本发明专利技术涉及海洋水文参数监测及光纤传感领域，特别是指一种基于分布式光纤传感技术的多功能海洋环境监测装置和方法。所述装置由海面平台、分布式光纤传感系统、绕缆盘、缆绳和锚体组成。本发明专利技术旨在实现分布式、多参量、实时、可靠的海洋环境监测。将本发明专利技术应用于海洋环境监测领域，可实现不同水文层面海水温度、深度、密度以及海流流速的同时测量。
【技术实现步骤摘要】
本专利技术涉及海洋水文参数监测及光纤传感领域，特别是指一种基于分布式光纤传 感技术的多功能海洋环境监测装置和方法。
技术介绍
长期、连续、定点观测海洋水文环境，尤其是对海水温度、海底深度、海水密度和海 流流速等一系列海洋水文参数的实时监测，是一项艰巨复杂而又意义重大的工作，向来受 到人们的重视。目前对海水温度和深度的监测主要通过分立式的温度、深度传感器实现， 对海流流速的监测主要通过海流计实现。这些设备都属于分立式器件，若要实现海洋铅直 方向上各点的水文参数监测，就需要大量温度、深度传感器和海流计构成传感器阵列，不 仅投资巨大，而且系统复杂，降低了系统的可靠性。海流计是海洋环境监测的一种重要装 置。中国技术专利《一种新型声学海流计》（授权公告号：CN203964952U，授权公告日： 2014. 11. 26)提出了一种海流计，在测量海流流速的同时还具备测量海水温度和盐度的功 能；中国技术专利《一种超声多普勒海流计》（授权公告号：CN203949933U，授权公告 日：2014. 11. 19)和《一种新型多功能海流计》（授权公告号：CN203964956U，授权公告日： 2014. 11.26)提出的海流计在对海流流速、温度和盐度进行测量的同时，还可测量海水深 度。但上述海流计都属于分立式器件，在应用上具有局限性。 分布式光纤传感技术以其可连续感知光纤沿线上任一点的温度、应变等参量变 化、集信号传感与传输于一体、便于长距离传感和大规模组网等优点，已广泛应用于国民经 济与人们日常生活的方方面面，包括建筑物、桥梁、大坝、隧道、河堤、飞机、船舶、工厂设备 等的结构安全监测，输油管道和高压线路等危险场合的泄漏检测，边界入侵行为的实时监 测以及通信光缆的故障点检测等。
技术实现思路
针对现有的海洋水文参数监测技术存在的不足，本专利技术提出一种基于分布式光纤 传感技术的多功能海洋环境监测装置和方法，旨在实现分布式、多参量、实时、可靠的海洋 环境监测。将本专利技术应用于海洋环境监测领域，可实现不同水文层面海水温度、深度、密度 以及海流流速的同时测量。 本专利技术采用的技术方案为： -种基于分布式光纤传感的多功能海洋环境监测装置，由海面平台、分布式光纤 传感系统、绕缆盘、缆绳（由钢丝绳和外护套组成）和锚体组成，所述分布式光纤传感系统 由分布式光纤传感系统干端机和光纤组组成，所述分布式光纤传感系统干端机包括光发射 系统、光接收系统和信号处理系统，光发射系统用于产生分布式传感所用的光脉冲，光接收 系统用于将光纤沿线各位置处返回的光信号转化为电信号，信号处理系统用于对电信号进 行处理得到光纤沿线各位置处对应的海水温度、深度、密度和海流流速信息；所述光纤组由 光纤一、光纤二、光纤三和光纤四组成；所述分布式光纤传感系统干端机和绕缆盘固定于海 面平台上，所述缆绳一端连接在分布式光纤传感系统干端机上，一部分缠绕于绕缆盘上，另 一部分浸没于海水中，另一端与锚体连接，所述锚体固定于海底。 优选地，所述海面平台既可以是类似于海洋石油981那样的固定平台，也可以是 船舶、浮标等移动平台；其上装载有GPS装置或北斗定位系统而具有定位功能。 优选地，所述光纤一、光纤二、光纤三和光纤四均为带有护套的石英光纤，其中光 纤一的布里渊频移随海水温度、深度、密度和海流流速变化的系数分别为c n、C12、C13和C 14， 光纤二的布里渊频移随海水温度、深度、密度和海流流速变化的系数分别为C21、C 22、C23和 C24，光纤三的布里渊频移随海水温度、深度、密度和海流流速变化的系数分别为C31、C 32、C33 和C34，光纤四的布里渊频移随海水温度、深度、密度和海流流速变化的系数分别为c41、c 42、 C43和C 44，光纤一、光纤二、光纤三和光纤四的选取原则为保证系数行列式： 从而保证海水温度、深度、密度和海流流速四个水文参数有唯一解；每种光纤各有 四根，共16根光纤，每种光纤各取一根构成一组，共构成四组；以海面平台所在位置的垂直 方向为基准建立坐标系，四组光纤分别固定于所述缆绳的外护套表面东、南、西、北四个方 向上，各组中四根光纤的间隔及排列顺序均保持一致；所用光纤均经过压力筛选试验，保证 能够耐受布放海域的最大静水压。 优选地，所述绕缆盘用于实现缆绳的收放，应保证能够缠绕所述整段缆绳，且其内 径大于缆绳的曲率半径。 优选地，所述缆绳内部的钢丝绳用于承重，其强度应保证能够承受所述锚体的重 量，保证锚体不至于拉长甚至拉断用于传感的光纤。 优选地，所述锚体受到的重力大于所述缆绳受到的浮力，保证所述缆绳布放后水 下部分处于垂直拉伸状态。 优选地，所述分布式光纤传感系统采用基于布里渊效应的传感系统，保证对光纤 沿线的温度和应变都能实现传感。 优选地，所述分布式光纤传感系统可选用空间分辨率较高的分布式光纤传感系 统，以提高所监测水文参量的空间分辨率。 优选地，所述光纤一、光纤二、光纤三和光纤四均采用杨氏模量较小的光纤（光纤 应变等于所受压强除以杨式模量，故采用杨氏模量较小的光纤可增大光纤应变），从而增强 本专利技术所述装置对海水深度、密度及海流流速的敏感性。 优选地，所述光纤组的布设组数可扩展至2n(N为整数且N>2)组，以提高对各个方 向海流流速的监测能力。 本专利技术还提供一种采用如上所述装置对海水温度、深度、密度和流速同时进行监 测的方法，该方法的步骤如下： 第一步，在实验室中，标定光纤一、光纤二、光纤三和光纤四的布里渊频移随温度、 水深、流体密度和水流流速变化的系数，具体实现方法如下：先将光纤一作为传感光纤单独 接入分布式光纤传感系统，将光纤一垂直固定于水中，保持其所处水深、水流密度和水流流 速不变，改变水温，利用分布式光纤传感系统测得布里渊频移的变化，由此得到光纤一随温 度的变化系数C 11;接着保持光纤一所处水温、水流密度和水流流速不变，改变其所处水深， 利用分布式光纤传感系统测得布里渊频移的变化，由此得到光纤一随水深的变化系数C 12; 然后保持光纤一所处流体的温度、深度（保证位于液面以下）和流体流速不变，改变流体密 度，利用分布式光纤传感系统测得布里渊频移的变化，由此得到光纤一随流体密度的变化 系数C 13;最后保持光纤一所处水温、水深和密度不变，改变水流流速（从而改变水流流速的 平方值），利用分布式光纤传感系统测得布里渊频移的变化，由此得到光纤一随水流流速平 方值的变化系数C 14; 依次类推，按照上述方法得到光纤二的布里渊频移随温度、水深、流体密度和水流 流速变化的系数（c 21，C22, C23, C24)、光纤三的布里渊频移随温度、水深、流体密度和水流流速 变化的系数（c31，C 32, C33, C34)和光纤四的布里渊频移随温度、水深、流体密度和水流流速变 化的系数（C41，C 42, C43, C44); 第二步，将光纤一、光纤二、光纤三和光纤四分别水平放置并当前第1页1 2 3 本文档来自技高网...
【技术保护点】
一种基于分布式光纤传感的多功能海洋环境监测装置，其特征在于：所述装置由海面平台、分布式光纤传感系统、绕缆盘、缆绳和锚体组成，所述分布式光纤传感系统由分布式光纤传感系统干端机和光纤组组成，所述分布式光纤传感系统干端机包括光发射系统、光接收系统和信号处理系统，光发射系统用于产生分布式传感所用的光脉冲，光接收系统用于将光纤沿线各位置处返回的光信号转化为电信号，信号处理系统用于对电信号进行处理得到光纤沿线各位置处对应的海水温度、深度、密度和海流流速信息；所述光纤组由光纤一、光纤二、光纤三和光纤四组成；所述缆绳由钢丝绳和外护套组成；所述分布式光纤传感系统干端机和绕缆盘固定于海面平台上，所述缆绳一端连接在分布式光纤传感系统干端机上，一部分缠绕于绕缆盘上，另一部分浸没于海水中，另一端与锚体连接，所述锚体固定于海底。
【技术特征摘要】
【专利技术属性】
技术研发人员：陈伟，孟洲，张学亮，宋章启，熊水东，胡晓阳，
申请(专利权)人：中国人民解放军国防科学技术大学，
类型：发明
国别省市：湖南;43
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