面向海洋传感与探测的光纤传感器研究进展

陈 阳，陈嫒晨，沈 翔，戴 彬，李进延，杨旅云，戴能利

（华中科技大学 武汉光电国家实验室，湖北 武汉 430074）

面向海洋传感与探测的光纤传感器研究进展

陈 阳，陈嫒晨，沈 翔，戴 彬，李进延，杨旅云，戴能利*

（华中科技大学 武汉光电国家实验室，湖北 武汉 430074）

调研了近几年光纤传感器在海洋探测方面的研究进展，主要包括测量海水温度、压力、盐度、叶绿素、pH值和溶解氧的相关光纤传感器以及光纤水听器。简要介绍了光纤传感器的基本原理、结构及性能，同时跟踪了国内外相关的最新研究进展，并与传统的测量方法进行了比较，分析得出光纤传感器是对现有传统海洋探测器的重要补充，并在一些探测领域具有独特的优势。 文章最后，探讨了光纤传感技术的未来发展趋势，认为在海洋温度、压力、叶绿素、水听器等领域可能会率先突破技术瓶颈并实现商用，同时提出了未来海洋光纤探测技术新的研究方向。

光纤；光纤传感器；海洋探测；海洋监测；研究进展

海洋蕴藏着丰富的资源，影响着全球气候变化，海洋科学在海洋环境保护、能源开发、灾害预防、权益维护等多方面有着举足轻重的作用，同时也能为国家制定海洋政策提供科学依据。

海洋科学的发展，无疑需要有合适的探测手段。长期以来海洋探测的主角是各种电学传感器，它们具有技术成熟、用途广泛等优势。如今发达国家，特别是海洋强国都争相发展自己的海洋探测技术，美国、英国、西班牙、德国、日本等国都形成了各具特色的海洋探测设备体系[1]，并在电学传感领域实现了商用化[2]。电学传感器发展至今，虽然技术成熟度很高，但仍有一些问题尚需解决：在海洋的恶劣环境下，电学传感器对耐压、防水、抗腐蚀性能要求很高，因为一旦出现海水泄露，将可能直接导致仪器失灵；水下环境信号传输困难，易受到噪声干扰，对远距离信号传输产生影响[3]；电学传感器的制作与维护成本高，寿命较短，组建水下传感网络存在一定的困难。

随着光纤技术的成熟和进步，光纤传感技术也得到迅速发展[4]。1977年美国海军实验室最先开展光纤传感器系统相关研究，随后，英国、德国以及日本等国家先后开展光纤传感研究，我国对光纤传感器的研究从20世纪80年代初展开。光纤传感器件具有工艺简单可靠、信号衰减小、抗电磁干扰能力强、耐腐蚀、成本低廉、便于集成、测量仪器水下无需电源等优良特性，因此是对现有传统电学海洋传感器件的重要补充，也是海洋传感领域的研究热点。美国、日本以及西欧国家都在进行这方面的探索，国内中国海洋大学、浙江大学、华北电力大学等多所学校以及中科院海洋研究所等研究单位等也都展开了面向海洋探测的光纤传感器研究。海水的温度、盐度与深度是研究海洋环境变化的最为基本的物理量，深刻影响着气候变化与人类探测活动，是海洋探测中最重要的物理参量。叶绿素含量反映了海水中浮游植物的群落结构和能量分布状态，常应用于监测海水细微结构与海洋污染情况。溶解氧与pH值则直接影响海洋生物的生存环境，pH值对研究海洋酸化具有重要意义。此外，光纤水听器具有很高的声压灵敏度，是近年来的一个研究热点。据此，本文调研了近几年光纤传感器在海水温度、盐度、深度、叶绿素、溶解氧、pH值以及水听器方面的研究进展。

1 光纤传感原理

光是一种电磁波，由于相对于电场分量而言，光波场对物质的磁作用很弱，因此可以只考虑电矢量的作用。在圆柱坐标系下，自由空间单色平面波可由（1）式表示：

式中：k→为真空中的波矢量；E→(r→)为电场分布的振幅矢量；ω是光场振动频率；r→为空间位置。利用光波特征参量（振幅、相位、波长、频率、偏振态等）在外界环境（温度、压力、电磁场、转动、拉力……）作用下发生改变的现象制作传感器，这就是光纤传感器件的基本原理[5]。光纤传感器从功能上分，可以分为传感型与传光型[4]。光纤作为感知外界环境变化的器件，并通过光纤传输传感信号的光纤传感器，称为传感型。若光纤仅作为数据传输通道而不作为敏感元件，这样的传感器称为传光型光纤传感器。传感型光纤传感器具有传感合一的特点，而光型光纤传感器则能够充分利用现有成熟传感技术。传感型与传光型按调制原理都可以分为振幅调制型、相位调制型、偏振态调制型、波长调制型。本文介绍的都是传感型光纤传感器。

2 海洋传感器发展

2.1 光纤温度传感器

传统的海洋温度传感器一般基于热敏电阻或热电偶，已经具备比较成熟的技术，产品性能较好。但是热敏电阻与热电偶都存在一些问题，比如热敏电阻性能波动较大，而热电偶的电压与温度是非线性关系，不适用于高精度温度测量[6]。光纤对温度具有天然敏感性，光纤温度传感器具有结构简单、灵敏度高、耐腐蚀等优点，采用光纤光栅温度传感器与复用技术能够方便地获取海洋温度剖面信息。但是，目前还没有实用化的面向海洋应用的光纤温度传感器。

光纤布拉格光栅(FBG)能够直接响应外界的温度变化，根据Bragg方程：

式中：λB为布拉格波长；neff为有效折射率；Λ为光栅周期。可见，光纤光栅中心波长受有效折射率与光栅周期共同决定，因此可以在同一条光纤上刻蚀多个不同反射波长的光纤光栅，实现分布式温度测量，方便地获取海洋温度剖面信息。2011年华北电力大学李星蓉[7]等试验了在光纤链路上串接40个FBG光纤光栅，光栅间距5 m，一次获得了200 m深海水温度剖面。由于该系统缺少深度定位，因此与实际深度的温度信息有差距。应用FBG对温度的直接响应特性，2015年，张登攀等[8]提出一种紫铜双端封装光纤光栅海洋温度传感器，通过填充特殊的可固化的高导热物质，温度测量灵敏度达27.6 pm/℃，最快响应时间达48.6 ms，基本达到了商用电学传感器的响应时间水平。

2014年，中国海洋大学Hongjuan Yang等[9]提出基于微光纤结谐振器（MKR）的温度传感器，从理论与实验上研究了传感器灵敏度与光纤直径及探测光波长的关系，并实现了22.81 pm/℃的温度灵敏度。2015年，美国内布拉斯加林肯大学Guigen Liu等[10]在单模光纤的顶端粘接了一个直径80 μm、长度100 μm的石英柱，石英柱的外端面与粘接处端面构成反射镜，结构与原理如图1所示。传感器的灵敏度达到了84.6 pm/℃，响应时间0.51 ms。同时采用新的平均波长追踪法，温度分辨率达到6×10-4，取样频率约2 kHz。同年，Xin Wang等[11]提出一种基于高双折射椭圆光纤Sagnac环的温度传感器。在探测波长1 310 nm、光纤长度达98.9 cm、温度10～30℃范围内，实现温度测量灵敏度-472 pm/℃。

图1 Guigen Liu等设计的FPI光纤温度传感器

FBG能够直接应用于温度传感，通过分布式测量获取温度剖面，响应时间短，剖面测量速度快，是面向海洋温度测量的重要选择。基于干涉仪相位调制非本征型FPI的光纤温度传感器,具有高灵敏度与采样频率。总体来看，海洋光纤温度传感器适应未来海洋测量方法的发展方向，对交叉敏感以及传感器封装材料、结构与工艺[12]等问题的解决，将使光纤传感器更加具备技术优势。

2.2 盐度传感器

当前，主流的海洋盐度测量方法是电导率法，利用在一定的温度、压力条件下，溶液的浓度、成分与电导率之间的对应关系，通过测量溶液的导电性能获得溶液的盐度信息。由于电极长期处于海水环境，易受腐蚀，容易受到电磁干扰，且更易受冲击受损。通过折射率法测量盐度是另一种方法，2008年，清华大学赵勇等[13]利用光学棱镜制作海水射率传感器，具有非常高的灵敏度，系统分辨率达到0.012‰，但是结构复杂、强度较差、测量条件要求很高。应用微波遥感技术可以快速、定量、大面积获取海洋表面盐度信息，但无法获得水下盐度信息。光纤传感器耐腐蚀能力强，几乎不受电磁干扰的影响，容易实现紧凑的传感结构，对环境的适应能力更强，高灵敏度也决定了光纤传感器具备很好的发展前景。

光纤盐度传感器，按测量方式主要有直接测量法与间接测量法两种。

直接测量法。在恒定的温度与压力下，一定盐度的海水引起特定的折射率改变，因此，测得海水折射率就可以反推出海水盐度。2012年，S Robinson和R Nakkeeran[14]提出了一种基于光子晶体环形谐振器（PCRR）的强度调制型光纤盐度传感器，透过光功率受到海水引起的有效折射率调制，20°C条件下，传感器的最小可检测（灵敏度）和动态范围分别为1%（1 g/L）和40%，同时对温度有较好的不敏感性。2016年，中国海洋大学Shanshan Wang等[15]提出了一种基于超细纤维定向耦合器的海水高灵敏度盐度和温度传感器。通过火焰加热拉锥技术将标准单模光纤拉成直径为3.79 μm和2.20 μm细纤维，并组合成定向耦合器，实现盐度灵敏度930 pm/‰和温度灵敏度-160 μm/℃。进一步缩小纤维直径，可将温度敏感度提高至-1 130 μm/℃。同时，在传感器耦合区涂覆乙基纤维素溶剂作为保护，提高了传感器在海洋环境下的可靠性与稳定性。

间接测量方法。光纤外层涂覆材料吸收一定盐度的海水后物理性质会发生改变并作用到光纤，从而引起传输光场变化。2011年，Chuang Wu等[16]利用光纤涂覆膨胀导致光纤径向压力变化进行盐度传感。结构如图2所示，Chuang Wu等在偏振保持光纤（PM-PCF）上涂覆聚酰亚胺，并将其制作成Sagnac干涉仪（图中插图所示Sagnac环直径为1.8 cm），并将裸露的FBG整合到Sagnac干涉仪中补偿温度影响，实现了0.742 nm/(mol/L)的灵敏度。这种光纤传感器存在的问题在于需要去除涂覆后再涂覆聚酰亚胺涂料，并且需要刻蚀FBG，增加了工艺复杂度，因此需要进一步优化制作工艺，降低制作成本。2015年Xing L等[17]研究了表面等离子体盐度传感器，实验结果显示，谐振波长分辨率为0.15 nm，折射率监测偏差0.002，具有较好的稳定性。

图2 盐度传感器装置图

应用直接测量法的光纤盐度传感器存在的问题主要是需要将光纤直接裸露在海水环境中。为了增加光纤器件对海水折射率的敏感性，在光纤上采用一些锥形结构[18]，增大了海水与泄露到光纤外的模式相互作用，但同时裸光纤长期暴露在海水环境下，受到水分子渗入及微生物附着影响，传感器性能会降低。间接测量法通过敏感材料间接测量海水盐度，传感器的性能和响应时间受涂覆材料性质影响较大，而且涂覆材料往往是自行制备，限制了技术推广。综上所述，很有必要发展出新的传感原理，以适应光纤盐度传感面临的海洋物理和化学环境问题，提高盐度传感的精度、稳定性和耐用性。

2.3 深度（压力）传感器

压力传感器的测量性能直接决定了海洋深度定位的精度[19]。传统的电学压力传感器发展最为成熟的是压阻式传感器，这种传感器利用外力引起单晶硅材料电阻率改变的现象测量压力。但是存在着易受自身电流热效应影响，线性度不佳的缺点。光纤器件能够对压力变化直接响应，与光纤温度传感器有相通之处，具有体积小、灵敏度高、稳定性好、量程大等特点。

FPI传感器对腔长变化十分敏感，微小的偏移就可以引起明显的干涉波长偏移，是一种传感器常用结构。2012年，安徽大学Feng Xu等[20]采用化学镀膜法在陶瓷套圈的一端镀上一层厚度为几百纳米的银膜作为外腔反射镜，与单模光纤端面构成外腔式FPI，结构图与实物如图3所示，该传感器在0～50 kPa范围内实现了70.5 nm/kPa的灵敏度，线性拟合系数达到0.995 23，最大迟滞约3.4%。为了解决光纤压力传感器中存在的压力与温度交叉敏感问题，2013年，Huang J等[21]提出一种膜片式FBG结构压力传感器，用两支串联在一起但中心波长不同的FBG，分别测量膜片中心与边缘的应变，对温度敏感性进行补偿。传感器在0～1 MPa范围内实现灵敏度1.57 pm/kPa，线性拟合系数达到99.996%，重复性误差小于0.6%，动态压力测量频率范围为0～3 000 Hz，这种传感器可以应用于气体或液体的动态压力测量。2014年，Duraibabu D B等[22]将FBG与外腔式法布里-珀罗干涉仪（EFPI）结合，实现了温度与压力的同步测量，传感器具有良好的稳定性，压力测量实现了0.005 m的分辨率和0.025 m的测量精度。深海海洋测量需要传感器具有较大的量程，天津大学精密仪器与光电子工程学院张伟航[19]等提出一种面向海洋应用的光纤F-P高压传感器，测量范围达到105MPa，满量程测量精度均优于0.100%。

图3 Feng Xu设计的FPI压力传感器

综上所述，光纤压力传感器一般基于相位或波长调制，能够具有比较高的灵敏度和较大的测量范围。光纤光栅的压力传感器在实现波分复用与分布式测量方面有独特的优势，并且已经在建筑与安防等领域实现了实用化。存在的问题在于轴向抗拉力极限限制，以及需要兼顾量程与分辨率。随着MEMS技术的发展与材料工艺的进步，基于FPI的大量程压力传感器将更加容易制作与优化结构。充分研究各种光纤器件的性能，合理组合，实现性能互补，是光纤压力传感器发展的又一思路。

2.4 溶解氧传感器

海水的溶解氧浓度能够反映水质生物的状态，直接影响海洋生物的生存环境，所以实时在线检测海水溶解氧浓度十分重要。目前光纤氧传感器大部分是基于荧光猝灭原理，即荧光染料分子（激发态）与氧分子碰撞产生荧光猝灭,可通过测量荧光指示剂荧光强度或者荧光寿命测出溶解氧浓度。

1980年，Peterson J I等[23]设计了测量血液中氧分压的光纤传感器。1992年，Wlothuis R A等[24]研制了一种基于光吸收原理的光纤氧传感器。1999年，Campo J C等[25]研发了基于磷光猝灭的光纤溶解氧传感器。厦门大学的李伟等[26]2001年研制出一种测海水溶解氧浓度的光纤传感器,该器件响应速度快、寿命长，已应用于相关海洋监测研究之中，但需要进一步优化杂散光的影响。2011年，R J Zheng等[27]以电化学发光（ECL）氧传感器为基础提出了一种应用于检测溶解氧的浓度和生化需氧量的方法，当溶解氧浓度范围在1.7～33 mg/L，ECL强度与其线性相关。2012年，南京信息工程大学的肖韶荣等[28]使用高亮度蓝色发光二极管激发红色荧光进行溶解氧含量的测量，并研究激发光频率与信号占空比对传感器性能的影响，实现检测精度0.03 mg/L，检测下限0.3 mg/L，有较好的稳定性和重复性。2017年，赵明富等[29]利用荧光猝灭原理，荧光标记物选用邻啡咯啉钌，研制出的光纤传感器相对荧光强度和溶解氧浓度线性相关，可逆性较好。同时国内还有很多高校、研究所也在研究光纤氧传感器，如山东大学、国家海洋技术中心等。

总体来看，国外对光纤氧传感器的研究水平较高，我国在该领域也逐渐发展起来，并也研制出应用于多方向的相关器件，但传感器性能还有待进一步提升。

2.5 pH值传感器

pH值与海洋大气、水下生物和海水变化之间存在密切联系。传统测量pH值的手段有pH试纸、pH玻璃电极、pH指示剂和电位法等。随着现代科技发展，传统的pH值测量方法越来越不能满足测量需求，如pH试纸只能进行定性测量，pH玻璃电极存在阻抗高、易破损以及体积大等问题。光纤传感器结构紧凑、体积小，能实现高精度定量测量。目前光纤pH传感器主要测量原理有光吸收原理、光反射原理和荧光法。

1980年，Peterson J I等[23]首次设计出光纤pH化学传感器进行生理学研究，从此光纤化学pH值传感器在分析和测量等领域得到迅速发展。2013年，Chiang等[30]提出基于聚乙烯醇/聚丙烯酸(PVA/PAA）混合薄膜的光纤pH值传感器，测量范围为3～6，探测分辨率为0.02 pH unit。2013年，中国计量学院[31]研制出基于PVA/PAA薄膜的反射型光纤PCFI-pH值传感器，该器件中由单模光纤与实芯光子晶体光纤坍塌熔接而成PCFI部分，原理结构图如图4所示，传感器探测灵敏度为0.9 nm/pH unit，探测分辨率为 0.022 pH unit。

图4 反射型PCFI原理结构图及光学显微镜图

2012年，浙江大学何赛灵等[32]设计一种基于吸水性纳米膜光纤pH传感器，该器件灵敏度为0.45 nm/pH，分辨率达0.013 pH unit，响应时间为200 s。2014年，Schyrr B等[33]利用倏逝波检测方法，选溴酚蓝作为pH指示剂，当溶液pH改变，膜的吸收能力也发生变化，倏逝波的强度随之改变，由此可测量出溶液pH。该光纤pH传感器的测量范围是3～9，但精度不高（0.2 pH units），具有可逆性，可连续测量24 h以上。2015年，吉林大学崔洪亮等[34]设计了一种基于表面等离子体（SPR）技术的波长调制pH光纤传感器，结构如图5所示。该pH值传感器的光纤探头采用纤芯直径为400 μm的石英光纤，剥去包层，镀上金膜、金膜反射镜，pH敏感层采用聚丙烯酰胺水凝胶，该传感器的灵敏度为5.51 nm/pH值。2015年，山西大学的王松柏等[35]通过在光纤表面涂覆溴酚蓝涂敷，构建了模式滤光光纤pH传感器。该光纤传感器显示了良好的稳定性和重现性，pH在2.0～8.0范围响应良好，在3.0～6.0间有较好的线性关系。2016年，暨南大学林宇等[36]设计了一种基于水凝胶螺旋式涂覆的长周期光纤光栅pH传感器，结构如图6所示。其测量pH的范围为0～14，透射谱中心波长随着pH值的增大而减小，灵敏度最高可达到148.96 pm/pH，实验结果在光纤光栅pH传感器领域达到了领先水平。

图5 光纤表面等离子体pH值传感器

图6 螺旋式涂敷LPG pH传感器

综合来看，pH光纤化学传感器虽然还存在一些问题，如缺乏新原理、新技术，使得该领域前景不太可观。如果能提出新的原理技术，pH光纤化学传感器就会有巨大的应用前景。

2.6 叶绿素传感器

水质生物的状态参数能够反映海水中浮游植物的时间和空间分布、蕴藏量和变化规律，从而监测赤潮的发生，评价水质。所以，必须实时直接监测海水叶绿素a含量，才能研究海洋复杂的污染情况。传统测浮游植物叶绿素a的方式为现场采样和实验室化学分析（分光光度法或荧光光度法）。光纤荧光传感器不仅有荧光法的优势，还具有光纤传感的特点，其检测原理为：在中心波长为450 nm激励光激励下，叶绿素a会发出峰值在680 nm左右的荧光，监测接收的荧光光强则可测出叶绿素a的浓度。

光纤传感器测量叶绿素a始于1966年Lorenzen[37]首次进行活体内叶绿素连续测量，奠定了走航式不间断监测叶绿素的基础。1973年，Hongsuk H Kim[38]运用机载激光荧光计，首次实现了现场测量海藻的浓度和分布，探测叶绿素a含量的精度达到mg/m3量级。1991年，P Mazzunghi[39]设计出便携式光纤荧光计，只需使用电池供电。2009年，Pena-Vazquez等[40]研制了一种光纤探测器，用3种微藻类生物（D.c.，S.i.，S.s.）测量除草剂含量，仪器测量出叶绿素荧光信号强度得出：D.c.的检测限度为3.6 μg/L，比S.s.的 48 μg/L 和 S.i.的 31.0 μg/L 低，并且这种生物传感器至少可以稳定3周以上。2013年，Eoin O Connell等[41]提出了一种基于光纤传感平台的系统，新型该系统能够检测液体中杂质含量（如叶绿素a和b）的变化，可以放到一个基于Mote的平台实行实时监测水体（如图7所示），实验样品的叶绿素从菠菜中提取。图8为叶绿素a和叶绿素b的可见光吸收光谱。

图7 Eoin O’Connell等搭建的传感平台示意图

图8 叶绿素a和b的可见光吸收光谱

通过调研发现，虽然国外进行了大量在线测量水体浮游植物浓度的研究工作，但有关运用光纤技术进行现场走航测量方面的并不多。国内在该方面的研究始于20世纪80年代末。1990年，国家海洋局青岛海洋研究所[42]首次成功设计出海水叶绿素a现场测量仪。燕山大学对光纤荧光海水叶绿素a浓度测量的研究较多。2001年，王玉田和郑龙江[43]用弱光信号检测技术的现场监测海水叶绿素a浓度系统，实现海藻浓度的在线测量，这一方案融合了荧光测量法与光纤传感技术。2003年，金海龙等[44]提出基于RBF网络的光纤荧光海水叶绿素a含量在线监测系统，后又研制出一种便携式全光纤海藻叶绿素a浓度测量仪[45]，配合有效的微弱信号检测技术，实现检出限0.001 mg/L，精确度1.2%F.S。

由此看出，近年来我国在光纤传感器测量叶绿素这一领域研究甚少，还有一些问题亟待解决。随着光纤传感技术不断发展，可以预见，光纤传感技术会在海水浮游植物叶绿素的测量方面大有所为。

2.7 水听器

声波是目前唯一可靠的水下信息传输载体，二战后受到反潜技术的推动，水声技术得到长足发展。作为一种用于接收水下声信号的“耳朵”，水听器是被动声呐系统的核心部分。1977年问世的光纤水听器的声压灵敏度是传统压电陶瓷水听器的1 000倍，并具有很强的抗干扰能力。同时，由于光纤传感器采用光信号进行信息传输，因此十分有利于构建全光纤水听器声呐阵列，是实现未来水声探测和数据传输一体化的很好选择。

2007年 Onur Kilic等[46]用间距约 15 μm 的光子晶体板与镀有金属涂层或电解质涂层的光纤端面构成FPI光纤水听器，探测频率可达50 kHz，在30 kHz处最小可探测压力为18 μPa/，水听器结构如图9所示。2011年，Onur Kilic等[47]将这种水听器探测范围扩大到100 Hz～100 kHz，最小可探测压力为 12 μPa/。2017年，Bin Liu等[48]首次提出适于监测微弱信号的基于隔膜的长腔FPI水听器，2 kHz处相位灵敏度约-140 dB/rad/μPa。传感器结构示意图如图10所示。

图9 Onur Kilic等设计的光子晶体FPI光纤水听器结构示意图

图10 Bin Liu等设计的长腔FPI水听器

1997年N Takahashi等[49]最先提出光纤布拉格光栅（FBG）光纤水听器。2011年，Massimo Moccia等[50]提出了一种基于环形涂层光纤布拉格光栅的共振水听器，将可调谐激光器工作波长锁定在光栅响应的线性边缘上，通过检测声压引起的光纤光栅布拉格波长偏移，获得约10 MPa/的最小可检测声信号和良好的线性度。分布反馈式光纤激光器（DFB）[51]则进一步解决了FBG水听器存在的带宽与信噪比限制，在实现高功率窄线宽的激光输出的同时能够缩短腔长。2011年，Bai-Ou Guan[52]进一步改进先前提出[53]的基于双偏振光纤光栅激光器和隔膜的新型光纤水听器，通过将水听器内部与外界联系在一起，实现弹性隔膜两侧静态压力平衡，达到传感器对静态流体压力的灵敏免疫的目的。2013年，Rizhong Li等[54]构建64元空间分复用寻址光纤激光水听器阵列。

相位调制型光纤水听器将高声压灵敏度高与复用能力相结合，仍然是研究热点，但需要在结构、材料、制作工艺上做进一步研究，提高传感器的实用化水平。基于DFB光纤激光器结构的光纤水听器具有高功率窄线宽输出的特性，十分利于构建光纤水听阵列，未来一段时间仍然是研究的重点。将无指向性的光纤声压传感器与质点振速传感器结合，搭建光纤矢量水听器[55]，是目前水听器研究的前沿领域。可以预见，光纤水听器在未来水声探测领域会有更深入的发展，在构建高性能声呐、阵列声呐、水声安防等方面会有重要应用。

3 总结与展望

光纤传感已在建筑工程方面得到了应用，如桥梁、大型建筑等，这证明了光纤传感器的灵敏性与可靠性。由此看出，光纤传感器具备应用于海洋探测的潜在能力。海洋探测技术的发展正朝着小型化、多参数化、模块化、智能化、可视化、大深度化以及创新化方向发展，这对海洋观测传感器提出了更高的要求。光纤传感器体积小、结构紧凑、抗腐蚀、抗电磁干扰、易于组网与复用，在实时在线检测与无线传感网络构建方面有着独特的优势。

但是,实现面向海洋应用的光纤传感器实用化，仍然有很长的路要走。光纤自身对温度与压力的敏感性，是光纤应用于温度与压力传感领域的天然优势。实现温度测量灵敏度与传感器保护的平衡是实现温度传感器走向实用的重要一步，这也有赖于材料与制造工艺的进步。同时，采用合理的方式解决温度与压力的交叉敏感问题也是科研工作者的重要研究方向。现有的盐度传感器需要改进传感原理以实现传感器的稳定性和耐用性，这是实现海洋盐度测量的重要一步。溶解氧传感器在测量过程中，传感膜可能会被周围杂质污染，影响其传感能力，对此需要相应措施来恢复传感膜的传感功能。另外，还要继续研究荧光指示剂的固定方法，避免测量时荧光指示剂的渗漏。目前，国内外对pH光纤传感器的研究已有很多，但缺乏新技术与原理，有待进一步提升。对于荧光光纤系统测量海水中的叶绿素，需要有效减少光纤损耗、光源不稳定、背景噪声等方面对测量结果的影响。光纤水听器是目前水声传感研究领域的重要方向。基于DFB光纤激光器结构的光纤水听器具有高功率、窄线宽的特点，是未来发展的一个重要方向。而光纤矢量水听器能够同时获得声压信息与位置信息，也是现在的前沿领域。

在海洋探测需求与技术发展的推动下，海洋环境观测可视化也是未来重要发展方向之一。目前，各种水下观测平台，如潜水艇、水下遥控机器人、水下滑翔机以及海洋浮标Argo[56]等大量出现，对水下成像技术提出新要求。基于以往的电子设备进行水下成像，面临着能耗高、工作时间短、信号传输困难、以及设备体积庞大、成本昂贵等问题。根据已经有商用石英光纤在可见光波段的损耗最低可以优化到约0.03 dB/m,提出一种光纤照明与光纤成像系统，有望实现水下部分不依赖电源，达到可视观察、水下定位的目的。该系统具有结构简单可靠、布放便捷、获取信息迅速、抗干扰能力强、工作时间长等特点，在与图像处理传输设备结合的情况下，便于信息的集中处理，对于水下资源观测、水下安防、水下检测等有实际应用价值。

4 结束语

光纤传感器具有很多独特的优势，十分适用于恶劣的海洋探测环境。近年来，光纤传感面向海洋的温度、盐度、压力、叶绿素、溶解氧、pH值以及水听器的研究有很大发展。本文综述了近年来光纤传感在海洋探测方面的最新进展，分析了其主要原理与应用特点，并与传统的海洋传感器进行了比较，最后探讨了光纤海洋传感的发展方向，提出了海洋探测可视化的设想。可以预见，加强面向海洋的光纤传感器研究，对于构建我国海洋环境监测光纤传感系统、开展海洋科学研究、维护海洋权益有重要的现实意义。

[1]赵强.基于光纤光栅的海洋温盐深探测技术研究[D].长春：长春理工大学,2013.

[2]朱心科,金翔龙,陶春辉,等.海洋探测技术与装备发展探讨[J].机器人,2013,35(3):376-384.

[3]李媛.全固态海洋传感器电化学噪声性能研究[D].西安：西安电子科技大学,2010.

[4]张国顺.光纤传感技术[M].北京：水利电力出版社,1988.

[5]胡朋兵.基于模间干涉的光纤生化传感器研究[D].北京：中国计量学院,2013.

[6]马林,刘祥.温度传感器的应用技术[J].电气传动自动化,2012,34(3):44-45

[7]李星蓉,李永倩.测量海水温度分布的光纤光栅传感系统研究[J].华北电力大学学报:自然科学版,2011,38(2):80-83.

[8]张登攀,王瑨,王永杰.光纤光栅海洋温度传感器的快速响应特性[J].光电工程,2015,42(3):7-12.

[9]YangH,WangS,WangX,et al.Temperature sensingin seawater based on microfiber knot resonator.[J].Sensors,2014,14(10):18515.

[10]Liu G,Han M,Hou W.High-resolution and fast-response fiber-optic temperature sensor using silicon Fabry-Pérot cavity[J].Optics Express,2015,23(6):7237.

[11]Wang X,Yang H J,Wang S S,et al.Seawater Temperature Measurement Based on a High-Birefringence Elliptic Fiber Sagnac Loop[J].IEEE Photonics TechnologyLetters,2015,27(16):1772-1775.

[12]信思金,柴伟.光纤Bragg光栅温度传感器封装方法研究[J].传感器与微系统,2004,23(4):10-12.

[13]ZhaoY,LiaoY.Novelopticalfibersensorforsimultaneousmeasurementoftemperatureand salinity[J].Sensors&ActuatorsBChemical,2002,86(1):63-67.

[14]Robinson S,Nakkeeran R.Photonic Crystal based sensor for sensing the salinity of seawater[C]//International Conference on Advances in Engineering,Science and Management.IEEE,2012:495-499.

[15]WangS,YangH,LiaoY,et al.High-Sensitivitysalinityand temperature sensingin seawater based on a microfiber directional coupler[J].IEEE Photonics Journal,2016,8(4):1-9.

[16]Wu C,Guan B O,Lu C,et al.Salinity sensor based on polyimide-coated photonic crystal fiber[J].Optics Express,2011,19(21):20003.

[17]XingL,ZhengY,Sun Y,et al.Optical fiber sensor determination ofthe water salinity based on surface plasmon resonance[J].红外与激光工程,2015,44(4):1290-1296.

[18]Lu P,Harris J,Xu Y,et al.Simultaneous refractive index and temperature measurements using a tapered bend-resistant fiber interferometer[J].Optics Letters,2012,37(22):4567.

[19]张伟航,江俊峰,王双,等.面向海洋应用的光纤法布里-珀罗高压传感器[J].光学学报,2017(02):51-59.

[20]Xu F,Ren D,Shi X,et al.High-sensitivity Fabry–Perot interferometric pressure sensor based on a nanothick silver diaphragm[J].Optics letters,2012,37(2):133-135.

[21]HuangJ,Zhou Z,Wen X,et al.Adiaphragm-type fiber Bragggratingpressure sensor with temperature compensation[J].Measurement Journal ofthe International Measurement Confederation,2013,46(3):1041-1046.

[22]Duraibabu D B,Poeggel S,Omerdic E,et al.Novel miniature pressure and temperature optical fibre sensor based on an extrinsic Fabry-Perot Interferometer(EFPI)and Fibre BraggGratings(FBG)for the Ocean environment[C]//Sensors,IEEE,2014:394-397.

[23]Peterson J I，Goldstein SR，Fitzgerald R V.Fiber Optic PH Probe for Physiological use[J].Anal Chem，1980，52：864-869.

[24]Wolthuis R A，David McCrae，Elric Saaski，et al.Development of a Medical Fiber-Optic pH Sensor Based on Optical Absorption[J].Biomedical Engineering，IEEE Transcactions on，1992，39（5）：531-537.

[25]J C Campo，M A Perez，M Gonzalez，et al.An Optrode Type Sensor to Measure Dissolved Oxygen in Water[J].IEEE，1999：1537-1540.

[26]李伟，庄峙厦，王小如，等.基于荧光猝灭原理的光纤化学传感器在线监测水中溶解氧 [J].北京大学学报:自然科学版，2001，37（2）：226-230.

[27]ZhengR J,FangYM,Qin SF,et al.Adissolved oxygen sensor based on hot electron induced cathodic electrochemiluminescence at a disposable CdSmodified screen-print carbon electrode[J].Sensors&Actuator BChemical,2011,157(2):488-493.

[28]肖韶荣，周冬秋.光纤溶解氧传感器特性研究[D].南京：南京信息工程大学，2012.

[29]赵明富，周慧，李成成，等.基于荧光猝灭原理的塑料光纤溶解氧传感器[J].光电器件，2017,38(1):26-29.

[30]Chiang C C,Hsu C H,Ou C H.pH Value Detection with CLPFG Sensor[J].Applied Mechanics&Materials,2013,284-287:2157-2161.

[31]董新永，胡朋兵.基于模间干涉的光纤生化传感器研究[M].中国计量学院，北京：2013.

[32]何赛灵，顾波波.新型结构光纤传感器及其应用研究[D].杭州：浙江大学，2012.

[33]Schyrr B,Pasche S,Scolan E,et al.Development ofa polymer optical fiber pH sensor for on-body monitoring application[J].Sensors&Actuators BChemical,2014,194(4):238-248.

[34]崔洪亮，李婷婷.光纤表面等离子体pH值传感器的研究[D].长春：吉林大学，2015.

[35]王松柏，成文萍，双少敏.基于溴酚蓝修饰的模式滤光光纤pH传感器[J].山西大学学报：自然科学版，2015，38（3）：506-510.

[36]陈舜儿，林宇.长周期光纤光栅pH传感器的研究[D].广州：暨南大学，2016.

[37]Lorenzen CJ.Amethod for the continuos measurement ofin vivochlorophyll-a concentration[J].Deep Sea Res,1996（13）：223-227.

[38]H Kim Hongsuk.New Algae Mapping Technique by the Use of an Airborne Laser Fluorosensor[J].Appl Optics,1973,12（7）：1454-1459.

[39]P Mazzunghi.AFiber Fluorometer for Field Measurement ofChlorophyll Fluorescence[J].SPIE,1991（1510）：187-194.

[40]Pena VazquezE，ManeiroE，PerezConde C，et al.Biosens[J].Bioelectron,2009，24，3538.

[41]Eoin O Connell，Michael Healy，Sinead O Keeffe，et al.A mote interface for fiber optic spectral sensing with real-time monitoring of the marine environment[J].IEEE SENSORS，2013.

[42]夏达英，王振先，夏敬芳,等.海水叶绿素a现场测量仪研究[J].海洋与湖沼,1997,28（4）：433-439.

[43]王玉田，郑龙江.光纤式海藻叶绿素a浓度的荧光测量理论与实验研究[D].秦皇岛：燕山大学，2001.

[44]王玉田,汪翔,金海龙.基于RBF网络的光纤荧光海水叶绿素a含量在线监测系统的研究 [J].光学与光电技术,2003,1(5):26-29.

[45]金海龙,汪翔,王玉田.便携式全光纤海藻叶绿素a浓度测量仪的研究[J].自动化与仪表,2004,19(1):23-25.

[46]Kilic O,Digonnet M,Kino G,et al.External fibre Fabry Perot acoustic sensor based on a photonic-crystal mirror[J].Measurement Science&Technology,2007,18(10):3049.

[47]Kilic O,Digonnet M J,Kino G S,et al.Miniature photonic-crystal hydrophone optimized for ocean acoustics[J].Journal of the Acoustical SocietyofAmerica,2011,129(4):1837.

[48]Liu B,Lin J,Liu H,et al.Diaphragm based long cavity Fabry-Perot fiber acoustic sensor using phase generated carrier[J].Optics Communications,2017,382:514-518.

[49]Takahashi N,Hirose A,Takahashi S.Underwater Acoustic Sensor with Fiber BraggGrating[J].Optical Review,1997,4(6):691-694.

[50]Moccia M,Consales M,Iadicicco A,et al.Resonant Hydrophones Based on Coated Fiber Bragg Gratings[J].Journal of Lightwave Technology,2012,30(15):2472-2481.

[51]Li R,Wang X,Huang J,et al.Spatial-division-multiplexing addressed fiber laser hydrophone array[J].Optics letters,2013,38(11):1909.

[52]Tan Y N,Zhang Y,Guan B O.Hydrostatic Pressure Insensitive Dual Polarization Fiber Grating Laser Hydrophone[J].Sensors Journal IEEE,2011,11(5):1169-1172.

[53]Guan BO,Tan YN,TamH Y.Dual polarization fiber gratinglaser hydrophone.[J].Optics Express,2009,17(22):19544-19550.

[54]Li R,Wang X,Huang J,et al.Spatial-division-multiplexing addressed fiber laser hydrophone array.[J].Optics letters,2013,38(11):1909.

[55]Jin M,Ge H,ZhangZ.The optimal design ofa 3Dcolumn type fiber-optic vector hydrophone[C]//Ocean Acoustics，IEEE,2016:1-5.

[56]陈鹿,潘彬彬,曹正良,等.自动剖面浮标研究现状及展望[J].海洋技术学报,2017(2)：1-9.

Research Progress of Fiber-Optical Sensors for Ocean Sensing and Detection

CHEN Yang,CHEN Ai-chen,SHEN Xiang,DAI Bin,LI Jin-yan,YANG Lv-yun,DAI Neng-li
Wuhan National Laboratory for Optoelectronics,Huazhong University of Science and Technology,Wuhan 430074,Hubei Province,China

Ocean has an essential role in supporting human survival and development.Therefore,many countries in the world attach increasing significance to the progress of various marine detection technologies,and many efforts have been made globally to press ahead related programs.At the same time,the optical fiber sensor has been widely applied in aerospace,marine sector,nuclear industry,medical treatment,oil drilling,power transmission,scientific research and many other fields.This paper systematically reviews the principle,structure and development of hydrophones,covering temperature,pressure,salinity,chlorophyll,pH,dissolved oxygen and fiber optic types,concentrates on the latest research progress,and compared with the traditional measurement methods.Finally,the future development direction of optical fiber marine sensors is discussed to reach a conclusion that fiber optic sensors will be soon making breakthroughs and realize commercialization in the field of temperature,pressure,chlorophyll and hydrophone.This paper also puts forward the new research direction of optical fiber ocean exploration.

optic fiber;optic fiber sensor;ocean exploration;ocean monitoring;ocean science

TP212

A < class="emphasis_bold">文章编号：1

1003-2029（2017）05-0001-10

10.3969/j.issn.1003-2029.2017.05.001

2017-06-16

国家自然科学基金资助项目（61378070，51672091）

陈阳（1993-），男，硕士研究生，主要从事光纤制备与光纤传像研究。E-mail：cy_thc@hust.edu.cn

戴能利（1970-），男，博士，研究员，主要从事光子晶体光纤技术、超宽带放大与高功率激光光纤、新型光纤器件的研究工作。E-mail：dainl@hust.edu.cn