基于反射式微纳光纤耦合器的温盐深传感器及解调方法与流程

本发明涉及海洋环境监测设备及光纤传感，具体为基于反射式微纳光纤耦合器的温盐深传感器及解调方法。

背景技术：

1、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。海水温度、盐度和深度扮演着海洋物理状态方程的基础性角色，其直接影响全球生态系统的保护、全球气候变暖问题以及水下目标的监测和辨识。其中，海水温度的分布特性直接决定海洋内部波动的规律，而海水内部波动则紧密关联着海上航行安全和海上工程设备施工；海水盐度是研究全球水循环变化的关键参数，会对降水、环流等海洋现象产生直接影响。此外，盐度直接决定海水的密度梯度，是关乎水下设备安全运行的重要参数。海水的温度、盐度、深度和流速等动力学环境要素，直接影响水声传播特性，决定声呐探测设备的使用方式和性能。鉴于此，实现海水温度、盐度和深度分布的实时、高效、原位、大规模在线监测，开发具有原位监测、高精度、长时工作、多参量协同敏感、高环境适应性、满足多种平台挂载需求等性能的海洋温盐深监测仪器/系统意义重大。

2、传统的盐度、温度和深度测量依赖于电学式的电导率-温度-深度测量系统(简称电ctd)。电学式盐度传感器的工作原理是基于水溶液中氯离子浓度与电导率的关系，即通过测量海水的电导率来实现盐度传感，但这种技术容易受到溶液中其他导电离子的影响。此外，传统的电ctd存在成本高、体积大、易受电磁干扰、可靠性低、难以复用成阵集成、不能满足海水表面测量等特殊环境要求等诸多问题。相比之下，光纤传感器具有精度高、体积紧凑、成本低、易重复使用、抗电磁干扰等诸多优点，因此近年来受到了广泛关注，被认为是海洋环境监测领域的新一代传感器。

3、鉴于此，近些年来许多学者开展了基于光纤的海洋温度、盐度、压力等参量传感器的研制工作，包括中国专利“基于细芯光纤和标准单模光纤级联的两点海水温度传感器”(专利号：zl201820164622.1)“一种基于反射式长周期光纤光栅的温度传感器及测量方法”(专利号：zl201910589886.0)“一种长周期光纤光栅检测海水盐度的装置与方法”(专利号：zl201610852789.2)“一种基于光纤传感的海水温深剖面测量系统”(专利号：zl201810164410.8)，“用于海水盐度和温度同时测量的反射式光纤传感器”(申请号：cn201811029113.9)，“一种同时测量海水盐度和温度的双spr效应光纤传感器及其方法”(申请号：cn201910409468.9)，“一种能同时测量海水温度盐度压力的楔形微孔光纤光栅”(专利号：zl201810376083.2)“用于海水温盐深三参数同时测量的光纤传感器及制备方法”(专利号：zl201910288185.3)“一种基于mems技术和膜材料的高集成度微型光纤海水温盐深传感器”(专利号：cn201910342413.0)的温盐深三参量同时传感。以上各型海洋环境参量光纤传感器具有结构紧凑、抗电磁干扰等优势，但要满足高性能、低成本的海水温盐深三参量传感应用需求，还需进一步提高灵敏度，并解决制作复杂、难以集成复用、环境适应性差等问题。

4、微纳光纤(om)作为一种微纳光波导，具有大比例倏逝场传输、强光约束、方便与现有光纤系统集成等优点，近年来已被广泛应用于传感研究中，并取得了丰硕的研究成果。与其他光纤传感器相比，基于om的光纤传感器具有体积小、灵敏度高、响应速度快、成本低、制作简单等优点，因此得到广泛关注。特别是微纳光纤耦合器(omc)，作为一种典型的微纳光子器件，已被用于温度、盐度、深度、微应力、液体折射率、磁场等参量传感研究(如中国专利“基于微纳光纤半耦合器海洋多参量一体化监测系统及方法”，专利号：zl201811056286.x)。相较于om，omc不仅具备倏逝场传输特性，且光传输性能依赖于两耦合波导所传输基模的干涉特性，因此对外界环境变化更为敏感，所得传感器灵敏度更高，可比微纳光纤环/结型谐振腔、光纤光栅等类型光纤传感器的灵敏度高5～40倍。基于omc的各型海洋环境参量光纤传感器，大多通过测试海洋环境参量变化引起光纤波导及增敏介质折射率(ri)变化量来实现相应传感功能，并通过基于波长跟踪技术的光谱分析法实现解调，因此方便多参量传感器信号一体化综合保障。另外，omc多采用双光纤熔融拉锥而成，因此具备多端口光传输功能，方便复用集成。

5、为实现海洋温度、盐度、压力高灵敏度、高精度、快速响应、高稳定性、三参量协同传感等传感检测能力，提高传感器的环境适应性、抗疲劳性(抗生物污染)和有效工作寿命，因此需对传感器及传感器的保护外壳进行结构设计，以适应海洋复杂环境应用需求。同时，位于海面以下100米-200米左右的温跃层温度变化剧烈，位于海面以下200-1000米的盐跃层盐度变化剧烈，因此要提高温度场和盐度梯度分布的测量精度，就需要密集布放传感器来提高阵列空间分辨率。本发明提出的基于反射式微纳光纤耦合器的温盐深传感器既可单探头单独使用，又可多探头级联使用，布放成结构紧凑、模块化集成度高、方便快速布放、数据兼容性强、成本低、灵敏度高的海水温盐深三参量传感阵列。此外，为了克服传统的灵敏度矩阵解调方法引入的病态矩阵误差问题，本发明创新性的使用了机器学习解调方法，可避免灵敏度矩阵法造成的误差放大问题，进一步提高解调精度。综上，本发明提出一种基于反射式微纳光纤耦合器的温盐深传感器及解调方法。

技术实现思路

1、(一)解决的技术问题

2、针对现有技术的不足，本发明提供了基于反射式微纳光纤耦合器的温盐深传感器及解调方法，解决了灵敏度矩阵法造成的误差放大的问题。

3、(二)技术方案

4、为实现以上目的，本发明通过以下技术方案予以实现：基于反射式微纳光纤耦合器的温盐深传感器，包括：

5、反射式omc、方槽模具、保护壳上盖、保护壳主体、生物抑制剂、保护壳前盖；

6、所述omc封装在保护壳的内部，所述omc包括4个输入输出端口且分别为p1端口、p2端口、p3端口、p4端口、2个锥形过渡区分别为1-2-1、1-2-2和1个均匀腰区1-1组成，所述反射式omc的p3端口与端面反射镜连接，所述p2端口和p4端口做折射率匹配处理消除光纤镜面反射，所述p2端口和p4端口连接套帽1-4-1、套帽1-4-2进行保护，所述反射式omc输入端口接收可调谐扫描光源提供的光信号；

7、所述方槽模具内部设置有凹槽和光纤槽，所述光纤槽的深度是为单模光纤半径，使传感器能半封装于方槽模具上，用注射器将配置好的pdms试剂均匀注射在方槽模具内的凹槽中，再将反射式omc半贴附于pdms试剂上，反射式omc的尾纤用紫外胶固定在光纤槽上，

8、所述保护壳的头部设置有生物抑制剂放置仓，所述生物抑制剂置于生物抑制剂放置仓，所述生物抑制剂放置仓配合套接有保护壳前盖，所述保护壳前盖、生物抑制剂和生物抑制剂放置仓上均设置有进水口，供海水进入保护壳内与传感器接触，所述保护壳中部设置有反射镜保护仓，所述端口p3端口、p4端口尾纤穿过第二孔洞放置于反射镜保护仓中，所述保护壳的中部设置有方槽模具固定仓，p2端口尾纤固定在方槽模具上的光纤槽中，所述p1端口尾纤穿过第三孔洞经尾纤保护套延伸至保护壳外部，所述保护壳上盖使用螺钉与保护壳主体紧密连接，所述保护壳前盖通过内部螺纹与保护壳主体拧紧固定。

9、优选的，所述反射式omc为反射式微纳光纤耦合器。

10、优选的，所述保护壳为对称圆筒结构，所述保护壳采用钛合金材质且表面做防腐蚀处理，可抵抗深海高压和海水腐蚀。

11、优选的，所述反射式omc对温度、盐度、深度响应，所述omc的耦合区通常在锥形区表现为弱耦合，在较细的锥形区和均匀腰区表现为强耦合，其中对于强耦合通过矩形包层空气波导来近似腰部区域，耦合系数的近似解析表达式为：

12、

13、其中r是纤芯半径，n2是包层折射率，λ是波长，v为归一化频率，表示为：

14、

15、对于弱耦合，腰部区域近似为两个接触的圆柱体，在该模型下，耦合系数可表示为：

16、

17、其中n3是omc腰区周围的折射率，在大多数情况下是空气或海水，与平行波导耦合器不同，在轴向变化的耦合器结构中，相互作用光纤的横向尺寸沿长度方向变化，因此，耦合系数也随z变化，可表示为c(z)，函数c(z)取决于锥形区的纵向形状以及耦合器横截面的尺寸和折射率分布。因此，耦合器输出端口之间的功率分配取决于相互作用的有效长度l(腰区长度)和有效耦合系数c。

18、优选的，光强为p0的光从输入端口p1输入，到达均匀腰区1-1进行耦合后，传输到直通臂p3端的光强：

19、

20、所述光强为p0的光从输入端口p1输入，到达均匀腰区1-1进行耦合后，传输到耦合臂p4端的光强：

21、

22、之后被反射镜1-3反射回均匀腰区1-1进行二次耦合返回p1端口的输出光强：

23、

24、优选的，所述反射式omc输出端口固定连接有信号解调模块，用于将其处理过的光信号输出到信号解调模块。

25、优选的，所述方槽模具通过螺钉紧固定在保护壳主体内，所述保护壳上盖前、后分别设置有导流孔、排水孔和进水孔，所述进水孔便于海水进入保护壳内与反射式omc充分接触，达到快速响应的目的，排水孔有助于已与反射式omc接触的海水快速排出，避免其堆积在保护壳内影响传感器的传感效果。前后两端的导流孔分别用于海水导入和流出。

26、基于反射式微纳光纤耦合器的温盐深传感器解调方法，包括以下步骤：

27、s1、首先在具有大量反射式omc在不同温度、盐度和压力环境下的反射光谱样本数据训练集中以重复的方式随机选择出k个具有n个样本数据的子训练集；

28、s2、从影响温度、盐度和压力解调结果的传感器反射光谱中的输入特征中随机选择m个特征作为决策树分支节点的备选特征变量集，再根据分支优势准则选择最优的特征来构建决策树；

29、s3、传感器反射光谱中波峰与波谷处的波长值与温度、盐度和压力的关系紧密相关，选择波峰或波谷处的波长值作为rfr的输入特征；

30、s4、用k个子训练集构建了k个光谱—温度、压力映射的决策树，且每个决策树之间没有关联，将k个决策树的输出结果的平均后，即可获得温度、盐度和压力的预测结果。

31、(三)有益效果

32、本发明提供了基于反射式微纳光纤耦合器的温盐深传感器及解调方法。具备以下有益效果：

33、本发明传感器设计有特定的结构，可以阻隔浮游生物、藻类和泥沙等对传感器性能的影响，使传感器具有超高的耐压性和稳定性，该系统保证了传感器具有无电子元件、结构紧凑、灵敏度高、易于集成等优点，针对传感器在使用常规交叉灵敏矩阵算法解调时，由于病态矩阵和传感器在不同环境下的灵敏度的非线性导致的解调误差问题，还提出了一种基于机器学习算法的解调方法，此解调方法能够显著降低传感器解调误差。