張　旭，王永杰，魏傳杰，任　強，馮　盼，李　超，李　芳，薄報學(xué)

（1.長春理工大學(xué)，吉林　長春 130022；2.中國科學(xué)院半導(dǎo)體研究所，北京 100083；3.中國科學(xué)院海洋研究所，山東　青島 266071）

直讀拖曳式光纖光柵溫度剖面測量系統(tǒng)

張旭1，王永杰2*，魏傳杰3，任強3，馮盼2，李超2，李芳2，薄報學(xué)1

（1.長春理工大學(xué)，吉林長春 130022；2.中國科學(xué)院半導(dǎo)體研究所，北京 100083；3.中國科學(xué)院海洋研究所，山東青島 266071）

針對我國對海水溫度剖面的測量需求，在分析已有方法優(yōu)缺點的基礎(chǔ)上提出了一種新的方法——光纖溫度剖面連續(xù)測量系統(tǒng)。此測量系統(tǒng)以光纖光柵傳感器為測量單元，采用波分復(fù)用的方式串接在一起組成船載拖曳鏈，再通過甲板上的解調(diào)終端實時顯示所測物理參量，從而實現(xiàn)分布式實時測量。這種方法能夠以低成本快速高效獲得高分辨率的海水溫度剖面分布情況，為海洋探測提供豐富有效的數(shù)據(jù)。課題組設(shè)計制作了拖曳鏈系統(tǒng)的甲板機及60 m長的拖曳鏈，并在青島近海進行了拖曳海試，實時獲取了試驗數(shù)據(jù)，達到了預(yù)期效果。

光纖布拉格光柵；溫度測量；拖曳鏈；直讀；比測

海水溫度是海洋最基本的物理參數(shù)，觀測海水溫度隨深度的變化可以為海洋科學(xué)研究提供基本的數(shù)據(jù)資料，具有廣泛的應(yīng)用價值［1-2］。當(dāng)前，獲取海水溫度剖面主要有如下形式，且各有利弊。首先是最常規(guī)的直讀式測量，該方法利用調(diào)查船出海進行定點的直讀式CTD［3-5］測量，該方法需要停船測量，測量精度高但消耗船時較多；其次是投棄式溫深剖面儀XBT［6-7］，該方法不需要停船即可快速獲取溫度剖面，節(jié)約了船時，但該類傳感器一般精度低，且傳感器作為一次性設(shè)備大量的消耗，使用費用高；再次是潛標(biāo)或浮標(biāo)型［8-9］，該方法可以長期獲取數(shù)據(jù)，但只是獲取某一測點長期的數(shù)據(jù)，且長期的測量數(shù)據(jù)存在意外完全丟失的風(fēng)險；最新的測試方法是拖曳式傳感器［10-11］，如MVP［12-13］、UCTD等，但該方法僅有一個溫度傳感器，獲取的溫度剖面空間分辨率不高。

本文提供一種隨船運動測量的拖曳溫度鏈系統(tǒng)，該系統(tǒng)主要采用光纖傳感器技術(shù)，發(fā)揮光纖傳感器本征絕緣、成本低廉、便于規(guī)模組陣、濕端無電無功耗等特點。該系統(tǒng)由光纖光柵溫度傳感器采用波分復(fù)用［14］的方式串接在一起實現(xiàn)分布式測量［15-16］，可以隨船運動實時獲取高時空分辨率的溫度剖面，從而規(guī)避上述各溫度剖面獲取方法的弊端，高效、快捷、低成本地獲取高分辨率溫度剖面。

本文研制了拖曳鏈系統(tǒng)的甲板機及60 m長的拖曳鏈，并在青島近海進行了拖曳海試，實時獲取了試驗數(shù)據(jù)，取得預(yù)期成果。

1　系統(tǒng)構(gòu)成

1.1系統(tǒng)總體構(gòu)成

整個溫度拖曳鏈系統(tǒng)示意圖如圖1所示，該系統(tǒng)包含甲板單元和水下單元兩大部分。其中水下單元是系統(tǒng)的核心，包含8支光纖溫度傳感器，其中光纖溫度傳感器以5 m的間距等間隔方式串聯(lián)成鏈，并在底部懸掛鉛魚以降低纜深比；甲板單元主要有絞盤、解調(diào)終端等，其作用分別是溫度鏈的收納釋放、信號解調(diào)及顯示。在船舶行進中，系統(tǒng)可拖曳溫度鏈實現(xiàn)溫度實時測量，得到一定深度水域的溫度剖面分布情況。

圖1　光纖溫度剖面連續(xù)測量系統(tǒng)示意圖

1.2光纖溫度傳感器

光纖光柵溫度傳感器是利用光纖光柵的中心波長會受外界環(huán)境參量調(diào)制而研制的。光纖溫度傳感器進行了溫度增敏、壓力減敏的相關(guān)封裝處理，光纖溫度傳感器的標(biāo)定按照GB/T 23246-2009進行，藉由恒溫水浴槽完成。測試完成后通過建立二次函數(shù)模型y=ax2+bx+c來描述溫度與波長的一一對應(yīng)關(guān)系，再根據(jù)Levenberg-Marquardt算法求出a，b，c的值并繪制擬合曲線。實踐表明，通過這種方法可以提高標(biāo)定的準(zhǔn)確性。其中兩支光纖溫度傳感器標(biāo)定結(jié)果如圖2所示（標(biāo)準(zhǔn)溫度傳感器的型號為SBE56）：

圖2　光纖溫度傳感器標(biāo)定數(shù)據(jù)處理結(jié)果

試驗中所使用的光纖溫度傳感器通過特殊設(shè)計封裝消除了海水壓力以及外界應(yīng)力變化對其的影響，具有良好的抗震、抗顫能力。同時，通過采用特殊合金對傳感器進行鎧裝保護，使得傳感器的耐腐蝕能力得到顯著提高，滿足長期海上測量的要求。光纖溫度傳感器靈敏度為27 pm/℃，響應(yīng)時間為180 ms，靜態(tài)標(biāo)定精度達到0.01℃，達到國家二級技術(shù)指標(biāo)，在用于海水溫度測量的光纖傳感器中處于領(lǐng)先水平。光纖溫度傳感器實物如圖3所示。

圖3　光纖溫度傳感器實物圖

所有的光纖傳感器的系數(shù)都可以通過上述方法確定，然后將這些對應(yīng)關(guān)系式存儲到數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)。在實際測量時通過光纖溫度傳感器反饋的中心波長就可以直接讀出溫度。在標(biāo)定過程中通過篩選示值誤差小、穩(wěn)定性能好的傳感器組建陣列，進而提高系統(tǒng)測量的準(zhǔn)確性。

1.3甲板單元

試驗中甲板上的光纖光柵解調(diào)儀［17］作為本套測量系統(tǒng)的解調(diào)終端，要解調(diào)出光纖傳感器所測物理量參數(shù)，加以顯示并存儲。此光纖光柵解調(diào)儀解調(diào)精度為1 pm，分辨率為0.1 pm，采樣率為1 Hz，樣機實物如圖4。

圖4　解調(diào)儀樣機實物圖

且部分技術(shù)指標(biāo)優(yōu)于國際同類機型（美國MOI SM125），機器噪聲圖對比如圖5所示。

圖5　研制解調(diào)儀樣機24 h測試結(jié)果同MOI穩(wěn)定1.5 h對比圖

此解調(diào)儀多次圓滿完成標(biāo)定測試任務(wù)，可長期穩(wěn)定工作，滿足長期海上測試任務(wù)的要求。

2　試驗與數(shù)據(jù)分析

于2015年4月在青島近海進行了傳感鏈的拖曳海試試驗。由于試驗海域深度較淺，所以僅有最下邊40 m拖曳鏈入水工作（包含6只傳感器），海試過程拖曳速度為5 kn，7 kn，9 kn。試驗過程中為了確定拖曳鏈上各傳感器工作時的可靠性，在每個光纖傳感器附近均綁有SBE56溫度傳感器以作為實驗比對參照。

圖6　實驗海域（左）與現(xiàn)場（中）、比對傳感器SBE56安裝方式（右）

圖7 拖曳中的傳感鏈

圖8是兩對光纖溫度傳感器同SBE56溫度傳感器在拖曳過程中的測溫曲線（橫軸為時間，縱軸為溫度值）：

圖8　#34光纖溫度傳感器同相應(yīng)SBE56傳感器在拖曳過程中的比測圖

圖9　#59光纖溫度傳感器同相應(yīng)SBE56傳感器在拖曳過程中的比測圖

圖8同時給出了#34光纖溫度傳感器與對應(yīng)比測傳感器SBE56測量誤差的數(shù)據(jù)分析結(jié)果，其誤差平均值為0.007，標(biāo)準(zhǔn)差為0.070 8。圖9同時也給出了#59光纖溫度傳感器測量誤差的數(shù)據(jù)分析結(jié)果，其誤差平均值為-0.016 8，標(biāo)準(zhǔn)差為0.202 7。由圖8～圖9可知，光纖溫度傳感器在拖曳過程中溫度測量準(zhǔn)確，與SBE56溫度傳感器測得的溫度值一致性較強。溫度傳感器所測溫度值具有明顯的階段性，且變化恰好與航速改變時間一致，這說明航速改變時拖曳鏈在水下姿態(tài)也發(fā)生改變。#34光纖溫度傳感器在航速穩(wěn)定時溫度發(fā)生突變，這可能是由于此深度層洋流交錯匯聚導(dǎo)致此層水溫在不同地方變化較大。

航速不同時，拖曳鏈姿態(tài)不同，傳感器所處深度不同，所以將不同航速時的溫度分布情況分開繪圖更具有可比性，同時這樣也能觀察到更多的細節(jié)。

海試過程獲得的數(shù)據(jù)如圖10～圖12所示（橫軸為時間，縱軸為6個溫度傳感器的相對位置）：

圖10　5 kn船速時的溫度分布圖對比

圖11　7 kn船速時光的溫度分布圖對比

圖12　9 kn船速時的溫度分布圖對比

從溫度分布圖中可以看出，不同深度海水溫度不同，相同深度不同地方的海水溫度不同，這可能是由于本片海域海水流向復(fù)雜、互相交疊匯聚導(dǎo)致。圖中不少時刻出現(xiàn)了溫度躍變，可見該拖曳鏈可及時響應(yīng)溫度變化，能夠準(zhǔn)確測量發(fā)現(xiàn)溫度斷層。根據(jù)溫度分布圖的對比可以看出，拖曳鏈上每一處光纖溫度傳感器所測得的溫度值與參照溫度傳感器SBE56測得的溫度值一致性都比較好，從而驗證了光纖溫度拖曳鏈整體性能的可靠性，證明了光纖溫度拖曳鏈具有實用價值。

3　討論

3.1試驗結(jié)果

通過本次海上拖曳試驗，獲得了海上試驗寶貴的數(shù)據(jù)資料，驗證了光纖溫度剖面連續(xù)測量系統(tǒng)的實際應(yīng)用效果，試驗表明光纖溫度拖曳鏈技術(shù)指標(biāo)達到了設(shè)計要求。

在整個試驗過程中，在惡劣海況下甲板晃動和振動以及大風(fēng)、鹽霧、暴曬等惡劣環(huán)境下，光纖溫度剖面拖曳測量系統(tǒng)整體沒有發(fā)生嚴重故障，表明系統(tǒng)具有一定的可靠性。

3.2存在的問題

在海上試驗中，發(fā)現(xiàn)了光纖溫度剖面連續(xù)測量系統(tǒng)還存在如下問題：

（1）甲板設(shè)備在快捷安裝、操作方便和全天候工作等方面需要改進提高，以滿足實際使用中對光纖溫度剖面連續(xù)測量系統(tǒng)快捷、可靠的要求；

（2）海試拖曳鏈系統(tǒng)長度較短，導(dǎo)致采集到的數(shù)據(jù)量有限；

（3）試驗中沒有溫度傳感器準(zhǔn)確的深度信息，只有相對位置，無法將所測得的溫度信息與深度聯(lián)系起來。

因此，需要從以下方面進一步完善：

（1）光纖溫度剖面連續(xù)測量系統(tǒng)甲板設(shè)備小型化、自動化和優(yōu)化設(shè)計改進；

（2）拖曳鏈系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)已掌握，下次試驗可采取主干纜連接方式將數(shù)段拖曳鏈連接在一起，以延長拖曳系統(tǒng)長度；

（3）選擇較深海域進行試驗，使得試驗設(shè)備能夠充分發(fā)揮效果，得到更好的試驗結(jié)果；

（4）下次試驗加入壓力傳感器，以獲取溫度傳感器深度的準(zhǔn)確數(shù)值，提高所測溫度信息的實用價值。

4　結(jié)語

從本次海上試驗來看，光纖溫度剖面連續(xù)測量系統(tǒng)適用于在船舶走航時快速、經(jīng)濟地獲取高水平密度、較精細的上層海洋溫度剖面數(shù)據(jù)資料。由于光纖溫度剖面連續(xù)測量系統(tǒng)具有快速、經(jīng)濟、穩(wěn)定、安全、適用性強的特點，作為新型海洋調(diào)查設(shè)備，在研究海洋鋒面、黑潮等領(lǐng)域有廣泛的應(yīng)用價值。

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Direct-Reading Temperature Profile Measuring System with Towed Fiber Bragg Grating Sensor

ZHANG Xu1，WANG Yong-jie2，WEI Chuan-jie3，REN Qiang3，F(xiàn)ENG Pan2，LI Chao2，
LI Fang2，BO Bao-xue1
1.Changchun University of Science and Technology，Changchun 130022，Jilin Province，China；
2.Institute of Semiconductors，Chinese Academy of Sciences，Beijing 100083，China；
3.Institute of Oceanology，Chinese Academy of Sciences，Qingdao 266071，Shandong Province，China

In order to meet China's demand for seawater temperature profile measurement，this paper proposes a new approach:the continuous measurement system of temperature profile based on fiber bragg grating sensor after analyzing the advantages and disadvantages of existing methods.In this measurement system，the fiber grating sensors serve as measurement units，which are connected into the shipborne dragging chain by the method of wavelength division multiplexing.Then the measured physical parameters can be displayed in a real-time way through the demodulation terminal on the deck，thus realizing distributed real-time measurement.With this method，the authors can obtain high-resolution seawater temperature profile with higher efficiency and lower costs，providing abundant and effective data for ocean survey.The research team designed and fabricated the deck machinery and a 60-m long dragging chain of the drag chain system，and carried out testing experiments in Qingdao offshore area for obtaining real-time experimental data，which has proved the expected outcomes.

fiber bragg grating；temperature measurement；drag chain；direct reading；comparative tests

TN929.11；P71

A

1003-2029（2016）01-0041-05

10.3969/j.issn.1003-2029.2016.01.006

2015-08-07

中國科學(xué)院戰(zhàn)略性先導(dǎo)科技專項資助項目-熱帶西太平洋海洋系統(tǒng)物質(zhì)能量交換及其影響（XDA11040201，XDA11040202）；國家自然科學(xué)基金資助項目（41276094）

張旭（1991-），碩士研究生，主要研究方向為光纖傳感在海洋領(lǐng)域的應(yīng)用。E-mail:zx191@semi.ac.cn

王永杰（1979-），博士，副研究員。E-mail：wyj@semi.ac.cn