，得到第三段单模光纤；
在所述第三段单模光纤的末端再错位熔接一段端面平整的单模光纤，并在预定位置处断开，得到第四段单模光纤；
所述第二、第四段单模光纤的中轴线在同一直线上，第三段单模光纤在径向方向上偏移，使第二、第四段单模光纤之间形成一开腔，且第二、第四段单模光纤的纤芯至少露出一半，至此构成所述三腔混合Fabry-Perot干涉仪的三腔结构；
上述步骤中，所述毛细微管和第二、第三段单模光纤的断面均为平面，而第四单段模光纤的断面则为具有凹凸结构的毛面。
6.根据权利要求5所述的多参数传感仓的制造方法，其特征在于：
第一至第四段单模光纤的包层和纤芯的尺寸规格一致，所述空心光纤毛细微管的长度为80μm，内径为75μm，外径150μm；
第二段单模光纤的长度为150μm，第三段单模光纤的长度为200μm。
7.根据权利要求5所述的多参数传感仓的制造方法，其特征在于：
步骤二的熔接过程中，设置70bit的电弧强度和2000ms的电弧放电时间，利用电弧在断面位置放电，使SiO2微管坍缩成一个空气泡腔；
步骤三的熔接过程中，设置10bit的电弧放电强度，1000ms的电弧放电时间，50μm的电弧偏离熔接点长度，10μm的熔接重叠长度；
步骤四的两个熔接过程中，设置5bit的电弧放电强度，750ms的电弧放电时间，8μm的熔接重叠长度。
8.根据权利要求5-7中任一项所述的多参数传感仓的制造方法，其特征在于：
制作第二、第三段单模光纤时，其断开处采用切断的方式，形成平整的断面，制作第四单模光纤时，其断开处采用折断的方式，以形成凹凸不平的断面，降低对干涉仪反射信号的影响。
9.根据权利要求5-7中任一项所述的多参数传感仓的制造方法，其特征在于，包括：
步骤五：将所述开腔径向方向的两个壁面镀上反射膜。
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