直讀拖曳式光纖光柵溫度剖面測(cè)量系統(tǒng)

張　旭，王永杰，魏傳杰，任　強(qiáng)，馮　盼，李　超，李　芳，薄報(bào)學(xué)

（1.長(zhǎng)春理工大學(xué)，吉林　長(zhǎng)春 130022；2.中國(guó)科學(xué)院半導(dǎo)體研究所，北京 100083；3.中國(guó)科學(xué)院海洋研究所，山東　青島 266071）

直讀拖曳式光纖光柵溫度剖面測(cè)量系統(tǒng)

張旭1，王永杰2*，魏傳杰3，任強(qiáng)3，馮盼2，李超2，李芳2，薄報(bào)學(xué)1

（1.長(zhǎng)春理工大學(xué)，吉林長(zhǎng)春 130022；2.中國(guó)科學(xué)院半導(dǎo)體研究所，北京 100083；3.中國(guó)科學(xué)院海洋研究所，山東青島 266071）

針對(duì)我國(guó)對(duì)海水溫度剖面的測(cè)量需求，在分析已有方法優(yōu)缺點(diǎn)的基礎(chǔ)上提出了一種新的方法——光纖溫度剖面連續(xù)測(cè)量系統(tǒng)。此測(cè)量系統(tǒng)以光纖光柵傳感器為測(cè)量單元，采用波分復(fù)用的方式串接在一起組成船載拖曳鏈，再通過(guò)甲板上的解調(diào)終端實(shí)時(shí)顯示所測(cè)物理參量，從而實(shí)現(xiàn)分布式實(shí)時(shí)測(cè)量。這種方法能夠以低成本快速高效獲得高分辨率的海水溫度剖面分布情況，為海洋探測(cè)提供豐富有效的數(shù)據(jù)。課題組設(shè)計(jì)制作了拖曳鏈系統(tǒng)的甲板機(jī)及60 m長(zhǎng)的拖曳鏈，并在青島近海進(jìn)行了拖曳海試，實(shí)時(shí)獲取了試驗(yàn)數(shù)據(jù)，達(dá)到了預(yù)期效果。

光纖布拉格光柵；溫度測(cè)量；拖曳鏈；直讀；比測(cè)

海水溫度是海洋最基本的物理參數(shù)，觀測(cè)海水溫度隨深度的變化可以為海洋科學(xué)研究提供基本的數(shù)據(jù)資料，具有廣泛的應(yīng)用價(jià)值［1-2］。當(dāng)前，獲取海水溫度剖面主要有如下形式，且各有利弊。首先是最常規(guī)的直讀式測(cè)量，該方法利用調(diào)查船出海進(jìn)行定點(diǎn)的直讀式CTD［3-5］測(cè)量，該方法需要停船測(cè)量，測(cè)量精度高但消耗船時(shí)較多；其次是投棄式溫深剖面儀XBT［6-7］，該方法不需要停船即可快速獲取溫度剖面，節(jié)約了船時(shí)，但該類傳感器一般精度低，且傳感器作為一次性設(shè)備大量的消耗，使用費(fèi)用高；再次是潛標(biāo)或浮標(biāo)型［8-9］，該方法可以長(zhǎng)期獲取數(shù)據(jù)，但只是獲取某一測(cè)點(diǎn)長(zhǎng)期的數(shù)據(jù)，且長(zhǎng)期的測(cè)量數(shù)據(jù)存在意外完全丟失的風(fēng)險(xiǎn)；最新的測(cè)試方法是拖曳式傳感器［10-11］，如MVP［12-13］、UCTD等，但該方法僅有一個(gè)溫度傳感器，獲取的溫度剖面空間分辨率不高。

本文提供一種隨船運(yùn)動(dòng)測(cè)量的拖曳溫度鏈系統(tǒng)，該系統(tǒng)主要采用光纖傳感器技術(shù)，發(fā)揮光纖傳感器本征絕緣、成本低廉、便于規(guī)模組陣、濕端無(wú)電無(wú)功耗等特點(diǎn)。該系統(tǒng)由光纖光柵溫度傳感器采用波分復(fù)用［14］的方式串接在一起實(shí)現(xiàn)分布式測(cè)量［15-16］，可以隨船運(yùn)動(dòng)實(shí)時(shí)獲取高時(shí)空分辨率的溫度剖面，從而規(guī)避上述各溫度剖面獲取方法的弊端，高效、快捷、低成本地獲取高分辨率溫度剖面。

本文研制了拖曳鏈系統(tǒng)的甲板機(jī)及60 m長(zhǎng)的拖曳鏈，并在青島近海進(jìn)行了拖曳海試，實(shí)時(shí)獲取了試驗(yàn)數(shù)據(jù)，取得預(yù)期成果。

1　系統(tǒng)構(gòu)成

1.1系統(tǒng)總體構(gòu)成

整個(gè)溫度拖曳鏈系統(tǒng)示意圖如圖1所示，該系統(tǒng)包含甲板單元和水下單元兩大部分。其中水下單元是系統(tǒng)的核心，包含8支光纖溫度傳感器，其中光纖溫度傳感器以5 m的間距等間隔方式串聯(lián)成鏈，并在底部懸掛鉛魚(yú)以降低纜深比；甲板單元主要有絞盤、解調(diào)終端等，其作用分別是溫度鏈的收納釋放、信號(hào)解調(diào)及顯示。在船舶行進(jìn)中，系統(tǒng)可拖曳溫度鏈實(shí)現(xiàn)溫度實(shí)時(shí)測(cè)量，得到一定深度水域的溫度剖面分布情況。

圖1　光纖溫度剖面連續(xù)測(cè)量系統(tǒng)示意圖

1.2光纖溫度傳感器

光纖光柵溫度傳感器是利用光纖光柵的中心波長(zhǎng)會(huì)受外界環(huán)境參量調(diào)制而研制的。光纖溫度傳感器進(jìn)行了溫度增敏、壓力減敏的相關(guān)封裝處理，光纖溫度傳感器的標(biāo)定按照GB/T 23246-2009進(jìn)行，藉由恒溫水浴槽完成。測(cè)試完成后通過(guò)建立二次函數(shù)模型y=ax2+bx+c來(lái)描述溫度與波長(zhǎng)的一一對(duì)應(yīng)關(guān)系，再根據(jù)Levenberg-Marquardt算法求出a，b，c的值并繪制擬合曲線。實(shí)踐表明，通過(guò)這種方法可以提高標(biāo)定的準(zhǔn)確性。其中兩支光纖溫度傳感器標(biāo)定結(jié)果如圖2所示（標(biāo)準(zhǔn)溫度傳感器的型號(hào)為SBE56）：

圖2　光纖溫度傳感器標(biāo)定數(shù)據(jù)處理結(jié)果

試驗(yàn)中所使用的光纖溫度傳感器通過(guò)特殊設(shè)計(jì)封裝消除了海水壓力以及外界應(yīng)力變化對(duì)其的影響，具有良好的抗震、抗顫能力。同時(shí)，通過(guò)采用特殊合金對(duì)傳感器進(jìn)行鎧裝保護(hù)，使得傳感器的耐腐蝕能力得到顯著提高，滿足長(zhǎng)期海上測(cè)量的要求。光纖溫度傳感器靈敏度為27 pm/℃，響應(yīng)時(shí)間為180 ms，靜態(tài)標(biāo)定精度達(dá)到0.01℃，達(dá)到國(guó)家二級(jí)技術(shù)指標(biāo)，在用于海水溫度測(cè)量的光纖傳感器中處于領(lǐng)先水平。光纖溫度傳感器實(shí)物如圖3所示。

圖3　光纖溫度傳感器實(shí)物圖

所有的光纖傳感器的系數(shù)都可以通過(guò)上述方法確定，然后將這些對(duì)應(yīng)關(guān)系式存儲(chǔ)到數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)。在實(shí)際測(cè)量時(shí)通過(guò)光纖溫度傳感器反饋的中心波長(zhǎng)就可以直接讀出溫度。在標(biāo)定過(guò)程中通過(guò)篩選示值誤差小、穩(wěn)定性能好的傳感器組建陣列，進(jìn)而提高系統(tǒng)測(cè)量的準(zhǔn)確性。

1.3甲板單元

試驗(yàn)中甲板上的光纖光柵解調(diào)儀［17］作為本套測(cè)量系統(tǒng)的解調(diào)終端，要解調(diào)出光纖傳感器所測(cè)物理量參數(shù)，加以顯示并存儲(chǔ)。此光纖光柵解調(diào)儀解調(diào)精度為1 pm，分辨率為0.1 pm，采樣率為1 Hz，樣機(jī)實(shí)物如圖4。

圖4　解調(diào)儀樣機(jī)實(shí)物圖

且部分技術(shù)指標(biāo)優(yōu)于國(guó)際同類機(jī)型（美國(guó)MOI SM125），機(jī)器噪聲圖對(duì)比如圖5所示。

圖5　研制解調(diào)儀樣機(jī)24 h測(cè)試結(jié)果同MOI穩(wěn)定1.5 h對(duì)比圖

此解調(diào)儀多次圓滿完成標(biāo)定測(cè)試任務(wù)，可長(zhǎng)期穩(wěn)定工作，滿足長(zhǎng)期海上測(cè)試任務(wù)的要求。

2　試驗(yàn)與數(shù)據(jù)分析

于2015年4月在青島近海進(jìn)行了傳感鏈的拖曳海試試驗(yàn)。由于試驗(yàn)海域深度較淺，所以僅有最下邊40 m拖曳鏈入水工作（包含6只傳感器），海試過(guò)程拖曳速度為5 kn，7 kn，9 kn。試驗(yàn)過(guò)程中為了確定拖曳鏈上各傳感器工作時(shí)的可靠性，在每個(gè)光纖傳感器附近均綁有SBE56溫度傳感器以作為實(shí)驗(yàn)比對(duì)參照。

圖6　實(shí)驗(yàn)海域（左）與現(xiàn)場(chǎng)（中）、比對(duì)傳感器SBE56安裝方式（右）

圖7 拖曳中的傳感鏈

圖8是兩對(duì)光纖溫度傳感器同SBE56溫度傳感器在拖曳過(guò)程中的測(cè)溫曲線（橫軸為時(shí)間，縱軸為溫度值）：

圖8　#34光纖溫度傳感器同相應(yīng)SBE56傳感器在拖曳過(guò)程中的比測(cè)圖

圖9　#59光纖溫度傳感器同相應(yīng)SBE56傳感器在拖曳過(guò)程中的比測(cè)圖

圖8同時(shí)給出了#34光纖溫度傳感器與對(duì)應(yīng)比測(cè)傳感器SBE56測(cè)量誤差的數(shù)據(jù)分析結(jié)果，其誤差平均值為0.007，標(biāo)準(zhǔn)差為0.070 8。圖9同時(shí)也給出了#59光纖溫度傳感器測(cè)量誤差的數(shù)據(jù)分析結(jié)果，其誤差平均值為-0.016 8，標(biāo)準(zhǔn)差為0.202 7。由圖8～圖9可知，光纖溫度傳感器在拖曳過(guò)程中溫度測(cè)量準(zhǔn)確，與SBE56溫度傳感器測(cè)得的溫度值一致性較強(qiáng)。溫度傳感器所測(cè)溫度值具有明顯的階段性，且變化恰好與航速改變時(shí)間一致，這說(shuō)明航速改變時(shí)拖曳鏈在水下姿態(tài)也發(fā)生改變。#34光纖溫度傳感器在航速穩(wěn)定時(shí)溫度發(fā)生突變，這可能是由于此深度層洋流交錯(cuò)匯聚導(dǎo)致此層水溫在不同地方變化較大。

航速不同時(shí)，拖曳鏈姿態(tài)不同，傳感器所處深度不同，所以將不同航速時(shí)的溫度分布情況分開(kāi)繪圖更具有可比性，同時(shí)這樣也能觀察到更多的細(xì)節(jié)。

海試過(guò)程獲得的數(shù)據(jù)如圖10～圖12所示（橫軸為時(shí)間，縱軸為6個(gè)溫度傳感器的相對(duì)位置）：

圖10　5 kn船速時(shí)的溫度分布圖對(duì)比

圖11　7 kn船速時(shí)光的溫度分布圖對(duì)比

圖12　9 kn船速時(shí)的溫度分布圖對(duì)比

從溫度分布圖中可以看出，不同深度海水溫度不同，相同深度不同地方的海水溫度不同，這可能是由于本片海域海水流向復(fù)雜、互相交疊匯聚導(dǎo)致。圖中不少時(shí)刻出現(xiàn)了溫度躍變，可見(jiàn)該拖曳鏈可及時(shí)響應(yīng)溫度變化，能夠準(zhǔn)確測(cè)量發(fā)現(xiàn)溫度斷層。根據(jù)溫度分布圖的對(duì)比可以看出，拖曳鏈上每一處光纖溫度傳感器所測(cè)得的溫度值與參照溫度傳感器SBE56測(cè)得的溫度值一致性都比較好，從而驗(yàn)證了光纖溫度拖曳鏈整體性能的可靠性，證明了光纖溫度拖曳鏈具有實(shí)用價(jià)值。

3　討論

3.1試驗(yàn)結(jié)果

通過(guò)本次海上拖曳試驗(yàn)，獲得了海上試驗(yàn)寶貴的數(shù)據(jù)資料，驗(yàn)證了光纖溫度剖面連續(xù)測(cè)量系統(tǒng)的實(shí)際應(yīng)用效果，試驗(yàn)表明光纖溫度拖曳鏈技術(shù)指標(biāo)達(dá)到了設(shè)計(jì)要求。

在整個(gè)試驗(yàn)過(guò)程中，在惡劣海況下甲板晃動(dòng)和振動(dòng)以及大風(fēng)、鹽霧、暴曬等惡劣環(huán)境下，光纖溫度剖面拖曳測(cè)量系統(tǒng)整體沒(méi)有發(fā)生嚴(yán)重故障，表明系統(tǒng)具有一定的可靠性。

3.2存在的問(wèn)題

在海上試驗(yàn)中，發(fā)現(xiàn)了光纖溫度剖面連續(xù)測(cè)量系統(tǒng)還存在如下問(wèn)題：

（1）甲板設(shè)備在快捷安裝、操作方便和全天候工作等方面需要改進(jìn)提高，以滿足實(shí)際使用中對(duì)光纖溫度剖面連續(xù)測(cè)量系統(tǒng)快捷、可靠的要求；

（2）海試拖曳鏈系統(tǒng)長(zhǎng)度較短，導(dǎo)致采集到的數(shù)據(jù)量有限；

（3）試驗(yàn)中沒(méi)有溫度傳感器準(zhǔn)確的深度信息，只有相對(duì)位置，無(wú)法將所測(cè)得的溫度信息與深度聯(lián)系起來(lái)。

因此，需要從以下方面進(jìn)一步完善：

（1）光纖溫度剖面連續(xù)測(cè)量系統(tǒng)甲板設(shè)備小型化、自動(dòng)化和優(yōu)化設(shè)計(jì)改進(jìn)；

（2）拖曳鏈系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)已掌握，下次試驗(yàn)可采取主干纜連接方式將數(shù)段拖曳鏈連接在一起，以延長(zhǎng)拖曳系統(tǒng)長(zhǎng)度；

（3）選擇較深海域進(jìn)行試驗(yàn)，使得試驗(yàn)設(shè)備能夠充分發(fā)揮效果，得到更好的試驗(yàn)結(jié)果；

（4）下次試驗(yàn)加入壓力傳感器，以獲取溫度傳感器深度的準(zhǔn)確數(shù)值，提高所測(cè)溫度信息的實(shí)用價(jià)值。

4　結(jié)語(yǔ)

從本次海上試驗(yàn)來(lái)看，光纖溫度剖面連續(xù)測(cè)量系統(tǒng)適用于在船舶走航時(shí)快速、經(jīng)濟(jì)地獲取高水平密度、較精細(xì)的上層海洋溫度剖面數(shù)據(jù)資料。由于光纖溫度剖面連續(xù)測(cè)量系統(tǒng)具有快速、經(jīng)濟(jì)、穩(wěn)定、安全、適用性強(qiáng)的特點(diǎn)，作為新型海洋調(diào)查設(shè)備，在研究海洋鋒面、黑潮等領(lǐng)域有廣泛的應(yīng)用價(jià)值。

［1］畢永良，孫毅，黃謨濤，等.海洋測(cè)量技術(shù)研究進(jìn)展與展望［J］.海洋測(cè)繪，2004，24（3）:65-70.

［2］黃謨濤，翟國(guó)君，歐陽(yáng)永忠，等.海洋測(cè)量技術(shù)的研究進(jìn)展與展望［J］.海洋測(cè)繪，2008，28（5）:77-82.

［3］田雨，王欣，李建國(guó).SZC15-2型CTD數(shù)據(jù)采集技術(shù)研究［J］.海洋技術(shù)，2008，27（1）:14-18.

［4］孫貴新，史峰.SBE25 CTD剖面儀及其使用方法［J］.氣象水文海洋儀器，2010（3）:18-19，24.

［5］郭斌斌，李琦，肖波，等.SBE 917plus CTD剖面儀及其自容式作業(yè)［J］.海洋信息，2015（1）:42-45.

［6］焦冰，葉松，陳振濤，等.拋棄式海水溫度測(cè)量系統(tǒng)的設(shè)計(jì)［J］.海洋技術(shù)，2012，31（3）:6-8，16.

［7］方芳，張鵬，陳晨.基于統(tǒng)計(jì)過(guò)程控制技術(shù)的XBT故障概率控制研究［J］.海洋技術(shù)，2013，32（2）:120-124，143.

［8］童明榮，劉增宏，孫朝輝，等.ARGO剖面浮標(biāo)數(shù)據(jù)質(zhì)量控制過(guò)程剖析［J］.海洋技術(shù)，2003，22（4）:79-84.

［9］胡立章，尹成群，何玉鈞，等.光纖布喇格光柵浮標(biāo)式海水測(cè)溫系統(tǒng)［J］.光通信技術(shù)，2011，（4）:37-40.

［10］田雨，王欣.船體固定式CTD及數(shù)據(jù)采集技術(shù)研究［J］.海洋技術(shù)，2006，25（3）:27-30.

［11］王巖峰，張杰，易杏甫，等.用于海洋生態(tài)動(dòng)力監(jiān)測(cè)的拖曳系統(tǒng)設(shè)計(jì)［J］.高技術(shù)通訊，2006，16（9）:975-980.

［12］陳鴻志，宋敬利，韓引海.MVP-300系統(tǒng)及其應(yīng)用［J］.海洋技術(shù)，2004，23（2）:46-49.

［13］任煒，李暉，李永奇，等.UCTD系統(tǒng)及其關(guān)鍵技術(shù)介紹［J］.海洋技術(shù)，2008，27（1）:8-10，18.

［14］Yu Youlong，Zhao Hongxia.A Novel Demodulation Scheme for Fiber Bragg Grating Sensor System［J］.Photonics Technology Letters，2005，17（1）:166-168.

［15］Valente L C G，Braga A MB，Ribeiro A S，et al.Combined Time and Wavelength Multiplexing Technique of Optical Fiber Grating Sensor Arrays UsingCommercial OTDR Equipment［J］.Sensors Journal，2003，3（1）:31-35.

［16］沈震強(qiáng)，趙建林，張曉娟.光纖光柵法布里-珀羅傳感器頻分復(fù)用技術(shù)［J］.光學(xué)學(xué)報(bào)，2007，27（7）:1173-1177.

［17］張登攀，王瑨，王永杰.基于FBGA光纖光柵解調(diào)系統(tǒng)的實(shí)時(shí)校準(zhǔn)方法［J］.激光與紅外，2015，45（7）:825-829.

Direct-Reading Temperature Profile Measuring System with Towed Fiber Bragg Grating Sensor

ZHANG Xu1，WANG Yong-jie2，WEI Chuan-jie3，REN Qiang3，F(xiàn)ENG Pan2，LI Chao2，
LI Fang2，BO Bao-xue1
1.Changchun University of Science and Technology，Changchun 130022，Jilin Province，China；
2.Institute of Semiconductors，Chinese Academy of Sciences，Beijing 100083，China；
3.Institute of Oceanology，Chinese Academy of Sciences，Qingdao 266071，Shandong Province，China

In order to meet China's demand for seawater temperature profile measurement，this paper proposes a new approach:the continuous measurement system of temperature profile based on fiber bragg grating sensor after analyzing the advantages and disadvantages of existing methods.In this measurement system，the fiber grating sensors serve as measurement units，which are connected into the shipborne dragging chain by the method of wavelength division multiplexing.Then the measured physical parameters can be displayed in a real-time way through the demodulation terminal on the deck，thus realizing distributed real-time measurement.With this method，the authors can obtain high-resolution seawater temperature profile with higher efficiency and lower costs，providing abundant and effective data for ocean survey.The research team designed and fabricated the deck machinery and a 60-m long dragging chain of the drag chain system，and carried out testing experiments in Qingdao offshore area for obtaining real-time experimental data，which has proved the expected outcomes.

fiber bragg grating；temperature measurement；drag chain；direct reading；comparative tests

TN929.11；P71

A

1003-2029（2016）01-0041-05

10.3969/j.issn.1003-2029.2016.01.006

2015-08-07

中國(guó)科學(xué)院戰(zhàn)略性先導(dǎo)科技專項(xiàng)資助項(xiàng)目-熱帶西太平洋海洋系統(tǒng)物質(zhì)能量交換及其影響（XDA11040201，XDA11040202）；國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目（41276094）

張旭（1991-），碩士研究生，主要研究方向?yàn)楣饫w傳感在海洋領(lǐng)域的應(yīng)用。E-mail:zx191@semi.ac.cn

王永杰（1979-），博士，副研究員。E-mail：wyj@semi.ac.cn