吕国涛，徐海东，龙永进，娄 凯

（1.中国科学院声学研究所东海研究站，上海 201815；2.中船集团第七二六研究所，上海 201108）

0 引 言

21世纪被称为“海洋的世纪”，海水温度梯度数据是海洋调查、海洋开发和海洋研究中的重要参数，为此人们已开发设计了各种形式的海水温度梯度测量仪器。抛弃式温度剖面测量系统（Expendable Bathy Thermograph,XBT）是一种通过投放温度测量探头，在探头的快速下降过程中感应海水温度从而测量海水温度剖面的一次性测量设备[1]。和常见的温盐深测量设备（Conductivity Temperature Depth,CTD）相比，XBT在使用过程中无需绞车，成本低廉，在测量舰船漂泊或走航状态下均可快速测得海水的温度剖面，具有良好的实时性和便捷性，因此在海洋水文调查和海洋声学考察中得到了广泛的应用。

由于供电和成本的原因，XBT通常不使用深度传感器，深度信息是通过对探头的外形设计，利用流体力学理论和实验的方法归纳出入水后的深度和时间经验公式计算得到。

将光纤光栅传感器应用于海洋温深剖面测量的好处是显而易见的。（1）温度和深度测量都是通过光栅波长变化得到[2-4]，因此响应时间比较短，对温跃层的测量更精确；（2）可直接测量深度信息，而不是用经验公式以时间计算，减小了深度误差，也避免了探头入水姿态及运动状态对测量结果的影响；（3）数据记录终端无需为测量探头供电，测量和数据传输都通过光通信完成，电磁兼容性极好，不易受到干扰。因此，开展将光纤光栅传感器应用到海洋温深剖面测量的研究具有重要的现实意义。本文基于光栅温度传感器和光栅压力传感器对抛弃式光纤温深仪系统进行设计，并对设计完成的系统样机进行了性能测试和数据分析，为抛弃式光纤温深仪系统的持续深入研究提供参考依据。

1 系统设计

抛弃式光纤温深仪系统主要由抛弃式光纤温深探头、光纤光栅高速解调仪[5]、接口和光纤传感采集分析软件组成。其中抛弃式光纤温深探头内置光纤温深传感器，可实时测量所处环境的温度和压强，测量信号通过光纤由光通信的方式经接口传入光纤光栅解调仪，经解调后的温深数据在分析软件上实时显示，系统组成框图如图1所示。

1.1 传感器原理与设计

1.1.1 光纤光栅传感器原理

光栅温度传感器和光栅压力传感器一般都是用布拉格光栅作为温度和压强敏感器件。布拉格光栅是一种沿光纤轴向折射率变化的波导结构，其基本特性是以共振波长为中心的窄带滤波器。

根据光纤光栅的耦合模理论，当一束宽带光入射到光纤光栅中时，折射率的周期性结构使得某特定波长的窄带光被反射，反射光的波长满足 Bragg散射条件：

其中：λB为Bragg波长（即反射光的中心波长）；Λ为光栅周期；neff为光纤光栅的有效折射率；

由式（1）可知，光纤光栅反射光的中心波长λB（光纤光栅波长）主要取决于光栅周期Λ和有效折射率neff。当光纤光栅感受到外界环境温度T或应变ε发生变化时，会引起光栅周期和有效折射率的变化，从而引起反射光波长的偏移[6]。因此，通过检测光纤光栅反射光波长的变化，即可获知外界温度或应变信息，这就是光纤光栅传感器的基本原理，如图2所示，图中I表示光强。

1.1.2 光纤光栅温深传感器设计

布拉格光栅对温度敏感，因此采用布拉格光纤光栅制作压力传感器时，不可避免会存在压力与温度交叉敏感问题，即在温度变化的环境下，压力传感器中光纤光栅中心波长的变化不只包括由压力敏感膜片形变带来的波长变化，其中还掺入了由温度变化所带来的波长变化[7-9]。

在测量过程中，传感器中的测压光栅同时受温度和压力的影响，测温光栅只受温度影响，因此在光栅线性范围内，测压光栅与测温光栅的波长与压强、温度变化存在如下关系：

式中：λP和λT分别为测压光栅和测温光栅的波长，KP1为测压光栅的压力系数，KT1和KT2分别为测压光栅和测温光栅的温度系数，P和T分别为环境的压强和温度。由式（3）可知，测得λT即可计算出环境的温度。

将式（2）、（3）约去T，可得：

式（5）中λ与P正比。当测得λ的值时，即可计算出环境的压强。

图1 抛弃式光纤温深仪系统组成框图Fig.1 Block diagram of expendable fiber Bragg grating bathythermograph system

图2 光纤光栅传感原理图与光谱图Fig.2 Principle diagram of fiber grating sensor and optical spectrum

本文将光栅温度传感器与光栅压力传感器在小尺度范围内串联，采用光纤金属化激光焊接工艺和温度实时补偿结构封装，对光栅温度传感器和光栅压力传感器分配不同的中心波长，如图3所示，同时利用光栅温度传感器实时测量的温度信号对光栅压力传感器提供温度补偿，以去除温度变化对光栅压力传感器的影响，减小测量误差，同时实现一根光纤对温度和压强信号的同时获取。将设计的光纤光栅温深传感器采集数据与进口 CTD48M 和便携液压泵所测得的温度、压强数据进行对比，测量温度误差小于0.1 ℃，压强误差小于0.5%FS （FS表示满量程）。

图3 光纤光栅温深传感器光谱图Fig.3 Optical spectrum of the fiber grating sensor

1.2 光纤温深探头设计

抛弃式光纤温深探头主要由光栅温深传感器、光纤、配重头、姿态稳定部件、光纤绕制骨架、壳体、接口等部件组成，其结构示意图如图4所示（外部壳体未画出）。一根光纤按长度比例绕在上下两个光纤绕制骨架上。其中光栅温深传感器、配重头、姿态稳定部件和下线圈及部分光纤组装成一体构成了入水体，考虑在水中的运动状态，探头入水体整体结构采用流线型和对称性设计，重心在最下端的配重头上，传感器用结构销固定后再用环氧灌封，可耐800 m水深的压力，可保证在水中运动的稳定性。探头入水体平时通过金属销固定在外部壳体上，进行测量时拔掉金属销，探头测量体坠入海中。海水不断从配重头头部开口处进入，从尾翼尾部开口处流出，光栅温深传感器实时测量所在位置的海水压强和温度。在测量的过程中上下两个线圈同时双向放线，下线圈光纤随探头下降有序放出，上线圈光纤自动适应船速有序放出，光栅温深传感器获取所处位置的温度和深度信息通过光纤以光通信的方式传送至解调仪，经光纤传感采集分析软件解析出实时温度和深度数据，从而实现抛弃式光纤温深仪系统的走航测量。

图4 光纤温深探头结构示意图Fig.4 Structure diagram of the fiber optical probe

1.3 光纤光栅高速解调仪

根据抛弃式光纤温深仪研制项目需求并结合未来研究方向，中国科学院声学研究所东海研究站与北京希卓公司合作开发了一套光纤光栅高速解调仪，适用于光纤光栅温度、应变、压强、流量等多种类型的光纤光栅传感器信号解调和传感数据的采集[10]。解调仪采用220 V、50 Hz供电，功耗≤40 W，与计算机通过以太网进行信息交互，具有8个测量通道，扫描频率范围1～1 000 Hz，内置校准波长参考模块，输出光信号功率范围为0～−20 dB，可探测的输入光信号功率为−70 dB，波长测量范围1 525～1 565 nm，波长分辨率为0.1 pm。

1.4 光纤绕制、熔接工艺

光纤的物理特性和传统漆包线不同，比如硬度，可弯曲度等。一般光纤都外包防护套，直径比较大，裸光纤直径比较小但容易折断，经过反复试验，在裸光纤上覆盖一层用紫外光固化的弹性涂料，裸光纤加涂覆层后既能保持较小的直径，又不易折断，且具有一定的抗拉能力，满足抛弃式光纤温深探头的使用需求。光纤绕制完成后，在上下线圈各套用一个大小合适的弹性网，这样绕制好的光纤既不会散开又不会影响放线。

光栅温深传感器与光纤端子之间通过一根长长的光纤相连，光纤温深探头通过光纤端子连接到解调仪。项目组采用藤仓62C+光纤熔接机，首先将光栅温深传感器固定后与光纤熔接，待光纤绕制完成后，再将光纤末端从上线圈穿出，与光纤端子附带的光纤熔接。

2 系统测试结果

抛弃式光纤温深仪系统开发完成后在实验室进行了温度测量和压强测量测试。利用精密恒温水槽提供稳定的温度环境，将计量过的 CTD与光纤温深探头放置于恒温水槽中，待温度稳定后，分别记录CTD温度测量值和光纤温深探头所测温度数据，如图5所示。以CTD测量值为标准计算温度测量误差，测试结果如表1所示。

图5 探头的温度测量对比测试示意图Fig.5 Comparative test for temperature measurement of the probe

表1 探头的温度测量数据表Table 1 Data sheet for temperature measurement of the probe

将压力计（便携式油压泵）两端分别与计量过的数字压力表和光纤温深探头相连，分别记录数字压力表显示的压强数值和光纤温深探头所测压强数值（环境温度为20.0℃），如图6所示，以数字压力表显示压强数值为标准计算测量误差。

经压强与深度换算后，抛弃式光纤温深仪系统深度测量结果如表2所示。

图6 探头的压力测量对比测试示意图Fig.6 Comparative test for pressure measurement of the probe

由测试结果可以看出，抛弃式光纤温深仪系统温度测量精度在±0.15℃范围之内，深度测量精度在±0.5%FS范围之内，与传统抛弃式温度剖面测量系统（XBT）相比，由于深度为光栅压力传感器直接测量获得，而不是根据探头在水中下降规律计算获得，故深度测量精度有了较大的提高。

表2 探头的深度测量测试表Table 2 Data sheet for depth measurement of the probe

3 结 论

本文基于光栅温度传感器和光栅压力传感器对抛弃式光纤温深仪系统进行设计，光纤温深探头采用流线型和对称性的整体结构设计，探索了光纤表面处理方法和绕制工艺，并对设计完成的系统样机进行了性能测试和数据分析，结果表明，与传统抛弃式温深测量设备相比，抛弃式光纤温深仪系统深度测量精度有了较大的提高，为以后抛弃式光纤温深仪系统的深入研究提供参考依据。