CN115711685B - 三参量协调敏感型全光纤投弃式温盐深传感器及传感系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种三参量协调敏感型全光纤投弃式温盐深传感器及传感系统，包括：OMCSL和保护壳，所述OMCSL封装在保护壳的内部，所述OMCSL包括输入端口、输出端口、腰区、锥形过渡区和SAGNAC环，所述SAGNAC环的两端固接有锥形过渡区，所述锥形过渡区的中部设置有腰区，且锥形过渡区的两端分别设置有输入端口和输出端口，OMCSL可以接收提供可调谐扫描光源提供的光信号，再将经过投弃式光纤温盐深传感器处理过的光信号输出到信号解调模块。本发明设计了便于小型化、智能化海上无人平台挂载应用的投弃式三参量协调敏感的全光纤三参量协调敏感型全光纤投弃式温盐深传感器及传感系统CTD传感器以满足大范围海域温度、盐度、压力剖面参数高效、实时、快速监控需求。
Description
技术领域
本发明涉及海洋环境观测设备及光纤传感技术领域，具体为三参量协调敏感型全光纤投弃式温盐深传感器及传感系统。
背景技术
海洋环境各要素参量直接影响海洋经济开发、海洋环境保护、海上装备及设备运行效能与安全等海洋相关活动(例如海水温度参数直接决定海洋内波运动规律、海水深度参数式海洋物理状态的重要基础参量)，对海洋声/振动、磁场、温度、盐度、深度等环境要素进行原位、实时、精确监测意义重大。在国内外海洋环境检测网络建设来看，潜/浮标系统、无人艇、水下滑翔器、投弃式海洋界面观测设备等小型化自主海洋环境检测平台是构建未来“海洋物联网”的主要平台，在水下、海气界面快速机动组网观测系统建设方面有巨大的优势。目前各型号海洋监测传感器产品多为分立式电学传感器，难以形成多参量监测传感，且国内外技术还有一定差距，部份依赖进口，还存在价格昂贵、体积大、布放困难、容易受电磁干扰等问题。难以满足未来透明海洋战略建设需求。
未来海洋立体观测系统将涵盖卫星、飞机、调查船、浮标、潜标、水下潜器、海床基观测站等多种固定或移动观测平台。从国内外海洋环境检测网络建设来看，潜/浮标系统、无人艇、水下滑翔器、投弃式海洋界面观测设备等小型化自主海洋环境检测平台，在水下、海气界面快速机动组网观测系统建设方面有巨大的优势，是构建未来“海洋物联网”的主要平台。要满足高效、立体海洋环境监测需求，海上自主监测平台需具备多种海洋物理参量监测、海上及水下目标探测、GPS定位、自主供电、信息处理上传等多种功能。但受限各型自主监测平台载荷有限、所载传感器集成度低、功能单一等矛盾因素影响，各型平台所载监测系统在环境监测功能多样性、复杂环境适应性、经济适用性等方面存在大量难题需要解决。例如：当前已有的海洋环境监测传感器及装备(如：温盐深仪，CTD)多为电学设备，或多或少存在价格昂贵、体积大、布放困难、容易受电磁干扰等问题，且部分依赖进口。
为满足各项海上有人/无人平台挂载需求，大力开发数据兼容性强、成本低廉、结构紧凑、方便成阵布放、具备自补偿功能、满足多参量协同敏感的高精度海洋环境参量传感器意义重大且需求紧迫。
发明内容
本发明的目的在于提供三参量协调敏感型全光纤投弃式温盐深传感器及传感系统，设计了便于小型化、智能化海上无人平台挂载应用的投弃式三参量协调敏感的全光纤三参量协调敏感型全光纤投弃式温盐深传感器及传感系统CTD传感器以满足大范围海域温度、盐度、压力剖面参数高效、实时、快速监控需求，以解决上述背景技术中提出的问题。
为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：一种三参量协调敏感型全光纤投弃式温盐深传感器及传感系统，包括：OMCSL和保护壳，所述OMCSL封装在保护壳的内部，所述OMCSL包括输入端口、输出端口、腰区、锥形过渡区和SAGNAC环，所述SAGNAC环的两端固接有锥形过渡区，所述锥形过渡区的中部设置有腰区，且锥形过渡区的两端分别设置有输入端口和输出端口， OMCSL可以接收提供可调谐扫描光源提供的光信号，再将经过投弃式光纤温盐深传感器处理过的光信号输出到信号解调模块；
所述保护壳包括方槽模具、保护壳主体、保护壳盖子、SAGNAC环保护仓、 SAGNAC环保护仓盖子、第一孔洞、第二孔洞和方形滤网，保护壳作为OMCSL 的容纳容器，起到固定OMCSL的效果并且避免SAGNAC环直接接触被测海水，受到海水的干扰，OMCSL传感器与保护壳结合形成OMCSL探头，所述方槽模具通过紧固件固定于保护壳主体上，所述SAGNAC环穿过孔洞放置在SAGNAC环保护仓中，所述保护壳盖子上设置有方形滤网，所述保护壳主体的头部设置有SAGNAC环保护仓，所述SAGNAC环保护仓上配合套接有SAGNAC环保护仓盖子，所述输入端口和输出端口穿过第二孔洞并延伸至外部。
优选的，一种三参量协调敏感型全光纤投弃式温盐深传感器及传感系统，包括可调谐波长扫描光源、基于OMCSL的投弃式半封装温盐深传感器、1：2 分光器、光电转换器、数据采集卡、计算机，所述可调谐波长扫描光源输出端与1：2分光器输入口连接，可调谐波长扫描光源用于为光纤温盐深传感器提供传感所需光输入信号，为信号解调模块提供原始光信号，用于解调模块的自校准。可调谐波长扫描光源输出的信号波长范围为1520nm-1600nm，精度大于0.1pm，功率高于50mW，可实现高精度波长扫描输出，1：2分光器的第一个输出口与投弃式半封装温盐深传感器的输入端相连，1：2分光器的第二个输出口与光电转换器第一个输入端相连，投弃式半封装温盐深传感器的输出端与光电转换器第二个输入端相连，光电转换器输出端与数据采集卡输入口相连，数据采集卡输出口与信号处理计算机相连。
其中光电转换器、数据采集卡和计算机构成信号解调模块，所述光电转换器将接收到的光源原始扫描信号与传感器输出的光信号转换为电信号并输入到数据采集卡中；所述数据采集卡将从光电转换器获取的光谱数据电信号输入计算机中；所述计算机利用光源的原始扫描光源信号对传感器输出的光谱信号进行光源慢漂自补偿后提取传感器输出光谱中的信息，并将该信息代入交叉灵敏解调矩阵，获得传感器所处位置的温度、盐度、深度参数。
其中，光源慢漂自补偿是针对光源的输出光谱会随着时间向长波长或短波长方向移动产生误差的特点，通过自补偿算法将光源输出光谱移动产生的误差消除。
其中，多参量交叉灵敏解调矩阵算法是针对具有多参量交叉敏感特性传感器的一种解调算法，能够将交叉敏感的多参量解调分别得到每个参量的参数。
优选的，所述可调谐波长扫描光源主要由宽带光源与可调谐F-P腔构成。
优选的，所述1：2分光器按照50％：50％的比例将输入光分成两路相同的光。
优选的，所述SAGNAC环由一根单模光纤弯曲对折形成。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：该三参量协调敏感型全光纤投弃式温盐深传感器及传感系统：
1.本发明所设计的投弃式光纤温盐深传感器中经过PDMS局部封装的OMCSL具有较高的温度灵敏度和压力灵敏度，并且能够响应盐度的变化。
2.本发明体型小巧，操作简单，成本低，人力消耗极小，技术门槛低，只需将三参量协调敏感型全光纤投弃式温盐深传感器及传感系统CTD探头下放到水体中后，通过可调谐光源、信号解调模块的工作可以取得探头所在位置的温度、盐度、深度环境参数。
3.本系统中的传感器在受到所设计探头的保护后能够在浅海隔绝泥沙、浮游生物、深海中的高压恶劣环境下正常工作。
4.本发明可通过调整OMCSL腰区局部封装的封装材料、封装结构实现传感器不同的温度、压力、盐度的传感性能。
附图说明
图1为本发明OMCSL结构特征放大示意图；
图2为本发明OMCSL封装过程结构示意图；
图3为本发明OMCSL半封装完毕示意图；
图4为本发明OMCSL保护壳结构示意图；
图5为本发明不同温度下传感器的输出光谱示例图；
图6为本发明三参量协调敏感型全光纤XCTD传感系统图；
图7为本发明OMCSL封装过程剖面示意图。
图中：101、可调谐波长扫描光源；102、基于OMCSL的投弃式半封装温盐深传感器；103、1：2分光器；104、光电转换器；105、数据采集卡；106、计算机；201、输入端口；202、输出端；203、口腰区；204、锥形过渡区； 205、SAGNAC环；501、方槽模具；502、保护壳主体；503、保护壳盖子；504、 SAGNAC环保护仓；505、SAGNAC环保护仓盖子；506、第一孔洞；507、第二孔洞；508、方形滤网。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
实施例一：三参量协调敏感型全光纤投弃式温盐深传感器及传感系统， CTD传感器102包括半封装的OMCSL和保护壳两部分，OMCSL封装在保护壳内。
半封装的OMCSL制作流程如下，先将一根单模光纤弯曲对折形成一个 SAGNAC环，在SAGNAC环环口处将两段光纤的涂覆层剥离并相互缠绕一周半，形成三个缠绕点，再用少量502胶水将被剥离了涂覆层并互相缠绕的光纤黏连固定，最后对第二个光纤缠绕交点处熔融拉锥形成OMCSL。再将调配好的液态PDMS导入传感器保护壳的槽状模具302中，待到PDMS略微风干硬化处于半融化状态时，将拉锥好的OMCSL腰区301贴上半风干的PDMS303上，让OMCSL 腰区301略微浸入PDMS303中，处于一般被封装一般暴露在外的半封装状态，再使用3D打印技术将OMCSL腰区203以外的区域封装，此封装既能利用PDMS 良好的温度、压力增敏特性，增加了OMCSL的耐用性与稳定性，又能使OMCSL 腰区响应盐度变化特性。所制OMCSL包括两个输入/输出端口201、202，腰区 203，锥形过渡区204，SAGNAC环205，可以通过对OMC的均匀腰区203和锥形过渡区204的结构参数，此结构参数包括长度和锥形过渡区锥角、均匀腰区直径等，进行优化来获得不同的传感器传感特性，此传感特性包括如：响应时间、灵敏度等，也可以通过改变OMCSL封装凹槽的结构和封装材料的种类、封装材料的配比来获得不同的传感器传感特性。
进一步优选的，OMCSL保护壳由方槽模具501、保护壳主体502、保护壳盖子503、SAGNAC环保护仓504，SAGNAC环保护仓盖子505组成。OMCSL的腰区传感单元可放置在方槽模具501中进行半封装，方槽模具501可以通过螺丝固定在保护壳主体502上，SAGNAC环穿过保护壳主体的孔洞506放置在 SAGNAC环保护仓504中，OMCSL的输入输出端经过保护壳主体底部的两个孔洞507中与外部连接，保护壳盖子503上有一方形滤网508用于滤除外部的污染物，在传感器工作时外部海水可通过方形滤网流入流出。
进一步优选的，OMCSL的温度、深度(压力)、盐度传感原理为外界温度、压力、盐度变化时，OMCSL输出的光谱信号产生波长漂移，通过监测波长漂移即可解调出温度、盐度、压力变化量，OMCSL的深度传感是通过不同的压力对应不同的海水深度间接完成。
进一步优选的，光源慢漂自补偿算法通过当前的光源输出光谱数据与记录的光源原始输出光谱数据进行对比，算出光源的慢漂程度，由此对传感器的反射光谱进行补偿调整。
多参量交叉灵敏解调矩阵算法使用到的公式如下式：
Δλdip1表示传感器实时输出光谱与基准标定光谱相比第一个特征波长的漂移量，SS1、ST1、SP1表示光谱中第一个特征波长的盐度、温度、压力灵敏度，ΔS、ΔT、ΔP表示与基准环境参量相比盐度、温度、压力的变化量。通过将传感器输出的光谱进行处理，提取当中特征波长的信息，再代入下式(1)稍做处理，即可解调出传感器所处环境的盐度、温度、压力参量。
进一步优选的，特征波长为光谱中的特定的波峰或波谷。
进一步优选的，基准标定光谱为传感器处于温度为20℃、水深为0m. 盐度为35‰的静止海水中时的输出光谱。
进一步优选的，基准环境参量为温度20℃、水深0m.盐度35‰。
实施例二：本发明三参量协调敏感型全光纤三参量协调敏感型全光纤投弃式温盐深传感器及传感系统CTD传感器的系统实施例，包括可调谐波长扫描光源101、基于OMCSL的投弃式半封装温盐深传感器102，1：2分光器103，光电转换器104、数据采集卡105和计算机106。
进一步优选的，三参量协调敏感型全光纤三参量协调敏感型全光纤投弃式温盐深传感器及传感系统CTD传感系统如图1所示，可调谐波长扫描光源 101输出端与1：2分光器103输入口连接，1：2分光器103的第一个输出口与投弃式半封装温盐深传感器102的输入端相连，1：2分光器103的第二个输出口与光电转换器104第一个输入端相连，投弃式半封装温盐深传感器102 的输出端与光电转换器104第二个输入端2相连，光电转换器104输出端与数据采集卡输105入口相连，数据采集卡105输出口与信号处理计算机106 相连。
进一步优选的，可调谐波长扫描光源101主要由宽带光源与可调谐F-P 腔构成，通过调整F-P腔的腔长，高精度地输出波长扫描光，本发明中可调谐波长扫描光源地扫描范围为1520nm～1600nm。
进一步优选的，1：2分光器103按照50％：50％的比例将输入光分成两路相同的光。
进一步优选的，作为一种优选实施例，本发明三参量协调敏感型全光纤三参量协调敏感型全光纤投弃式温盐深传感器及传感系统CTD传感器的系统结构如图1所示，在进行水体环境参数测量前，将光源原始扫描信号保存到信号处理计算机中，再将传感器放入基准环境参量中，将可调谐波长扫描光源输入到传感器中获取基准标定光谱。测量开始后将投弃式半封装温盐深传感器布放到水体中，可调谐波长扫描光源继续工作，可调谐波长扫描光源的输出光经过1:2光分路器分成相同的两路光，一路为光源扫描光信号直接输出给光电转换器，另一路提供给传感器进行传感，传感器外界的变化引起传感器输出光谱的波长漂移，传感器的输出光谱向光电转换器输出。光电探测器将获得的两路光信号转换为电信号，向数据采集卡进行输出，数据采集卡再将两路电信号传输给信号处理计算机，信号处理计算机利用光源原始扫描信号与光源扫描信号对传感器的输出光谱信号进行光源慢漂自补偿算法消除光源慢漂的影响，最后从光谱中提取信息代入多参量交叉灵敏解调矩阵算法中获得传感器所处环境的温度、压力、盐度信息。
实施例三：本发明基于OMCSL的投弃式半封装传感器由OMCSL直接制作而成，将其放置在海水中即可实现温度、深度、盐度传感功能，该传感器存在对温度、盐度、深度的交叉敏感度问题，可以通过多参量交叉灵敏矩阵解调算法解决。对于设计好的OMCSL结构，其输出特征光谱可以有多个特征波长，这些特征波长中的每一个都能够进行温度、深度、盐度传感。
实施例四：本发明实现了高精度自主投弃式全光纤海洋温度、深度、盐度三参量传感探头，可实现原位、快速、高精度海洋CTD传感能力，具有数据兼容性强、成本低廉、结构紧凑、方便集成挂载等特点，还可以与各型光纤水听器系统同阵化集成，为光纤水听器系统提供原位海洋动力学参量保障，进而提高水听器系统的目标探测与海洋声场信息估计能力。
尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。
Claims (5)
1.一种三参量协调敏感型全光纤投弃式温盐深传感器，其特征在于，包括：半封装的OMCSL和保护壳；所述半封装的OMCSL封装在所述保护壳的内部，所述OMCSL包括输入端口、输出端口、腰区、锥形过渡区和SAGNAC环，所述SAGNAC环的两端固接有锥形过渡区，所述锥形过渡区的中部设置有腰区，且锥形过渡区的两端分别设置有输入端口和输出端口；
所述保护壳包括方槽模具、保护壳主体、保护壳盖子、SAGNAC环保护仓、SAGNAC环保护仓盖子、第一孔洞、第二孔洞和方形滤网，所述方槽模具通过紧固件固定于保护壳主体上，所述SAGNAC环穿过所述第一孔洞放置在SAGNAC环保护仓中，所述保护壳盖子上设置有方形滤网，所述保护壳主体的头部设置有SAGNAC环保护仓，所述SAGNAC环保护仓上配合套接有SAGNAC环保护仓盖子，所述输入端口和输出端口穿过第二孔洞并延伸至外部；
半封装的OMCSL制作流程包括：在SAGNAC环环口处将两段光纤的涂覆层剥离并相互缠绕一周半，形成三个缠绕点，再用502胶水将被剥离了涂覆层并互相缠绕的光纤黏连固定，最后对第二个光纤缠绕交点处熔融拉锥形成OMCSL；再将调配好的液态PDMS导入传感器保护壳的槽状模具中，待到PDMS风干硬化处于半融化状态时，将拉锥好的OMCSL腰区贴在半风干的PDMS上，让OMCSL腰区浸入PDMS中，处于一半被封装一半暴露在外的半封装状态，再使用3D打印技术将OMCSL腰区以外的区域封装；
所述第二孔洞包括两个孔。
2.一种三参量协调敏感型全光纤投弃式温盐深传感系统，包括可调谐波长扫描光源、如权利要求1所述的三参量协调敏感型全光纤投弃式温盐深传感器、1：2分光器、光电转换器、数据采集卡、计算机，其特征在于：所述可调谐波长扫描光源输出端与1：2分光器输入口连接，1：2分光器的第一个输出口与投弃式半封装温盐深传感器的输入端相连，1：2分光器的第二个输出口与光电转换器第一个输入端相连，投弃式半封装温盐深传感器的输出端与光电转换器第二个输入端相连，光电转换器输出端与数据采集卡输入口相连，数据采集卡输出口与信号处理计算机相连。
3.根据权利要求2所述的一种三参量协调敏感型全光纤投弃式温盐深传感系统，其特征在于，所述可调谐波长扫描光源主要由宽带光源与可调谐F-P腔构成。
4.根据权利要求2所述的一种三参量协调敏感型全光纤投弃式温盐深传感系统，其特征在于，所述1：2分光器按照50％：50％的比例将输入光分成两路相同的光。
5.根据权利要求1所述的一种三参量协调敏感型全光纤投弃式温盐深传感系统，其特征在于，所述SAGNAC环由一根单模光纤弯曲对折形成。
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