光纤温深传感器在物理海洋的应用*

王永杰 王建丰 任 强 于 非 李 芳

(1. 中国科学院半导体研究所 北京 100083; 2. 中国科学院海洋研究所 青岛 266071)

海水温度是海洋物理性质中最基本、最重要的要素之一, 是反映海水热状况的一个物理量, 很多海洋现象甚至陆地现象都与海水温度相关。海水温度的时空分布及其变化规律, 不仅仅是海洋科学的重要研究内容, 而且对气象、航海、渔业、军事等有重要作用和意义(周红伟等, 2016)。

随着技术的发展, 液压和机械温度计已经被电学式传感器所替代, 电学式温度传感器从工作原理上分为热电式、电阻式、晶体震荡式、红外辐射式等,从应用方式上已演化出直读式、自容式、遥感式等。进入 21世纪后, 光纤传感技术也日趋成熟, 已在军事航天、石油石化、地球物理、土木工程等领域发挥着不可替代的作用。经文献调研, 光纤传感在海洋领域的应用研究已广泛开展, 如光纤传感器对海洋温度(张登攀等, 2015)、压力(深度)(Duraibabuet al, 2015)、盐度(王晶等, 2015)、溶解氧浓度(霍树梅, 2000)、pH值、叶绿素a(Piazenaet al, 2002)、生化耗氧量(BOD)、悬浮物含量、石油污染物、黄色物质等的现场测量, 以及对海洋平台的监控等。光纤传感技术具备本征绝缘、传输损耗低、速率高、易复用等特点, 适合在海洋观测技术领域原位组网成阵应用。随着光纤传感市场容量的扩大, 核心零部件成本大幅降低, 这为光纤传感技术在民用领域的规模化应用提供了可能。

中国科学院半导体研究所在中国科学院战略先导科技专项(以下简称“海洋先导专项”)的支持下, 开展了光纤传感器技术, 特别是光纤温度(张登攀等,2015)、深度传感器在物理海洋领域的应用研究工作。根据海洋先导专项的部署, 课题组对海洋牧场温度场遥测系统和船载温深拖曳链系统分别进行了系统研究和海试应用, 以下分别介绍。

1　光纤温深传感技术原理

光纤布拉格光栅(fiber bragg grating, FBG)是一种光纤无源器件, 即一段经过特殊工艺制作的光纤线段, 长度约5—15mm。其制作的物理机制是通过紫外光的照射使纤芯的折射率发生周期性的改变, 对外表现出的光学特性就是 FBG是一个窄带滤波器, 如图1所示。

图1　FBG原理示意图Fig.1 Schematic diagram of FBG

当光纤光栅受到温度或应力的扰动时, 它的中心波长的漂移呈线性变化, 这种线性变化为应力、温度等物理参数的检测提供了一种很好的传感元件,如公式(1)所示:

在1550nm窗口, 裸FBG的中心波长的温度系数约为 10pm/°C, 应变系数为 1.2pm/με。由于裸的光纤光栅直径只有 125μm, 在恶劣的工程环境中容易损伤, 只有对其进行保护性的封装(如埋入衬底材料中), 才能保证光纤光栅更稳定的性能, 延长传感器使用寿命。同时, 通过设计封装结构, 选用不同的封装材料, 可以实现温度增敏、减敏、交叉补偿等功能。

在系统研发过程中, 课题组根据实际需求, 在传感器的灵敏度、响应时间、耐压封装、熔接保护等一系列技术问题上进行攻关。如在海洋牧场所用的温度传感器, 采用了无应力封装技术确保其长期稳定性,但灵敏度只有 10pm/°C, 响应速度也较慢; 再如拖曳链所用的快速温度传感器, 采用增敏封装技术, 实现3倍增敏, 且响应时间也可以达到200ms。

2　近海用海洋牧场温度遥测系统

全球变暖日益加剧导致近海养殖海区夏季水温增高, 造成生物和化学物质耗氧量大增; 而且温跃层使得水体交换较差, 导致养殖海域海底季节性缺氧现象时常发生, 对养殖牧场的生产和生态安全造成了严重影响, 经济损失较大。由于温度是影响海区缺氧的重要环境因子, 因此需要对海区温度进行实时和全方位的监控, 以获得海区不同水深温度的变化规律, 保障海洋牧场的生产和生态安全。

考虑到海洋牧场的现场情况和综合施工成本,课题组结合光纤传感易于串联复用和无线传输的便捷优势, 研制了基于无线传输光纤温度链的遥测系统(图2)。系统由16只光纤温度传感器、1台低功耗解调仪、太阳能电池系统、通信组件和附属安装固定装置构成。16只光纤温度传感器以 1米间隔组成 1条温度链, 该温度链竖直布放于养殖场水下, 其余部分固定于浮筏或浮标上。无线系统以2分钟的间隔将测试数据发回陆地网络服务器。客户可以通过计算机或手机客户端随时查阅测试数据。系统采用低功耗设计, 整体功耗小于 5W, 测温精度 0.1°C; 可扩充到8—16通道, 进一步降低系统综合应用成本。

图2　海洋牧场温度链遥测系统示意图Fig.2 Schematic diagram of the sea ranch’s temperature chain telemetry system

浮台型温度遥测系统经过 2016年的试运行后,对暴露的各种工程技术问题如传感器安装、布放、抗扭转、仪表防水、服务器稳定性等方面做了改进, 并在2017年7月初下放后, 连续无故障运行至8月底,按照计划将于10月底拆除浮台(图3)。

图3　遥测系统实物图Fig.3 Telemetry system

为便于海洋牧场技术人员实时随地查阅温度数据指导现场作业, 课题组开发了基于安卓操作系统的手机客户端; 为了同整个海洋牧场的其他参数测量系统集成, 开发并开放了个人计算机客户端。系统的这一功能极大的增加了实用性和展示效果, 受到用户的欢迎。如图4 所示。

图4　手机客户端和PC客户端示例Fig.4 Mobile client and PC client

同时, PC客户端也可以实时读取当时及历史数据。如通过读取2016年的典型数据(图5), 可以看到明显的半日潮现象, 以及7月初到8月底近50天的温度场和底部水温变化情况。

从图6的50天测试数据可以看出, 从7月22日开始, 水底温度逐渐升高, 8月中旬接近 23°C, 已经接近夏眠温度24°C(李兴辉, 2009)。这为当地的海参养殖作业人员提供了便捷的技术支持, 方便实时获取水温变化情况, 以便对现场作业提供指导。这是光纤温度传感器首次在海洋养殖方面进行实际应用。目前遥测系统的手机客户端已在中国科学院烟台海岸带研究所和东方海洋牧场的相关科技人员的手机上安装, 便于他们随时随地了解当前海洋牧场的温度变化情况(陈永利等, 2010), 为东方海洋云溪海洋牧场正常安全运行提供了基础数据支持。

3　船载拖曳式温深链系统

对温度跃层的调查一直是海洋调查研究的重点手段。海洋温度剖面的观测与研究受制于现有的调查手段, 仅能获取低时空分辨率的海洋动力环境参数,如走航剖面观测技术目前主要有抛弃式温深剖面仪XBT(刘赟等, 2003)、抛弃式温盐深剖面仪XCTD(高郭平等, 2003)、走航式多参数剖面测量系统 MVP、拖曳式温深仪仪UCTD(胡波等, 2011)等, XBT、XCTD的优点是操作简单, 缺点是使用成本高, 数据精度不高; MVP的优点是测量参数多, 缺点是使用复杂、维护成本高。这些观测仪器对开展大洋中尺度涡旋、锋面及内波的研究来说远远不够。

本课题在海洋先导专项的支持下, 为实现大洋中尺度涡、锋面和内波的高精度观测, 研发新型的大规模阵列的探测装备, 提高立体化海洋环境信息获取和深海探测、取样能力。课题组研发了一套船载拖曳式光纤温深剖面连续测量系统, 该系统包含120只温度传感器和压力传感器并集成在拖曳缆中, 配合甲板单元的解调设备和绞车系统。温深剖面观测系统随船舶运动实现海面至水下200m温度垂直剖面的高采样频率(1Hz)、高水平分辨率(5节船速水平分率约2.5m)、实时、连续观测。课题组先后攻克了传感器快速响应封装技术、传感器熔接保护技术、工程化解调仪、成链及系统集成技术等, 系统测温精度 0.01,压力精度0.1%。

图5　2016年典型的7日(a)和1日(b)测试数据Fig.5 Records of seven days and one day in 2016

图6　2017年7、8月份测试数据Fig.6 Records between July and August in 2017

船载温深剖面测量系统的研制将为获取高时空分辨率的温度资料提供非常宝贵的技术手段, 它大大提高了船时的利用效率, 可以为科学家提供研究急需的实测数据。系统示意图和实物图如图7所示。

系统的无线显示终端和释放和回收的现场照片如图8所示。

海试应用一: 本课题于 2016年8月初在北黄海进行了黄海冷水团的测试工作课题组搭载“科三”考察船, 在4节左右的船速下, 自北向南在冷水团的中心部位进行了拖曳海试, 获得北黄海温度剖面图如图9所示。

由于本系统的拖曳链具备传感器数量多、间隔小、系统采样率高的特点, 相对传统仪器可以更加详细地绘制出冷水团的详细结构。由图9可知, 夏季为黄海冷水团鼎盛时期, 其北黄海冷水团核心位于38.5°N 左右(李昂等, 2015)。从图中可以观测到温跃层处的等值线呈倾斜状态, 即南部温跃层位置较北部温跃层位置偏浅, 且南部温跃层等值线较北部密集, 底部存在一个8°C的闭合冷水核心区。温度链拖曳所获得的海试数据对冷水团有非常高精度和高空间分辨率的观测, 对传统海洋学的调查有重要的支撑作用, 不仅能够丰富现有的调查手段, 也能为科学家分析海洋现象提供高质量的数据, 更进一步促进了海洋调查(管秉贤等, 1962)和海洋学研究的发展。

图7　系统整体示意图及拖曳应用中的实物图Fig.7 Diagram of the towed sensor chain and photograph of the towing application

图8　船舱内无线终端实时监控以及释放和回收过程Fig.8 The wireless terminal and the process of discharging and recycling

海试应用二: 本课题于 2017年7月在南海北部海域疑似中尺度涡旋附近开展了海试工作。利用光纤温深连续剖面系统, 对中尺度涡的温深剖面进行高时空分辨率、高效观测, 获取高精细数据结构, 助推中尺度涡旋的科学研究。海试所得到的温深剖面如图10、11所示。

本次海试光纤温深链观测细致的刻画了中尺度涡的结构。由于空间分辨率高, 温深链能够精确的观测中尺度涡的水平和垂向结构, 而一般的大面观测水平分辨率在1/4°以下, 很难准确观测中尺度涡不同位置温度垂向变化特征和水平分布特征。光纤拖曳链提高了中尺涡空间结构的观测能力, 有助于推动中尺度涡动力机制的研究。

此外, 温深拖曳链观测的水平分辨率能够达到2.5m以上, 这是其他观测设备所无法达到的。高水平分辨率的观测为研究水平方向的细结构特征提供了基础, 推进了水平混合研究的发展。

图9　北黄海温度剖面Fig.9 Temperature profile in the north yellow sea

图10　东西航段温深剖面Fig.10 Profile of temperature and depth in east-west direction

图11　南北航段温深剖面Fig.11 Profile of temperature and depth in north-south direction

4　结论和展望

目前, 光纤传感器技术在海洋技术领域的发展尚处在初级阶段, 相对海洋仪器设备中大量使用电学传感器而言在技术成熟度和可靠性方面尚有较大差距。但光纤传感器对多种物理量敏感, 其体积小、易复用、“传”“感”合一的特点, 必定会在物理海洋领域具有快速、原位、阵列应用的优势而受到进一步重视。

在海洋先导专项的支持下, 课题组已在长期原位遥测和船载拖曳应用方面完成多次海试实践应用,获取了宝贵的数据, 在传感器研发、系统集成、海试验证方面积累了丰富的经验。随着不断的实践应用、反馈和技术改进, 加强传感器的封装技术及工艺、可靠性筛选、系统集成等基础工作, 使得已有温深传感器的实用化水平一定会得到长足的进步。同时, 在仪器设备创新领域, 技术研发单位切实加强同用户单位的对接, 从科学需求、技术原理、系统集成、规划化海试方面入手, 切实研发海洋科学真正需要的高端仪器, 实现国产海洋仪器设备在光纤传感领域借道超车的目的, 提高国家的海洋仪器设备研发水平和海洋调查的能力。课题组拟在如下几个方面继续开展研究:

4.1　光纤盐度传感器

物理海洋的六要素为温度、盐度、深度、波浪、海流、潮汐, 其中盐度的测量跟温度、深度密切相关,没有盐度的温深仪是不完备的。当前的盐度传感器采用电导率的形式, 结合温度和深度数据通过经典的盐度计算公式获得数据。而在光信息领域, 测量盐度主要是采用折射率测量的方案(赵建虎, 2007), 即不同的盐度对应不同的海水折射率。课题组将在近期开展盐度传感器的研制工作, 主要采用光学干涉的方式, 将海水的折射率跟盐度一一对应起来, 目前正在组织技术攻关的工作(王杰等, 2006)。

4.2　投弃式光纤温深剖面仪

投弃式剖面测量仪是一种通过在海面投弃并在快速下降过程中感应海水温度剖面的一次性使用的测量系统, 具有很强的时效性。由于其能够快速、实时、大面积、低成本测量海试温度剖面, 自问世以来一直受到海洋学家尤其是军事海洋学家的重视。

光纤传感器具有传、感合一的特点, 且光纤传输损耗低, 裸纤成本低, 可以将光纤压力传感器集成在内, 研制一款低成本的投弃式光纤温深剖面仪XODT(eXpendable Optical-fiber Depth Thermograph Profiler),实时获取温深数据(传统的XBT通过下降速度的经验数值推算深度数值)。目前国内已有数家单位开展了类似的研究工作, 如中船715所等。课题组已完成相关技术攻关工作, 如图 12所示探头及系统效果图,目前正在进行系统集成和筹划后期的海试验证工作。

图12　投弃式探头及成品效果图Fig.12 Graphics of fiber optical XBT

4.3　湍流传感器

海洋湍流能量耗散过程是物理海洋学研究的重要焦点(吴立新等, 2013)。研究海洋湍流的基础是海洋观测与观测资料分析。剪切流传感器是微结构湍流测量的常用仪器(Wanget al, 2015)。

但当前剪切流传感器多为自容式设备, 传感器脆弱, 使用时担心触底报废, 因此使用过程中往往快接近海底时提前回收。因此, 当前仪器对于底部几米内的湍流的测试是空白的。

光纤传感器中光纤光栅和光纤 Fabry-Pérot干涉仪均有应变测量的能力, 可以将湍流通过换能机构转换为光栅的波长变化或 Fabry-Pérot干涉仪的腔长变化, 进而可以对湍流信息进行高速测量。同时, 由于光纤具有低成本优势, 可以制成投弃式的湍流剖面观测仪, 用于全水深的湍流观测。

目前, 本课题组已经开展了前期研究工作。图13为光纤光栅湍流传感器示意图和样品图, 以及设计的投弃式湍流传感器的结构示意图。

图13　剪切传感器的示意图(a)、投弃式剪切剖面仪设计构想图(b)及样品图(c)Fig.13 Schematic diagram of shear probe and the Expendable Turbulence Profiler

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