海底網激光拉曼光譜儀器節(jié)點及試運行結果分析*

葉旺全，李 穎，劉春昊，吳清天，郭金家，亓夫軍，程 凱，鄭榮兒**

(1.中國海洋大學光學光電子實驗室，山東 青島 266100；2.中國科學院聲學研究所南海研究站，海南 ?？?570105)

海底纜系觀測網的出現預示著對深海研究的一個新時代的到來[1]，它的建設與使用為科學家們研究從微秒到年的跨時間尺度的海洋過程提供了極其有效的觀測平臺[2]，例如深海微生物活動、海底火山運動、全球碳循環(huán)研究等[3-4]。近年來，全球各個國家包括中國都在推進纜系觀測網的建設工作[5-7]。

觀測平臺的應用離不開新型觀測儀器的發(fā)展，激光拉曼光譜技術以其非接觸、原位及多組分測量的特點已被多次成功用于深?？瓶脊ぷ鱗8-9]，而深海拉曼光譜系統(tǒng)由于體積、重量的限制，通常都是以ROV作為搭載平臺進行短期的深海探測，且已經獲得一些重要的研究成果[9]。海底觀測網是激光拉曼光譜儀理想的工作載體，但是目前為止，并沒有激光拉曼技術應用于海底觀測網的相關報道。

“南海深海海底觀測網試驗系統(tǒng)”是針對中國海底觀測網建設的迫切需求，重點在中國南海瓊東南海域構建的一個纜系海底觀測網試驗系統(tǒng)，以實現對深海海底動力環(huán)境、化學環(huán)境、地球物理環(huán)境的長時間實時監(jiān)測[10-11]，對研究南海北部陸坡-洋盆過渡區(qū)的洋流及地質活動有重要意義。依托于該海底觀測網試驗系統(tǒng)，針對海洋觀測對化學環(huán)境觀測的需求，中國海洋大學基于激光拉曼光譜原理設計，在2009年研制完成并成功進行4 000 m海試的國內首臺深海小型化激光拉曼光譜系統(tǒng)[12]的基礎上，優(yōu)化設計，提高可靠性、穩(wěn)定性和探測靈敏度，重新研制了用于海底觀測網運行的深海激光拉曼光譜儀器節(jié)點(OUC-Raman 儀器節(jié)點)，對深海的多組分化學成分開展長期實時原位觀測，為研究深海化學環(huán)境的異常波動提供更豐富的原位觀測數據。

所研制的這套激光拉曼光譜儀器節(jié)點在系統(tǒng)設計和核心技術上，具有多項自主知識產權，在器件上，除CCD外的關鍵部件均已國產化。在與南海海底觀測網成功于海底接駁成功后，已成為國際上首例用于海底觀測網的長期觀測拉曼光譜系統(tǒng)。

本文將簡要介紹該儀器節(jié)點組成結構及與觀測網的接駁情況，并對其自2016年入網后運行的觀測數據及遇到的相關問題進行分析，為未來激光拉曼光譜技術用于深海長期觀測提供經驗儲備。

1 觀測網試驗系統(tǒng)與OUC-Raman節(jié)點

“南海深海海底觀測網試驗系統(tǒng)”作為典型的纜系觀測網，其基本結構如圖1所示，通過陸地基站可以向海底設備源源不斷提供電能，海底觀測節(jié)點也可以實時地將獲得的數據通過光纜傳輸至岸基，進而向互聯(lián)網發(fā)布，突破了海洋傳統(tǒng)觀測方式的局限性，有效解決了海洋觀測中“長期”和“實時”兩大難題。

圖1 海底觀測網示意圖及兩套OUC-Raman儀器節(jié)點Fig.1 Schematic of cabled observatory network and OUC-Raman

由于建設和維護的高復雜度和困難度，新研制的儀器節(jié)點接入海底觀測網系統(tǒng)后至少應能夠有效工作一年以上，并能夠在多次異常中斷重啟后仍保持穩(wěn)定運行，為達到這一目標，在節(jié)點入網前需要進行以下檢測并達到合格(見表1)，才能夠正式接入海底觀測網。

表1 海底觀測網系統(tǒng)準入條件一覽表Table1 List of requirements of cabled observatory networks

為了滿足正式接入觀測網的條件，課題組研制完成了兩套激光拉曼光譜儀器節(jié)點，其中第一套(OUC-Raman-I)作為觀測網試運行的測試機，于2016年8月底布放并接入觀測網運行，配備一個基于532 nm激發(fā)波長的拉曼光譜探測艙(D532-I)和一個進行電源轉換與通信控制的電子控制艙(Electronic Control Unit,ECU)。第二套(OUC-Raman-II)作為觀測網長期工作的運行機，采用雙機備份設計，同時配備兩套拉曼光譜探測艙(D532-II和D785)，分別在可見(532 nm)和近紅外(785 nm)激光激發(fā)下運行，根據需要，兩探測艙可交替運行或同時工作。該儀器節(jié)點于2017年6月15日布放并接入海底觀測網運行(見圖1)。

2 長期觀測的設計與測試

為達到深海長期實時觀測的目標，OUC-Raman節(jié)點在外殼制作上選用了防腐蝕的材料，其中測試機OUC-Raman-I采用316不銹鋼殼體，運行機OUC-Raman-II則升級為TA2鈦合金殼體，保證了運行機在海底長期放置過程中不會因為殼體的腐蝕而受損。在光學元件的選擇和設計方面，考慮到各主要元件的壽命和效率，也做了雙備份的設計。研制完成后，為了檢驗系統(tǒng)的各項指標及長期運行的可靠性，按照觀測網系統(tǒng)對接入節(jié)點的準入要求進行了各種模擬環(huán)境試驗和聯(lián)調拷機試驗。

2.1 雙備份設計

OUC-Raman-II節(jié)點在OUC-Raman-I的基礎上，增加了一套以785 nm激光為激發(fā)光源的光譜探測艙D785，由于激光器的使用壽命存在一定的極限，兩套探測艙錯時運行，不僅可以延長整套節(jié)點的運行時限，在光譜探測上，兩者還可以進行互補和相互驗證。該節(jié)點532和785 nm激光激發(fā)出的典型拉曼光譜如圖2所示。

其中，D532的探測范圍是540～700 nm，對應拉曼頻移約為280～4 500 cm-1，D785的探測范圍是805～950 nm，對應拉曼頻移約為320～2 200 cm-1。兩者對比而言，D532具有更大的探測范圍，而D785則有更高的光譜分辨率。將兩幅譜圖以波長為橫坐標繪制在一張曲線圖中，可以看出，兩個探測艙總體的探測范圍包含了可見光的后半段和近紅外的部分區(qū)域。由于拉曼散射的強度與波長的四次方成反比，所以532 nm激光比785 nm激光能夠激發(fā)的拉曼散射的強度更大，而一般的分光(光柵)及探測儀器(CCD,Charge-coupled device)在可見光波段也具有更高的綜合效率(見圖2中虛線)，以至于D532所獲得的拉曼光譜整體強度較高于D785。然而，正因為532 nm的高能量，當照射海水中的可溶性有機物或葉綠素時，也會很容易激發(fā)出熒光，影響到拉曼譜峰的分析，所以D785的引入，既能起到很好的備份作用，又能在必要情況下排除熒光的干擾，D785同時也擴展整個系統(tǒng)的光譜接收范圍，當海底中有別的發(fā)光物質時，被探測到的概率也會有所提升。

圖2 兩種波長激光激發(fā)產生的海水典型拉曼光譜Fig.2 Typical Raman spectra excited by 532 nm/785 nm lasers

2.2 環(huán)境試驗與性能測試

為考核海洋儀器在運輸、貯存及深海運行的環(huán)境適應性，依據海底觀測網系統(tǒng)給定的準入條件以及國家和海洋行業(yè)對海洋儀器環(huán)境試驗所制定的相關標準，OUC-Raman節(jié)點各艙體在裝配完成后進行了一系列環(huán)境適應性試驗，包括高低溫試驗(高溫55 ℃貯存8 h，低溫 0 ℃貯存8 h)、振動試驗(頻率2～13.2 Hz內，振幅1 mm，頻率13.2～80.0 Hz內，振幅加速度7 m/s2，每條軸線上測試20個掃頻循環(huán)次)、水靜壓力試驗(額定水深2 000 m，試驗壓力25 MPa)等。

2.3 聯(lián)調與拷機測試

節(jié)點布放入水之前，OUC-Raman-I和OUC-Raman-II分別于2016年6—7月、2017年3月在岸上水池接入觀測網系統(tǒng)進行聯(lián)調測試，并在水池開展長期拷機運轉試驗，對節(jié)點與觀測網系統(tǒng)的連接兼容性、長期運行的可靠性和穩(wěn)定性進行檢驗。

3 長期觀測運行結果與分析

通過數十天的集成聯(lián)調和拷機試驗后，OUC-Raman節(jié)點才真正滿足了觀測網系統(tǒng)的入網條件，兩個節(jié)點于2016年8月30日和2017年6月15日先后布放接入南海海底觀測網，并通過岸基控制端遠程操作啟動成功，之后便由中國科學院聲學研究所南海研究站的現場維護人員進行日常操作及維護。兩套節(jié)點自接入觀測網后均能夠正常運行并獲取拉曼光譜數據。

3.1 運行概況

圖3展示了自OUC-Raman-I節(jié)點下水后，兩套節(jié)點在深海(～1 740 m)觀測網上的運行概況。圖中下方的時間軸跨度達15個月(從2016年9月開始到2017年11月)，3條等高不等寬的方塊序列表示3個探測艙每次的運行區(qū)間，運行的間歇性是由觀測網的整體運行周期決定的。OUC-Raman-I節(jié)點自2016年8月30日布放至2017年11月，運行時間總跨度已達到440 d，共成功啟動50余次，每次啟動后都能夠正常運行，其中最長的一次連續(xù)不間斷運行約429 h，累計總共運行3 652 h，平均約5 min記錄一張拉曼光譜，共獲得43 920條有效光譜。OUC-Raman-II節(jié)點于2017年6月16日布放后也一直運行正常。兩探測艙D532和D785交替運行，從已獲得的數據上來看，累計運行時間達到2 162 h，共獲得25 744條有效光譜數據。節(jié)點在海底觀測網上運行期間，經歷了主體網多次的異常斷電情況，而兩套節(jié)點上包括ECU電子控制艙在內的多套設備并沒有因異常斷電而產生崩潰現象，并能在主體網恢復供電后迅速恢復工作。

圖3 運行概況圖表Fig.3 An operation overview chart of OUC-Raman

(1)

圖4 濃度反演結果一覽Fig.4 Results of concentration

3.3 數據結果及分析

3.3.1 譜峰形變與頻移 OUC-Raman節(jié)點布放至海底之后，所處環(huán)境的水溫一般在2 ℃左右，雖然整個系統(tǒng)在入網之前進行了0 ℃的短期貯存試驗，但在這樣一個低溫環(huán)境長期運行，對系統(tǒng)內部各元件的性能仍是一個考驗。而另一方面，由于各電子元件運行過程中釋放的熱能，各艙體內部溫度也并不恒定，如圖5(a)所示，這種變化的溫度環(huán)境會對精密的光學元件的特性產生一定的影響。

圖5 艙內溫度變化對波形的影響Fig.5 Peak shapes effected by temperature changes

圖6 OUC-Raman-I節(jié)點瑞利散射峰與峰形狀變化Fig.6 Peak shapes of Rayleigh scattering and

同時，為了更加直觀地描述溫度和波長頻移的相關性，選取了一段時間對瑞利散射和拉曼譜峰進行譜峰擬合得到不同時刻的峰位數據，與艙內傳感器獲取的溫度數據對比如圖7所示。

圖7 艙內溫度與激光瑞利散射及拉曼散射峰位衍化趨勢Fig.7 Trends of temperature,locations of Rayleigh scattering and Raman scattering

從以上幾個現象可以得知，節(jié)點放置到海底后激光器輸出的激發(fā)光受到深海低溫及高壓環(huán)境的作用導致輸出的模式發(fā)生了改變，并對激發(fā)的拉曼光譜產生了影響，而且當艙內溫度發(fā)生變化時，激發(fā)光的波長會隨之發(fā)生偏移，進而導致拉曼信號光的波長也發(fā)生漂移。

上面描述的D532-I光譜受艙內溫度變化的影響，在更換了激光器后的D532-II中形變有所緩和，然而入水前后的峰位偏移仍然存在，對于D785也觀察到類似的現象。

針對這一問題，后期需要在實驗室模擬深海環(huán)境，并在此環(huán)境下對各光學設備及元件的性能進行測試和評估，找到確定的原因，對于獲取的光譜則需要根據確定的變化規(guī)律采用譜峰校正手段進行處理，以使得獲得的譜峰盡量接近真實線型。上述結果中可以看出溫度是非常重要的一個影響因素，因此在節(jié)點的研制過程中需要將溫度控制環(huán)節(jié)設計得更加完善和精密，保證儀器能夠運行在一定的溫度環(huán)境中。另一方面，需要聯(lián)系相關儀器制造商在光學儀器的研制方面考慮深海環(huán)境的影響，從儀器本身解決這一問題。

3.3.2 水體溫度和鹽度 除艙內溫度對儀器設備的影響外，水體溫鹽因素的變化也在光譜上有所響應。以D532-II獲得的光譜為例(僅包含頻移變化)，手動將光譜的頻移校正之后，截取水在1 640和3 420 cm-1附近的拉曼峰分別歸一化后進行比較，比較結果如圖8所示。

圖8 入水前后水峰形狀比較Fig.8 Comparison of water peak shape before and after entering water

入水前在岸上進行拉曼光譜測量時水溫大約為25 ℃，測的是普通水體，而深海水溫在2 ℃左右，且為高鹽度海水，從圖中可以看出，測得水的兩處拉曼譜峰在節(jié)點入水前后譜線并不能完全重合，較大的3 420 cm-1附近的差異更為明顯，大約以3 400 cm-1位置為兩者的重合點，重合點左側，水溫較高的譜峰強度更大，重合點右側呈相反趨勢。與關于水的拉曼峰受溫度和鹽度的影響的相關文獻進行對比發(fā)現[14]，這種差異性確實來自于溫度和鹽度的共同作用。而在水溶液定標和測量的過程必須要用到水峰作為內定標元素(見公式1)，因此水峰形狀的改變也會增加測量結果的誤差。

當用光譜手段對海水成分進行定量探測時，有必要在實驗室研究不同溫鹽度環(huán)境下光譜的變化趨勢，確認溫鹽度改變是否會增加測量結果的誤差，并在不同溫鹽度條件進行標定，將會很大地提高長期原位觀測結果的可靠性。

3.3.3 激光功率衰減 OUC-Raman節(jié)點探測艙內使用的激光器都是小型化的固體激光器，一般設計壽命在一萬甚至幾萬小時以上，而實際使用時卻并不會那么理想，并且隨著運行時間的不斷增加，激光的功率會不斷地衰減，為了描述這一趨勢，圖9繪制了OUC-Raman-I光譜中幾個典型峰的強度隨著運行總時間的演化曲線。

圖9 激光光強衰減影響硫酸根和Al2O3峰強度衰減Fig.9 The decay of Raman peaks intensities caused by laser decline

圖測量的標準偏差隨時間演化情況Fig.10 The standard deviation of

OUC-Raman節(jié)點的設計指標是有效工作一年，目前已運行超過440 d，由于觀測網系統(tǒng)目前是間歇性運行狀態(tài)，所以總運行時長僅有3 652 h，按這種工作強度算來，雖然激光功率有所衰減，但從衰減的趨勢來看，差不多可以運行2年左右，如果觀測網系統(tǒng)連續(xù)不斷運行，則可能運轉的天數將會明顯減少，所以激光器的使用壽命也是未來研制長期光譜類傳感器需要重點考慮的問題之一，而控制激光器的運行溫度將是提高激光運行壽命的一個很好的解決辦法。

4 結語

深海激光拉曼光譜子系統(tǒng)(OUC-Raman節(jié)點)作為應用于南海深海海底觀測網試驗系統(tǒng)上的一個完全自主研發(fā)的儀器節(jié)點，在完成了實驗室功能測試、環(huán)境試驗、淺海48 h試驗以及長時間的聯(lián)調拷機測試后，兩套節(jié)點分別于2016年和2017年成功接入南海觀測網，其中OUC-Raman-I經過440 d總時長3 652 h的入網運行檢驗，達到了“有效工作時間一年”的技術指標，全球首次將激光拉曼光譜技術與海底觀測網相結合，OUC-Raman-II節(jié)點入網后也一直穩(wěn)定運行。拉曼光譜技術以其非接觸、原位及多組分測量的特點及OUC-Raman節(jié)點觀測網上的運行結果展現了該新型傳感器在海洋化學環(huán)境長期監(jiān)測中的應用潛力。

作為一個自主研發(fā)的新型傳感器，OUC-Raman有待完善和改進之處還很多，例如所遇到的譜峰畸變、溫鹽差異、激光衰減等各類問題，而海底觀測網試驗系統(tǒng)則是推進我國自主研發(fā)傳感器進步發(fā)展的最理想的試驗場孵化器。海大光譜類傳感器研發(fā)團隊將不斷地迎接和解決深海長期運行所面臨的系列問題和挑戰(zhàn)，寄希望于不斷地將正在研發(fā)的新技術和新設備在海底觀測網試驗系統(tǒng)上得到檢驗和應用。