CN111323061A - 一种抛弃式光纤温深仪测量系统 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种抛弃式光纤温深仪测量系统，包括一个或多个抛弃式光纤温深探头和光信息解调与控制系统，其中，所述抛弃式光纤温深探头用于反射所述光信息解调与控制系统输出的光信号，并将反射光信号通过光纤发送给所述光信息解调与控制系统；所述光信息解调与控制系统输出光信号，并检测每个所述抛弃式光纤温深探头的反射光信号的波长，并基于所述波长解算相应所述抛弃式光纤温深探头所处位置的物理量。本发明可大幅提高国产走航式温深测量设备的测量深度、精度和可靠性。

Description

一种抛弃式光纤温深仪测量系统
技术领域
本发明属于海洋观测设备技术领域，尤其涉及一种抛弃式光纤温深仪测量系统。
背景技术
21世纪被称之为“海洋的世纪”，海洋的地位在人类生存和发展中将变得越来越重要，海洋开发已经成为当前任何一个拥有海洋资源的民族国家在确立国家发展战略上的重中之重。海洋环境调查是进行海洋开发的基础和前提，海洋水文调查是海洋环境调查的最基础内容，主要包括温度、盐度、密度、声速、海流等重要的海洋环境参数，是海洋立体监测的重要内容，获取和研究这些参数信息，是掌握海洋变化规律，开发和利用海洋资源的前提。对这些海洋水文参数的监测和获取，一般可分为岸基或浮标固定站位监测、基于船载或机载等移动平台的垂直剖面测量、基于卫星的大面积表层参数遥感测量、以及基于漂流形式的监测等。目前国际上用得最多的调查手段还是基于船载或机载的垂直剖面测量。
船载测量方式可以通过电缆绞车吊放相应的传感器来实现，如国内外常用的温盐深测量仪(CTD)、声速梯度测量仪等，这些设备测量的参数相对精确，但使用时舰船需处于停车漂浮状态，测量过程耗时较长，效率较低，不利于开展大规模的水文调查。
另外一种船载测量方式是走航式测量，使用投弃式剖面测量设备。基本工作方式是，将测量探头投入海中，就能快速地测量海水温度、盐度、电导率等参数在不同深度上的数值，并把获得的这些参数值通过有线或无线的方式传输到舰船上的数据接收系统，在整个测量过程中，无需改变舰船的航行状态。
走航式温度剖面仪的测量探头因为是一次性使用，因此又称为抛弃式温深剖面测量探头(Expendable Bathythermograph，简称XBT)。XBT最重要的部件是温度测量传感器。由于XBT在海水中的下降速度较快，并且需要能够比较准确地测量出温跃层的温度变化，这就对温度传感器的响应时间提出了较高的要求。如果温度传感器的响应时间长，温跃层的温度快速变化相当于经过了一个低通滤波器，温度剧烈变化被平滑了。所以，通常XBT的温度传感器都是使用特殊工艺和材料制成，保证其具有较短的响应时间。由于供电和成本的原因，XBT通常不使用深度传感器，深度信息是通过对探头的外形优化设计，利用流体力学理论和实验的方法归纳出入水后的深度和时间经验公式计算得到。
同时，光纤光栅是利用光纤材料的光敏感性在光纤内建立的一种空间周期性折射率分布，其作用是改变和控制光在其区域内的传播行为和方式。光纤光栅的发明使光纤由被动的传输介质转化为主动的光子器件，光纤光栅传感器就是这种技术的重要用途之一。近年来，光纤光栅传感器的应用日益广泛，其中，温度、应变和压力可以直接影响光纤光栅的波长，光纤温度传感器和压力传感器均具有比较高的测量精度和灵敏度。
发明内容
为解决上述问题，本发明提供了一种抛弃式光纤温深仪测量系统，包括：一个或多个抛弃式光纤温深探头和光信息解调与控制系统，其中，所述抛弃式光纤温深探头用于反射所述光信息解调与控制系统输出的光信号，并将反射光信号通过光纤发送给所述光信息解调与控制系统；所述光信息解调与控制系统输出光信号，并检测每个所述抛弃式光纤温深探头的反射光信号的波长，并基于所述波长解算相应所述抛弃式光纤温深探头所处位置的物理量。
较佳地，所述物理量包括温度、压力、位移和/或应变。
较佳地，所述抛弃式光纤温深探头包括温度传感器和/或压力传感器。
较佳地，所述光信息解调与控制系统包括光源、反射光波长检测单元和中央控制单元，其中，所述光源用于发出光信号；所述反射光波长检测单元用于检测所述抛弃式光纤温深探头的反射光信号；所述中央控制单元根据所述反射光波长检测单元的检测结果确定反射光信号的波长。
较佳地，所述反射光波长检测单元包括扫描电压发生器、可调光纤F-P 滤波器、光强探测器和光电转换模块，其中，所述扫描电压发生器在所述中央控制单元的控制下产生扫描电压；所述可调光纤F-P滤波器的中心波长随所述扫描电压变化；所述光强探测器检测所述可调光纤F-P滤波器输出的光信号强度；所述光电转换模块将所述光信号强度转换成电压信号；所述中央控制单元确定所述反射光信号的波长：搜索所述光强探测器输出的电压信号峰值，确定所述电压信号峰值所对应的所述扫描电压发生器的扫描电压，该扫描电压对应的所述可调光纤F-P滤波器的中心波长即为所述反射光信号的波长。
较佳地，所述扫描电压发生器在所述中央控制单元的控制下产生由低到高的扫描电压。
较佳地，所述光源发出的光信号波长范围是1525nm-1565nm。
较佳地，所述光信息解调与控制系统还包括数据接口，所述中央控制单元将所述抛弃式光纤温深探头的物理量数据通过所述数据接口输出。
较佳地，所述光纤采用在裸光纤上加涂覆层。
较佳地，所述涂覆层为用紫外光固化的一层弹性涂料，包括丙烯酸酯、硅橡胶和尼龙材料。
与现有技术相比，本发明存在以下技术效果：
1、本发明实施例抛弃式光纤温深仪测量系统将光纤温度传感器和光纤压力传感器应用于海洋温深剖面测量，可大幅提高国产走航式温深测量设备的测量深度、精度和可靠性，增强国产走航式温深测量设备的竞争力，缓解我国深海水文资源调查依赖进口的局面。具体包括如下好处：
a)温度和压力测量都是通过光栅波长变化来测量得到，对温度和压力变化的响应时间比目前所使用的热敏电阻以及普通压力传感器要短的多，对温跃层的温度变化测量更精确；
b)可以直接测量深度信息，而不是用经验公式以时间作为变量计算深度信息；
c)数据记录终端无需为测量探头供电，测量和数据传输都通过光通信完成：
d)数据记录终端和抛弃式光纤温深探头的数据传输距离可达数十公里，因此可以测量任意深度的海洋温深剖面(目前常规的测量探头最大测量深度：进口产品约为1830米，国产产品约为760米)；
e)数据记录终端和抛弃式光纤温深探头采用光通信，电磁兼容性极好，不易受到干扰。
2、本发明实施例抛弃式光纤温深仪测量系统的温深测量信号的传输采用光通信的方式，大幅提高了信号传输的稳定性和可靠度。
3、本发明实施例抛弃式光纤温深仪测量系统在走航式温深测量系统中加入压力传感器，可直接测量深度信息而无需用经验公式计算，大幅提高了深度测量的精确度。
附图说明
图1为本发明实施例抛弃式光纤温深仪测量系统结构示意图；
图2为布拉格光栅光谱；
图3为抛弃式光纤温深探头结构示意图。
具体实施方式
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对照附图说明本发明的具体实施方式。显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图，并获得其他的实施方式。
为使图面简洁，各图中只示意性地表示出了与本发明相关的部分，它们并不代表其作为产品的实际结构。另外，以使图面简洁便于理解，在有些图中具有相同结构或功能的部件，仅示意性地绘示了其中的一个，或仅标出了其中的一个。在本文中，“一个”不仅表示“仅此一个”，也可以表示“多于一个”的情形。
请参阅图1，一种抛弃式光纤温深仪测量系统，包括：一个或多个抛弃式光纤温深探头1和光信息解调与控制系统2，其中，所述抛弃式光纤温深探头1用于反射所述光信息解调与控制系统2输出的光信号，并将反射光信号通过光纤发送给所述光信息解调与控制系统2；所述光信息解调与控制系统2输出光信号，并检测每个所述抛弃式光纤温深探头1的反射光信号的波长，并基于所述波长解算相应所述抛弃式光纤温深探头1所处位置的物理量。
这里，所述物理量包括温度、压力、位移和/或应变。
作为一种优选实施例，所述抛弃式光纤温深探头1内部集成了温度传感器和/或压力传感器。本实施例中采用的是一体式的光栅温度压力传感器，其集合了温度传感器和压力传感器功能，当然，根据实际应用的需要，也可以采用独立的温度传感器和压力传感器。具体地，请参考图3，抛弃式光纤温深探头1由光栅温度压力传感器11、光纤12、配重头13(传感器封装结构)、姿态稳定部件14(尾翼)、光纤绕制骨架(包括上线圈15和下线圈16)、外部壳体(图中未示出)、接口17等部件组成，抛弃式光纤温深探头1的外部整体结构具有流线型和对称性特征，可保证在水中运动的稳定性，光纤12 按长度比例绕在上线圈15和下线圈16上，在测量的过程中上线圈15和下线圈16同时双向放线，光纤12自动适应船速有序放出，从而实现抛弃式光纤温深仪系统的走航测量。本实施例中，光栅温度压力传感器11采用布拉格型光栅传感器，请参考图2，布拉格型光栅传感器的光栅内沿光轴传播的光信号的波长随温度和压力变化，应变会引起布拉格光栅传感器反射光波长变化，因此，只要检测出布拉格光栅反射光波长的变化就可以利用应变与反射光波长的变化关系计算出应变变化量，从而计算出压力、温度等物理量。本实施例中，光信息解调与控制系统2通过检测出反射信号的波长，进而计算出抛弃式光纤温深探头1所处位置的温度和压力(即深度)。
作为一种优选实施例，所述光信息解调与控制系统2包括光源21、反射光波长检测单元23和中央控制单元(MCU)22，其中，所述光源21用于发出光信号；所述反射光波长检测单元23用于检测所述抛弃式光纤温深探头1 的反射光信号；所述中央控制单元22根据所述反射光波长检测单元23的检测结果确定反射光信号的波长。
这里，所述光源21发出的光信号波长范围是1525nm-1565nm。由于光栅传感器相当于一个窄带滤波器，通常只对一定波长范围的光信号有反射作用，且在温度测量和压力测量领域使用的光栅传感器通常使用的波长范围是 1525nm-1565nm，因此，本实施例中，光源21需要能够在此波长范围内发出功率可调的光信号，也进一步保证接收到的反射光具有足够的信噪比。
本实施例中，所述反射光波长检测单元23包括扫描电压发生器231、可调光纤F-P滤波器232、光强探测器233和光电转换模块234，其中，扫描电压发生器231在中央控制单元22的控制下产生由低到高的扫描电压，该扫描电压控制可调光纤F-P滤波器232的中心波长变化，所述光强探测器233检测所述可调光纤F-P滤波器232输出的光信号强度，所述光电转换模块234 将所述光信号强度转换成电压信号；所述中央控制单元22搜索所述光强探测器233输出的电压信号峰值，确定所述电压信号峰值所对应的所述扫描电压发生器231的扫描电压，该扫描电压对应的所述可调光纤F-P滤波器232的中心波长即为所述反射光信号的波长。其中，当可调光纤F-P滤波器232的中心波长和耦合器输出的抛弃式光纤温深探头1的反射光波长一致时，可调光纤F-P滤波器232输出的光信号的强度最大，相应地，由于光电转换模块 234将光信号强度转换成中央控制单元22可以识别的电压信号，其输出的电压信号最大也最大。具体操作时，中央控制单元22通过输出扫描电压发生器 231的控制信号使扫描电压发生器231产生三角波或者锯齿波控制电压，控制可调光纤F-P滤波器232的中心波长变化。中央控制单元22还同步记录扫描电压发生器231的扫描电压和光电转换模块234的电压变化，通过搜索光电转换模块234输出的电压峰值(即对应于光强探测器233输出的最强光) 所对应的扫描电压发生器231的电压值，即可利用扫描电压与可调光纤F-P 滤波器的中心波长的映射关系计算得到可调光纤F-P滤波器232在此时的中心波长，从而得到抛弃式光纤温深探头1的温度传感器11和压力传感器12 的光栅反射光的波长，并进一步利用波长变化与物理量温度和压力的映射关系计算得到温度和压力。
本实施例中，抛弃式光纤温深仪测量系统以可调光纤F-P滤波器法为基础进行光信号解调和控制，可调光纤F-P滤波器法是将可调光纤F-P滤波器 232固定在压电陶瓷上，调整压电陶瓷的驱动电压，当F-P腔的透射波长与布拉格光栅的反射波长重合时，光强探测器能探测到最大的光强。可调光纤 F-P滤波器法的优点是体积小、测量分辨率高，可以直接输出对应波长变化的电信号，并且可以同时对多个布拉格光栅的反射波长进行解调。
作为一种优选实施例，所述光信息解调与控制系统还包括数据接口24，所述中央控制单元22将所述抛弃式光纤温深探头1的物理量数据通过所述数据接口24输出。具体地，中央控制单元22计算得到抛弃式光纤温深探头1 的温深数据后，可以根据需要，以特定的通信协议和数据格式，选择用网络 (TCP/IP)、RS422或者RS232等接口实时发送到加固笔记本电脑或者存储系统等，形成数据库。
作为一种优选实施例，所述光纤3采用在裸光纤上加涂覆层(图中未示出)，从而使光纤既能保持较小的直径，又不易折断，且具有一定的抗拉能力，满足抛弃式光纤温深探头1的使用需求。
本发明抛弃式光纤温深仪测量系统可用于采集海洋温度、深度等基础水文数据，所获的水文数据可以用于海洋开发和资源普查，也可用于海洋声场的计算和分析，为各种声纳的使用提供参考。
以上所述实施例仅表达了本发明一些示例性实施例，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (10)

1.一种抛弃式光纤温深仪测量系统，其特征在于，包括：一个或多个抛弃式光纤温深探头和光信息解调与控制系统，其中，
所述抛弃式光纤温深探头用于反射所述光信息解调与控制系统输出的光信号，并将反射光信号通过光纤发送给所述光信息解调与控制系统；
所述光信息解调与控制系统输出光信号，并检测每个所述抛弃式光纤温深探头的反射光信号的波长，并基于所述波长解算相应所述抛弃式光纤温深探头所处位置的物理量。
2.根据权利要求1所述的抛弃式光纤温深仪测量系统，其特征在于，所述物理量包括温度、压力、位移和/或应变。
3.根据权利要求1所述的抛弃式光纤温深仪测量系统，其特征在于，所述抛弃式光纤温深探头包括温度传感器和/或压力传感器。
4.根据权利要求1所述的抛弃式光纤温深仪测量系统，其特征在于，所述光信息解调与控制系统包括光源、反射光波长检测单元和中央控制单元，其中，
所述光源用于发出光信号；
所述反射光波长检测单元用于检测所述抛弃式光纤温深探头的反射光信号；
所述中央控制单元根据所述反射光波长检测单元的检测结果确定反射光信号的波长。
5.根据权利要求4所述的抛弃式光纤温深仪测量系统，其特征在于，所述反射光波长检测单元包括扫描电压发生器、可调光纤F-P滤波器、光强探测器和光电转换模块，其中，
所述扫描电压发生器在所述中央控制单元的控制下产生扫描电压；
所述可调光纤F-P滤波器的中心波长随所述扫描电压变化；
所述光强探测器检测所述可调光纤F-P滤波器输出的光信号强度；
所述光电转换模块将所述光信号强度转换成电压信号；
所述中央控制单元确定所述反射光信号的波长：搜索所述光强探测器输出的电压信号峰值，确定所述电压信号峰值所对应的所述扫描电压发生器的扫描电压，该扫描电压对应的所述可调光纤F-P滤波器的中心波长即为所述反射光信号的波长。
6.根据权利要求5所述的抛弃式光纤温深仪测量系统，其特征在于，所述扫描电压发生器在所述中央控制单元的控制下产生由低到高的扫描电压。
7.根据权利要求4所述的抛弃式光纤温深仪测量系统，其特征在于，所述光源发出的光信号波长范围是1525nm-1565nm。
8.根据权利要求4所述的抛弃式光纤温深仪测量系统，其特征在于，所述光信息解调与控制系统还包括数据接口，所述中央控制单元将所述抛弃式光纤温深探头的物理量数据通过所述数据接口输出。
9.根据权利要求1所述的抛弃式光纤温深仪测量系统，其特征在于，所述光纤采用在裸光纤上加涂覆层。
10.根据权利要求9所述的抛弃式光纤温深仪测量系统，其特征在于，所述涂覆层为用紫外光固化的一层弹性涂料，包括丙烯酸酯、硅橡胶和尼龙材料。
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