一种船载投弃式光纤海水温深剖面测量系统技术方案

一种船载投弃式光纤海水温深剖面测量系统，包括全光纤探头、传输光纤和甲板单元，探头以LPG测量海水温度，以FBG测量海水深度，实现对海水温深度剖面的高灵敏度、分别独立测量；甲板单元包括宽带光源、动态光纤光栅快速高精度解调模块、光纤隔离器、第一光纤耦合器、第二光纤耦合器、上纤轴、安装在工程船尾舷上的伸缩支架。本实用新型专利技术解决了交叉敏感和传感器增敏的问题，提高了温度深度测量的灵敏度，克服了漆包线信道引起的误差，保证信号的传输速率和稳定性，实现FBG和LPG的单光路级联，对光路结构进行了优化，合理分配光谱范围，实现温深度同步检测，且系统制作简单，探头成本低廉，为海水温深剖面探测提供了一种新的技术手段。

A ship carrying expendable fiber of sea water temperature depth profile measurement system

A ship carrying expendable fiber of sea water temperature depth profile measurement system, including optical fiber probe, optical fiber transmission and deck unit, with LPG probe to measure the water temperature, water depth measured by FBG, to achieve high sensitivity, the sea water temperature depth profiles were measured independently; the deck unit comprises a telescopic bracket and a broadband light source, fiber grating dynamic fast high precision demodulation module, optical isolator, the first optical fiber coupler and second fiber coupler, fiber axis, installed in the project on the stern. The utility model solves the sensitivity and cross sensitivity of sensor, improve the sensitivity of temperature depth measurement, overcomes the error caused by the channel of enameled wire, ensure the transmission rate and the stability of the signal, realize monochannel cascade FBG and LPG, the optical structure has been optimized, the rational allocation of the spectrum, to achieve temperature and depth of synchronous detection, and the system has the advantages of simple manufacture, low cost probe, provides a new technical means for the detection of sea water temperature profile.

【技术实现步骤摘要】
一种船载投弃式光纤海水温深剖面测量系统
本技术涉及一种海水温深剖面测量系统，特别是涉及一种船载投弃式全光学海水温深剖面测量系统。
技术介绍
船载投弃式温度剖面测量仪(ExpendableBathyThermograph，XBT)是海洋温深度测量的重要仪器，对获得的海洋水文数据对于气候变化、物理海洋学及军事研究有重要的意义，因此受到极大关注。然而，传统的XBT深度数据并非精确测量的结果，且因传输信道采用漆包线作为传输媒介，本身类似一个动态滤波系统，使得系统的传输速率和传输准确性受到了极大的限制。光纤光栅传感器是利用光纤光栅中心波长与外界环境参数成一定的函数关系的原理，通过探测波长的变化从而获得外界环境参数的一种传感器。由于光纤光栅传感是对光的波长进行检测，光强起伏对传感量(波长)没有影响，抗干扰能力强，灵敏度高，体积小，易组成传感网络。传感器是投弃式光纤海水温深剖面测量系统(光纤XBT)的核心问题。七一五研究所提出过一种消耗性光纤温深探头(申请号：201110032997.5)，国家海洋技术中心也提出一种光学投弃式海洋温度深度剖面测量探头(ZL201510191680.4)。重庆理工大学提出利用组合光纤光栅同时测量蔗糖浓度和温度(中国光学，2014，7(3)：476-482)。以上方案中的测温单元均采用布拉格光纤光栅(FiberBraggGratings：FBG)，而FBG的理论测温精度极限仅为0.1℃，温度灵敏度低，无法满足海洋观测的需要。数据传输是光纤XBT系统的另一核心问题。山东省科学院海洋仪器仪表研究所定性的表述了光纤进行投弃式水文设备数据传输的可能性(ZL201020176096.4)；天津工业大学采用康宁SMF-28单模光纤作为XCTD的传输信道，并测试了单模光纤海水介质中0～20℃水温变化时，以10MB/S的传输速率传输数据时误码率为0，且传输损耗可以忽略(海洋通报，2015，34(2)：197-201)。可见，普通单模光纤作为传输媒介，能够提高信号传输的速率和数据的传输稳定性。但在实际应用中，光纤XBT探头的体积、重量都有严格的限制，作为集成在探头内部的下纤轴可利用的空间十分有限，要求传输光纤尽可能紧凑的缠绕在一起，这会极大的增加纤轴部分光纤的传输损耗。之前的研究均未考虑过紧密缠绕对数据传输的影响。综上所述，传统XBT方法存在深度数据测不准，信道易受外界干扰，系统偏差大等缺点；现有光纤XBT方法温度灵敏度又太低，无法满足海洋观测的需求，因此迫切需要一种既能够满足海洋温深剖面监测需求，又能够克服现有XBT方法缺点的新技术。
技术实现思路
本技术目的是通过建立全光纤海水温深剖面测量系统，提出一种船载投弃式光纤海水温深剖面测量方法，以克服传统技术的不足，推进现有技术的进展。一种船载投弃式光纤海水温深剖面测量系统，其特征在于该系统包括全光纤探头、传输光纤和甲板单元，其中：所述全光纤探头包括安装在防护罩内的光纤海水温深度传感器和下纤轴；所述光纤海水温深度传感器的敏感元件采用光纤光栅，具体的是利用镀增敏膜的长周期光纤光栅(Longperiodfibergratings:LPG)测量海水温度，利用FBG测量海水深度，以实现对海水温深度剖面的高灵敏度、分别独立测量；所述甲板单元包括宽带光源、动态光纤光栅快速高精度解调模块、光纤隔离器、第一光纤耦合器、第二光纤耦合器和上纤轴，宽带光源发出的光依次经过光纤隔离器和第二光纤耦合器，耦合进入上纤轴，经过传输光纤到达集成在光纤探头内部后方的下纤轴，之后到达光纤海水温深度传感器。在光纤海水温深度传感器内部依次经过FBG和LPG，经光纤端面反射镜反射，再依次经过LPG、FBG、下纤轴、上纤轴，到达第二光纤耦合器，由于光纤隔离器的存在，反射光只能经第二光纤耦合器的另一分路进入第一光纤耦合器，并被分成两路分别连接到动态光纤光栅快速高精度解调模块的不同解调端口上。所述光纤海水温深度传感器是利用光纤熔接机依次将光纤端面反射镜、作为海水温度传感器的镀增敏膜的LPG、作为海水深度传感器的FBG以及尾纤进行连接，并分别在镀增敏膜的LPG与FBG的两侧选择连接点，通过连接点将上述光纤海水温深度传感器粘接在固定支架的突出部上，所述尾纤用于连接下纤轴。所述长周期光纤光栅的增敏膜是采用先镀一层银膜增敏，再镀一层钝化膜对增敏膜进行防氧化保护的方法制得。所述宽带光源为C波段或C+L波段或S+C+L波段的经过增益平坦化的SLED光源，且通常选用1510～1590nm波长范围。所述动态光纤光栅快速高精度解调模块的解调速率为500～5000Hz，解调精度为±1pm，以保证系统对温深度信息的快速高精度动态响应；光纤隔离器的作用是只允许来自宽带光源方向的光经过，而经光纤端面反射镜反射回来的光无法通过，以避免反射光对宽带光源的影响，保证宽带光源发光的稳定性。所述第一光纤耦合器和第二光纤耦合器为3dB耦合器或光环行器。所述的甲板单元还包括安装在工程船尾舷上的伸缩支架，该伸缩支架上设有锁紧装置，伸缩支架末端安装发射枪，全光纤探头安装在发射枪的发射筒内，所述下纤轴位于全光纤探头的内部、光纤海水温深度传感器的后方，所述上纤轴固定于所述伸缩支架的末端，且所述上、下纤轴的绕线方向相反，以消除探头旋转下落引起的传输光纤扭转。所述数据传输光纤为单根抗弯曲单模光纤或者包层直径为80μm的超细光纤，既能保证信号的传输速率和稳定性，也能减小纤轴中光纤紧密缠绕引起的光损耗，同时简化纤轴绕制工艺和减小纤轴体积。所述全光纤探头保护罩为流线型设计，并带3片尾翼。从上述技术方案可以看出，本技术具有以下有益效果：船载投弃式光纤海洋温深测量系统是光纤传感技术与海洋监测需求的有机结合。针对传统XBT和现有光纤XBT测量方法存在的技术问题，本技术提出一种船载投弃式光纤海水温深剖面测量方法，并建立了由全光纤探头、单模传输光纤和快速解调仪组成的海水温深剖面测量系统。具体功能包括：利用光纤光栅作为海水温深度敏感元件，其中以镀增敏膜的LPG作为海水温度敏感元件，提高了温度测量灵敏度；以FBG作为海水深度敏感元件，获得了深度的直接测量值；利用光纤进行海水温深度数据传输，克服了漆包线信道引起的误差，保证信号的传输速率和稳定性；动态光纤光栅快速高精度解调模块作为船载解调设备的方法，以保证系统对温深度信息的快速高精度动态响应，且系统制作简单，探头成本低廉，为海水温深剖面探测提供了一种新的技术手段。本专利与传统XBT技术相比较，具体优势和创造性体现在：提出利用LPG和FBG级联复合结构同步测量海水温度和深度，其温度和深度精度分别达0.01℃和0.1％F.S.，且其数据均为测量数据，克服了传统XBT深度数据为估算的问题，同时利用单根单模光纤作为数据传输通道，提高了数据传输速率和准确率。在本技术的研发过程中，利用LPG的温度灵敏度高于FBG的特性以期替代FBG测量温度。但是在实际的应用中，LPG测温存在交叉敏感、灵敏度有待提高和透射光路结构复杂等问题，具体如：交叉敏感的解决方案。LPG对外界温度变化敏感，同时也受环境折射率的影响，温度与折射率之间存在交叉敏感的问题。本技术以在LPG栅区镀膜的方式屏蔽外界折射率的影响，先镀一层银膜增敏本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种船载投弃式光纤海水温深剖面测量系统，其特征在于该系统包括全光纤探头(1)、传输光纤(2)和甲板单元(3)，其中：所述全光纤探头(1)包括安装在防护罩内的光纤海水温深度传感器(11)和下纤轴(21)；所述光纤海水温深度传感器(11)的敏感元件采用光纤光栅，具体的是利用镀增敏膜的长周期光纤光栅(111)测量海水温度，利用布拉格光纤光栅(112)测量海水深度，以实现对海水温深度剖面的高灵敏度、分别独立测量；所述甲板单元(3)包括宽带光源(31)、动态光纤光栅快速高精度解调模块(32)、光纤隔离器(33)、第一光纤耦合器(341)、第二光纤耦合器(342)和上纤轴(22)，宽带光源(31)发出的光依次经过光纤隔离器(33)和第二光纤耦合器(342)，耦合进入上纤轴(22)，经过传输光纤(2)到达集成在光纤探头(1)内部后方的下纤轴(21)，之后到达光纤海水温深度传感器(11)，在光纤海水温深度传感器(11)内部依次经过布拉格光纤光栅(112)和长周期光纤光栅(111)，经光纤端面反射镜(113)反射，再依次经过长周期光纤光栅(111)、布拉格光纤光栅(112)、下纤轴(21)、上纤轴(22)，到达第二光纤耦合器(342)。...

【技术特征摘要】
1.一种船载投弃式光纤海水温深剖面测量系统，其特征在于该系统包括全光纤探头(1)、传输光纤(2)和甲板单元(3)，其中：所述全光纤探头(1)包括安装在防护罩内的光纤海水温深度传感器(11)和下纤轴(21)；所述光纤海水温深度传感器(11)的敏感元件采用光纤光栅，具体的是利用镀增敏膜的长周期光纤光栅(111)测量海水温度，利用布拉格光纤光栅(112)测量海水深度，以实现对海水温深度剖面的高灵敏度、分别独立测量；所述甲板单元(3)包括宽带光源(31)、动态光纤光栅快速高精度解调模块(32)、光纤隔离器(33)、第一光纤耦合器(341)、第二光纤耦合器(342)和上纤轴(22)，宽带光源(31)发出的光依次经过光纤隔离器(33)和第二光纤耦合器(342)，耦合进入上纤轴(22)，经过传输光纤(2)到达集成在光纤探头(1)内部后方的下纤轴(21)，之后到达光纤海水温深度传感器(11)，在光纤海水温深度传感器(11)内部依次经过布拉格光纤光栅(112)和长周期光纤光栅(111)，经光纤端面反射镜(113)反射，再依次经过长周期光纤光栅(111)、布拉格光纤光栅(112)、下纤轴(21)、上纤轴(22)，到达第二光纤耦合器(342)。2.如权利要求1所述的一种船载投弃式光纤海水温深剖面测量系统，其特征在于所述光纤海水温深度传感器(11)是利用光纤熔接机依次将光纤端面反射镜(113)、作为海水温度传感器的镀增敏膜的长周期光纤光栅(111)、作为海水深度传感器的布拉格光纤光栅(112)以及尾纤(116)进行连接，并分别在镀增敏膜的长周期光纤光栅(111)与布拉格光纤光...

【专利技术属性】
技术研发人员：赵强，陈世哲，刘世萱，张继明，张可可，闫星魁，贺海靖，雷卓，
申请(专利权)人：山东省科学院海洋仪器仪表研究所，
类型：新型
国别省市：山东,37