摘 要: 海水温度的分布情况具有极其重要的实际价值。分析了几种光纤散射测温技术,研究了基于布里渊散射技术的分布式光纤测温技术,从理论上分析了布里渊散射光的频移和强度与海水温度和应力的关系,设计了基于此技术的分布式海洋水温获取系统
0 引言
海洋是影响全球气候的最重要因素,及时准确地获取海洋水文信息对气象预报、灾害预警具有极其重要的意义,同时海洋水文要素也是军事活动的重要保障内容,对舰艇、潜艇及水声器材、水下武器的使用都有很大的影响。海水温度的分布情况是海洋水文三大静态要素之一,具有极其重要的实际价值。通常,调查船上多使用CTD(可重复使用的温盐深仪,利用船载绞车布放)获取温度分布。CTD通常使用铂电阻、热敏电阻等进行水温测量,同时将压力传感器获取的压力数据转换为深度信息,从而得到有效的海水温度的分布情况。铂电阻是广泛使用的测量传感器,稳定性好、价格低、精度高,但是其非线性较大。
目前CTD的探测深度可达到6 000 m以上,但是,其单次探测时间很长,另外,无法对海洋水温的分布进行长时间的实时测量。光纤传感器具有抗干扰性强、价格低廉、耐腐蚀等优点,特别适合用于条件恶劣的环境,从诞生之日起就引起了学术界和工业界的极大关注。分布式光纤传感技术由于具备提取大范围测量场分布信息的能力,能够解决目前测量领域的众多难题,适合对现代的大型和超大型结构进行长距离、分布式监测,目前已经得到了广泛的应用,前景极为广阔。
本文阐述了基于布里渊散射的温度测量方法,提出了基于此技术的分布式海洋水温获取系统,对其未来的发展前景进行了展望
1 研究现状
分布式光纤传感技术可以分为两类。一类是以光纤的后向散射光或前向散射光损耗时域检测技术为基础的光时域分布式,另一类是以光波长检测为基础的波域分布式[1]。
分布式光纤传感技术具有同时获取在传感光纤区域内随时间和空间变化的被测量分布信息的能力,在入射光功率不高的情况下,光纤材料分子的布朗运动将产生声学噪声,当这种声学噪声在光纤中传播时,其压力差将引起光纤材料折射率的变化,从而对传输光产生自发散射作用。光纤中光的散射主要包括瑞利散射,拉曼散射和布里渊散射。基于后向瑞利散射的传感技术是现代分布式光纤传感技术的基础,20世纪80年代初期得到了广泛的应用,但是该技术无法克服测量精度低、传感距离短的缺陷,目前在这方面的研究已经鲜有报道
基于拉曼散射技术的分布式温度传感器技术是分布式光纤传感技术中最为成熟的,目前该类传感器的一些产品已经出现在国际、国内市场,但是其空间分辨率和温度分辨率不尽人意,和传统的测量技术相比还有一定的差距,另外其无法同时获取测量点的压力数据,也就无法获取深度信息,达不到获取水温分布情况的目的。当光波在光纤中传播时光纤中的光子和分子会发生非弹性碰撞,产生另外一种重要的非线性散射过程,即布里渊散射[2-3]。在布里渊散射中有一个频移称为布里渊频移,布里渊频移的大小和光纤材料分子的特性有直接的关系。当光纤材料特性受温度和应变的影响时,布里渊频移大小将发生变化,因此通过测定脉冲光的后向布里渊散射光的频移就可以实现分布式温度和应变的测量。基于以上的分析我们可以看出,要想获得详细的海洋水温分布情况,除了要获得温度信息、位置信息之外,更重要的是要获取深度信息,而只有基于布里渊散射的分布式光纤测温技术能满足此要求。
20世纪80年代以后,光纤传感技术在海洋环境中的应用研究发展较为迅速,其中光纤温度传感器在海洋环境中的应用研究尤为突出,在浅海环境的应用实验已经取得了突破性进展,并已经向深海发展。
测量海洋环境用的光纤温度传感器有点光纤温度传感器和分布式光纤温度传感器。点光纤温度传感器只能测量某个点的水温情况,分布式光纤温度传感器能在浅海实时在线测量、显示和处理大量的数据,测量距离可达几千米至几十千米,还可以通过布设多条光纤信道来构成一个平面或立体的大的空间监测系统。另外,分布式测量技术还可用于实现对深海海底水温分布情况的长周期监测。
英国York公司1991年推出了光纤分布式温度传感器技术并且率先实用化。日本上世纪90年代研制成功了光纤分布式温度传感器测温系统,平均偏差为0.51℃,可以测量从海平面到水下300 m的垂直温度剖面,其未来的发展目标是测量精度达到0.1℃。 国内已经研制成功基于分布式光纤测温技术的系列产品,并在一些工业领域得到了初步应用,效果非常理想。如广西水利厅的蔡德所于2001年在三峡工程左厂14坝段大体积常态混凝土中进行了基于分布式光纤温度传感检测技术的现场实验研究,取得了突破性进展[4]。
2 基于布里渊散射技术的测温原理
令布里渊频移为VB,功率为PB,温度为T,应力为εz,则有
式中,VB为布里渊频移变化量,PB/PB为布里渊功率相对变化量,εz为应变变化量,T为温度变化量,CVε和CVT分别为布里渊移应变系数和温度变化量,CPε和CPT分别是布里渊功率应变系数和温度系数。上述四个系数为常量,可以在已知温度和压力下测量得到。但是在实际使用中这四个系数必须通过定标来确定。由上述两个公式可以看出布里渊散射频移和功率分别是温度和应力的函数,因此通过求解上述两个方程就可以确定光纤所受的应力和所在点的温度,同时根据应力和水深的关系可以得到测量点的深度。
布里渊散射的频谱是通过全光纤双通干涉仪得到的,光在光纤中传播时其后向散射光中包括瑞利散射和布里渊散射两种散射光,而瑞利散射比较强,而且在光源谱较窄的情况下瑞利散射有很强的相干噪声,因此必须将瑞利散射抑制掉,可以采用全光纤双通干涉仪进行抑制。在光纤的后向散射中瑞利散射的频率和入射光频率相同,将布里渊散射光和瑞利散射光之间的频率差称为布里渊频移VB:
其中,n为光纤纤芯折射率,va为声波的速度,λ0为入射光在真空中的波长。当设置干涉仪的自由程为两倍的布里渊频移时,干涉仪具有分离散射中布里渊散射和瑞利散射信号的能力。
3 系统组成
基于以上原理,本测温系统拟由二极管激光器、波长甄别模块、光电检测器、信号处理电路、光纤传感回路、铅坠和通信系统(视布放方式而定)等部分组成,如图1所示。
系统工作时将光纤传感回路与铅坠抛入海中,然后将激光脉冲通过耦合器入射到光纤传感回路,并将光纤传感回路的背向散射回波采集回来。光电检测器组件为高灵敏、低噪声硅雪崩二极管组件,信号处理电路由高速瞬态平均器和累加器组成。
系统可以采用无人机布放与行船布放方式等多种方式进行。如系统不采用实时数据传输方式,则需要有足够的存储容量来存储采集到的数据等待人工收集。如采用实时数据传输,则需要在系统上安装天线,采用短波或卫星通信的方式将数据直接发送到处理中心,也可以通过其他中继方式进行信息传输,如无人机通信中继。系统工作方式如图2。
4 结束语
本文分析了几种常用的光纤散射测温技术的优点与不足,特别研究了基于布里渊散射技术的分布式光纤测温技术,从理论上分析了布里渊散射光的频移和强度与海水温度和应力的关系,设计了基于此理论的分布式海洋水温获取系统,该项目的研究成功能很大程度上降低相关海洋水文信息的获取成本,在海洋侦测、大范围海洋调查、物理海洋研究等领域具有良好的应用前景。
参考文献:
[1] 赵 勇.光纤传感原理与应用技术[M].北京:清华大学出版社,2007.
[2] 耿军平.基于布里渊散射的分布式光纤传感器的进展[J].测控技术学报,2002,16(2):87-91.
[3] 杨 志,李永倩.分布式光纤布里渊散射温度传感器实验系统[J].光子学报,2004,24(8):1111-1114.
[4] 蔡德所.光纤传感技术在大坝工程中的应用[M].北京:中国水电水利出版社,2002.
作者简介:
郑君杰(1977-),男,辽宁大连人,讲师,博士,研究方向为信息处理。
