本發明涉及一種投棄式海水溫深剖面測量領域，特別是涉及一種投棄式全光纖海水溫深剖面傳感器的制作方法。

背景技術：

船載投棄式溫度剖面測量儀(Expendable Bathy Thermograph，XBT)是海洋溫深度測量的重要儀器，對獲得的海洋水文數據對于氣候變化、物理海洋學及軍事研究有重要的意義，因此受到極大關注。然而，傳統XBT探頭的溫度敏感元件一般采用熱敏電阻，存在嚴重的熱電非線性問題；深度數據則是由探頭下落速度和時間代入深度計算公式估算而來，并非精確測量的結果。由于海流等的影響，探頭在水下的運動具有不可預測性，計算獲得的深度數據與實際深度數據往往相差較大。此外，水下探頭內置測量電路和電池，存在漏水漏電造成探頭失效的問題。

光纖光柵傳感器是利用光纖光柵中心波長與外界環境參數成一定的函數關系的原理，通過探測波長的變化從而獲得外界環境參數的一種傳感器。由于光纖光柵傳感是對光的波長進行檢測，光強起伏對傳感量(波長)沒有影響，抗干擾能力強，靈敏度高，體積小，本征絕緣等優點。

國家海洋技術中心提出一種光學投棄式海洋溫度深度剖面測量探頭，并申請了專利(申請號：201510191680.4)。根據其說明書中[0005]、[0018]和[0034]段的描述，可以推斷該專利中感溫和感深光柵均采用了光纖布拉格光柵(Fiber Bragg Gratings：FBG)。另外，七一五研究所也提出過一種消耗性光纖溫深探頭(申請號：201110032997.5案件狀態：逾期視撤失效)，其溫度敏感元件為FBG。典型的FBG溫度靈敏度為10pm/℃，按照±1pm解調精度計算，基于FBG的溫度傳感器精度僅為±0.1℃。

技術實現要素：

本發明目的是提供一種投棄式全光纖海水溫深剖面傳感器，以克服現有技術的上述不足。

一種投棄式全光纖海水溫深剖面傳感器，其特征在于包括防護罩和安裝在防護罩內的全光纖溫深傳感器，所述全光纖溫深傳感器包括測量海水溫度的鍍增敏膜的長周期光纖光柵(Long period fiber gratings：LPG)，測量海水深度的FBG，以實現對海水溫深度剖面的高靈敏度和分別獨立測量；利用光纖熔接機依次將光纖端面反射鏡、鍍增敏膜的LPG、FBG以及下纖軸一端進行連接，并分別在鍍增敏膜的LPG與FBG的兩側選擇連接點，通過連接點將上述光纖海水溫深度核心敏感元件粘接在固定支架的突出部上，所述下纖軸另一端與上纖軸一端相連；上纖軸另一端與3dB耦合器相連，3dB耦合器的另外兩個端口分別與寬帶光源和高精度光纖光柵快速解調模塊相連；所述LPG的增敏膜是先鍍一層銀膜增敏，再鍍一層鈍化膜以對增敏膜進行防氧化保護；上述光FBG和LPG的波段范圍分別設計為1510～1550nm和1550～1590nm，有效避免了FBG和LPG間的信道串擾。

為防止光纖布拉格光柵和長周期光纖光柵之間出現包層模式再耦合的現象，兩器件間距應大于2cm；光纖端面反射鏡的反射率在30-90％為宜。

所述全光纖探頭保護罩為流線型設計，并帶3片尾翼。

本發明中，LPG的周期為幾十到幾百微米，能夠將導波中某頻段的光耦合到光纖包層中損耗掉，是一種透射型光纖器件。從模式耦合機理來看，FBG是前向傳輸的基模與后向傳輸的一階各次芯模之間的耦合；而LPG是前向傳輸的基模與同向的一階各次包層模式之間的耦合。因此LPG對于溫度、應力、外界折射率等環境參數的敏感性要遠高于一般的光纖光柵。

本發明的投棄式全光纖海水溫深剖面傳感器采用LPG進行溫度測量，以獲得測量精度高、速度快的效果。LPG耦合的相位匹配條件

β_co-β_cl^(p)＝2π/Λ (1)

其中β_co和β_cl^(p)分別為光纖傳輸基模HE₁₁和包層模HE_1p的傳播常數，Λ為光柵的周期。由于導模和包層模的傳播常數都是波長的函數，所以在LPG中，導模可以和幾個包層模在不同波長滿足相位匹配條件，從而使得光波可以從導模被耦合到幾個包層模，而耦合到包層模的功率將很快衰減掉。在寬帶光源入射的條件下，輸出光譜上將出現以相位匹配波長(又稱耦合波長)為中心的多個吸收峰。

由式(1)可以推得耦合峰中心波長的計算公式：

λ_LP＝(n_co-n_cl)Λ (2)

式中：λ_LP為LPG基模與包層模耦合時的諧振波長，n_co、n_cl分別為基模和包層模的有效折射率。其傳感的基礎是其耦合諧振峰中心波長隨外界參數(環境溫度、應力、折射率等)變化而移動。

根據耦合模理論，LPG的相位匹配條件滿足式(1)，其中纖芯和包層有效折射率及光柵周期都是溫度的函數，方程兩邊同時取溫度的微分可得LPG的溫度靈敏度表達式

其中，為1階包層模式的第m次諧振波長；為纖芯基模有效折射率；為1階m次包層模式的有效折射率；Λ為LPG的周期。

本發明的FBG深度測量原理基于耦合模式理論，當滿足相位匹配條件時，光柵的布喇格波長為

λ_B＝2n_effΛ (4)

式中：λ_B為布喇格波長；n_eff為光纖傳播模式的有效折射率；Λ為光柵周期。

寬譜光源入射光纖后，經過FBG會有波長λ_B的光返回，其他的光將透射。外界的被測量引起FBG溫度、應力變化時都會導致反射的中心波長的變化，接收端解調出受調制的波長變化就可以檢測到被測量。

式中：分別為光纖的熱膨脹系數、熱光系數和彈光系數。

深度檢測是由壓力檢測通過一定的關系轉換過來的。溫度不變時，光纖光柵只受軸向應變作用，中心反射波長相對變化為

式中：P_e＝n_eff2[P₁₂-μ(P₁₁+P₁₂)]/2為光纖的有效彈光系數；μ為纖芯材料的泊松比；P₁₁和P₁₂為彈光系數；n_eff為光纖傳播模式的有效折射率。

本發明目的是提供一種投棄式光纖海水溫深剖面傳感器，以克服傳統XBT的不足，提高現有光學類方法的測量精度。

從測量精度的角度分析，本專利中提出利用LPG和FBG分別制得海水溫度和深度傳感器，其溫度和深度精度分別達0.003℃和0.1％F.S.，且其數據均為測量數據，克服了傳統XBT深度數據為估算的問題；利用LPG作為測溫單元(以鍍膜增敏的LPG為測溫元件)，比七一五研究所和國家海洋技術中心方案(以FBG為測溫元件)的靈敏度高2個數量級，對溫度剖面的測量更加精準。

從系統結構和實用性角度分析，實際工程應用中，傳感器需要安裝在現場甚至野外，而光源和解調儀等設備一般都會在專門的控制室，兩者之間通常都有一定距離，本發明能夠使用上述需求。而在大規模的傳感網絡中，更不宜采用傳統透射光路方案，否則光路數量將會加倍，造成資源浪費，施工難度大的問題。

從上述技術方案可以看出，本發明具有以下有益效果：

針對傳統XBT和現有光纖XBT測量方法存在的技術問題，本發明提出一種投棄式全光纖海水溫深剖面傳感器，即利用光纖光柵作為海水溫深度敏感元件，其中以鍍增敏膜的LPG作為海水溫度敏感元件，提高了溫度測量靈敏度；以FBG作為海水深度敏感元件，獲得了深度的直接測量值，探頭制作簡單，成本低廉，為海水溫深剖面探測提供了一種新的技術手段。

本專利與傳統XBT技術相比較，具體優勢和創造性體現在：

提出利用LPG和FBG級聯復合結構同步測量海水溫度和深度，其溫度和深度精度分別達0.01℃和0.1％F.S.，且其數據均為測量數據，克服了傳統XBT深度數據為估算的問題。但是LPG測溫的引進存在交叉敏感、靈敏度有待提高和透射光路結構復雜等問題，具體解決方案如：(1)交叉敏感的解決方案。LPG對外界溫度、折射率、扭轉和彎曲等存在交叉敏感的問題。本發明以在LPG柵區鍍膜的方式屏蔽外界折射率的影響，先鍍一層銀膜增敏，再鍍一層鈍化膜對增敏膜進行防氧化保護的方法制得；采用彈簧或彈性懸臂梁等特殊拉伸結構，產生了大小適宜的軸向拉力，使得LPG柵區始終處于恒定拉力拉直狀態，解決了扭轉和彎曲對LPG的影響。(2)傳感器增敏的方案。FBG的溫度靈敏度為10pm/℃，普通LPG的溫度靈敏度在40～50pm/℃，鍍增敏膜的LPG溫度靈敏度達-370pm/℃以上(如圖1所示)。如解調精度按1pm計，則FBG、普通LPG和鍍增敏膜的LPG測溫精度分別約為：0.1℃、0.02℃和0.003℃。可見LPG鍍增敏膜效果明顯，基本達到了海洋測溫需求。(3)光路結構優化方案。由于LPG屬于透射型器件，無后向反射光，通常采用透射光路對其進行解調。考慮到XBT系統中纖軸繞制的方便，要求采用單根光纖進行數據傳輸。而典型的透射光路是由雙光路組成，給纖軸繞制造成了幾乎無法克服的困難。對此本發明提出了在光路末端連接光纖端面反射鏡的方案，即可利用LPG靈敏度高的優勢，也可簡化光路結構，降低纖軸繞制難度。

本專利與現有光纖XBT技術相比較，具體優勢和創造性體現在：

(1)溫度測量精度的提高

利用LPG作為測溫單元(現有LPG溫度靈敏度已達0.003℃以上，圖1)，比七一五研究所和國家海洋技術中心方案(以FBG為測溫單元，溫度靈敏度為0.1℃)的靈敏度高2個數量級，對溫度剖面的測量更加精準。

(2)實現FBG和LPG的單光路級聯

提出利用光纖端面反射鏡的方式，將LPG的慣用的透射式雙光路簡化為反射式單光路(單尾纖)，使得FBG和LPG級聯復合結構實現在一根光纖中發射和接收，簡化了光路結構，降低了后來的纖軸繞制難度，減小了纖軸體積，優化了系統性能。

(3)合理分配解調波段范圍，實現溫深度同步檢測

對同一通道而言，現有商用解調儀(典型工作帶寬：1510～1590nm)無法同時測量峰值和谷值，但不同的通道卻可以分別測量波峰和波谷。利用3dB耦合器和光纖隔離器將返回光分別接到解調儀的兩個通道上，并且將FBG和LPG的光譜范圍分別設計為為1510～1550nm和1550～1590nm，實現波峰與波谷的同步測量。

綜上，本發明提供的一種投棄式光纖海水溫深剖面傳感器，采用全光纖傳感器，本征絕緣，有效避免了傳統電學類水下傳感器深度測量誤差大、漏電漏水等問題；利用LPG作為測溫單元，提高了現有光纖XBT方法的測溫精度，并合理分配了波譜范圍，實現FBG-LPG的單光路級聯和同步檢測。

附圖說明

圖1鍍增敏膜的LPG溫度靈敏度實驗結果圖

圖2投棄式光纖溫深剖面傳感系統光路圖

圖3典型的FBG-LPG級聯結構光譜圖

圖4全光纖溫深探頭三維示意圖

其中，1為光纖溫深傳感器；2為光纖軸；3為甲板單元；11為LPG測溫元件；12為FBG測深元件；13為光纖端面反射鏡；14為固定基座；15為粘接點；16為光纖下纖軸；31為寬帶光源；32為高精度光纖光柵快速解調模塊；33為光纖3dB耦合器；34為光纖上纖軸。

具體實施方式

一種投棄式全光纖海水溫深剖面傳感器，其特征在于包括防護罩和安裝在防護罩內的全光纖溫深傳感器(1)，所述全光纖溫深傳感器(1)包括測量海水溫度的鍍增敏膜的LPG(11)，測量海水深度的FBG(12)，以實現對海水溫深度剖面的高靈敏度和分別獨立測量；利用光纖熔接機依次將光纖端面反射鏡(13)、鍍增敏膜的LPG(11)、FBG(12)以及下纖軸(16)一端進行連接，并分別在鍍增敏膜的LPG(11)與FBG(12)的兩側選擇連接點(15)，通過連接點(15)將上述光纖海水溫深度核心敏感元件粘接在固定支架(14)的突出部上，所述下纖軸(16)另一端與上纖軸(34)一端相連；上纖軸(34)另一端與3dB耦合器(33)相連，3dB耦合器(33)的另外兩個端口分別與寬帶光源(31)和高精度光纖光柵快速解調模塊(32)相連，如圖2所示。

所述LPG(11)的增敏膜是先鍍一層銀膜增敏，再鍍一層鈍化膜以對增敏膜進行防氧化保護。

所述FBG和LPG的波段范圍分別設計為1510～1550nm和1550～1590nm，有效避免了FBG和LPG間的信道串擾。

為防止FBG和LPG之間出現包層模式再耦合的現象，兩器件間距應大于2cm。光纖端面反射鏡的反射率在30-90％為宜。

本發明利用熔接的方式，把FBG和LPG串聯集成在同一根光纖上；利用在光路末端熔接光纖端面反射鏡的方式，實現將透射的光譜反射回入射光路，達到簡化光路結構，減小纖軸體積和便于繞制的目的。對同一通道而言，現有商用MOI解調儀(典型帶寬：1510～1590nm)無法同時測量峰值和谷值，但不同的通道卻可以分別測量波峰和波谷。利用3dB耦合器將返回光分別接到解調儀的兩個通道上，實現波峰與波谷的同步測量。并且將FBG和LPG的波段范圍分別設計為1510～1550nm和1550～1590nm，有效避免了光纖布拉格光柵和長周期光纖光柵間的信道串擾。典型的FBG-LPG級聯結構光譜如圖3所示。

本發明封裝時宜采用以下方式：

(1)篩選反射波長位于1510～1550nm波段的FBG作為深度敏感元件，透射諧振峰波長位于1550～1590nm波段的LPG作為核心敏感元件；

(2)利用機械增敏結構對FBG進行壓力增敏封裝，制得海水深度傳感器。所述機械增敏結構為彈簧管、波紋膜片等可對光纖布拉格光柵進行拉伸或壓縮的機械壓力換能裝置。

(3)利用彈簧或彈性懸臂梁等特殊拉伸結構，產生了大小適宜的軸向拉力，使得LPG柵區始終處于恒定拉力拉直狀態，對LPG進行封裝，制得海水溫度傳感器；

(4)用膠水將封裝后的海水溫度傳感器和海水深度傳感器粘接在固定基座上；

(5)LPG海水溫度傳感器的一端連接光纖端面反射鏡，另一端連接FBG海水深度傳感器；

(6)光纖FBG海水深度傳感器另一端連接下纖軸；下纖軸位于全光纖探頭的內部，光纖溫深度傳感器的后方。

(7)全光纖探頭保護罩為流線型設計，并帶3片尾翼，全光纖溫深探頭三維示意圖如圖4所示。