全光纖海洋溫深剖面連續測量試驗研究

海水的溫度和深度是海洋最基本的物理參數，通過觀測海水溫度隨深度的變化來獲取溫深剖面數據是海洋調查研究的重要手段。然而，依靠投棄式剖面儀等傳統的測量方法，僅能獲取低時空解析度的海洋動力環境參數，這對開展大洋中尺度渦旋、鋒面及內波的研究來說是遠遠不夠的。

該課題研究的船載拖曳式光纖溫深剖面連續測量系統能夠很好地解決上述問題。該系統依託光纖感測自身的本徵絕緣、便於組陣、分散式測量以及綜合成本低等優點，通過將若干支溫度感測器和壓力感測器集成在流線型的拖曳纜中，再配合甲板單元的解調設備和絞車系統，隨船舶運動實現海面至水下幾百米溫度垂直剖面的高時空解析度、實時連續觀測。

在中國科學院戰略性先導科技專項(No.XDA110-40201)的支持下，該系統經過多次改進，突破相關技術壁壘，完成了2015年秋季的規範化海上試驗(依託「科學三號」海洋綜合調查船)，完成了溫度感測器的比對測試，驗證了溫度感測器準確的測量性能。在過往試驗的基礎上，課題組完成了200m溫深拖曳鏈的製備，參加了2016年夏季航次的海上試驗，目的是檢驗壓力感測器的測量性能，並進一步驗證整個系統的軟硬體運行可靠性和適用性。

一、試驗裝備

船載拖曳式光纖溫深剖面測量系統由甲板面的解調終端設備、絞車和水下的感測器鏈路三部分組成。如圖1所示，其中水下感測鏈部分由FBG溫度感測器、FBG壓力感測器以及傳輸光纜、抗拉鋼絲繩索、配重鉛魚等部分組成。

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1系統工作示意圖

整個系統的作業過程如下：首先在感測鏈末端綁上配重鉛魚，達到對感測鏈進行沉載和穩定投放的目的，並在船艉處安裝導向滑輪，使感測鏈繞過滑輪，避免拖曳過程中與船體發生劇烈摩擦損壞拖曳鏈。然後啟動絞車，釋放感測鏈，根據所在海域的水深情況確定放纜的距離，同步觀察深度感測器以避免觸底。接著讓船舶以3、5、7節的速度航行，在線監測採集的數據，判斷感測器的運行情況，並記錄好溫度場發生變化的各個時間節點。最後，當整個數據採集過程結束後，斷開感測鏈與解調終端的連接，並啟動絞車對感測鏈進行回收。感測鏈、絞車和滑輪等設備實物如圖2所示。

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2船載拖曳系統的海上試驗現場

二、光纖光柵壓力感測器

⒈基本原理

光纖Bragg光柵(FBG)壓力感測器是系統測試的前端，其作用是實時測量海水深度，進而達到精確定位溫度感測器和判斷拖曳鏈水下姿態的目的。然而，裸光纖光柵的壓力靈敏度較低(約為0.003pm/MPa)，若要實現對海水深度高解析度測量的目標，必須對光纖光柵進行壓力增敏封裝。

文中採用結構增敏技術，研製了一種基於彈性膜片封裝的光纖光柵壓力感測器，通過封裝結構設計、抗水流和震動設計，達到直徑小(約10 mm)、體積小、高靈敏度、一致性高等要求。FBG壓力感測器利用FBG的諧振波長對應變敏感的原理，通過彈性膜片，將水壓變化量轉化為FBG軸嚮應變，通過檢測相應的波長變化，還原海水壓強信號的信息。FBG諧振波長的改變數△λ與光纖軸嚮應變εf的關係為：

△λ＝(1－pe)△λBεf

式中：λB為諧振波長；pe為光纖的彈光係數。

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3光纖光柵壓力感測器結構示意圖

如圖3所示，當處于海水中的壓力感測器受到水壓P作用時，彈性膜片將發生變形體現在光纖軸嚮應變上並引起FBG中心反射波長的偏移，通過波長解調得到海水壓強的大小，壓強與中心反射波長的偏移量為線性關係。最後根據壓強與水深的關係式換算出感測器在水下的深度值。光纖光柵壓力感測器實物如圖4所示。

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4光纖光柵壓力感測器實物圖

⒉實驗室標定

為了確定壓力感測器靈敏度，獲取其所測壓力值與光纖光柵中心波長的對應關係，在實驗室進行標定測試則是一項必不可少的環節。壓力感測器的標定是在壓力罐中進行的，共選取11個壓力點分別進行加壓和減壓測試，打壓範圍為～3MPa，步長為0.3MPa。用Origin數據處理軟體擬合得到圖5所示結果，計算表明靈敏度達到552pm/MPa，是裸光纖光柵壓力靈敏度的184倍，其線性擬合度R2也高達0.99996，重複性較好。

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5壓力感測器的靈敏度測試結果

三、海上試驗與數據分析

此次海上的拖曳試驗安排在北黃海的計劃站點進行，主要包括壓力感測器的靜水比測和走航拖曳的比測試驗。靜水比測試驗的目的是通過與ALEC Compact-TD(測深精度為±0.3％FS)比測，檢驗在～5m的下降過程中壓力感測器測量深度數據的準確性。走航拖曳試驗的目的是檢驗在船速不等的情況下，壓力感測器與標準感測器的測深一致性，以及與其溫補感測器的響應一致性，並進一步檢驗溫度感測器的測溫穩定性和整個系統設備在海上的運行情況。

⒈靜水比測試驗

靜水比測試驗是在船舶停靠站位後，首先將光纖光柵壓力感測器(編號為3#)與ALEC標準感測器捆綁一起手動下放至水下5m的位置，穩定一段時間後，然後再手動提拉感測器至表層水位置，以比測兩者之間的誤差(圖6右縱坐標)。

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6手動提拉比測實驗

將上圖中從水下5m到水表層的變化部分的數據進行截取(表1)，經數據分析軟體處理後得到圖7。

表1 ALEC與壓力感測器的部分比測數據

由表1和圖7可以看出，ALEC和光纖光柵壓力感測器(圖7左縱坐標)的測深曲線基本吻合，通過Excel中CORREL函數可以計算出兩者的相關係數為0.999837，具有較高的相關一致性。從海水表面到水下5m的深度，比較壓力感測器與ALEC的測量數據，兩者的測量誤差小於0.1m(圖7中右縱坐標)。試驗表明光纖光柵壓力感測器的靜水測量性能較好，測量數據能夠準確的反映海水深度的變化情況。

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7靜水比測結果的局部放大

⒉走航拖曳試驗

由於試驗海域水深(約40m)條件的限制，且測試水域漁網密布，為了安全起見，總長200m的拖曳鏈僅下方40m左右能夠下水工作，其中溫度感測器8支，壓力感測器1支。試驗中設定船舶拖曳速度為7節、5節和3節，整個拖曳過程持續一小時左右。為了確定拖曳過程中壓力感測器(編號為13#)的測量可靠性，在其附近綁上ALEC Compact-TD作為參照比對。試驗中，採用編號為51#的光纖光柵溫度感測器作為壓力感測器的溫補感測器，以解決其對溫度的交叉敏感問題。

表2拖曳試驗的部分比測數據

由圖8和表2可知，光纖光柵壓力感測器在拖曳過程中深度測量準確，與標準感測器ALEC測得的深度數值一致性較強(圖8左縱坐標)，除了在溫度鋒面部分，由於壓力感測器(13#)同參考溫度感測器(51#)的響應時間不一致造成短暫的壓力誤差偏大，其他部分均低於0.1m(表2)，給拖曳過程中的在線監測給予了準確的觸底預警。誤差的其它原因還可能在於壓力感測器和溫度感測器不是在同一個空間位置，特別在冷水團鋒面，溫度梯度大；再一個是感測器在拖曳過程中，流體流過壓力感測器的開孔會有一定的影響，這在今後都需要進一步分析優化。

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8添加溫度數值後的壓力感測器比測

圖8中溫度感測器(右縱坐標)和壓力感測器(左縱坐標)測量數據所表現出來的負相關性和階段性是與航速的改變相一致的：當航速較高時，拖曳鏈姿態上浮，壓力感測器和溫度感測器接近海水表層，因此，在測量數值上，壓力感測器表現為深度較低，而溫度感測器表現為溫度較高；當航速降低時，拖曳鏈受阻減小，姿態下沉，深度增大，溫度降低，這與壓力感測器和溫度感測器測得的數值變化是相一致的。

⒊解調終端與溫度剖面

本次拖曳海試中，終端的解調系統運行良好，其軟體採用實時繪圖的方式展示所有感測器的溫度場分布，方便科考隊員與甲板操作人員實時觀察系統工作情況。如圖9所示，左側是感測器列表顯示感測器的信息，包含波長、物理量測量值、空間位置等，右側為彩色的溫度場分布圖，將鏈路上所有感測器的實時測量結果以圖形化的方式展示出來，便於現場應用。

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9軟體界面

下水的溫度感測器雖然只有8支，但均能正常工作，對海水溫度剖面進行了準確地測量，如圖10所示，上部溫度較高的原因是由於尚在絞車上的溫度感測器受到陽光直射；下部的低溫區域屬於海洋中的冷水團，這一現象的出現再次驗證了溫度感測器具有很好的測溫穩定性。

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10溫度剖面

⒋存在的問題

在此次海上試驗中，暴露出來3方面的問題：

⑴船載的沉降鉛魚工作深度較淺，其下降的深度受船速影響非常大，如入水約40m的拖曳鏈，在船速7節時，最末端的壓力感測器受鉛魚拖帶最深僅達1.5 m，當增加50kg的鉛塊後，壓力感測器下沉深度有所增加，達到7.4m；

⑵入水的8支溫度感測器中僅有最底端的一支能夠獲得相應的深度信息，其它感測器僅能通過進一步鏈路姿態的分析後估算其相對位置，暫無法獲得高空間解析度的溫度剖面；

⑶拖曳試驗所在海域深度較淺，200m的拖曳溫深鏈入水長度有限，感測器採集數據有限，從而影響溫度剖面的有效測量，待進一步抵達深水域、無拖掛漁網的風險後，可以高速運行並全部釋放。

因此，需要從以下方面進行完善：

①分析鉛魚水動力特性，優化其結構設計，使其能夠在水下進行有效的沉降；

②製備更多的壓力感測器，使得每一個溫度感測器都能獲得相對應的深度信息；

③進一步製備500m長的拖曳溫深鏈，選擇西太平洋或者南海等深海域進行海上驗證試驗。

四、結論

通過此次海上試驗，主要對船載拖曳式光纖溫深剖面系統中的壓力感測器進行了比測分析，無論是靜水比測，還是拖曳過程中的動態比測，光纖光柵壓力感測器與標準的ALEC感測器均達到了較高的測深一致性，而且測量精度優於0.1m，這為下一步深海驗證試驗打下了堅實的基礎。

【作者簡介】文/張登攀 馮盼 王永傑，分別來自河南理工大學機械與動力工程學院和中國科學院半導體研究所；第一作者張登攀，男，1975年出生，河南理工大學機械與動力工程學院，副教授，博士，主要從事精密測量技術及儀器方面的研究；本文來自《紅外與激光工程》（2017年第7期），參考文獻略，用於學習與交流，版權歸作者與出版社共同擁有。

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