基于分布式光纤传感的多功能海洋环境监测装置和方法

摘要

本发明涉及海洋水文参数监测及光纤传感领域，特别是指一种基于分布式光纤传感技术的多功能海洋环境监测装置和方法。所述装置由海面平台、分布式光纤传感系统、绕缆盘、缆绳和锚体组成。本发明旨在实现分布式、多参量、实时、可靠的海洋环境监测。将本发明应用于海洋环境监测领域，可实现不同水文层面海水温度、深度、密度以及海流流速的同时测量。

说明书

技术领域

本发明涉及海洋水文参数监测及光纤传感领域，特别是指一种基于分布式光纤传感技术 的多功能海洋环境监测装置和方法。

背景技术

长期、连续、定点观测海洋水文环境，尤其是对海水温度、海底深度、海水密度和海流 流速等一系列海洋水文参数的实时监测，是一项艰巨复杂而又意义重大的工作，向来受到人 们的重视。目前对海水温度和深度的监测主要通过分立式的温度、深度传感器实现，对海流 流速的监测主要通过海流计实现。这些设备都属于分立式器件，若要实现海洋铅直方向上各 点的水文参数监测，就需要大量温度、深度传感器和海流计构成传感器阵列，不仅投资巨大， 而且系统复杂，降低了系统的可靠性。海流计是海洋环境监测的一种重要装置。中国实用新 型专利《一种新型声学海流计》(授权公告号：CN203964952U，授权公告日：2014.11.26)提 出了一种海流计，在测量海流流速的同时还具备测量海水温度和盐度的功能；中国实用新型 专利《一种超声多普勒海流计》(授权公告号：CN203949933U，授权公告日：2014.11.19)和 《一种新型多功能海流计》(授权公告号：CN203964956U，授权公告日：2014.11.26)提出的 海流计在对海流流速、温度和盐度进行测量的同时，还可测量海水深度。但上述海流计都属 于分立式器件，在应用上具有局限性。

分布式光纤传感技术以其可连续感知光纤沿线上任一点的温度、应变等参量变化、集信 号传感与传输于一体、便于长距离传感和大规模组网等优点，已广泛应用于国民经济与人们 日常生活的方方面面，包括建筑物、桥梁、大坝、隧道、河堤、飞机、船舶、工厂设备等的 结构安全监测，输油管道和高压线路等危险场合的泄漏检测，边界入侵行为的实时监测以及 通信光缆的故障点检测等。

发明内容

针对现有的海洋水文参数监测技术存在的不足，本发明提出一种基于分布式光纤传感技 术的多功能海洋环境监测装置和方法，旨在实现分布式、多参量、实时、可靠的海洋环境监 测。将本发明应用于海洋环境监测领域，可实现不同水文层面海水温度、深度、密度以及海 流流速的同时测量。

本发明采用的技术方案为：

一种基于分布式光纤传感的多功能海洋环境监测装置，由海面平台、分布式光纤传感系 统、绕缆盘、缆绳(由钢丝绳和外护套组成)和锚体组成，所述分布式光纤传感系统由分布 式光纤传感系统干端机和光纤组组成，所述分布式光纤传感系统干端机包括光发射系统、光 接收系统和信号处理系统，光发射系统用于产生分布式传感所用的光脉冲，光接收系统用于 将光纤沿线各位置处返回的光信号转化为电信号，信号处理系统用于对电信号进行处理得到 光纤沿线各位置处对应的海水温度、深度、密度和海流流速信息；所述光纤组由光纤一、光 纤二、光纤三和光纤四组成；所述分布式光纤传感系统干端机和绕缆盘固定于海面平台上， 所述缆绳一端连接在分布式光纤传感系统干端机上，一部分缠绕于绕缆盘上，另一部分浸没 于海水中，另一端与锚体连接，所述锚体固定于海底。

优选地，所述海面平台既可以是类似于海洋石油981那样的固定平台，也可以是船舶、 浮标等移动平台；其上装载有GPS装置或北斗定位系统而具有定位功能。

优选地，所述光纤一、光纤二、光纤三和光纤四均为带有护套的石英光纤，其中光纤一 的布里渊频移随海水温度、深度、密度和海流流速变化的系数分别为C₁₁、C₁₂、C₁₃和C₁₄， 光纤二的布里渊频移随海水温度、深度、密度和海流流速变化的系数分别为C₂₁、C₂₂、C₂₃和C₂₄，光纤三的布里渊频移随海水温度、深度、密度和海流流速变化的系数分别为C₃₁、C₃₂、 C₃₃和C₃₄，光纤四的布里渊频移随海水温度、深度、密度和海流流速变化的系数分别为C₄₁、 C₄₂、C₄₃和C₄₄，光纤一、光纤二、光纤三和光纤四的选取原则为保证系数行列式：

$D=\left(\begin{array}{cccc}{C}_{11}& C_{12}& C_{13}& C_{14}\\ C_{21}& C_{22}& C_{23}& C_{24}\\ C_{31}& C_{32}& C_{33}& C_{34}\\ C_{41}& C_{42}& C_{43}& C_{44}\end{array}\right)\ne 0,$

从而保证海水温度、深度、密度和海流流速四个水文参数有唯一解；每种光纤各有四根，共 16根光纤，每种光纤各取一根构成一组，共构成四组；以海面平台所在位置的垂直方向为基 准建立坐标系，四组光纤分别固定于所述缆绳的外护套表面东、南、西、北四个方向上，各 组中四根光纤的间隔及排列顺序均保持一致；所用光纤均经过压力筛选试验，保证能够耐受 布放海域的最大静水压。

优选地，所述绕缆盘用于实现缆绳的收放，应保证能够缠绕所述整段缆绳，且其内径大 于缆绳的曲率半径。

优选地，所述缆绳内部的钢丝绳用于承重，其强度应保证能够承受所述锚体的重量，保 证锚体不至于拉长甚至拉断用于传感的光纤。

优选地，所述锚体受到的重力大于所述缆绳受到的浮力，保证所述缆绳布放后水下部分 处于垂直拉伸状态。

优选地，所述分布式光纤传感系统采用基于布里渊效应的传感系统，保证对光纤沿线的 温度和应变都能实现传感。

优选地，所述分布式光纤传感系统可选用空间分辨率较高的分布式光纤传感系统，以提 高所监测水文参量的空间分辨率。

优选地，所述光纤一、光纤二、光纤三和光纤四均采用杨氏模量较小的光纤(光纤应变 等于所受压强除以杨式模量，故采用杨氏模量较小的光纤可增大光纤应变)，从而增强本发明 所述装置对海水深度、密度及海流流速的敏感性。

优选地，所述光纤组的布设组数可扩展至2^N(N为整数且N>2)组，以提高对各个方向 海流流速的监测能力。

本发明还提供一种采用如上所述装置对海水温度、深度、密度和流速同时进行监测的方 法，该方法的步骤如下：

第一步，在实验室中，标定光纤一、光纤二、光纤三和光纤四的布里渊频移随温度、水 深、流体密度和水流流速变化的系数，具体实现方法如下：先将光纤一作为传感光纤单独接 入分布式光纤传感系统，将光纤一垂直固定于水中，保持其所处水深、水流密度和水流流速 不变，改变水温，利用分布式光纤传感系统测得布里渊频移的变化，由此得到光纤一随温度 的变化系数C₁₁；接着保持光纤一所处水温、水流密度和水流流速不变，改变其所处水深，利 用分布式光纤传感系统测得布里渊频移的变化，由此得到光纤一随水深的变化系数C₁₂；然后 保持光纤一所处流体的温度、深度(保证位于液面以下)和流体流速不变，改变流体密度， 利用分布式光纤传感系统测得布里渊频移的变化，由此得到光纤一随流体密度的变化系数 C₁₃；最后保持光纤一所处水温、水深和密度不变，改变水流流速(从而改变水流流速的平方 值)，利用分布式光纤传感系统测得布里渊频移的变化，由此得到光纤一随水流流速平方值的 变化系数C₁₄；

依次类推，按照上述方法得到光纤二的布里渊频移随温度、水深、流体密度和水流流速 变化的系数(C₂₁，C₂₂，C₂₃，C₂₄)、光纤三的布里渊频移随温度、水深、流体密度和水流流 速变化的系数(C₃₁，C₃₂，C₃₃，C₃₄)和光纤四的布里渊频移随温度、水深、流体密度和水流 流速变化的系数(C₄₁，C₄₂，C₄₃，C₄₄)；

第二步，将光纤一、光纤二、光纤三和光纤四分别水平放置并浸没于水温20℃的静水表 面(水深近似为0m、密度10³kg/m³、流速0m/s)，利用分布式光纤传感系统，得到此时四种 光纤对应的布里渊频移ν_B0-1、ν_B0-2、ν_B0-3和ν_B0-4，分布式光纤传感系统在海洋水文参数的实 际测量过程中，将以ν_B0-1、ν_B0-2、ν_B0-3和ν_B0-4作为标准计算四种光纤的布里渊频移变化量；

第三步，在海面平台上，将分布式光纤传感系统干端机与四组共16根传感光纤连接并进 行测量，每组的四根光纤均对应下面的一个四元一次方程组，一共有四个四元一次方程组， 位于东侧的四根光纤(对应自东向西的海流)对应的四元一次方程组为：

$\left(\begin{array}{c}{\mathrm{\Delta \nu }}_{B-E1}=C_{11}\Delta T+C_{12}\Delta h+C_{13}\Delta \rho +C_{14}\Delta \left({{\upsilon }_E}^2\right)\\ {\mathrm{\Delta \nu }}_{B-E2}=C_{21}\Delta T+C_{22}\Delta h+C_{23}\Delta \rho +C_{24}\Delta \left({{\upsilon }_E}^2\right)\\ {\mathrm{\Delta \nu }}_{B-E3}=C_{31}\Delta T+C_{32}\Delta h+C_{33}\Delta \rho +C_{34}\Delta \left({{\upsilon }_E}^2\right)\\ {\mathrm{\Delta \nu }}_{B-E4}=C_{41}\Delta T+C_{42}\Delta h+C_{43}\Delta \rho +C_{44}\Delta \left({{\upsilon }_E}^2\right)\end{array}\right)---\left(1a\right)$

位于南侧的四根光纤(对应自南向北的海流)对应的四元一次方程组为：

$\left(\begin{array}{c}{\mathrm{\Delta \nu }}_{B-S1}=C_{11}\Delta T+C_{12}\Delta h+C_{13}\Delta \rho +C_{14}\Delta \left({{\upsilon }_S}^2\right)\\ {\mathrm{\Delta \nu }}_{B-S2}=C_{21}\Delta T+C_{22}\Delta h+C_{23}\Delta \rho +C_{24}\Delta \left({{\upsilon }_S}^2\right)\\ {\mathrm{\Delta \nu }}_{B-S3}=C_{31}\Delta T+C_{32}\Delta h+C_{33}\Delta \rho +C_{34}\Delta \left({{\upsilon }_S}^2\right)\\ {\mathrm{\Delta \nu }}_{B-S4}=C_{41}\Delta T+C_{42}\Delta h+C_{43}\Delta \rho +C_{44}\Delta \left({{\upsilon }_S}^2\right)\end{array}\right)---\left(1b\right)$

位于西侧的四根光纤(对应自西向东的海流)对应的四元一次方程组为：

$\left(\begin{array}{c}{\mathrm{\Delta \nu }}_{B-W1}=C_{11}\Delta T+C_{12}\Delta h+C_{13}\Delta \rho +C_{14}\Delta \left({{\upsilon }_W}^2\right)\\ {\mathrm{\Delta \nu }}_{B-W2}=C_{21}\Delta T+C_{22}\Delta h+C_{23}\Delta \rho +C_{24}\Delta \left({{\upsilon }_W}^2\right)\\ {\mathrm{\Delta \nu }}_{B-W3}=C_{31}\Delta T+C_{32}\Delta h+C_{33}\Delta \rho +C_{34}\Delta \left({{\upsilon }_W}^2\right)\\ {\mathrm{\Delta \nu }}_{B-W4}=C_{41}\Delta T+C_{42}\Delta h+C_{43}\Delta \rho +C_{44}\Delta \left({{\upsilon }_W}^2\right)\end{array}\right)---\left(1c\right)$

位于北侧的四根光纤(对应自北向南的海流)对应的四元一次方程组为：

$\left(\begin{array}{c}{\mathrm{\Delta \nu }}_{B-N1}=C_{11}\Delta T+C_{12}\Delta h+C_{13}\Delta \rho +C_{14}\Delta \left({{\upsilon }_N}^2\right)\\ {\mathrm{\Delta \nu }}_{B-N2}=C_{21}\Delta T+C_{22}\Delta h+C_{23}\Delta \rho +C_{24}\Delta \left({{\upsilon }_N}^2\right)\\ {\mathrm{\Delta \nu }}_{B-N3}=C_{31}\Delta T+C_{32}\Delta h+C_{33}\Delta \rho +C_{34}\Delta \left({{\upsilon }_N}^2\right)\\ {\mathrm{\Delta \nu }}_{B-N4}=C_{41}\Delta T+C_{42}\Delta h+C_{43}\Delta \rho +C_{44}\Delta \left({{\upsilon }_N}^2\right)\end{array}\right)---\left(1d\right)$

其中Δν_B-E＝[Δν_B-E1，Δν_B-E2，Δν_B-E3，Δν_B-E4]、Δν_B-S＝[Δν_B-S1，Δν_B-S2，Δν_B-S3，Δν_B-S4]、Δν_B-W＝[Δν_B-W1， Δν_B-W2，Δν_B-W3，Δν_B-W4]和Δν_B-N＝[Δν_B-N1，Δν_B-N2，Δν_B-N3，Δν_B-N4]分别代表位于东侧、南侧、 西侧和北侧的光纤一、光纤二、光纤三和光纤四对应的布里渊频移变化量，ΔT、Δh和Δρ分 别代表光纤沿线各点对应的海水温度变化、深度变化和密度变化，Δ(υ_E²)、Δ(υ_S²)、Δ(υ_W²)和Δ(υ_N²) 分别代表自东向西、自南向北、自西向东和自北向南海流的流速平方值变化；缆绳总长为L， 布放后海面以上部分余长L₁，分布式光纤传感系统干端机在对应的L₁位置处开始求解上述四 个四元一次方程组，得到海面以下部分(长度为L-L₁)铅直方向上各位置处的海水温度变化、 深度变化、密度变化和流速平方值变化，再与步骤二中水温、水深、密度和流速平方值的基 准值相减即可得光纤沿线上实际的海水温度、深度、密度和流速平方值；四组光纤可得东、 南、西、北四个方向上的海流流速平方值，开方后得到相应的海流流速。

本发明具有以下有益技术效果：

本发明提供的基于分布式光纤传感技术的多功能海洋环境监测装置和方法，将海洋环境 监测和分布式光纤传感技术结合起来，由于利用了分布式光纤传感技术可对光纤沿线的温度、 应变进行连续传感的优势，与现有的分立式、单一型的海洋环境监测装置相比，本发明可实 现整个铅直方向上包括海水温度、深度、密度以及流速在内的多水文参量同时测量，对于海 洋环境数据库的建设以及海洋科学与工程的发展都具有重要意义。

附图说明

图1是本发明所述基于分布式光纤传感技术的多功能海洋环境监测装置的结构示意图， 图1中的放大部分为缆绳和光纤组的横截面示意图。

其中：1为海面平台，21为分布式光纤传感系统干端机，22a为光纤一，22b为光纤二， 22c为光纤三，22d为光纤四，21和由四组光纤22a、22b、22c、22d组成的光纤组构成分布 式光纤传感系统，3为绕缆盘，4为缆绳，41为钢丝绳，42为外护套，5为锚体。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的具体实施例作进一步说明。

本发明基于以下原理：

光纤布里渊频移ν_B与光纤沿线的温度T、应变ε有关，布里渊频移变化量Δν_B与温度变 化量ΔT和应变变化量Δε成正比即：

Δν_B＝C_TΔT(2)

Δν_B＝C_εΔε(3) 其中C_T和C_ε分别为布里渊频移随温度T和应变ε变化的系数。

光纤应变ε与光纤所受压强P具有以下关系：

$ϵ=\frac{P}{E}---\left(4\right)$

其中E为光纤的杨氏模量。

光纤位于海面下方时，所受压强P主要有两个来源，一个是水深带来的压强P₁，另一个 是海流绕流阻力带来的压强P₂，可表示为：

P₁＝ρgh(5)

$P_2=\frac{1}{2}{\mathrm{C\rho \upsilon }}^2---\left(6\right)$

P＝P₁+P₂(7)

其中ρ为海水密度，g为重力加速度，h为水深，C为绕流阻力系数，υ为海流流速。将式(5)、 式(6)和式(7)代入式(4)可得：

$ϵ=\frac{\rho gh}{E}+\frac{{\mathrm{C\rho \upsilon }}^2}{2E}---\left(8\right)$

将式(8)代入式(3)可得：

${\mathrm{\Delta \nu }}_B=\frac{C_{ϵ}\rho g}{E}\Delta h+\frac{C_{ϵ}}{E}(gh+\frac{{\mathrm{C\upsilon }}^2}{2})\Delta \rho +\frac{C_{ϵ}C\rho }{2E}\Delta \left({\upsilon }^2\right)---\left(9\right)$

由式(9)可以看出，布里渊频移变化量Δν_B与水深变化量Δh、海水密度变化量Δρ以及海 流流速平方值Δ(υ²)的变化量成正比，同时由式(2)布里渊频移变化量Δν_B与水温变化量ΔT成 正比，故利用布里渊光纤传感可同时实现对海水温度T、深度h、密度ρ和流速平方值υ²的 传感。

本发明提出一种基于分布式光纤传感技术的多功能海洋环境监测装置，如图1所示，该 装置由海面平台1、分布式光纤传感系统、绕缆盘3、缆绳4(包含钢丝绳41和外护套42) 和锚体5组成，分布式光纤传感系统由分布式光纤传感系统干端机21和光纤组22组成，光 纤组22由四组由光纤一22a、光纤二22b、光纤三22c和光纤四22d组成的光纤组成。所述 分布式光纤传感系统干端机21和绕缆盘3固定于海面平台1上，所述缆绳4一端连接在分布 式光纤传感系统干端机21上，一部分缠绕于绕缆盘3上，另一部分浸于海水中，另一端与锚 体5连接，所述锚体5固定于海底。所述光纤一22a、光纤二22b、光纤三22c和光纤四22d 各四根共16根，按图1中的方式分别固定于所述缆绳4的外护套42表面东、南、西、北四 个方向上。

下面对本发明提出的基于分布式光纤传感技术的多功能海洋环境监测方法的具体实施例 作进一步说明：首先，在实验室利用基于布里渊效应的分布式光纤传感系统，分别对光纤一 22a、光纤二22b、光纤三22c和光纤四22d四种光纤的布里渊频移随温度、水深、流体密度 和水流流速变化的系数进行标定，即得到(C₁₁，C₁₂，C₁₃，C₁₄)、(C₂₁，C₂₂，C₂₃，C₂₄)、(C₃₁， C₃₂，C₃₃，C₃₄)和(C₄₁，C₄₂，C₄₃，C₄₄)四组系数；其次，在水温20℃、水深0m、密度10³kg/m³、 流速0m/s的条件下，分别测得四种光纤对应的布里渊频移的基准值(ν_B0-1，ν_B0-2，ν_B0-3， ν_B0-4)；缆绳总长L＝1000m，在海面平台完成缆绳布放后，海面以上部分的缆绳余长为 L₁＝600m；最后利用基于布里渊效应的分布式光纤传感系统，对海面以下H＝L-L₁＝400m光纤 沿线的海洋水文参量进行测量，即对光纤最后400m解四个四元一次方程组(1a，1b，1c，1d)， 在系数行列式D≠0的情况下，可解出光纤沿线对应的海水温度变化、深度变化、密度变化 和流速平方值变化即ΔT、Δh、Δρ和Δ(υ²)；再与海水温度、深度、密度和流速平方的基准值 (T₀＝20℃、h₀＝0m、ρ₀＝10³kg/m³、υ₀²＝0m²/s²)相减，可得光纤沿线实际的海水温度、深度、 密度和流速平方值，对流速平方值开方得到实际的海流流速；东侧一组光纤得到的流速对应 相同坐标系下自动向西流动的海流，南侧一组光纤得到的流速对应自南向北流动的海流，西 侧一组光纤得到的流速对应自西向东流动的海流，北侧一组光纤得到的流速对应自北向南流 动的海流。

以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明， 所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明 的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之 内。