专利名称：一种基于光纤布里渊散射原理的海水温度剖面botda测量方法
技术领域：
本发明涉及一种沿深度方向测量海水温度分布情况的方法，属测量技术领域。
背景技术：
海水温度是海洋调查、监测中的重要内容，是海洋水文、气象观测及调查中不可或缺的技术参数。海水温度剖面的测量对研究海洋科学、海洋环境监测、季节气候预测以及海洋渔业等有十分重要的实用意义。所谓海水温度剖面测量是指沿深度方向测量海水温度分布情况。需要给出水深和相应深度的温度信息，长时间实时观测还需要给出观测时间。国内外用于海水温度剖面测量的主要设备是温盐深海洋观测仪(CTD)，仪器主要由温度、盐度和压力三种传感器配以电子测量线路构成。它将数据采集器、数据传输单元和电源等电子部件密封在高强度的压力容器内。CTD测温精确度可以达到0. OOrc等级，它通过吊放在不同深度逐点巡测温度、盐度和深度，缺点是不能实现实时和长时间同步观测温度剖面的变化。中国专利“海水温度测量传感器链”提出了一种多探头阵列型准分布式传感器链结构，其结构包括温度传感器、压力传感器、浮子、钢缆、吊挂钢柱、承重钢柱和屏蔽电缆线。 其中，灌封式热敏电阻温度传感器镶嵌在浮子上，浮子以5cm至IOOcm间距配置在钢缆上， 钢缆的两端分别用钢缆钢套和钢丝夹子锁定在吊挂钢柱和承重钢柱的钢杯内。压力传感器固定在测温链下端的承重钢柱的上部，一束33根各50m长的屏蔽电缆线由浮子的中心孔穿过，作为传输电缆。另外，挪威AANDERAA公司的SEAGUARD传感器链系统采用多探头阵列型准分布式传感器链结构，可以用来测量溶解氧、电导率、温度、电流、压力和潮汐等海洋环境参数，基本部件包括传感器链和记录仪。该系统可以采用自容式工作方式，每次投放后开始记录测量数据，经过一段时间的测量后，打捞出水面，提取记录仪中的存储数据进行分析处理。如果选配实时采集和通信传输配件也可以实现实时测量。该系统可以设25个测量点，在每个测量点采用传感器链固定夹具固定传感器，每个夹具中可以固定2个传感器。传感器链总长可达300米，系统采用灌封式热敏电阻温度传感器。以上两种准分布式传感器链结构虽然克服了 CTD只能逐点巡测而不能实时测量的缺点，但是温度链体积庞大，不方便使用绞车收放；整个系统的测量节点数量受供电容量限制，难以满足空间分辨率高(观测节点密集)和测量深度范围大的应用要求；需要考虑海水中的电绝缘和电信号传输过程中的抗干扰与屏蔽问题；只能测量固定的空间点位置温度和深度信息，不能实现空间真正意义上的连续分布式测量。分布式光纤布里渊传感技术是一种新型的测量技术，具有只需一次测量即可获取沿整个光纤被测场的连续分布信息、测量精度高、定位准确、传感距离远等独特优点。采用分布式光纤布里渊传感技术实现海水温度剖面测量需要使用特殊的光缆，这种光缆应该能满足耐受海水腐蚀、具有良好的抗拉和抗压性能、体积小、重量轻、易于布放等特殊要求；另
3外，由于海流的影响，光缆并不能保持理想的垂直姿态，其长度和实际的水深并不一致，所以要求海水温度剖面测量用光缆能同时感知温度和相应的水深信息。但现有光缆并不能满足以上应用需求。
发明内容
本发明的目的在于提供一种基于光纤布里渊散射原理的海水温度剖面BOTDA测量方法，它可以实时和长时间地同步观测温度剖面动态变化，且能够实现空间点连续测量， 不必考虑电绝缘和抗干扰问题等优点。本发明所称问题是以下述技术方案实现的
一种基于光纤布里渊散射原理的海水温度剖面BOTDA测量方法，它将直接与海水接触的压力传感光纤和屏蔽了海水压力的温度传感光纤组合在一起构成传感光缆，并由窄线宽激光器、光耦合器、脉冲发生器、光调制器、光栅滤波器、光放大器、偏振控制器、环行器、光开关、光电检测器和布里渊频移检测单元组成一个基于布里渊光时域反射原理的测量系统中的测量部分，测量时将传感光缆放入海水中，窄线宽激光器发出的光信号经光耦合器分为两路信号，一路输出光信号作为本振光，经第二偏振控制器控制本振光信号的偏振态；另一路光信号经第一偏振控制器控制光信号的偏振态，经脉冲发生器和第一光调制器调制成脉冲光，脉冲光经第一光放大器放大，由第一光栅滤波器滤除第一光放大器引入的自发热辐射噪声，再经环行器和光开关进入传感光缆中的一条传感光纤中，传感光纤中产生的自发布里渊背向散射光经环行器和第二光放大器及第二光栅滤波器，在光电检测器中与本振光实现光域外差检测，最后由布里渊频移检测单元采用微波扫频方法从光电检测器输出电信号中解调并求取沿传感光缆光纤长度分布的各散射点的布里渊频移信息，进而依据布里渊频移和温度、对应不同海水深度的静压力的函数关系，得到沿传感光纤长度分布的海水深度和温度分布，实现海水温度剖面的分布式测量。上述基于光纤布里渊散射原理的海水温度剖面BOTDA测量方法，所述布里渊频移检测单元由微波本振源、混频器、放大器、低通滤波器、数据采集卡及计算机组成，检测时， 按一定的频率间隔逐次调节微波本振源的频率从而遍历给定的频率范围，微波本振源输出的微波信号与光电检测器输出的布里渊频移信号在混频器中进行混频，混频后的输出信号经放大器放大和低通滤波器滤波，由数据采集卡采集数据并传输给计算机进行处理，对于沿光纤长度分布的各散射点，计算机将在一个微波扫频周期内获得的所有数据进行洛伦兹拟合，得到布里渊谱分布曲线，曲线中幅度最大点对应的频率便是该散射点的布里渊频移。本发明所称问题还可以采用另一技术方案实现
一种基于光纤布里渊散射原理的海水温度剖面BOTDA测量方法，它将直接与海水接触的压力传感光纤和屏蔽了海水压力的温度传感光纤组合在一起构成传感光缆，并由窄线宽激光器、光耦合器、脉冲发生器、第一光调制器、光放大器、扫频电光调制器、环行器、光栅滤波器、光隔离器、扰偏器、光滤波器、光开关、布里渊频移检测单元组成一个基于布里渊光时域分析原理的测量系统的测量部分；所述扫频电光调制器包括第二偏振控制器、扫频信号发生器、第二光调制器；测量时传感光缆放入海水中，窄线宽激光器产生的光信号通过光耦合器分为两路，一路光信号经第一偏振控制器控制光信号的偏振态，由脉冲发生器、第一光调制器调制成窄脉冲光，经第一光放大器放大、第一光栅滤波器滤除第一光放大器产生的自发辐射噪声，再经第一光隔离器、环行器、光开关进入传感光缆中的一条传感光纤；另一路光信号由扫频电光调制器产生约11 GHz频移的连续光信号，经光滤波器选取已调制信号的上边带，经第二光隔离器、扰偏器、光开关进入传感光缆中的另一条传感光纤；两条光纤在水下经光纤连接器构成环路；当环路光纤中相向传输的两路光的频率差与光纤中某散射点的布里渊频移一致时，光纤中在该散射点产生的受激布里渊散射信号最强；受激布里渊散射信号通过光开关、环行器进入布里渊频移检测单元，由布里渊频移检测单元采用电光扫频方法求取沿传感光缆光纤长度分布的各散射点的布里渊频移信息，进而依据布里渊频移和温度、对应不同海水深度的静压力的函数关系，得到沿传感光纤长度分布的海水深度和温度分布，实现海水温度剖面的分布式测量。上述基于光纤布里渊散射原理的海水温度剖面BOTDA测量方法，所述布里渊频移检测单元由光电检测器、放大器、低通滤波器、数据采集卡及计算机组成，光电检测器将受激布里渊散射光信号转换为电信号，经放大器放大和低通滤波器滤波，由数据采集卡采集数据并传输给计算机进行处理，对于沿光纤长度分布的各散射点，计算机将在一个微波扫频周期内获得的所有数据进行洛伦兹拟合，得到布里渊谱分布曲线，曲线中幅度最大点对应的频率便是该散射点的布里渊频移。上述两种技术方案中确定散射点位置的方法相同在t=0时刻从光纤的一端发送光脉冲，从t=0开始在脉冲光的发送端可以接收到一系列的散射信号，测定某散射点对应的散射信号与输入光脉冲之间的时间间隔 ，依据公式L=Ct八2η)确定该散射点与脉冲光入射端之间的光纤长度Ζ，式中c为真空中的光速，/7为光纤的折射率。上述两种技术方案中使用的传感光缆相同，均由双扣不锈钢软管及其内部的温度传感子光缆和压力传感子光缆组成，所述温度传感子光缆由温度传感光纤和套装在其外部的不锈钢套管组成，所述压力传感子光缆由压力传感光纤和依次套装在其外部的弹簧管和不锈钢丝编织网组成，所述压力传感光纤表面涂覆有聚氨酯压力敏感材料层。上述基于光纤布里渊散射原理的海水温度剖面BOTDA测量方法，所述温度传感子光缆中的温度传感光纤设置2 4条；所述压力传感子光缆设置两条。本发明所设计传感光缆的有益效果为双扣不锈钢软管具有良好的抗拉和抗侧压性能，用于承重以便将光缆投放到设计深度；采用不锈钢套管具有良好的感温性能同时抗海水压力，使用时入水终端密封防水，使温度传感光纤不受应力影响，提高温度测量的精度；聚氨酯压力敏感材料具有较高的压力灵敏度，用于水深测量时可以改善空间分辨率，校正光缆因海流而倾斜对于剖面测温结果的影响。弹簧管和不锈钢丝编织网用于增强光纤的机械强度，易于晾干，抗腐蚀。本发明将基于光纤布里渊散射原理的测量技术应用于海水温度剖面的实时监测， 可以很好地解决现有测量温度链体积庞大、不能实现连续监测的问题，并且可以给出海水剖面的连续温度场分布。
下面结合附图对本发明作进一步详述。图1是本发明所提出传感光缆的剖面图； 图2是BOTDR光纤传感系统；图3是BOTDA光纤传感系统； 图4是沿光纤长度上的布里渊谱分布示例。图中各标号为1、双扣不锈钢软管；2、温度传感光纤；3、不锈钢套管；4、不锈钢丝编织网；5、弹簧管；6、压力传感光纤；7、聚氨酯压力敏感材料层；E0M1、第一光调制器； E0M2、第二光调制器；EDFA1、第一光放大器；EDFA2、第二光放大器；PC1、第一偏振控制器； PC2、第二偏振控制器；OF、光滤波器；PS、扰偏器；GX、传感光纤。文中所用符号八海水温度#、 海水压力； Vm( 1、温度子光缆在温度Γ时的对应布里渊频移-’Tr、参考温度；i^fe)、温度子光缆在参考温度时的对应布里渊频移；I^(IjP)、压力子光缆在温度Γ和压力P时的对应布里渊频移；4、参考压力；1 ，巧)、压力子光缆在参考温度和参考压力时的对应布里渊频移；
Cm、为温度子光缆的温度传感系数；Cvr2、压力子光缆的温度传感系数、压力子光缆的压力传感系数；B0TDR、布里渊光时域反射；B0TDA、布里渊光时域分析。
具体实施例方式BOTDR和BOTDA系统都是通过检测布里渊频移的方法实现分布式测量的，本发明的测量方法是测量时将测量仪器安装在海洋浮标、船舶或海上石油平台，将传感光缆垂直放入海水中，从光纤的一端发送光脉冲，在光纤介质中产生布里渊散射光，温度和压力都会引起布里渊散射光的频移变化，图4为一种实施例(沿光纤长度的温度分布按5个区间呈阶梯形变化，相应于各区间的峰值光强处的布里渊频移各不相同)。从图4可以看出，当温度变化时沿150m传感光纤的布里渊散射谱表现出布里渊谱的中心频率(布里渊频移)随温度变化的明显偏移。海水的深度由海水的静水压测量值来体现，本实施例中由压力传感子光缆获得。海水的温度由温度传感子光缆获得。利用布里渊频移检测单元测量各子光缆沿光纤长度方向各散射点的频移数值。测量公式为
+
权利要求
1.一种基于光纤布里渊散射原理的海水温度剖面BOTDA测量方法，其特征是，它将直接与海水接触的压力传感光纤和屏蔽了海水压力的温度传感光纤组合在一起构成传感光缆，并由窄线宽激光器、光耦合器、脉冲发生器、第一光调制器、光放大器、扫频电光调制器、 环行器、光栅滤波器、光隔离器、扰偏器、光滤波器、光开关、布里渊频移检测单元组成一个基于布里渊光时域分析原理的测量系统；所述扫频电光调制器包括第二偏振控制器、扫频信号发生器、第二光调制器；测量时传感光缆放入海水中，窄线宽激光器产生的光信号通过光耦合器分为两路，一路光信号经第一偏振控制器控制光信号的偏振态，由脉冲发生器、第一光调制器调制成窄脉冲光，经第一光放大器放大、第一光栅滤波器滤除第一光放大器产生的自发辐射噪声，再经第一光隔离器、环行器、光开关进入传感光缆中的一条传感光纤； 另一路光信号由扫频电光调制器产生约11 GHz频移的连续光信号，经光滤波器选取已调制信号的上边带，经第二光隔离器、扰偏器、光开关进入传感光缆中的另一条传感光纤；两条光纤在水下经光纤连接器构成环路；当环路光纤中相向传输的两路光的频率差与光纤中某散射点的布里渊频移一致时，光纤中在该散射点产生的受激布里渊散射信号最强；受激布里渊散射信号通过光开关、环行器进入布里渊频移检测单元，由布里渊频移检测单元采用电光扫频方法求取沿传感光缆光纤长度分布的各散射点的布里渊频移信息，进而依据布里渊频移和温度、对应不同海水深度的静压力的函数关系，得到沿传感光纤长度分布的海水深度和温度信息，实现海水温度剖面的分布式测量。
2.根据权利要求1所述基于光纤布里渊散射原理的海水温度剖面BOTDA测量方法，其特征是，所述布里渊频移检测单元由光电检测器、放大器、低通滤波器、数据采集卡及计算机组成，光电检测器将受激布里渊散射光信号转换为电信号，经放大器放大和低通滤波器滤波，由数据采集卡采集数据并传输给计算机进行处理，对于沿光纤长度分布的各散射点， 计算机将在一个微波扫频周期内获得的所有数据进行洛伦兹拟合，得到布里渊谱分布曲线，曲线中幅度最大点对应的频率便是该散射点的布里渊频移。
3.根据权利要求2所述基于光纤布里渊散射原理的海水温度剖面BOTDA测量方法，其特征是，所述传感光缆由双扣不锈钢软管(1)及其内部的温度传感子光缆和压力传感子光缆组成，所述温度传感子光缆由温度传感光纤(2)和套装在其外部的不锈钢套管(3)组成， 所述压力传感子光缆由压力传感光纤(6)和依次套装在其外部的弹簧管(5)和不锈钢丝编织网(4)组成，所述压力传感光纤(6)表面涂覆有聚氨酯压力敏感材料层(J)。
4.根据权利要求3所述基于光纤布里渊散射原理的海水温度剖面BOTDA测量方法，其特征是，所述温度传感子光缆中的温度传感光纤(2)设置2 4条；所述压力传感子光缆设置两条。
全文摘要
一种基于光纤布里渊散射原理的海水温度剖面BOTDA测量方法，它将直接与海水接触的压力传感光纤和屏蔽了海水压力的温度传感光纤组合在一起构成传感光缆，并由窄线宽激光器、光耦合器、脉冲发生器、第一光调制器、光放大器、扫频电光调制器、环行器、光栅滤波器、光隔离器、扰偏器、光滤波器、光开关、布里渊频移检测单元组成一个基于布里渊光时域分析原理的测量系统的测量部分。本发明所用传感光缆体积小，使用方便，耐海水腐蚀；本测量系统可靠性和测量灵敏度高，并且能够给出海水剖面的连续温度场分布，特别适用于海水温度剖面的实时连续测量。
文档编号G01B11/22GK102353474SQ201110189749
公开日2012年2月15日 申请日期2010年5月18日 优先权日2010年5月18日
发明者尚秋峰, 李永倩, 杨志 申请人:华北电力大学(保定)