CN112033569A - 一种抛弃式全光纤海洋温盐深剖面测量探头 - Google Patents

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李海洋
郝凤欢
何少灵
吴国军
李博
刘鹏飞
桑卫兵
李东明
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    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
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    • G01N21/552—Attenuated total reflection
    • G01N21/553—Attenuated total reflection and using surface plasmons

Abstract

本发明公开了一种抛弃式全光纤海洋温盐深剖面测量探头，涉及海洋环境监测领域，包括外壳部、传感部和连接部，外壳部包括导流罩及固装在导流罩头部的配重头，导流罩尾部固装有若干片尾翼；传感部通过支撑件固定于配重头底部，包括光栅压力传感器、光纤光栅温度传感器和光纤盐度传感器；连接部置于导流罩内腔，一端与传感部连接，另一端从导流罩尾部穿出并与船体甲板单元连接，向船体传输传感部采集的数据。本发明采用光纤传感器，无源抗电磁干扰，不需要远端供电；采集的数据信号采用光纤传输，传输效率高、稳定性好，可实现大深度海域的温盐深剖面测量。

Description

一种抛弃式全光纤海洋温盐深剖面测量探头
技术领域
本发明涉及海洋环境监测的领域，具体涉及一种抛弃式全光纤海洋温盐深剖面测量探头。
背景技术
海洋温盐深剖面数据在海洋环境科学研究在海洋环境科学研究、海洋资源探测、海洋渔业以及海洋军事等领域有着重要的价值，尤其是在海洋军事中，温盐深剖面数据是计算海洋声速曲线的一种非常有效的方式，对反潜探潜等军事行动起着极其重要的作用。
投弃式温盐深剖面测量仪(XCTD)可在船体航行过程中，通过投放温盐深剖面测量探头，在探头快速下降过程中记录海洋温盐深剖面数据，是探测海洋温盐深数据的一种非常重要的设备。
目前传统的XCTD的探头大都采用电学传感器，数据传输采用金属漆包线，一方面数据处理电路较为复杂，需要解决远程供电问题，另外一方面由于漆包线信道本身的分布电容和线圈的缠绕电感动态变化特性，使得系统的传输速率和信号传输准确性受到了极大的限制，信号传输距离受限，在超过1500m的海域基本无法使用。目前虽然有采用光纤作为传输介质的XCTD，提升了测量深度范围，但其传感器依然为电学传感器，需要在探头上加装光电转换模块，提高了探头复杂度，依然需要解决远端供电问题。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术存在的不足，而提供一种抛弃式全光纤海洋温盐深剖面测量探头，具有结构简单、成本低廉的优势，可实现较大海洋深度范围内的海洋温盐深剖面测量。
本发明的目的是通过如下技术方案来完成的：这种抛弃式全光纤海洋温盐深剖面测量探头，包括
外壳部，其包括导流罩及固装在导流罩头部的配重头，该导流罩尾部固装有若干片尾翼；
传感部，其通过支撑件固定于配重头底部，包括光栅压力传感器、光纤光栅温度传感器和光纤盐度传感器；以及
连接部，其置于所述导流罩内腔，一端与传感部连接，另一端从导流罩尾部穿出并与船体甲板单元连接，向船体传输传感部采集的数据。
作为优选的技术方案，所述导流罩和配重头采用流线型结构，配重头底部设有进水口，所述连接部采用内抽式结构的光纤卷；所述光栅压力传感器、光纤光栅温度传感器和光纤盐度传感器依次采用单光路级联，该光纤光栅压力传感器与光纤卷连接。
作为优选的技术方案，所述尾翼的数量为3～5片。
作为进一步的技术方案，所述光纤光栅压力传感器和光纤光栅温度传感器采用双端出纤设计，所述光纤盐度传感器采用单端出纤设计；光纤光栅压力传感器采用双光纤光栅结构，一根光栅作为测压光栅，另一根作为温补光栅，用于实时补偿探头快速下降过程中的温度变化。
作为进一步的技术方案，所述光纤盐度传感器采用反射式光纤SPR传感器，其包括光纤、光刻胶和SPR微腔结构，该SPR微腔结构通过光刻胶均布在光纤的端面用于反射光纤传输的光。
作为进一步的技术方案，所述光纤光栅压力传感器、光纤光栅温度传感器和光纤盐度传感器的解调均采用波长解调，其中光纤光栅压力传感器和光纤光栅温度传感器采用寻光谱波峰的方式解调，光纤盐度传感器采用寻光谱波谷的方式解调。
本发明的有益效果为：
1、探头传感器均采用光纤传感器，无源、抗电磁干扰，不需要远端供电；
2、信号采用光纤传输，传输效率高、稳定性好，可实现大深度海域的温盐深剖面测量；
3、光纤光栅压力传感器、光纤光栅温度传感器及光纤盐度传感器采用单光路级联方式连接，光路简单，降低了探头装配难度；
4、光纤光栅压力传感器、光纤光栅温度传感器及光纤盐度传感器的解调均采用波长解调方式，可共用一套解调设备，降低了解调的硬件成本及算法复杂度。
附图说明
图1为本发明的结构示意图。
图2为光纤盐度传感器的结构示意图。
图3为光纤传感解调系统示意图。
图4为光纤盐度传感器与光纤光栅传感器级联后的反射光谱图。
附图标记说明：导流罩1、光纤卷2、配重头3、光纤光栅压力传感器4、光纤光栅温度传感器5、光纤盐度传感器6、光纤6-1、光刻胶6-2、SPR微腔结构6-3、支撑件7、尾翼8、宽带光源9、光纤耦合器10、信号处理单元11、光谱仪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1所示，这种抛弃式全光纤海洋温盐深剖面测量探头，包括导流罩1和光纤卷2，所述导流罩1头部固装有配重头3(导流罩1和配重头3均采用流线型结构，配重头3底部设有进水口)，尾部固装有若干片尾翼8(优选为3～5片)；采用内抽式结构的光纤卷2置于该导流罩1内腔，其一端与船体甲板单元连接向船体传输各传感器采集的数据，另一端与光纤光栅压力传感器4连接；光纤光栅压力传感器4、光纤光栅温度传感器5及光纤盐度传感器6(即传感部)依次采用单光路级联，并通过支撑件7固定于配重头3底部。
所述光纤光栅压力传感器4和光纤光栅温度传感器5采用双端出纤设计，所述光纤盐度传感器6采用单端出纤设计；光纤光栅压力传感器4采用双光纤光栅结构，一根光栅作为测压光栅，另一根作为温补光栅，用于实时补偿探头快速下降过程中的温度变化。在探头下落过程中，光纤光栅压力传感器4感受到的压力反映了探头的深度；光纤光栅压力传感器4的测压光栅和温补光栅具有不同的压力敏感度和温度敏感度，通过测量两根光栅的波长漂移量，可计算出探头位置的压力，计算公式为：
Δλ1＝S11ΔP+S12ΔT
Δλ2＝S21ΔP+S22ΔT
式中，Δλ1和Δλ2分别为测压光栅和温补光栅因环境压力和温度变化引起的光栅波长漂移量，S11和S21分别为测压光栅和温补光栅的压力灵敏度，S12和S22分别为测压光栅和温补光栅的温度灵敏度。
所述的光纤光栅温度传感器5在实施过程中，保证光纤光栅栅区处于自由状态，不受压力影响，光纤光栅的波长变化只受温度影响。通过测量光栅的波长漂移量即可实现温度的测量。
所述的光纤盐度传感器6采用反射式光纤SPR传感器，利用表面等离子体共振(SPR)效应在光谱上产生的波谷对海水折射率敏感这一特性测量盐度；光纤SPR传感器可选用单模光纤端面集成SPR设计或光纤拉锥SPR设计或光纤侧抛SPR设计等方案。本实施例中以单模光纤端面集成SPR的盐度传感器设计为例。该设计方案的光纤SPR盐度传感器结构示意图(未包含封装保护结构)如图2所示，将电子束蒸发、光刻等技术加工的金膜SPR微腔结构6-3通过光刻胶6-2转移至光纤6-1端面上(SPR微腔结构6-3通过光刻胶6-2均布在光纤6-1的端面用于反射光纤6-1传输的光)，当宽带光经过该SPR微腔结构6-3后，反射回的光在光谱上产生一个谐振峰。当海水盐度发生变化后，海水的折射率也发生变化，盐度与折射率的经验公式为：
n＝a+b*S
式中，n为折射率，S为盐度，a和b分别为常数系数。
折射率的变化引起谐振波长的线性漂移，通过测量谐振波长的漂移量可实现盐度的测量。
所述的光纤光栅压力传感器4和光纤光栅温度传感器5采用双端出纤设计，光纤盐度传感器6采用单端出纤设计。
在实施过程中，各传感器的解调系统(设置于船体上)示意图如图3所示，光纤卷2与光纤耦合器10连接，宽带光源9发出的光经光纤耦合器10进入传感器光路(依次为光纤光栅压力传感器4、光纤光栅温度传感器5和光纤盐度传感器6)，各传感器反射回的光信号经光纤耦合器10进入光谱仪12，信号处理单元11采集光谱仪12接收到的各传感器反射光谱后，对三个传感器进行解调。光纤SPR传感器(即光纤盐度传感器6)和光纤光栅传感器(光纤光栅压力传感器4、光纤光栅温度传感器5)级联后的反射光谱如图4所示，对光纤光栅传感器的解调可采用峰值解调，对光纤SPR传感器的解调可采用峰谷解调。因此光纤光栅压力传感器4、光纤光栅温度传感器5和光纤盐度传感器6的解调均采用波长解调，其中光纤光栅压力传感器4和光纤光栅温度传感器5采用寻光谱波峰的方式解调，光纤盐度传感器6采用寻光谱波谷的方式解调；信号处理单元11对各传感器进行解调后，得到海洋温盐深数据，最后生成温盐深剖面。
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 (6)

1.一种抛弃式全光纤海洋温盐深剖面测量探头，其特征在于：包括
外壳部，其包括导流罩(1)及固装在导流罩(1)头部的配重头(3)，该导流罩(1)尾部固装有若干片尾翼(8)；
传感部，其通过支撑件(7)固定于配重头(3)底部，包括光栅压力传感器(4)、光纤光栅温度传感器(5)和光纤盐度传感器(6)；以及
连接部，其置于所述导流罩(1)内腔，一端与传感部连接，另一端从导流罩(1)尾部穿出并与船体甲板单元连接，向船体传输传感部采集的数据。
2.根据权利要求1所述的抛弃式全光纤海洋温盐深剖面测量探头，其特征在于：所述导流罩(1)和配重头(3)采用流线型结构，配重头(3)底部设有进水口，所述连接部采用内抽式结构的光纤卷(2)；所述光栅压力传感器(4)、光纤光栅温度传感器(5)和光纤盐度传感器(6)依次采用单光路级联，该光纤光栅压力传感器(4)与光纤卷(2)连接。
3.根据权利要求1所述的抛弃式全光纤海洋温盐深剖面测量探头，其特征在于：所述尾翼(8)的数量为3～5片。
4.根据权利要求1所述的抛弃式全光纤海洋温盐深剖面测量探头，其特征在于：所述光纤光栅压力传感器(4)和光纤光栅温度传感器(5)采用双端出纤设计，所述光纤盐度传感器(6)采用单端出纤设计；光纤光栅压力传感器(4)采用双光纤光栅结构，一根光栅作为测压光栅，另一根作为温补光栅，用于实时补偿探头快速下降过程中的温度变化。
5.根据权利要求1所述的抛弃式全光纤海洋温盐深剖面测量探头，其特征在于：所述光纤盐度传感器(6)采用反射式光纤SPR传感器，其包括光纤(6-1)、光刻胶(6-2)和SPR微腔结构(6-3)，该SPR微腔结构(6-3)通过光刻胶(6-2)均布在光纤(6-1)的端面用于反射光纤(6-1)传输的光。
6.根据权利要求1所述的抛弃式全光纤海洋温盐深剖面测量探头，其特征在于：所述光纤光栅压力传感器(4)、光纤光栅温度传感器(5)和光纤盐度传感器(6)的解调均采用波长解调，其中光纤光栅压力传感器(4)和光纤光栅温度传感器(5)采用寻光谱波峰的方式解调，光纤盐度传感器(6)采用寻光谱波谷的方式解调。
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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CN114754817A (zh) * 2022-04-19 2022-07-15 北京星天科技有限公司 海洋参数测量设备、测量探头、探头投弃装置和测量主机
CN115127689A (zh) * 2021-03-11 2022-09-30 中国海洋大学 一种基于微光纤传感的投弃式海水温盐深剖面测量探头

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