一种船载投弃式光纤海水温深剖面测量系统的制作方法

本实用新型涉及一种海水温深剖面测量系统，特别是涉及一种船载投弃式全光学海水温深剖面测量系统。

背景技术：

船载投弃式温度剖面测量仪(Expendable Bathy Thermograph，XBT)是海洋温深度测量的重要仪器，对获得的海洋水文数据对于气候变化、物理海洋学及军事研究有重要的意义，因此受到极大关注。然而，传统的XBT深度数据并非精确测量的结果，且因传输信道采用漆包线作为传输媒介，本身类似一个动态滤波系统，使得系统的传输速率和传输准确性受到了极大的限制。

光纤光栅传感器是利用光纤光栅中心波长与外界环境参数成一定的函数关系的原理，通过探测波长的变化从而获得外界环境参数的一种传感器。由于光纤光栅传感是对光的波长进行检测，光强起伏对传感量(波长)没有影响，抗干扰能力强，灵敏度高，体积小，易组成传感网络。

传感器是投弃式光纤海水温深剖面测量系统(光纤XBT)的核心问题。七一五研究所提出过一种消耗性光纤温深探头(申请号：201110032997.5)，国家海洋技术中心也提出一种光学投弃式海洋温度深度剖面测量探头(ZL201510191680.4)。重庆理工大学提出利用组合光纤光栅同时测量蔗糖浓度和温度(中国光学，2014，7(3)：476-482)。以上方案中的测温单元均采用布拉格光纤光栅(Fiber Bragg Gratings：FBG)，而FBG的理论测温精度极限仅为0.1℃，温度灵敏度低，无法满足海洋观测的需要。

数据传输是光纤XBT系统的另一核心问题。山东省科学院海洋仪器仪表研究所定性的表述了光纤进行投弃式水文设备数据传输的可能性(ZL 201020176096.4)；天津工业大学采用康宁SMF-28单模光纤作为XCTD的传输信道，并测试了单模光纤海水介质中0～20℃水温变化时，以10MB/S的传输速率传输数据时误码率为0，且传输损耗可以忽略(海洋通报，2015，34(2)：197-201)。可见，普通单模光纤作为传输媒介，能够提高信号传输的速率和数据的传输稳定性。但在实际应用中，光纤XBT探头的体积、重量都有严格的限制，作为集成在探头内部的下纤轴可利用的空间十分有限，要求传输光纤尽可能紧凑的缠绕在一起，这会极大的增加纤轴部分光纤的传输损耗。之前的研究均未考虑过紧密缠绕对数据传输的影响。

综上所述，传统XBT方法存在深度数据测不准，信道易受外界干扰，系统偏差大等缺点；现有光纤XBT方法温度灵敏度又太低，无法满足海洋观测的需求，因此迫切需要一种既能够满足海洋温深剖面监测需求，又能够克服现有XBT方法缺点的新技术。

技术实现要素：

本实用新型目的是通过建立全光纤海水温深剖面测量系统，提出一种船载投弃式光纤海水温深剖面测量方法，以克服传统技术的不足，推进现有技术的进展。

一种船载投弃式光纤海水温深剖面测量系统，其特征在于该系统包括全光纤探头、传输光纤和甲板单元，其中：所述全光纤探头包括安装在防护罩内的光纤海水温深度传感器和下纤轴；所述光纤海水温深度传感器的敏感元件采用光纤光栅，具体的是利用镀增敏膜的长周期光纤光栅(Long period fiber gratings:LPG)测量海水温度，利用FBG测量海水深度，以实现对海水温深度剖面的高灵敏度、分别独立测量；

所述甲板单元包括宽带光源、动态光纤光栅快速高精度解调模块、光纤隔离器、第一光纤耦合器、第二光纤耦合器和上纤轴，宽带光源发出的光依次经过光纤隔离器和第二光纤耦合器，耦合进入上纤轴，经过传输光纤到达集成在光纤探头内部后方的下纤轴，之后到达光纤海水温深度传感器。在光纤海水温深度传感器内部依次经过FBG和LPG，经光纤端面反射镜反射，再依次经过LPG、FBG、下纤轴、上纤轴，到达第二光纤耦合器，由于光纤隔离器的存在，反射光只能经第二光纤耦合器的另一分路进入第一光纤耦合器，并被分成两路分别连接到动态光纤光栅快速高精度解调模块的不同解调端口上。

所述光纤海水温深度传感器是利用光纤熔接机依次将光纤端面反射镜、作为海水温度传感器的镀增敏膜的LPG、作为海水深度传感器的FBG以及尾纤进行连接，并分别在镀增敏膜的LPG与FBG的两侧选择连接点，通过连接点将上述光纤海水温深度传感器粘接在固定支架的突出部上，所述尾纤用于连接下纤轴。

所述长周期光纤光栅的增敏膜是采用先镀一层银膜增敏，再镀一层钝化膜对增敏膜进行防氧化保护的方法制得。

所述宽带光源为C波段或C+L波段或S+C+L波段的经过增益平坦化的SLED光源，且通常选用1510～1590nm波长范围。

所述动态光纤光栅快速高精度解调模块的解调速率为500～5000Hz，解调精度为±1pm，以保证系统对温深度信息的快速高精度动态响应；光纤隔离器的作用是只允许来自宽带光源方向的光经过，而经光纤端面反射镜反射回来的光无法通过，以避免反射光对宽带光源的影响，保证宽带光源发光的稳定性。

所述第一光纤耦合器和第二光纤耦合器为3dB耦合器或光环行器。

所述的甲板单元还包括安装在工程船尾舷上的伸缩支架，该伸缩支架上设有锁紧装置，伸缩支架末端安装发射枪，全光纤探头安装在发射枪的发射筒内，所述下纤轴位于全光纤探头的内部、光纤海水温深度传感器的后方，所述上纤轴固定于所述伸缩支架的末端，且所述上、下纤轴的绕线方向相反，以消除探头旋转下落引起的传输光纤扭转。

所述数据传输光纤为单根抗弯曲单模光纤或者包层直径为80μm的超细光纤，既能保证信号的传输速率和稳定性，也能减小纤轴中光纤紧密缠绕引起的光损耗，同时简化纤轴绕制工艺和减小纤轴体积。

所述全光纤探头保护罩为流线型设计，并带3片尾翼。

从上述技术方案可以看出，本实用新型具有以下有益效果：

船载投弃式光纤海洋温深测量系统是光纤传感技术与海洋监测需求的有机结合。针对传统XBT和现有光纤XBT测量方法存在的技术问题，本实用新型提出一种船载投弃式光纤海水温深剖面测量方法，并建立了由全光纤探头、单模传输光纤和快速解调仪组成的海水温深剖面测量系统。具体功能包括：利用光纤光栅作为海水温深度敏感元件，其中以镀增敏膜的LPG作为海水温度敏感元件，提高了温度测量灵敏度；以FBG作为海水深度敏感元件，获得了深度的直接测量值；利用光纤进行海水温深度数据传输，克服了漆包线信道引起的误差，保证信号的传输速率和稳定性；动态光纤光栅快速高精度解调模块作为船载解调设备的方法，以保证系统对温深度信息的快速高精度动态响应，且系统制作简单，探头成本低廉，为海水温深剖面探测提供了一种新的技术手段。

本专利与传统XBT技术相比较，具体优势和创造性体现在：

提出利用LPG和FBG级联复合结构同步测量海水温度和深度，其温度和深度精度分别达0.01℃和0.1％F.S.，且其数据均为测量数据，克服了传统XBT深度数据为估算的问题，同时利用单根单模光纤作为数据传输通道，提高了数据传输速率和准确率。在本实用新型的研发过程中，利用LPG的温度灵敏度高于FBG的特性以期替代FBG测量温度。但是在实际的应用中，LPG测温存在交叉敏感、灵敏度有待提高和透射光路结构复杂等问题，具体如：

交叉敏感的解决方案。LPG对外界温度变化敏感，同时也受环境折射率的影响，温度与折射率之间存在交叉敏感的问题。本实用新型以在LPG栅区镀膜的方式屏蔽外界折射率的影响，先镀一层银膜增敏，再镀一层钝化膜对增敏膜进行防氧化保护的方法制得；此外，LPG对扭转和弯曲也敏感，采用弹簧或弹性悬臂梁等特殊拉伸结构，产生了大小适宜的轴向拉力，使得LPG栅区始终处于恒定拉力拉直状态，解决了扭转和弯曲对LPG的影响。

传感器增敏的方案。业内公认FBG的温度灵敏度为10pm/℃，普通LPG的温度灵敏度在40～50pm/℃，镀增敏膜的LPG温度灵敏度达-370pm/℃以上(如图1所示)。如果按照应用广泛的商用MOI解调仪其解调精度1pm计，则FBG的测温精度为0.1℃，普通LPG的测温精度为0.02℃左右，镀增敏膜的LPG测温精度高于0.003℃。可见镀增敏膜后的LPG测温精度有较大提高，基本达到了海洋测温需求。

光路结构优化方案。由于LPG无后向反射光，属于透射型器件，因此通常采用透射光路对其进行解调。考虑到XBT系统中纤轴绕制的方便，要求采用单根光纤进行数据传输。而典型的透射光路是由双光路组成，给纤轴绕制造成了几乎无法克服的困难。对此本实用新型提出了在光路末端连接光纤端面反射镜的方案，如此一来不但发挥了LPG灵敏度高的优势，而且简化了光路结构，同时降低了纤轴制作的难度。

本专利与现有光纤XBT技术相比较，具体优势和创造性体现在：

(1)温度测量精度的提高

利用镀增敏膜的LPG作为测温单元(现有LPG温度灵敏度已达0.003℃以上)，比七一五研究所和国家海洋技术中心方案(以FBG为测温单元，温度灵敏度为0.1℃)的灵敏度高2个数量级，克服了已有技术的解调难题，对温度剖面的测量更加精准。

(2)实现FBG和LPG的单光路级联

提出利用光纤端面反射镜的方式，将LPG的经典透射式双光路(双尾纤，重庆大学的方案)简化为反射式单光路(单尾纤)，使得FBG和LPG级联复合结构实现在一根光纤中发射和接收，简化了光路结构，降低了后来的纤轴绕制难度，减小了纤轴体积，优化了系统性能。

(3)合理分配光谱范围，实现温深度同步检测

对同一通道而言，现有商用解调仪(典型工作带宽：1510～1590nm)无法同时测量峰值和谷值，但不同的通道却可以分别测量波峰和波谷。利用3dB耦合器和光纤隔离器将返回光分别接到解调仪的两个通道上，并且将FBG和LPG的光谱范围分别设计为为1510～1550nm和1550～1590nm，实现波峰与波谷的同步测量。

附图说明

图1镀增敏膜的LPG温度灵敏度实验结果图。

图2船载投弃式光纤温深剖面测量系统整体组成示意图。

图3光纤温深探头内部传感结构示意图。

图4全光纤探头外形示意图。

图5船载投弃式光纤温深剖面测量系统光路图。

图6船载投弃式光纤温深剖面测量系统投放示意图。

其中，1、全光纤探头，2、传输光纤，3、甲板单元，4、工程船；11、光纤海水温深度传感器；111、LPG温度传感器；112、FBG深度传感器；113为光纤端面反射镜；114、固定基座；115、粘接点；116、尾部光纤；21、下纤轴；22、上纤轴；31、宽带光源；32、动态光纤光栅快速高精度解调模块；33、光纤隔离器；341、第一光纤耦合器；342、第二光纤耦合器；35、发射枪，36、伸缩支架，37、锁紧装置；41、工程船尾舷。

具体实施方式

一种船载投弃式光纤海水温深剖面测量系统包括全光纤探头1、传输光纤2、甲板单元3，上述装置搭载于工程船4，如图2所示。其中：

所述全光纤探头1包括安装在防护罩内的光纤海水温深度传感器11和下纤轴21，其内部传感结构包括镀增敏膜的LPG温度传感器111、FBG深度传感器、光纤端面反射镜113和固定基座114，光纤温深探头内部传感结构如图3所示。具体实施时，可利用光纤熔接机依次将光纤端面反射镜113、作为海水温度传感器的镀增敏膜的LPG111、作为海水深度传感器的FBG112以及尾纤116依次进行连接，并分别在镀增敏膜的长周期光纤光栅111与布拉格光纤光栅112的两侧选择连接点115，通过连接点115将上述光纤海水温深度传感器11粘接在固定支架114的突出部上，所述尾纤116用于连接下纤轴21，全光纤探头外形如图4所示。

所述甲板单元3包括宽带光源31、动态光纤光栅快速高精度解调模块32、光纤隔离器33、第一光纤耦合器341、第二光纤耦合器342和上纤轴22。将第二光纤耦合器342的一个分支端口与宽带光源31连接，另一个分支端口端口与第一光纤耦合器341的单端口相连，第一光纤耦合器341的两个分支端口分别连接到动态光纤光栅快速高精度解调模块32上；在第二光纤耦合器342与宽带光源31之间串联上光纤隔离器33，注意光纤隔离器33为单向无源光器件具有正向导通，逆向截止的特点，其导通方向与宽带光源31出射光方向一致。将第二光纤耦合器342的单端口依次与上纤轴22、下纤轴21和光纤海水温深度传感器11相连，完成船载投弃式光纤海水温深剖面测量系统光路连接，如图5所示。

所述的甲板单元3还包括安装在工程船4尾舷41上的伸缩支架36，该伸缩支架36上设有锁紧装置37，伸缩支架36末端安装发射枪35，全光纤探头1安装在发射枪35的发射筒内，所述下纤轴21位于全光纤探头1的内部、光纤海水温深度传感器11的后方，所述上纤轴22固定于所述伸缩支架36的末端，且所述上、下纤轴22、21的绕线方向相反，以消除探头旋转下落引起的传输光纤扭转。投放时，工程船调整到预定航速，启动宽带光源34，拔出发射枪上的插销，全光纤探头11在重力作用下发射入水，开始剖面数据测量，探头采集的数据经传输光纤2传输至甲板单元3，通过动态光纤光栅快速高精度解调模块33实时记录并读出海水温深度数据，如图6所示。