王永杰 王建豐 任 強 于 非 李 芳

(1. 中國科學(xué)院半導(dǎo)體研究所 北京 100083; 2. 中國科學(xué)院海洋研究所 青島 266071)

海水溫度是海洋物理性質(zhì)中最基本、最重要的要素之一, 是反映海水熱狀況的一個物理量, 很多海洋現(xiàn)象甚至陸地現(xiàn)象都與海水溫度相關(guān)。海水溫度的時空分布及其變化規(guī)律, 不僅僅是海洋科學(xué)的重要研究內(nèi)容, 而且對氣象、航海、漁業(yè)、軍事等有重要作用和意義(周紅偉等, 2016)。

隨著技術(shù)的發(fā)展, 液壓和機械溫度計已經(jīng)被電學(xué)式傳感器所替代, 電學(xué)式溫度傳感器從工作原理上分為熱電式、電阻式、晶體震蕩式、紅外輻射式等,從應(yīng)用方式上已演化出直讀式、自容式、遙感式等。進(jìn)入 21世紀(jì)后, 光纖傳感技術(shù)也日趨成熟, 已在軍事航天、石油石化、地球物理、土木工程等領(lǐng)域發(fā)揮著不可替代的作用。經(jīng)文獻(xiàn)調(diào)研, 光纖傳感在海洋領(lǐng)域的應(yīng)用研究已廣泛開展, 如光纖傳感器對海洋溫度(張登攀等, 2015)、壓力(深度)(Duraibabuet al, 2015)、鹽度(王晶等, 2015)、溶解氧濃度(霍樹梅, 2000)、pH值、葉綠素a(Piazenaet al, 2002)、生化耗氧量(BOD)、懸浮物含量、石油污染物、黃色物質(zhì)等的現(xiàn)場測量, 以及對海洋平臺的監(jiān)控等。光纖傳感技術(shù)具備本征絕緣、傳輸損耗低、速率高、易復(fù)用等特點, 適合在海洋觀測技術(shù)領(lǐng)域原位組網(wǎng)成陣應(yīng)用。隨著光纖傳感市場容量的擴大, 核心零部件成本大幅降低, 這為光纖傳感技術(shù)在民用領(lǐng)域的規(guī)?；瘧?yīng)用提供了可能。

中國科學(xué)院半導(dǎo)體研究所在中國科學(xué)院戰(zhàn)略先導(dǎo)科技專項(以下簡稱“海洋先導(dǎo)專項”)的支持下, 開展了光纖傳感器技術(shù), 特別是光纖溫度(張登攀等,2015)、深度傳感器在物理海洋領(lǐng)域的應(yīng)用研究工作。根據(jù)海洋先導(dǎo)專項的部署, 課題組對海洋牧場溫度場遙測系統(tǒng)和船載溫深拖曳鏈系統(tǒng)分別進(jìn)行了系統(tǒng)研究和海試應(yīng)用, 以下分別介紹。

1　光纖溫深傳感技術(shù)原理

光纖布拉格光柵(fiber bragg grating, FBG)是一種光纖無源器件, 即一段經(jīng)過特殊工藝制作的光纖線段, 長度約5—15mm。其制作的物理機制是通過紫外光的照射使纖芯的折射率發(fā)生周期性的改變, 對外表現(xiàn)出的光學(xué)特性就是 FBG是一個窄帶濾波器, 如圖1所示。

圖1　FBG原理示意圖Fig.1 Schematic diagram of FBG

當(dāng)光纖光柵受到溫度或應(yīng)力的擾動時, 它的中心波長的漂移呈線性變化, 這種線性變化為應(yīng)力、溫度等物理參數(shù)的檢測提供了一種很好的傳感元件,如公式(1)所示:

在1550nm窗口, 裸FBG的中心波長的溫度系數(shù)約為 10pm/°C, 應(yīng)變系數(shù)為 1.2pm/με。由于裸的光纖光柵直徑只有 125μm, 在惡劣的工程環(huán)境中容易損傷, 只有對其進(jìn)行保護(hù)性的封裝(如埋入襯底材料中), 才能保證光纖光柵更穩(wěn)定的性能, 延長傳感器使用壽命。同時, 通過設(shè)計封裝結(jié)構(gòu), 選用不同的封裝材料, 可以實現(xiàn)溫度增敏、減敏、交叉補償?shù)裙δ堋?/p>

在系統(tǒng)研發(fā)過程中, 課題組根據(jù)實際需求, 在傳感器的靈敏度、響應(yīng)時間、耐壓封裝、熔接保護(hù)等一系列技術(shù)問題上進(jìn)行攻關(guān)。如在海洋牧場所用的溫度傳感器, 采用了無應(yīng)力封裝技術(shù)確保其長期穩(wěn)定性,但靈敏度只有 10pm/°C, 響應(yīng)速度也較慢; 再如拖曳鏈所用的快速溫度傳感器, 采用增敏封裝技術(shù), 實現(xiàn)3倍增敏, 且響應(yīng)時間也可以達(dá)到200ms。

2　近海用海洋牧場溫度遙測系統(tǒng)

全球變暖日益加劇導(dǎo)致近海養(yǎng)殖海區(qū)夏季水溫增高, 造成生物和化學(xué)物質(zhì)耗氧量大增; 而且溫躍層使得水體交換較差, 導(dǎo)致養(yǎng)殖海域海底季節(jié)性缺氧現(xiàn)象時常發(fā)生, 對養(yǎng)殖牧場的生產(chǎn)和生態(tài)安全造成了嚴(yán)重影響, 經(jīng)濟損失較大。由于溫度是影響海區(qū)缺氧的重要環(huán)境因子, 因此需要對海區(qū)溫度進(jìn)行實時和全方位的監(jiān)控, 以獲得海區(qū)不同水深溫度的變化規(guī)律, 保障海洋牧場的生產(chǎn)和生態(tài)安全。

考慮到海洋牧場的現(xiàn)場情況和綜合施工成本,課題組結(jié)合光纖傳感易于串聯(lián)復(fù)用和無線傳輸?shù)谋憬輧?yōu)勢, 研制了基于無線傳輸光纖溫度鏈的遙測系統(tǒng)(圖2)。系統(tǒng)由16只光纖溫度傳感器、1臺低功耗解調(diào)儀、太陽能電池系統(tǒng)、通信組件和附屬安裝固定裝置構(gòu)成。16只光纖溫度傳感器以 1米間隔組成 1條溫度鏈, 該溫度鏈豎直布放于養(yǎng)殖場水下, 其余部分固定于浮筏或浮標(biāo)上。無線系統(tǒng)以2分鐘的間隔將測試數(shù)據(jù)發(fā)回陸地網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器?？蛻艨梢酝ㄟ^計算機或手機客戶端隨時查閱測試數(shù)據(jù)。系統(tǒng)采用低功耗設(shè)計, 整體功耗小于 5W, 測溫精度 0.1°C; 可擴充到8—16通道, 進(jìn)一步降低系統(tǒng)綜合應(yīng)用成本。

圖2　海洋牧場溫度鏈遙測系統(tǒng)示意圖Fig.2 Schematic diagram of the sea ranch’s temperature chain telemetry system

浮臺型溫度遙測系統(tǒng)經(jīng)過 2016年的試運行后,對暴露的各種工程技術(shù)問題如傳感器安裝、布放、抗扭轉(zhuǎn)、儀表防水、服務(wù)器穩(wěn)定性等方面做了改進(jìn), 并在2017年7月初下放后, 連續(xù)無故障運行至8月底,按照計劃將于10月底拆除浮臺(圖3)。

圖3　遙測系統(tǒng)實物圖Fig.3 Telemetry system

為便于海洋牧場技術(shù)人員實時隨地查閱溫度數(shù)據(jù)指導(dǎo)現(xiàn)場作業(yè), 課題組開發(fā)了基于安卓操作系統(tǒng)的手機客戶端; 為了同整個海洋牧場的其他參數(shù)測量系統(tǒng)集成, 開發(fā)并開放了個人計算機客戶端。系統(tǒng)的這一功能極大的增加了實用性和展示效果, 受到用戶的歡迎。如圖4 所示。

圖4　手機客戶端和PC客戶端示例Fig.4 Mobile client and PC client

同時, PC客戶端也可以實時讀取當(dāng)時及歷史數(shù)據(jù)。如通過讀取2016年的典型數(shù)據(jù)(圖5), 可以看到明顯的半日潮現(xiàn)象, 以及7月初到8月底近50天的溫度場和底部水溫變化情況。

從圖6的50天測試數(shù)據(jù)可以看出, 從7月22日開始, 水底溫度逐漸升高, 8月中旬接近 23°C, 已經(jīng)接近夏眠溫度24°C(李興輝, 2009)。這為當(dāng)?shù)氐暮B(yǎng)殖作業(yè)人員提供了便捷的技術(shù)支持, 方便實時獲取水溫變化情況, 以便對現(xiàn)場作業(yè)提供指導(dǎo)。這是光纖溫度傳感器首次在海洋養(yǎng)殖方面進(jìn)行實際應(yīng)用。目前遙測系統(tǒng)的手機客戶端已在中國科學(xué)院煙臺海岸帶研究所和東方海洋牧場的相關(guān)科技人員的手機上安裝, 便于他們隨時隨地了解當(dāng)前海洋牧場的溫度變化情況(陳永利等, 2010), 為東方海洋云溪海洋牧場正常安全運行提供了基礎(chǔ)數(shù)據(jù)支持。

3　船載拖曳式溫深鏈系統(tǒng)

對溫度躍層的調(diào)查一直是海洋調(diào)查研究的重點手段。海洋溫度剖面的觀測與研究受制于現(xiàn)有的調(diào)查手段, 僅能獲取低時空分辨率的海洋動力環(huán)境參數(shù),如走航剖面觀測技術(shù)目前主要有拋棄式溫深剖面儀XBT(劉赟等, 2003)、拋棄式溫鹽深剖面儀XCTD(高郭平等, 2003)、走航式多參數(shù)剖面測量系統(tǒng) MVP、拖曳式溫深儀儀UCTD(胡波等, 2011)等, XBT、XCTD的優(yōu)點是操作簡單, 缺點是使用成本高, 數(shù)據(jù)精度不高; MVP的優(yōu)點是測量參數(shù)多, 缺點是使用復(fù)雜、維護(hù)成本高。這些觀測儀器對開展大洋中尺度渦旋、鋒面及內(nèi)波的研究來說遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠。

本課題在海洋先導(dǎo)專項的支持下, 為實現(xiàn)大洋中尺度渦、鋒面和內(nèi)波的高精度觀測, 研發(fā)新型的大規(guī)模陣列的探測裝備, 提高立體化海洋環(huán)境信息獲取和深海探測、取樣能力。課題組研發(fā)了一套船載拖曳式光纖溫深剖面連續(xù)測量系統(tǒng), 該系統(tǒng)包含120只溫度傳感器和壓力傳感器并集成在拖曳纜中, 配合甲板單元的解調(diào)設(shè)備和絞車系統(tǒng)。溫深剖面觀測系統(tǒng)隨船舶運動實現(xiàn)海面至水下200m溫度垂直剖面的高采樣頻率(1Hz)、高水平分辨率(5節(jié)船速水平分率約2.5m)、實時、連續(xù)觀測。課題組先后攻克了傳感器快速響應(yīng)封裝技術(shù)、傳感器熔接保護(hù)技術(shù)、工程化解調(diào)儀、成鏈及系統(tǒng)集成技術(shù)等, 系統(tǒng)測溫精度 0.01,壓力精度0.1%。

圖5　2016年典型的7日(a)和1日(b)測試數(shù)據(jù)Fig.5 Records of seven days and one day in 2016

圖6　2017年7、8月份測試數(shù)據(jù)Fig.6 Records between July and August in 2017

船載溫深剖面測量系統(tǒng)的研制將為獲取高時空分辨率的溫度資料提供非常寶貴的技術(shù)手段, 它大大提高了船時的利用效率, 可以為科學(xué)家提供研究急需的實測數(shù)據(jù)。系統(tǒng)示意圖和實物圖如圖7所示。

系統(tǒng)的無線顯示終端和釋放和回收的現(xiàn)場照片如圖8所示。

海試應(yīng)用一: 本課題于 2016年8月初在北黃海進(jìn)行了黃海冷水團(tuán)的測試工作課題組搭載“科三”考察船, 在4節(jié)左右的船速下, 自北向南在冷水團(tuán)的中心部位進(jìn)行了拖曳海試, 獲得北黃海溫度剖面圖如圖9所示。

由于本系統(tǒng)的拖曳鏈具備傳感器數(shù)量多、間隔小、系統(tǒng)采樣率高的特點, 相對傳統(tǒng)儀器可以更加詳細(xì)地繪制出冷水團(tuán)的詳細(xì)結(jié)構(gòu)。由圖9可知, 夏季為黃海冷水團(tuán)鼎盛時期, 其北黃海冷水團(tuán)核心位于38.5°N 左右(李昂等, 2015)。從圖中可以觀測到溫躍層處的等值線呈傾斜狀態(tài), 即南部溫躍層位置較北部溫躍層位置偏淺, 且南部溫躍層等值線較北部密集, 底部存在一個8°C的閉合冷水核心區(qū)。溫度鏈拖曳所獲得的海試數(shù)據(jù)對冷水團(tuán)有非常高精度和高空間分辨率的觀測, 對傳統(tǒng)海洋學(xué)的調(diào)查有重要的支撐作用, 不僅能夠豐富現(xiàn)有的調(diào)查手段, 也能為科學(xué)家分析海洋現(xiàn)象提供高質(zhì)量的數(shù)據(jù), 更進(jìn)一步促進(jìn)了海洋調(diào)查(管秉賢等, 1962)和海洋學(xué)研究的發(fā)展。

圖7　系統(tǒng)整體示意圖及拖曳應(yīng)用中的實物圖Fig.7 Diagram of the towed sensor chain and photograph of the towing application

圖8　船艙內(nèi)無線終端實時監(jiān)控以及釋放和回收過程Fig.8 The wireless terminal and the process of discharging and recycling

海試應(yīng)用二: 本課題于 2017年7月在南海北部海域疑似中尺度渦旋附近開展了海試工作。利用光纖溫深連續(xù)剖面系統(tǒng), 對中尺度渦的溫深剖面進(jìn)行高時空分辨率、高效觀測, 獲取高精細(xì)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu), 助推中尺度渦旋的科學(xué)研究。海試所得到的溫深剖面如圖10、11所示。

本次海試光纖溫深鏈觀測細(xì)致的刻畫了中尺度渦的結(jié)構(gòu)。由于空間分辨率高, 溫深鏈能夠精確的觀測中尺度渦的水平和垂向結(jié)構(gòu), 而一般的大面觀測水平分辨率在1/4°以下, 很難準(zhǔn)確觀測中尺度渦不同位置溫度垂向變化特征和水平分布特征。光纖拖曳鏈提高了中尺渦空間結(jié)構(gòu)的觀測能力, 有助于推動中尺度渦動力機制的研究。

此外, 溫深拖曳鏈觀測的水平分辨率能夠達(dá)到2.5m以上, 這是其他觀測設(shè)備所無法達(dá)到的。高水平分辨率的觀測為研究水平方向的細(xì)結(jié)構(gòu)特征提供了基礎(chǔ), 推進(jìn)了水平混合研究的發(fā)展。

圖9　北黃海溫度剖面Fig.9 Temperature profile in the north yellow sea

圖10　東西航段溫深剖面Fig.10 Profile of temperature and depth in east-west direction

圖11　南北航段溫深剖面Fig.11 Profile of temperature and depth in north-south direction

4　結(jié)論和展望

目前, 光纖傳感器技術(shù)在海洋技術(shù)領(lǐng)域的發(fā)展尚處在初級階段, 相對海洋儀器設(shè)備中大量使用電學(xué)傳感器而言在技術(shù)成熟度和可靠性方面尚有較大差距。但光纖傳感器對多種物理量敏感, 其體積小、易復(fù)用、“傳”“感”合一的特點, 必定會在物理海洋領(lǐng)域具有快速、原位、陣列應(yīng)用的優(yōu)勢而受到進(jìn)一步重視。

在海洋先導(dǎo)專項的支持下, 課題組已在長期原位遙測和船載拖曳應(yīng)用方面完成多次海試實踐應(yīng)用,獲取了寶貴的數(shù)據(jù), 在傳感器研發(fā)、系統(tǒng)集成、海試驗證方面積累了豐富的經(jīng)驗。隨著不斷的實踐應(yīng)用、反饋和技術(shù)改進(jìn), 加強傳感器的封裝技術(shù)及工藝、可靠性篩選、系統(tǒng)集成等基礎(chǔ)工作, 使得已有溫深傳感器的實用化水平一定會得到長足的進(jìn)步。同時, 在儀器設(shè)備創(chuàng)新領(lǐng)域, 技術(shù)研發(fā)單位切實加強同用戶單位的對接, 從科學(xué)需求、技術(shù)原理、系統(tǒng)集成、規(guī)劃化海試方面入手, 切實研發(fā)海洋科學(xué)真正需要的高端儀器, 實現(xiàn)國產(chǎn)海洋儀器設(shè)備在光纖傳感領(lǐng)域借道超車的目的, 提高國家的海洋儀器設(shè)備研發(fā)水平和海洋調(diào)查的能力。課題組擬在如下幾個方面繼續(xù)開展研究:

4.1　光纖鹽度傳感器

物理海洋的六要素為溫度、鹽度、深度、波浪、海流、潮汐, 其中鹽度的測量跟溫度、深度密切相關(guān),沒有鹽度的溫深儀是不完備的。當(dāng)前的鹽度傳感器采用電導(dǎo)率的形式, 結(jié)合溫度和深度數(shù)據(jù)通過經(jīng)典的鹽度計算公式獲得數(shù)據(jù)。而在光信息領(lǐng)域, 測量鹽度主要是采用折射率測量的方案(趙建虎, 2007), 即不同的鹽度對應(yīng)不同的海水折射率。課題組將在近期開展鹽度傳感器的研制工作, 主要采用光學(xué)干涉的方式, 將海水的折射率跟鹽度一一對應(yīng)起來, 目前正在組織技術(shù)攻關(guān)的工作(王杰等, 2006)。

4.2　投棄式光纖溫深剖面儀

投棄式剖面測量儀是一種通過在海面投棄并在快速下降過程中感應(yīng)海水溫度剖面的一次性使用的測量系統(tǒng), 具有很強的時效性。由于其能夠快速、實時、大面積、低成本測量海試溫度剖面, 自問世以來一直受到海洋學(xué)家尤其是軍事海洋學(xué)家的重視。

光纖傳感器具有傳、感合一的特點, 且光纖傳輸損耗低, 裸纖成本低, 可以將光纖壓力傳感器集成在內(nèi), 研制一款低成本的投棄式光纖溫深剖面儀XODT(eXpendable Optical-fiber Depth Thermograph Profiler),實時獲取溫深數(shù)據(jù)(傳統(tǒng)的XBT通過下降速度的經(jīng)驗數(shù)值推算深度數(shù)值)。目前國內(nèi)已有數(shù)家單位開展了類似的研究工作, 如中船715所等。課題組已完成相關(guān)技術(shù)攻關(guān)工作, 如圖 12所示探頭及系統(tǒng)效果圖,目前正在進(jìn)行系統(tǒng)集成和籌劃后期的海試驗證工作。

圖12　投棄式探頭及成品效果圖Fig.12 Graphics of fiber optical XBT

4.3　湍流傳感器

海洋湍流能量耗散過程是物理海洋學(xué)研究的重要焦點(吳立新等, 2013)。研究海洋湍流的基礎(chǔ)是海洋觀測與觀測資料分析。剪切流傳感器是微結(jié)構(gòu)湍流測量的常用儀器(Wanget al, 2015)。

但當(dāng)前剪切流傳感器多為自容式設(shè)備, 傳感器脆弱, 使用時擔(dān)心觸底報廢, 因此使用過程中往往快接近海底時提前回收。因此, 當(dāng)前儀器對于底部幾米內(nèi)的湍流的測試是空白的。

光纖傳感器中光纖光柵和光纖 Fabry-Pérot干涉儀均有應(yīng)變測量的能力, 可以將湍流通過換能機構(gòu)轉(zhuǎn)換為光柵的波長變化或 Fabry-Pérot干涉儀的腔長變化, 進(jìn)而可以對湍流信息進(jìn)行高速測量。同時, 由于光纖具有低成本優(yōu)勢, 可以制成投棄式的湍流剖面觀測儀, 用于全水深的湍流觀測。

目前, 本課題組已經(jīng)開展了前期研究工作。圖13為光纖光柵湍流傳感器示意圖和樣品圖, 以及設(shè)計的投棄式湍流傳感器的結(jié)構(gòu)示意圖。

圖13　剪切傳感器的示意圖(a)、投棄式剪切剖面儀設(shè)計構(gòu)想圖(b)及樣品圖(c)Fig.13 Schematic diagram of shear probe and the Expendable Turbulence Profiler

王 杰, 矯玉田, 曹 勇等, 2006. 海表面鹽度遙感技術(shù)的發(fā)展與應(yīng)用. 海洋技術(shù), 25(3): 76—81

王 晶, 李國祥, 王姍姍等, 2015. 三種微納光纖環(huán)形腔海水鹽度傳感器理論研究. 中國海洋大學(xué)學(xué)報, 45(7):131—136

劉 赟, 王東曉, 齊義泉等, 2003. 熱帶西太平洋上層熱含量年際變化的區(qū)域性特征. 海洋與湖沼, 34(5): 461—473

李 昂, 于 非, 刁新源等, 2015. 北黃海冷水團(tuán)溫度年際變化研究. 海洋學(xué)報, 37(1): 30—42

李興輝, 2009. 微生態(tài)制劑在溫室甲魚養(yǎng)殖中的應(yīng)用. 水產(chǎn)養(yǎng)殖, (7): 7

吳立新, 陳朝暉, 2013. 物理海洋觀測研究的進(jìn)展與挑戰(zhàn). 地球科學(xué)進(jìn)展, 28(5): 542—551

張登攀, 王 瑨, 王永杰, 2015. 光纖光柵海洋溫度傳感器的快速響應(yīng)特性. 光電工程, 42(3): 7—12

陳永利, 李 琦, 趙永平等, 2010. 太平洋次表層海溫異常年際變率的信號通道與 ENSO循環(huán). 海洋與湖沼, 41(5):657—666

周紅偉, 張國堙, 蔡 巍等, 2016. 超短基線定位的海上應(yīng)用及精度評估. 海洋學(xué)研究, 34(3): 76—79

趙建虎, 2007. 現(xiàn)代海洋測繪(上冊). 武漢: 武漢大學(xué)出版社,50

胡 波, 李 暉, 張 川, 2011. UCTD海上比測方法探討. 海洋技術(shù), 30(1): 41—43高郭平, 韓樹宗, 董兆乾等, 2003. 南印度洋中國中山站至澳大利亞費里曼特爾斷面海洋鋒位置及其年際變化. 海洋學(xué)報, 25(6): 9—19

管秉賢, 鄭義芳, 任允武等, 1962. 海洋調(diào)查的發(fā)展和現(xiàn)狀.海洋與湖沼, 4(3—4): 217—228

霍樹梅, 2000. 用光纖傳感器監(jiān)測溶解氧. 海洋技術(shù), (S):225—228

Duraibabu D B, Poeggel S, Omerdic Eet al, 2015. Optical fiber pressure sensors based on Extrinsic Fabry Perot Interferometer (EFPI) for the depth control in marine environment. In: Imaging and Applied Optics 2015. Arlington,Virginia United States: Optical Society of America

Piazena H, Perez-Rodrigues E, H?der D Pet al, 2002.Penetration of solar radiation into the water column of the central subtropical Atlantic Ocean—optical properties and possible biological consequences. Deep Sea Research Part II:Topical Studies in Oceanography, 49(17): 3513—3528

Wang Y H, Xu T Y, Wu Z Let al, 2015. Structure optimal design and performance test of airfoil shear probes. IEEE Sensors Journal, 15(1): 27—36