基于光纤布里渊散射的分布式海洋水温获取技术

　　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。