光纖溫深傳感器在物理海洋的應(yīng)用*

王永杰 王建豐 任 強(qiáng) 于 非 李 芳

(1. 中國科學(xué)院半導(dǎo)體研究所 北京 100083; 2. 中國科學(xué)院海洋研究所 青島 266071)

海水溫度是海洋物理性質(zhì)中最基本、最重要的要素之一, 是反映海水熱狀況的一個物理量, 很多海洋現(xiàn)象甚至陸地現(xiàn)象都與海水溫度相關(guān)。海水溫度的時空分布及其變化規(guī)律, 不僅僅是海洋科學(xué)的重要研究內(nèi)容, 而且對氣象、航海、漁業(yè)、軍事等有重要作用和意義(周紅偉等, 2016)。

隨著技術(shù)的發(fā)展, 液壓和機(jī)械溫度計已經(jīng)被電學(xué)式傳感器所替代, 電學(xué)式溫度傳感器從工作原理上分為熱電式、電阻式、晶體震蕩式、紅外輻射式等,從應(yīng)用方式上已演化出直讀式、自容式、遙感式等。進(jìn)入 21世紀(jì)后, 光纖傳感技術(shù)也日趨成熟, 已在軍事航天、石油石化、地球物理、土木工程等領(lǐng)域發(fā)揮著不可替代的作用。經(jīng)文獻(xiàn)調(diào)研, 光纖傳感在海洋領(lǐng)域的應(yīng)用研究已廣泛開展, 如光纖傳感器對海洋溫度(張登攀等, 2015)、壓力(深度)(Duraibabuet al, 2015)、鹽度(王晶等, 2015)、溶解氧濃度(霍樹梅, 2000)、pH值、葉綠素a(Piazenaet al, 2002)、生化耗氧量(BOD)、懸浮物含量、石油污染物、黃色物質(zhì)等的現(xiàn)場測量, 以及對海洋平臺的監(jiān)控等。光纖傳感技術(shù)具備本征絕緣、傳輸損耗低、速率高、易復(fù)用等特點(diǎn), 適合在海洋觀測技術(shù)領(lǐng)域原位組網(wǎng)成陣應(yīng)用。隨著光纖傳感市場容量的擴(kuò)大, 核心零部件成本大幅降低, 這為光纖傳感技術(shù)在民用領(lǐng)域的規(guī)?；瘧?yīng)用提供了可能。

中國科學(xué)院半導(dǎo)體研究所在中國科學(xué)院戰(zhàn)略先導(dǎo)科技專項(xiàng)(以下簡稱“海洋先導(dǎo)專項(xiàng)”)的支持下, 開展了光纖傳感器技術(shù), 特別是光纖溫度(張登攀等,2015)、深度傳感器在物理海洋領(lǐng)域的應(yīng)用研究工作。根據(jù)海洋先導(dǎo)專項(xiàng)的部署, 課題組對海洋牧場溫度場遙測系統(tǒng)和船載溫深拖曳鏈系統(tǒng)分別進(jìn)行了系統(tǒng)研究和海試應(yīng)用, 以下分別介紹。

1　光纖溫深傳感技術(shù)原理

光纖布拉格光柵(fiber bragg grating, FBG)是一種光纖無源器件, 即一段經(jīng)過特殊工藝制作的光纖線段, 長度約5—15mm。其制作的物理機(jī)制是通過紫外光的照射使纖芯的折射率發(fā)生周期性的改變, 對外表現(xiàn)出的光學(xué)特性就是 FBG是一個窄帶濾波器, 如圖1所示。

圖1　FBG原理示意圖Fig.1 Schematic diagram of FBG

當(dāng)光纖光柵受到溫度或應(yīng)力的擾動時, 它的中心波長的漂移呈線性變化, 這種線性變化為應(yīng)力、溫度等物理參數(shù)的檢測提供了一種很好的傳感元件,如公式(1)所示:

在1550nm窗口, 裸FBG的中心波長的溫度系數(shù)約為 10pm/°C, 應(yīng)變系數(shù)為 1.2pm/με。由于裸的光纖光柵直徑只有 125μm, 在惡劣的工程環(huán)境中容易損傷, 只有對其進(jìn)行保護(hù)性的封裝(如埋入襯底材料中), 才能保證光纖光柵更穩(wěn)定的性能, 延長傳感器使用壽命。同時, 通過設(shè)計封裝結(jié)構(gòu), 選用不同的封裝材料, 可以實(shí)現(xiàn)溫度增敏、減敏、交叉補(bǔ)償?shù)裙δ堋?/p>

在系統(tǒng)研發(fā)過程中, 課題組根據(jù)實(shí)際需求, 在傳感器的靈敏度、響應(yīng)時間、耐壓封裝、熔接保護(hù)等一系列技術(shù)問題上進(jìn)行攻關(guān)。如在海洋牧場所用的溫度傳感器, 采用了無應(yīng)力封裝技術(shù)確保其長期穩(wěn)定性,但靈敏度只有 10pm/°C, 響應(yīng)速度也較慢; 再如拖曳鏈所用的快速溫度傳感器, 采用增敏封裝技術(shù), 實(shí)現(xiàn)3倍增敏, 且響應(yīng)時間也可以達(dá)到200ms。

2　近海用海洋牧場溫度遙測系統(tǒng)

全球變暖日益加劇導(dǎo)致近海養(yǎng)殖海區(qū)夏季水溫增高, 造成生物和化學(xué)物質(zhì)耗氧量大增; 而且溫躍層使得水體交換較差, 導(dǎo)致養(yǎng)殖海域海底季節(jié)性缺氧現(xiàn)象時常發(fā)生, 對養(yǎng)殖牧場的生產(chǎn)和生態(tài)安全造成了嚴(yán)重影響, 經(jīng)濟(jì)損失較大。由于溫度是影響海區(qū)缺氧的重要環(huán)境因子, 因此需要對海區(qū)溫度進(jìn)行實(shí)時和全方位的監(jiān)控, 以獲得海區(qū)不同水深溫度的變化規(guī)律, 保障海洋牧場的生產(chǎn)和生態(tài)安全。

考慮到海洋牧場的現(xiàn)場情況和綜合施工成本,課題組結(jié)合光纖傳感易于串聯(lián)復(fù)用和無線傳輸?shù)谋憬輧?yōu)勢, 研制了基于無線傳輸光纖溫度鏈的遙測系統(tǒng)(圖2)。系統(tǒng)由16只光纖溫度傳感器、1臺低功耗解調(diào)儀、太陽能電池系統(tǒng)、通信組件和附屬安裝固定裝置構(gòu)成。16只光纖溫度傳感器以 1米間隔組成 1條溫度鏈, 該溫度鏈豎直布放于養(yǎng)殖場水下, 其余部分固定于浮筏或浮標(biāo)上。無線系統(tǒng)以2分鐘的間隔將測試數(shù)據(jù)發(fā)回陸地網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器。客戶可以通過計算機(jī)或手機(jī)客戶端隨時查閱測試數(shù)據(jù)。系統(tǒng)采用低功耗設(shè)計, 整體功耗小于 5W, 測溫精度 0.1°C; 可擴(kuò)充到8—16通道, 進(jìn)一步降低系統(tǒng)綜合應(yīng)用成本。

圖2　海洋牧場溫度鏈遙測系統(tǒng)示意圖Fig.2 Schematic diagram of the sea ranch’s temperature chain telemetry system

浮臺型溫度遙測系統(tǒng)經(jīng)過 2016年的試運(yùn)行后,對暴露的各種工程技術(shù)問題如傳感器安裝、布放、抗扭轉(zhuǎn)、儀表防水、服務(wù)器穩(wěn)定性等方面做了改進(jìn), 并在2017年7月初下放后, 連續(xù)無故障運(yùn)行至8月底,按照計劃將于10月底拆除浮臺(圖3)。

圖3　遙測系統(tǒng)實(shí)物圖Fig.3 Telemetry system

為便于海洋牧場技術(shù)人員實(shí)時隨地查閱溫度數(shù)據(jù)指導(dǎo)現(xiàn)場作業(yè), 課題組開發(fā)了基于安卓操作系統(tǒng)的手機(jī)客戶端; 為了同整個海洋牧場的其他參數(shù)測量系統(tǒng)集成, 開發(fā)并開放了個人計算機(jī)客戶端。系統(tǒng)的這一功能極大的增加了實(shí)用性和展示效果, 受到用戶的歡迎。如圖4 所示。

圖4　手機(jī)客戶端和PC客戶端示例Fig.4 Mobile client and PC client

同時, PC客戶端也可以實(shí)時讀取當(dāng)時及歷史數(shù)據(jù)。如通過讀取2016年的典型數(shù)據(jù)(圖5), 可以看到明顯的半日潮現(xiàn)象, 以及7月初到8月底近50天的溫度場和底部水溫變化情況。

從圖6的50天測試數(shù)據(jù)可以看出, 從7月22日開始, 水底溫度逐漸升高, 8月中旬接近 23°C, 已經(jīng)接近夏眠溫度24°C(李興輝, 2009)。這為當(dāng)?shù)氐暮B(yǎng)殖作業(yè)人員提供了便捷的技術(shù)支持, 方便實(shí)時獲取水溫變化情況, 以便對現(xiàn)場作業(yè)提供指導(dǎo)。這是光纖溫度傳感器首次在海洋養(yǎng)殖方面進(jìn)行實(shí)際應(yīng)用。目前遙測系統(tǒng)的手機(jī)客戶端已在中國科學(xué)院煙臺海岸帶研究所和東方海洋牧場的相關(guān)科技人員的手機(jī)上安裝, 便于他們隨時隨地了解當(dāng)前海洋牧場的溫度變化情況(陳永利等, 2010), 為東方海洋云溪海洋牧場正常安全運(yùn)行提供了基礎(chǔ)數(shù)據(jù)支持。

3　船載拖曳式溫深鏈系統(tǒng)

對溫度躍層的調(diào)查一直是海洋調(diào)查研究的重點(diǎn)手段。海洋溫度剖面的觀測與研究受制于現(xiàn)有的調(diào)查手段, 僅能獲取低時空分辨率的海洋動力環(huán)境參數(shù),如走航剖面觀測技術(shù)目前主要有拋棄式溫深剖面儀XBT(劉赟等, 2003)、拋棄式溫鹽深剖面儀XCTD(高郭平等, 2003)、走航式多參數(shù)剖面測量系統(tǒng) MVP、拖曳式溫深儀儀UCTD(胡波等, 2011)等, XBT、XCTD的優(yōu)點(diǎn)是操作簡單, 缺點(diǎn)是使用成本高, 數(shù)據(jù)精度不高; MVP的優(yōu)點(diǎn)是測量參數(shù)多, 缺點(diǎn)是使用復(fù)雜、維護(hù)成本高。這些觀測儀器對開展大洋中尺度渦旋、鋒面及內(nèi)波的研究來說遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠。

本課題在海洋先導(dǎo)專項(xiàng)的支持下, 為實(shí)現(xiàn)大洋中尺度渦、鋒面和內(nèi)波的高精度觀測, 研發(fā)新型的大規(guī)模陣列的探測裝備, 提高立體化海洋環(huán)境信息獲取和深海探測、取樣能力。課題組研發(fā)了一套船載拖曳式光纖溫深剖面連續(xù)測量系統(tǒng), 該系統(tǒng)包含120只溫度傳感器和壓力傳感器并集成在拖曳纜中, 配合甲板單元的解調(diào)設(shè)備和絞車系統(tǒng)。溫深剖面觀測系統(tǒng)隨船舶運(yùn)動實(shí)現(xiàn)海面至水下200m溫度垂直剖面的高采樣頻率(1Hz)、高水平分辨率(5節(jié)船速水平分率約2.5m)、實(shí)時、連續(xù)觀測。課題組先后攻克了傳感器快速響應(yīng)封裝技術(shù)、傳感器熔接保護(hù)技術(shù)、工程化解調(diào)儀、成鏈及系統(tǒng)集成技術(shù)等, 系統(tǒng)測溫精度 0.01,壓力精度0.1%。

圖5　2016年典型的7日(a)和1日(b)測試數(shù)據(jù)Fig.5 Records of seven days and one day in 2016

圖6　2017年7、8月份測試數(shù)據(jù)Fig.6 Records between July and August in 2017

船載溫深剖面測量系統(tǒng)的研制將為獲取高時空分辨率的溫度資料提供非常寶貴的技術(shù)手段, 它大大提高了船時的利用效率, 可以為科學(xué)家提供研究急需的實(shí)測數(shù)據(jù)。系統(tǒng)示意圖和實(shí)物圖如圖7所示。

系統(tǒng)的無線顯示終端和釋放和回收的現(xiàn)場照片如圖8所示。

海試應(yīng)用一: 本課題于 2016年8月初在北黃海進(jìn)行了黃海冷水團(tuán)的測試工作課題組搭載“科三”考察船, 在4節(jié)左右的船速下, 自北向南在冷水團(tuán)的中心部位進(jìn)行了拖曳海試, 獲得北黃海溫度剖面圖如圖9所示。

由于本系統(tǒng)的拖曳鏈具備傳感器數(shù)量多、間隔小、系統(tǒng)采樣率高的特點(diǎn), 相對傳統(tǒng)儀器可以更加詳細(xì)地繪制出冷水團(tuán)的詳細(xì)結(jié)構(gòu)。由圖9可知, 夏季為黃海冷水團(tuán)鼎盛時期, 其北黃海冷水團(tuán)核心位于38.5°N 左右(李昂等, 2015)。從圖中可以觀測到溫躍層處的等值線呈傾斜狀態(tài), 即南部溫躍層位置較北部溫躍層位置偏淺, 且南部溫躍層等值線較北部密集, 底部存在一個8°C的閉合冷水核心區(qū)。溫度鏈拖曳所獲得的海試數(shù)據(jù)對冷水團(tuán)有非常高精度和高空間分辨率的觀測, 對傳統(tǒng)海洋學(xué)的調(diào)查有重要的支撐作用, 不僅能夠豐富現(xiàn)有的調(diào)查手段, 也能為科學(xué)家分析海洋現(xiàn)象提供高質(zhì)量的數(shù)據(jù), 更進(jìn)一步促進(jìn)了海洋調(diào)查(管秉賢等, 1962)和海洋學(xué)研究的發(fā)展。

圖7　系統(tǒng)整體示意圖及拖曳應(yīng)用中的實(shí)物圖Fig.7 Diagram of the towed sensor chain and photograph of the towing application

圖8　船艙內(nèi)無線終端實(shí)時監(jiān)控以及釋放和回收過程Fig.8 The wireless terminal and the process of discharging and recycling

海試應(yīng)用二: 本課題于 2017年7月在南海北部海域疑似中尺度渦旋附近開展了海試工作。利用光纖溫深連續(xù)剖面系統(tǒng), 對中尺度渦的溫深剖面進(jìn)行高時空分辨率、高效觀測, 獲取高精細(xì)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu), 助推中尺度渦旋的科學(xué)研究。海試所得到的溫深剖面如圖10、11所示。

本次海試光纖溫深鏈觀測細(xì)致的刻畫了中尺度渦的結(jié)構(gòu)。由于空間分辨率高, 溫深鏈能夠精確的觀測中尺度渦的水平和垂向結(jié)構(gòu), 而一般的大面觀測水平分辨率在1/4°以下, 很難準(zhǔn)確觀測中尺度渦不同位置溫度垂向變化特征和水平分布特征。光纖拖曳鏈提高了中尺渦空間結(jié)構(gòu)的觀測能力, 有助于推動中尺度渦動力機(jī)制的研究。

此外, 溫深拖曳鏈觀測的水平分辨率能夠達(dá)到2.5m以上, 這是其他觀測設(shè)備所無法達(dá)到的。高水平分辨率的觀測為研究水平方向的細(xì)結(jié)構(gòu)特征提供了基礎(chǔ), 推進(jìn)了水平混合研究的發(fā)展。

圖9　北黃海溫度剖面Fig.9 Temperature profile in the north yellow sea

圖10　東西航段溫深剖面Fig.10 Profile of temperature and depth in east-west direction

圖11　南北航段溫深剖面Fig.11 Profile of temperature and depth in north-south direction

4　結(jié)論和展望

目前, 光纖傳感器技術(shù)在海洋技術(shù)領(lǐng)域的發(fā)展尚處在初級階段, 相對海洋儀器設(shè)備中大量使用電學(xué)傳感器而言在技術(shù)成熟度和可靠性方面尚有較大差距。但光纖傳感器對多種物理量敏感, 其體積小、易復(fù)用、“傳”“感”合一的特點(diǎn), 必定會在物理海洋領(lǐng)域具有快速、原位、陣列應(yīng)用的優(yōu)勢而受到進(jìn)一步重視。

在海洋先導(dǎo)專項(xiàng)的支持下, 課題組已在長期原位遙測和船載拖曳應(yīng)用方面完成多次海試實(shí)踐應(yīng)用,獲取了寶貴的數(shù)據(jù), 在傳感器研發(fā)、系統(tǒng)集成、海試驗(yàn)證方面積累了豐富的經(jīng)驗(yàn)。隨著不斷的實(shí)踐應(yīng)用、反饋和技術(shù)改進(jìn), 加強(qiáng)傳感器的封裝技術(shù)及工藝、可靠性篩選、系統(tǒng)集成等基礎(chǔ)工作, 使得已有溫深傳感器的實(shí)用化水平一定會得到長足的進(jìn)步。同時, 在儀器設(shè)備創(chuàng)新領(lǐng)域, 技術(shù)研發(fā)單位切實(shí)加強(qiáng)同用戶單位的對接, 從科學(xué)需求、技術(shù)原理、系統(tǒng)集成、規(guī)劃化海試方面入手, 切實(shí)研發(fā)海洋科學(xué)真正需要的高端儀器, 實(shí)現(xiàn)國產(chǎn)海洋儀器設(shè)備在光纖傳感領(lǐng)域借道超車的目的, 提高國家的海洋儀器設(shè)備研發(fā)水平和海洋調(diào)查的能力。課題組擬在如下幾個方面繼續(xù)開展研究:

4.1　光纖鹽度傳感器

物理海洋的六要素為溫度、鹽度、深度、波浪、海流、潮汐, 其中鹽度的測量跟溫度、深度密切相關(guān),沒有鹽度的溫深儀是不完備的。當(dāng)前的鹽度傳感器采用電導(dǎo)率的形式, 結(jié)合溫度和深度數(shù)據(jù)通過經(jīng)典的鹽度計算公式獲得數(shù)據(jù)。而在光信息領(lǐng)域, 測量鹽度主要是采用折射率測量的方案(趙建虎, 2007), 即不同的鹽度對應(yīng)不同的海水折射率。課題組將在近期開展鹽度傳感器的研制工作, 主要采用光學(xué)干涉的方式, 將海水的折射率跟鹽度一一對應(yīng)起來, 目前正在組織技術(shù)攻關(guān)的工作(王杰等, 2006)。

4.2　投棄式光纖溫深剖面儀

投棄式剖面測量儀是一種通過在海面投棄并在快速下降過程中感應(yīng)海水溫度剖面的一次性使用的測量系統(tǒng), 具有很強(qiáng)的時效性。由于其能夠快速、實(shí)時、大面積、低成本測量海試溫度剖面, 自問世以來一直受到海洋學(xué)家尤其是軍事海洋學(xué)家的重視。

光纖傳感器具有傳、感合一的特點(diǎn), 且光纖傳輸損耗低, 裸纖成本低, 可以將光纖壓力傳感器集成在內(nèi), 研制一款低成本的投棄式光纖溫深剖面儀XODT(eXpendable Optical-fiber Depth Thermograph Profiler),實(shí)時獲取溫深數(shù)據(jù)(傳統(tǒng)的XBT通過下降速度的經(jīng)驗(yàn)數(shù)值推算深度數(shù)值)。目前國內(nèi)已有數(shù)家單位開展了類似的研究工作, 如中船715所等。課題組已完成相關(guān)技術(shù)攻關(guān)工作, 如圖 12所示探頭及系統(tǒng)效果圖,目前正在進(jìn)行系統(tǒng)集成和籌劃后期的海試驗(yàn)證工作。

圖12　投棄式探頭及成品效果圖Fig.12 Graphics of fiber optical XBT

4.3　湍流傳感器

海洋湍流能量耗散過程是物理海洋學(xué)研究的重要焦點(diǎn)(吳立新等, 2013)。研究海洋湍流的基礎(chǔ)是海洋觀測與觀測資料分析。剪切流傳感器是微結(jié)構(gòu)湍流測量的常用儀器(Wanget al, 2015)。

但當(dāng)前剪切流傳感器多為自容式設(shè)備, 傳感器脆弱, 使用時擔(dān)心觸底報廢, 因此使用過程中往往快接近海底時提前回收。因此, 當(dāng)前儀器對于底部幾米內(nèi)的湍流的測試是空白的。

光纖傳感器中光纖光柵和光纖 Fabry-Pérot干涉儀均有應(yīng)變測量的能力, 可以將湍流通過換能機(jī)構(gòu)轉(zhuǎn)換為光柵的波長變化或 Fabry-Pérot干涉儀的腔長變化, 進(jìn)而可以對湍流信息進(jìn)行高速測量。同時, 由于光纖具有低成本優(yōu)勢, 可以制成投棄式的湍流剖面觀測儀, 用于全水深的湍流觀測。

目前, 本課題組已經(jīng)開展了前期研究工作。圖13為光纖光柵湍流傳感器示意圖和樣品圖, 以及設(shè)計的投棄式湍流傳感器的結(jié)構(gòu)示意圖。

圖13　剪切傳感器的示意圖(a)、投棄式剪切剖面儀設(shè)計構(gòu)想圖(b)及樣品圖(c)Fig.13 Schematic diagram of shear probe and the Expendable Turbulence Profiler

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