一种法布里-珀罗腔海水温度测量系统

本发明属于测量相关，尤其涉及一种法布里-珀罗腔海水温度测量系统。

背景技术：

1、本部分的陈述仅仅是提供了与本发明相关的背景技术信息，不必然构成在先技术。

2、海洋面积占全球总面积的 70.8%，是陆地面积的两倍。海洋拥有着丰富的能源、稀有金属和生物资源，也是影响生态环境、全球气候最主要的因素。当前世界面临着人口膨胀、陆地资源短缺以及环境恶化等严峻问题的挑战，海洋成为维持人类社会可持续发展的重要战略空间。海洋传感器作为各种海洋参数的感知、采集、转换、传输和处理的功能器件，是获取海洋信息不可或缺的技术手段。温度、深度（压力）是海洋环境最基本的参数，也是几乎所有其他海洋传感器为了获得水下精确测量而进行环境校定的关键参量。比如许多海洋化学传感器（如叶绿素、溶解氧、营养盐、ph 等）需要海水的盐度值对其进行校定，而盐度的精确测量则需要海水温度、压力值对其进行校定。

3、传统的电学类海洋温度传感器常内置测量电路和电池，在复杂恶劣的海洋环境中，水下传输信号易受干扰，存在漏水漏电的风险，其工作的可靠性低，测量误差较大，严重影响了在实际应用中的工作效率。光纤传感器以光纤作为光信号的传输媒介，具有体积小、质量轻、本征绝缘、抗腐蚀、抗电磁干扰和便于遥测等优点，在海洋领域具有较大的应用潜力。

4、现有方案中，王永杰等通过将16只光纤温度传感器以1米为间隔组成温度链，竖直布放于养殖场水下，研制了无线传输光纤温度链遥测系统。采用无线系统每2分钟将测试的数据发回陆地，实现了养殖场水下温度参数的实时、原位、连续测量，测温精度 0.1℃。该团队也研发了一套船载拖曳式光纤温深剖面连续测量系统，通过将 120 只光纤光栅温度传感器和压力传感器集成在拖曳缆中，随船舶运动实现了海面至水下 200m 温度垂直剖 面的高采样频率、高水平分辨率的实时连续观测，测温精度达到 0.01℃。虽然光纤光栅海洋温度传感器取得了一些应用，然而测量光栅多采用常规的布拉格光栅，光纤光栅传感器由于存在应力释放、自身老化等易发生漂移，校准后可用于短期测量，不适于海洋环境参数的长期原位监测。光源采用宽谱光源，解调系统采用光谱仪，这种方案的分辨率受光源光谱功率密度、光栅谱宽以及光谱仪分辨率的限制，测量分辨率较低。

5、近年来，随着光电子器件、特种光纤光栅器件、数据处理芯片性能的提升，高精度光纤传感技术得到了长足的发展。通过采用具有高光功率密度的窄线宽可调激光光源和低噪声光电探测器，采用谱宽极窄的光学谐振腔作传感探头以及基于pound-drever-hall（pdh）激光稳频技术的解调方法，实现了纳应变级的静态和亚纳应变级动态测量分辨率。目前高精度的解调系统主要有两种技术方案，一种是基于激光锁频技术，一种是基于窄线宽激光扫频技术。基于激光锁频技术的解调系统将激光器的频率锁定在传感探头的谐振峰上，具有响应速度快、高精度的特点，由反馈回路中的反馈电压信号提取传感信息，但是该系统由于激光器的频率易受环境温度、噪声等的干扰，解调结果易发生漂移，不适用于长期稳定测量。而且锁频系统只能单点测量，不易进行多点多参数复用测量。基于窄线宽激光扫频技术的解调系统将激光器工作在频率扫描模式，利用激光器光功率较高的特性，可以分成多束通道，分别到达传感探头解调传感信息，具有光源利用效率高、多通道解调、系统结构简单、可靠性高的优点，适用于实时、大范围的海洋温度参数监测。

6、综上，目前光纤光栅类海洋温度传感探头存在易漂移问题，以及光谱仪解调系统存在价格昂贵、解调分辨率有限、解调速度慢的问题。

技术实现思路

1、为克服上述现有技术的不足，本发明提供了一种法布里-珀罗腔海水温度测量系统，适用于需要兼具大量程和高精度的海水温度测试链，具有易于集成、可扩展性强、体积小、线性度好、成本低和稳定性好的优点。

2、本发明一个方面提供一种法布里-珀罗腔海水温度测量系统，包括：激光器，分束器、分子气体吸收池、第一光环形器、第二光环形器、第一温度探头、第二温度探头和解调单元；

3、所述激光器、所述分束器和所述分子气体吸收池顺次连接，作为参考光路，实时校准所述激光器的出射波长；

4、所述激光器，分束器、第一光环形器和第一温度探头顺次连接；

5、所述激光器，分束器、第一光环形器、第二光环形器和第二温度探头顺次连接；

6、所述第二光环形器用于将所述第一温度探头和所述第二温度探头的光谱进行叠加；

7、所述第一温度探头和所述第二温度探头采用法布里-珀罗腔，所述第一温度探头的温度系数小于所述第二温度探头的温度系数；

8、所述解调单元，用于根据所述第二光环形器叠加后的光谱所解调出谐振峰，并结合参考光路解调得到的参考峰值进行互相关计算，得到待测海水温度。

9、以上一个或多个技术方案存在以下有益效果：

10、在本发明中，选用两个温度系数不同的温度探头，基于第一温度探头和第二温度探头有效实现温度的高分辨与大量程测量，解决法布里珀罗谐振腔存在的多峰识别的问题；引入气体吸收池作为参考通道，降低了对环境波动的敏感性，提高了长期稳定性，适用于解调高精细度光学谐振腔探头；通过互相关算法计算出传感峰值与参考峰值的时间延迟，有效补偿了环境波动引起的激光频率漂移，提高了解调稳定性；其结构简单、光源利用率高、分辨率高、稳定性好、信噪比高；适用于需要兼具大量程和高精度的海水温度测试链，具有易于集成、可扩展性强、体积小、线性度好、成本低和稳定性好的优点。

11、本发明附加方面的优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。

1.一种法布里-珀罗腔海水温度测量系统，其特征在于，包括：激光器，分束器、分子气体吸收池、第一光环形器、第二光环形器、第一温度探头、第二温度探头和解调单元；

2.如权利要求1所述的一种法布里-珀罗腔海水温度测量系统，其特征在于，所述第一温度探头由第一单模光纤、第一光纤准直器和双面镀高反膜的单晶氧化铝构成；所述第二温度探头由第二单模光纤、第二光纤准直器和双面抛光单晶硅构成。

3.如权利要求1所述的一种法布里-珀罗腔海水温度测量系统，其特征在于，在所述解调单元中，所述第一温度探头和所述第二温度探头的温度灵敏度分别由法布里-珀罗腔的腔长、材料折射率、材料的热光系数、热膨胀系数和谐振腔反射光谱的第n条峰的中心波长所确定。

4.如权利要求1所述的一种法布里-珀罗腔海水温度测量系统，其特征在于，在所述解调单元中，在未知温度下，对于同一谐振峰，所述第二温度探头的测量信号解调得到多个不同温度值，在多个不同温度值中选择与所述第一温度探头解调得到的温度值最近的温度值，作为测量值。

5.如权利要求1所述的一种法布里-珀罗腔海水温度测量系统，其特征在于，所述分束器输出的一束光信号依次经过所述第一光环形器的第一端口、所述第一光环形器的第二端口、所述第一温度探头、所述第一光环形器的第三端口、所述第二光环形器的第一端口、所述第二光环形器的第二端口、所述第二温度探头、所述第二光环形器的第三端口和光电探测器。

6.如权利要求1所述的一种法布里-珀罗腔海水温度测量系统，其特征在于，在所述解调单元中，根据激光器波长调制系数，以及传感峰值与参考峰值的谐振波长差，计算传感峰值与参考峰值的时间延迟；根据所计算的传感峰值与参考峰值的时间延迟，结合初始温度、温度探头的波长温度系数，以及初始温度下测温探头与参考波长之间的时间延迟，计算得到温度值。

7.如权利要求1-6任一项所述的一种法布里-珀罗腔海水温度测量系统，其特征在于，所述激光器采用窄线宽激光器。

8.如权利要求1-6任一项所述的一种法布里-珀罗腔海水温度测量系统，其特征在于，还包括与所述激光器连接的温度控制器，所述温度控制器用于控制所述激光器的温度。

9.如权利要求1-6任一项所述的一种法布里-珀罗腔海水温度测量系统，其特征在于，还包括与所述激光器连接的电流控制器，所述电流控制器用于控制所述激光器的电流。

10.如权利要求9任一项所述的一种法布里-珀罗腔压力传感测量系统，其特征在于，所述电流控制器还与电压输出模块连接，通过控制所述电压输出模块周期性输出斜三角波信号，加载在所述电流控制器上，以改变所述激光器的注入电流。