本發(fā)明涉及一種海水溫深剖面測量系統(tǒng)，特別是涉及一種船載投棄式全光學海水溫深剖面測量系統(tǒng)。

背景技術(shù)：

船載投棄式溫度剖面測量儀(Expendable Bathy Thermograph，XBT)是海洋溫深度測量的重要儀器，對獲得的海洋水文數(shù)據(jù)對于氣候變化、物理海洋學及軍事研究有重要的意義，因此受到極大關(guān)注。然而，傳統(tǒng)的XBT深度數(shù)據(jù)并非精確測量的結(jié)果，且因傳輸信道采用漆包線作為傳輸媒介，本身類似一個動態(tài)濾波系統(tǒng)，使得系統(tǒng)的傳輸速率和傳輸準確性受到了極大的限制。

光纖光柵傳感器是利用光纖光柵中心波長與外界環(huán)境參數(shù)成一定的函數(shù)關(guān)系的原理，通過探測波長的變化從而獲得外界環(huán)境參數(shù)的一種傳感器。由于光纖光柵傳感是對光的波長進行檢測，光強起伏對傳感量(波長)沒有影響，抗干擾能力強，靈敏度高，體積小，易組成傳感網(wǎng)絡(luò)。

傳感器是投棄式光纖海水溫深剖面測量系統(tǒng)(光纖XBT)的核心問題。七一五研究所提出過一種消耗性光纖溫深探頭(申請?zhí)枺?01110032997.5)，國家海洋技術(shù)中心也提出一種光學投棄式海洋溫度深度剖面測量探頭(ZL201510191680.4)。重慶理工大學提出利用組合光纖光柵同時測量蔗糖濃度和溫度(中國光學，2014，7(3)：476-482)。以上方案中的測溫單元均采用布拉格光纖光柵(Fiber Bragg Gratings：FBG)，而FBG的理論測溫精度極限僅為0.1℃，溫度靈敏度低，無法滿足海洋觀測的需要。

數(shù)據(jù)傳輸是光纖XBT系統(tǒng)的另一核心問題。山東省科學院海洋儀器儀表研究所定性的表述了光纖進行投棄式水文設(shè)備數(shù)據(jù)傳輸?shù)目赡苄?ZL 201020176096.4)；天津工業(yè)大學采用康寧SMF-28單模光纖作為XCTD的傳輸信道，并測試了單模光纖海水介質(zhì)中0～20℃水溫變化時，以10MB/S的傳輸速率傳輸數(shù)據(jù)時誤碼率為0，且傳輸損耗可以忽略(海洋通報，2015，34(2)：197-201)?？梢姡胀▎文９饫w作為傳輸媒介，能夠提高信號傳輸?shù)乃俾屎蛿?shù)據(jù)的傳輸穩(wěn)定性。但在實際應(yīng)用中，光纖XBT探頭的體積、重量都有嚴格的限制，作為集成在探頭內(nèi)部的下纖軸可利用的空間十分有限，要求傳輸光纖盡可能緊湊的纏繞在一起，這會極大的增加纖軸部分光纖的傳輸損耗。之前的研究均未考慮過緊密纏繞對數(shù)據(jù)傳輸?shù)挠绊憽?/p>

綜上所述，傳統(tǒng)XBT方法存在深度數(shù)據(jù)測不準，信道易受外界干擾，系統(tǒng)偏差大等缺點；現(xiàn)有光纖XBT方法溫度靈敏度又太低，無法滿足海洋觀測的需求，因此迫切需要一種既能夠滿足海洋溫深剖面監(jiān)測需求，又能夠克服現(xiàn)有XBT方法缺點的新技術(shù)。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明目的是通過建立全光纖海水溫深剖面測量系統(tǒng)，提出一種船載投棄式光纖海水溫深剖面測量方法，以克服傳統(tǒng)技術(shù)的不足，推進現(xiàn)有技術(shù)的進展。

一種船載投棄式光纖海水溫深剖面測量系統(tǒng)，其特征在于該系統(tǒng)包括全光纖探頭、傳輸光纖和甲板單元，其中：所述全光纖探頭包括安裝在防護罩內(nèi)的光纖海水溫深度傳感器和下纖軸；所述光纖海水溫深度傳感器的敏感元件采用光纖光柵，具體的是利用鍍增敏膜的長周期光纖光柵(Long period fiber gratings:LPG)測量海水溫度，利用FBG測量海水深度，以實現(xiàn)對海水溫深度剖面的高靈敏度、分別獨立測量；所述光纖海水溫深度傳感器是利用光纖熔接機依次將光纖端面反射鏡、作為海水溫度傳感器的鍍增敏膜的LPG、作為海水深度傳感器的FBG以及尾纖進行連接，并分別在鍍增敏膜的LPG與FBG的兩側(cè)選擇連接點，通過連接點將上述光纖海水溫深度傳感器粘接在固定支架的突出部上，所述尾纖用于連接下纖軸；所述長周期光纖光柵的增敏膜是采用先鍍一層銀膜增敏，再鍍一層鈍化膜對增敏膜進行防氧化保護的方法制得；

所述寬帶光源為C波段或C+L波段或S+C+L波段的經(jīng)過增益平坦化的SLED光源，且通常選用1510～1590nm波長范圍；所述動態(tài)光纖光柵快速高精度解調(diào)模塊的解調(diào)速率為500～5000Hz，解調(diào)精度為±1pm，以保證系統(tǒng)對溫深度信息的快速高精度動態(tài)響應(yīng)；光纖隔離器的作用是只允許來自寬帶光源方向的光經(jīng)過，而經(jīng)光纖端面反射鏡反射回來的光無法通過，以避免反射光對寬帶光源的影響，保證寬帶光源發(fā)光的穩(wěn)定性；所述第一光纖耦合器和第二光纖耦合器為3dB耦合器或光環(huán)行器；

所述甲板單元包括寬帶光源、動態(tài)光纖光柵快速高精度解調(diào)模塊、光纖隔離器、第一光纖耦合器、第二光纖耦合器和上纖軸，寬帶光源發(fā)出的光依次經(jīng)過光纖隔離器和第二光纖耦合器，耦合進入上纖軸，經(jīng)過傳輸光纖到達集成在光纖探頭內(nèi)部后方的下纖軸，之后到達光纖海水溫深度傳感器。在光纖海水溫深度傳感器內(nèi)部依次經(jīng)過FBG和LPG，經(jīng)光纖端面反射鏡反射，再依次經(jīng)過LPG、FBG、下纖軸、上纖軸，到達第二光纖耦合器，由于光纖隔離器的存在，反射光只能經(jīng)第二光纖耦合器的另一分路進入第一光纖耦合器，并被分成兩路分別連接到動態(tài)光纖光柵快速高精度解調(diào)模塊的不同解調(diào)端口上；

所述的甲板單元還包括安裝在工程船尾舷上的伸縮支架，該伸縮支架上設(shè)有鎖緊裝置，伸縮支架末端安裝發(fā)射槍，全光纖探頭安裝在發(fā)射槍的發(fā)射筒內(nèi)，所述下纖軸位于全光纖探頭的內(nèi)部、光纖海水溫深度傳感器的后方，所述上纖軸固定于所述伸縮支架的末端，且所述上、下纖軸的繞線方向相反，以消除探頭旋轉(zhuǎn)下落引起的傳輸光纖扭轉(zhuǎn)。

所述數(shù)據(jù)傳輸光纖為單根抗彎曲單模光纖或者包層直徑為80μm的超細光纖，既能保證信號的傳輸速率和穩(wěn)定性，也能減小纖軸中光纖緊密纏繞引起的光損耗，同時簡化纖軸繞制工藝和減小纖軸體積。

所述全光纖探頭保護罩為流線型設(shè)計，并帶3片尾翼。

從上述技術(shù)方案可以看出，本發(fā)明具有以下有益效果：

船載投棄式光纖海洋溫深測量系統(tǒng)是光纖傳感技術(shù)與海洋監(jiān)測需求的有機結(jié)合。針對傳統(tǒng)XBT和現(xiàn)有光纖XBT測量方法存在的技術(shù)問題，本發(fā)明提出一種船載投棄式光纖海水溫深剖面測量方法，并建立了由全光纖探頭、單模傳輸光纖和快速解調(diào)儀組成的海水溫深剖面測量系統(tǒng)。具體功能包括：利用光纖光柵作為海水溫深度敏感元件，其中以鍍增敏膜的LPG作為海水溫度敏感元件，提高了溫度測量靈敏度；以FBG作為海水深度敏感元件，獲得了深度的直接測量值；利用光纖進行海水溫深度數(shù)據(jù)傳輸，克服了漆包線信道引起的誤差，保證信號的傳輸速率和穩(wěn)定性；動態(tài)光纖光柵快速高精度解調(diào)模塊作為船載解調(diào)設(shè)備的方法，以保證系統(tǒng)對溫深度信息的快速高精度動態(tài)響應(yīng)，且系統(tǒng)制作簡單，探頭成本低廉，為海水溫深剖面探測提供了一種新的技術(shù)手段。

本專利與傳統(tǒng)XBT技術(shù)相比較，具體優(yōu)勢和創(chuàng)造性體現(xiàn)在：

提出利用LPG和FBG級聯(lián)復合結(jié)構(gòu)同步測量海水溫度和深度，其溫度和深度精度分別達0.01℃和0.1％F.S.，且其數(shù)據(jù)均為測量數(shù)據(jù)，克服了傳統(tǒng)XBT深度數(shù)據(jù)為估算的問題，同時利用單根單模光纖作為數(shù)據(jù)傳輸通道，提高了數(shù)據(jù)傳輸速率和準確率。在本發(fā)明的研發(fā)過程中，利用LPG的溫度靈敏度高于FBG的特性以期替代FBG測量溫度。但是在實際的應(yīng)用中，LPG測溫存在交叉敏感、靈敏度有待提高和透射光路結(jié)構(gòu)復雜等問題，具體如：

交叉敏感的解決方案。LPG對外界溫度變化敏感，同時也受環(huán)境折射率的影響，溫度與折射率之間存在交叉敏感的問題。本發(fā)明以在LPG柵區(qū)鍍膜的方式屏蔽外界折射率的影響，先鍍一層銀膜增敏，再鍍一層鈍化膜對增敏膜進行防氧化保護的方法制得；此外，LPG對扭轉(zhuǎn)和彎曲也敏感，采用彈簧或彈性懸臂梁等特殊拉伸結(jié)構(gòu)，產(chǎn)生了大小適宜的軸向拉力，使得LPG柵區(qū)始終處于恒定拉力拉直狀態(tài)，解決了扭轉(zhuǎn)和彎曲對LPG的影響。

傳感器增敏的方案。業(yè)內(nèi)公認FBG的溫度靈敏度為10pm/℃，普通LPG的溫度靈敏度在40～50pm/℃，鍍增敏膜的LPG溫度靈敏度達-370pm/℃以上(如圖1所示)。如果按照應(yīng)用廣泛的商用MOI解調(diào)儀其解調(diào)精度1pm計，則FBG的測溫精度為0.1℃，普通LPG的測溫精度為0.02℃左右，鍍增敏膜的LPG測溫精度高于0.003℃?？梢婂冊雒裟ず蟮腖PG測溫精度有較大提高，基本達到了海洋測溫需求。

光路結(jié)構(gòu)優(yōu)化方案。由于LPG無后向反射光，屬于透射型器件，因此通常采用透射光路對其進行解調(diào)?？紤]到XBT系統(tǒng)中纖軸繞制的方便，要求采用單根光纖進行數(shù)據(jù)傳輸。而典型的透射光路是由雙光路組成，給纖軸繞制造成了幾乎無法克服的困難。對此本發(fā)明提出了在光路末端連接光纖端面反射鏡的方案，如此一來不但發(fā)揮了LPG靈敏度高的優(yōu)勢，而且簡化了光路結(jié)構(gòu)，同時降低了纖軸制作的難度。

本專利與現(xiàn)有光纖XBT技術(shù)相比較，具體優(yōu)勢和創(chuàng)造性體現(xiàn)在：

(1)溫度測量精度的提高

利用鍍增敏膜的LPG作為測溫單元(現(xiàn)有LPG溫度靈敏度已達0.003℃以上)，比七一五研究所和國家海洋技術(shù)中心方案(以FBG為測溫單元，溫度靈敏度為0.1℃)的靈敏度高2個數(shù)量級，克服了已有技術(shù)的解調(diào)難題，對溫度剖面的測量更加精準。

(2)實現(xiàn)FBG和LPG的單光路級聯(lián)

提出利用光纖端面反射鏡的方式，將LPG的經(jīng)典透射式雙光路(雙尾纖，重慶大學的方案)簡化為反射式單光路(單尾纖)，使得FBG和LPG級聯(lián)復合結(jié)構(gòu)實現(xiàn)在一根光纖中發(fā)射和接收，簡化了光路結(jié)構(gòu)，降低了后來的纖軸繞制難度，減小了纖軸體積，優(yōu)化了系統(tǒng)性能。

(3)合理分配光譜范圍，實現(xiàn)溫深度同步檢測

對同一通道而言，現(xiàn)有商用解調(diào)儀(典型工作帶寬：1510～1590nm)無法同時測量峰值和谷值，但不同的通道卻可以分別測量波峰和波谷。利用3dB耦合器和光纖隔離器將返回光分別接到解調(diào)儀的兩個通道上，并且將FBG和LPG的光譜范圍分別設(shè)計為為1510～1550nm和1550～1590nm，實現(xiàn)波峰與波谷的同步測量。

附圖說明

圖1鍍增敏膜的LPG溫度靈敏度實驗結(jié)果圖。

圖2船載投棄式光纖溫深剖面測量系統(tǒng)整體組成示意圖。

圖3光纖溫深探頭內(nèi)部傳感結(jié)構(gòu)示意圖。

圖4全光纖探頭外形示意圖。

圖5船載投棄式光纖溫深剖面測量系統(tǒng)光路圖。

圖6船載投棄式光纖溫深剖面測量系統(tǒng)投放示意圖。

其中，1、全光纖探頭，2、傳輸光纖，3、甲板單元，4、工程船；11、光纖海水溫深度傳感器；111、LPG溫度傳感器；112、FBG深度傳感器；113為光纖端面反射鏡；114、固定基座；115、粘接點；116、尾部光纖；21、下纖軸；22、上纖軸；31、寬帶光源；32、動態(tài)光纖光柵快速高精度解調(diào)模塊；33、光纖隔離器；341、第一光纖耦合器；342、第二光纖耦合器；35、發(fā)射槍，36、伸縮支架，37、鎖緊裝置；41、工程船尾舷。

具體實施方式

一種船載投棄式光纖海水溫深剖面測量系統(tǒng)包括全光纖探頭1、傳輸光纖2、甲板單元3，上述裝置搭載于工程船4，如圖2所示。其中：

所述全光纖探頭1包括安裝在防護罩內(nèi)的光纖海水溫深度傳感器11和下纖軸21，其內(nèi)部傳感結(jié)構(gòu)包括鍍增敏膜的LPG溫度傳感器111、FBG深度傳感器、光纖端面反射鏡113和固定基座114，光纖溫深探頭內(nèi)部傳感結(jié)構(gòu)如圖3所示。具體實施時，可利用光纖熔接機依次將光纖端面反射鏡113、作為海水溫度傳感器的鍍增敏膜的LPG111、作為海水深度傳感器的FBG112以及尾纖116依次進行連接，并分別在鍍增敏膜的長周期光纖光柵111與布拉格光纖光柵112的兩側(cè)選擇連接點115，通過連接點115將上述光纖海水溫深度傳感器11粘接在固定支架114的突出部上，所述尾纖116用于連接下纖軸21，全光纖探頭外形如圖4所示。

所述甲板單元3包括寬帶光源31、動態(tài)光纖光柵快速高精度解調(diào)模塊32、光纖隔離器33、第一光纖耦合器341、第二光纖耦合器342和上纖軸22。將第二光纖耦合器342的一個分支端口與寬帶光源31連接，另一個分支端口端口與第一光纖耦合器341的單端口相連，第一光纖耦合器341的兩個分支端口分別連接到動態(tài)光纖光柵快速高精度解調(diào)模塊32上；在第二光纖耦合器342與寬帶光源31之間串聯(lián)上光纖隔離器33，注意光纖隔離器33為單向無源光器件具有正向?qū)?，逆向截止的特點，其導通方向與寬帶光源31出射光方向一致。將第二光纖耦合器342的單端口依次與上纖軸22、下纖軸21和光纖海水溫深度傳感器11相連，完成船載投棄式光纖海水溫深剖面測量系統(tǒng)光路連接，如圖5所示。

所述的甲板單元3還包括安裝在工程船4尾舷41上的伸縮支架36，該伸縮支架36上設(shè)有鎖緊裝置37，伸縮支架36末端安裝發(fā)射槍35，全光纖探頭1安裝在發(fā)射槍35的發(fā)射筒內(nèi)，所述下纖軸21位于全光纖探頭1的內(nèi)部、光纖海水溫深度傳感器11的后方，所述上纖軸22固定于所述伸縮支架36的末端，且所述上、下纖軸22、21的繞線方向相反，以消除探頭旋轉(zhuǎn)下落引起的傳輸光纖扭轉(zhuǎn)。投放時，工程船調(diào)整到預定航速，啟動寬帶光源34，拔出發(fā)射槍上的插銷，全光纖探頭11在重力作用下發(fā)射入水，開始剖面數(shù)據(jù)測量，探頭采集的數(shù)據(jù)經(jīng)傳輸光纖2傳輸至甲板單元3，通過動態(tài)光纖光柵快速高精度解調(diào)模塊33實時記錄并讀出海水溫深度數(shù)據(jù)，如圖6所示。