陳 陽，陳嬡晨，沈 翔，戴 彬，李進(jìn)延，楊旅云，戴能利

（華中科技大學(xué) 武漢光電國家實(shí)驗(yàn)室，湖北 武漢 430074）

面向海洋傳感與探測的光纖傳感器研究進(jìn)展

陳 陽，陳嬡晨，沈 翔，戴 彬，李進(jìn)延，楊旅云，戴能利*

（華中科技大學(xué) 武漢光電國家實(shí)驗(yàn)室，湖北 武漢 430074）

調(diào)研了近幾年光纖傳感器在海洋探測方面的研究進(jìn)展，主要包括測量海水溫度、壓力、鹽度、葉綠素、pH值和溶解氧的相關(guān)光纖傳感器以及光纖水聽器。簡要介紹了光纖傳感器的基本原理、結(jié)構(gòu)及性能，同時(shí)跟蹤了國內(nèi)外相關(guān)的最新研究進(jìn)展，并與傳統(tǒng)的測量方法進(jìn)行了比較，分析得出光纖傳感器是對現(xiàn)有傳統(tǒng)海洋探測器的重要補(bǔ)充，并在一些探測領(lǐng)域具有獨(dú)特的優(yōu)勢。 文章最后，探討了光纖傳感技術(shù)的未來發(fā)展趨勢，認(rèn)為在海洋溫度、壓力、葉綠素、水聽器等領(lǐng)域可能會率先突破技術(shù)瓶頸并實(shí)現(xiàn)商用，同時(shí)提出了未來海洋光纖探測技術(shù)新的研究方向。

光纖；光纖傳感器；海洋探測；海洋監(jiān)測；研究進(jìn)展

海洋蘊(yùn)藏著豐富的資源，影響著全球氣候變化，海洋科學(xué)在海洋環(huán)境保護(hù)、能源開發(fā)、災(zāi)害預(yù)防、權(quán)益維護(hù)等多方面有著舉足輕重的作用，同時(shí)也能為國家制定海洋政策提供科學(xué)依據(jù)。

海洋科學(xué)的發(fā)展，無疑需要有合適的探測手段。長期以來海洋探測的主角是各種電學(xué)傳感器，它們具有技術(shù)成熟、用途廣泛等優(yōu)勢。如今發(fā)達(dá)國家，特別是海洋強(qiáng)國都爭相發(fā)展自己的海洋探測技術(shù)，美國、英國、西班牙、德國、日本等國都形成了各具特色的海洋探測設(shè)備體系[1]，并在電學(xué)傳感領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)了商用化[2]。電學(xué)傳感器發(fā)展至今，雖然技術(shù)成熟度很高，但仍有一些問題尚需解決：在海洋的惡劣環(huán)境下，電學(xué)傳感器對耐壓、防水、抗腐蝕性能要求很高，因?yàn)橐坏┏霈F(xiàn)海水泄露，將可能直接導(dǎo)致儀器失靈；水下環(huán)境信號傳輸困難，易受到噪聲干擾，對遠(yuǎn)距離信號傳輸產(chǎn)生影響[3]；電學(xué)傳感器的制作與維護(hù)成本高，壽命較短，組建水下傳感網(wǎng)絡(luò)存在一定的困難。

隨著光纖技術(shù)的成熟和進(jìn)步，光纖傳感技術(shù)也得到迅速發(fā)展[4]。1977年美國海軍實(shí)驗(yàn)室最先開展光纖傳感器系統(tǒng)相關(guān)研究，隨后，英國、德國以及日本等國家先后開展光纖傳感研究，我國對光纖傳感器的研究從20世紀(jì)80年代初展開。光纖傳感器件具有工藝簡單可靠、信號衰減小、抗電磁干擾能力強(qiáng)、耐腐蝕、成本低廉、便于集成、測量儀器水下無需電源等優(yōu)良特性，因此是對現(xiàn)有傳統(tǒng)電學(xué)海洋傳感器件的重要補(bǔ)充，也是海洋傳感領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)。美國、日本以及西歐國家都在進(jìn)行這方面的探索，國內(nèi)中國海洋大學(xué)、浙江大學(xué)、華北電力大學(xué)等多所學(xué)校以及中科院海洋研究所等研究單位等也都展開了面向海洋探測的光纖傳感器研究。海水的溫度、鹽度與深度是研究海洋環(huán)境變化的最為基本的物理量，深刻影響著氣候變化與人類探測活動，是海洋探測中最重要的物理參量。葉綠素含量反映了海水中浮游植物的群落結(jié)構(gòu)和能量分布狀態(tài)，常應(yīng)用于監(jiān)測海水細(xì)微結(jié)構(gòu)與海洋污染情況。溶解氧與pH值則直接影響海洋生物的生存環(huán)境，pH值對研究海洋酸化具有重要意義。此外，光纖水聽器具有很高的聲壓靈敏度，是近年來的一個(gè)研究熱點(diǎn)。據(jù)此，本文調(diào)研了近幾年光纖傳感器在海水溫度、鹽度、深度、葉綠素、溶解氧、pH值以及水聽器方面的研究進(jìn)展。

1 光纖傳感原理

光是一種電磁波，由于相對于電場分量而言，光波場對物質(zhì)的磁作用很弱，因此可以只考慮電矢量的作用。在圓柱坐標(biāo)系下，自由空間單色平面波可由（1）式表示：

式中：k→為真空中的波矢量；E→(r→)為電場分布的振幅矢量；ω是光場振動頻率；r→為空間位置。利用光波特征參量（振幅、相位、波長、頻率、偏振態(tài)等）在外界環(huán)境（溫度、壓力、電磁場、轉(zhuǎn)動、拉力……）作用下發(fā)生改變的現(xiàn)象制作傳感器，這就是光纖傳感器件的基本原理[5]。光纖傳感器從功能上分，可以分為傳感型與傳光型[4]。光纖作為感知外界環(huán)境變化的器件，并通過光纖傳輸傳感信號的光纖傳感器，稱為傳感型。若光纖僅作為數(shù)據(jù)傳輸通道而不作為敏感元件，這樣的傳感器稱為傳光型光纖傳感器。傳感型光纖傳感器具有傳感合一的特點(diǎn)，而光型光纖傳感器則能夠充分利用現(xiàn)有成熟傳感技術(shù)。傳感型與傳光型按調(diào)制原理都可以分為振幅調(diào)制型、相位調(diào)制型、偏振態(tài)調(diào)制型、波長調(diào)制型。本文介紹的都是傳感型光纖傳感器。

2 海洋傳感器發(fā)展

2.1 光纖溫度傳感器

傳統(tǒng)的海洋溫度傳感器一般基于熱敏電阻或熱電偶，已經(jīng)具備比較成熟的技術(shù)，產(chǎn)品性能較好。但是熱敏電阻與熱電偶都存在一些問題，比如熱敏電阻性能波動較大，而熱電偶的電壓與溫度是非線性關(guān)系，不適用于高精度溫度測量[6]。光纖對溫度具有天然敏感性，光纖溫度傳感器具有結(jié)構(gòu)簡單、靈敏度高、耐腐蝕等優(yōu)點(diǎn)，采用光纖光柵溫度傳感器與復(fù)用技術(shù)能夠方便地獲取海洋溫度剖面信息。但是，目前還沒有實(shí)用化的面向海洋應(yīng)用的光纖溫度傳感器。

光纖布拉格光柵(FBG)能夠直接響應(yīng)外界的溫度變化，根據(jù)Bragg方程：

式中：λB為布拉格波長；neff為有效折射率；Λ為光柵周期?？梢?，光纖光柵中心波長受有效折射率與光柵周期共同決定，因此可以在同一條光纖上刻蝕多個(gè)不同反射波長的光纖光柵，實(shí)現(xiàn)分布式溫度測量，方便地獲取海洋溫度剖面信息。2011年華北電力大學(xué)李星蓉[7]等試驗(yàn)了在光纖鏈路上串接40個(gè)FBG光纖光柵，光柵間距5 m，一次獲得了200 m深海水溫度剖面。由于該系統(tǒng)缺少深度定位，因此與實(shí)際深度的溫度信息有差距。應(yīng)用FBG對溫度的直接響應(yīng)特性，2015年，張登攀等[8]提出一種紫銅雙端封裝光纖光柵海洋溫度傳感器，通過填充特殊的可固化的高導(dǎo)熱物質(zhì)，溫度測量靈敏度達(dá)27.6 pm/℃，最快響應(yīng)時(shí)間達(dá)48.6 ms，基本達(dá)到了商用電學(xué)傳感器的響應(yīng)時(shí)間水平。

2014年，中國海洋大學(xué)Hongjuan Yang等[9]提出基于微光纖結(jié)諧振器（MKR）的溫度傳感器，從理論與實(shí)驗(yàn)上研究了傳感器靈敏度與光纖直徑及探測光波長的關(guān)系，并實(shí)現(xiàn)了22.81 pm/℃的溫度靈敏度。2015年，美國內(nèi)布拉斯加林肯大學(xué)Guigen Liu等[10]在單模光纖的頂端粘接了一個(gè)直徑80 μm、長度100 μm的石英柱，石英柱的外端面與粘接處端面構(gòu)成反射鏡，結(jié)構(gòu)與原理如圖1所示。傳感器的靈敏度達(dá)到了84.6 pm/℃，響應(yīng)時(shí)間0.51 ms。同時(shí)采用新的平均波長追蹤法，溫度分辨率達(dá)到6×10-4，取樣頻率約2 kHz。同年，Xin Wang等[11]提出一種基于高雙折射橢圓光纖Sagnac環(huán)的溫度傳感器。在探測波長1 310 nm、光纖長度達(dá)98.9 cm、溫度10～30℃范圍內(nèi)，實(shí)現(xiàn)溫度測量靈敏度-472 pm/℃。

圖1 Guigen Liu等設(shè)計(jì)的FPI光纖溫度傳感器

FBG能夠直接應(yīng)用于溫度傳感，通過分布式測量獲取溫度剖面，響應(yīng)時(shí)間短，剖面測量速度快，是面向海洋溫度測量的重要選擇?；诟缮鎯x相位調(diào)制非本征型FPI的光纖溫度傳感器,具有高靈敏度與采樣頻率?？傮w來看，海洋光纖溫度傳感器適應(yīng)未來海洋測量方法的發(fā)展方向，對交叉敏感以及傳感器封裝材料、結(jié)構(gòu)與工藝[12]等問題的解決，將使光纖傳感器更加具備技術(shù)優(yōu)勢。

2.2 鹽度傳感器

當(dāng)前，主流的海洋鹽度測量方法是電導(dǎo)率法，利用在一定的溫度、壓力條件下，溶液的濃度、成分與電導(dǎo)率之間的對應(yīng)關(guān)系，通過測量溶液的導(dǎo)電性能獲得溶液的鹽度信息。由于電極長期處于海水環(huán)境，易受腐蝕，容易受到電磁干擾，且更易受沖擊受損。通過折射率法測量鹽度是另一種方法，2008年，清華大學(xué)趙勇等[13]利用光學(xué)棱鏡制作海水射率傳感器，具有非常高的靈敏度，系統(tǒng)分辨率達(dá)到0.012‰，但是結(jié)構(gòu)復(fù)雜、強(qiáng)度較差、測量條件要求很高。應(yīng)用微波遙感技術(shù)可以快速、定量、大面積獲取海洋表面鹽度信息，但無法獲得水下鹽度信息。光纖傳感器耐腐蝕能力強(qiáng)，幾乎不受電磁干擾的影響，容易實(shí)現(xiàn)緊湊的傳感結(jié)構(gòu)，對環(huán)境的適應(yīng)能力更強(qiáng)，高靈敏度也決定了光纖傳感器具備很好的發(fā)展前景。

光纖鹽度傳感器，按測量方式主要有直接測量法與間接測量法兩種。

直接測量法。在恒定的溫度與壓力下，一定鹽度的海水引起特定的折射率改變，因此，測得海水折射率就可以反推出海水鹽度。2012年，S Robinson和R Nakkeeran[14]提出了一種基于光子晶體環(huán)形諧振器（PCRR）的強(qiáng)度調(diào)制型光纖鹽度傳感器，透過光功率受到海水引起的有效折射率調(diào)制，20°C條件下，傳感器的最小可檢測（靈敏度）和動態(tài)范圍分別為1%（1 g/L）和40%，同時(shí)對溫度有較好的不敏感性。2016年，中國海洋大學(xué)Shanshan Wang等[15]提出了一種基于超細(xì)纖維定向耦合器的海水高靈敏度鹽度和溫度傳感器。通過火焰加熱拉錐技術(shù)將標(biāo)準(zhǔn)單模光纖拉成直徑為3.79 μm和2.20 μm細(xì)纖維，并組合成定向耦合器，實(shí)現(xiàn)鹽度靈敏度930 pm/‰和溫度靈敏度-160 μm/℃。進(jìn)一步縮小纖維直徑，可將溫度敏感度提高至-1 130 μm/℃。同時(shí)，在傳感器耦合區(qū)涂覆乙基纖維素溶劑作為保護(hù)，提高了傳感器在海洋環(huán)境下的可靠性與穩(wěn)定性。

間接測量方法。光纖外層涂覆材料吸收一定鹽度的海水后物理性質(zhì)會發(fā)生改變并作用到光纖，從而引起傳輸光場變化。2011年，Chuang Wu等[16]利用光纖涂覆膨脹導(dǎo)致光纖徑向壓力變化進(jìn)行鹽度傳感。結(jié)構(gòu)如圖2所示，Chuang Wu等在偏振保持光纖（PM-PCF）上涂覆聚酰亞胺，并將其制作成Sagnac干涉儀（圖中插圖所示Sagnac環(huán)直徑為1.8 cm），并將裸露的FBG整合到Sagnac干涉儀中補(bǔ)償溫度影響，實(shí)現(xiàn)了0.742 nm/(mol/L)的靈敏度。這種光纖傳感器存在的問題在于需要去除涂覆后再涂覆聚酰亞胺涂料，并且需要刻蝕FBG，增加了工藝復(fù)雜度，因此需要進(jìn)一步優(yōu)化制作工藝，降低制作成本。2015年Xing L等[17]研究了表面等離子體鹽度傳感器，實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，諧振波長分辨率為0.15 nm，折射率監(jiān)測偏差0.002，具有較好的穩(wěn)定性。

圖2 鹽度傳感器裝置圖

應(yīng)用直接測量法的光纖鹽度傳感器存在的問題主要是需要將光纖直接裸露在海水環(huán)境中。為了增加光纖器件對海水折射率的敏感性，在光纖上采用一些錐形結(jié)構(gòu)[18]，增大了海水與泄露到光纖外的模式相互作用，但同時(shí)裸光纖長期暴露在海水環(huán)境下，受到水分子滲入及微生物附著影響，傳感器性能會降低。間接測量法通過敏感材料間接測量海水鹽度，傳感器的性能和響應(yīng)時(shí)間受涂覆材料性質(zhì)影響較大，而且涂覆材料往往是自行制備，限制了技術(shù)推廣。綜上所述，很有必要發(fā)展出新的傳感原理，以適應(yīng)光纖鹽度傳感面臨的海洋物理和化學(xué)環(huán)境問題，提高鹽度傳感的精度、穩(wěn)定性和耐用性。

2.3 深度（壓力）傳感器

壓力傳感器的測量性能直接決定了海洋深度定位的精度[19]。傳統(tǒng)的電學(xué)壓力傳感器發(fā)展最為成熟的是壓阻式傳感器，這種傳感器利用外力引起單晶硅材料電阻率改變的現(xiàn)象測量壓力。但是存在著易受自身電流熱效應(yīng)影響，線性度不佳的缺點(diǎn)。光纖器件能夠?qū)毫ψ兓苯禹憫?yīng)，與光纖溫度傳感器有相通之處，具有體積小、靈敏度高、穩(wěn)定性好、量程大等特點(diǎn)。

FPI傳感器對腔長變化十分敏感，微小的偏移就可以引起明顯的干涉波長偏移，是一種傳感器常用結(jié)構(gòu)。2012年，安徽大學(xué)Feng Xu等[20]采用化學(xué)鍍膜法在陶瓷套圈的一端鍍上一層厚度為幾百納米的銀膜作為外腔反射鏡，與單模光纖端面構(gòu)成外腔式FPI，結(jié)構(gòu)圖與實(shí)物如圖3所示，該傳感器在0～50 kPa范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)了70.5 nm/kPa的靈敏度，線性擬合系數(shù)達(dá)到0.995 23，最大遲滯約3.4%。為了解決光纖壓力傳感器中存在的壓力與溫度交叉敏感問題，2013年，Huang J等[21]提出一種膜片式FBG結(jié)構(gòu)壓力傳感器，用兩支串聯(lián)在一起但中心波長不同的FBG，分別測量膜片中心與邊緣的應(yīng)變，對溫度敏感性進(jìn)行補(bǔ)償。傳感器在0～1 MPa范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)靈敏度1.57 pm/kPa，線性擬合系數(shù)達(dá)到99.996%，重復(fù)性誤差小于0.6%，動態(tài)壓力測量頻率范圍為0～3 000 Hz，這種傳感器可以應(yīng)用于氣體或液體的動態(tài)壓力測量。2014年，Duraibabu D B等[22]將FBG與外腔式法布里-珀羅干涉儀（EFPI）結(jié)合，實(shí)現(xiàn)了溫度與壓力的同步測量，傳感器具有良好的穩(wěn)定性，壓力測量實(shí)現(xiàn)了0.005 m的分辨率和0.025 m的測量精度。深海海洋測量需要傳感器具有較大的量程，天津大學(xué)精密儀器與光電子工程學(xué)院張偉航[19]等提出一種面向海洋應(yīng)用的光纖F-P高壓傳感器，測量范圍達(dá)到105MPa，滿量程測量精度均優(yōu)于0.100%。

圖3 Feng Xu設(shè)計(jì)的FPI壓力傳感器

綜上所述，光纖壓力傳感器一般基于相位或波長調(diào)制，能夠具有比較高的靈敏度和較大的測量范圍。光纖光柵的壓力傳感器在實(shí)現(xiàn)波分復(fù)用與分布式測量方面有獨(dú)特的優(yōu)勢，并且已經(jīng)在建筑與安防等領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)了實(shí)用化。存在的問題在于軸向抗拉力極限限制，以及需要兼顧量程與分辨率。隨著MEMS技術(shù)的發(fā)展與材料工藝的進(jìn)步，基于FPI的大量程壓力傳感器將更加容易制作與優(yōu)化結(jié)構(gòu)。充分研究各種光纖器件的性能，合理組合，實(shí)現(xiàn)性能互補(bǔ)，是光纖壓力傳感器發(fā)展的又一思路。

2.4 溶解氧傳感器

海水的溶解氧濃度能夠反映水質(zhì)生物的狀態(tài)，直接影響海洋生物的生存環(huán)境，所以實(shí)時(shí)在線檢測海水溶解氧濃度十分重要。目前光纖氧傳感器大部分是基于熒光猝滅原理，即熒光染料分子（激發(fā)態(tài)）與氧分子碰撞產(chǎn)生熒光猝滅,可通過測量熒光指示劑熒光強(qiáng)度或者熒光壽命測出溶解氧濃度。

1980年，Peterson J I等[23]設(shè)計(jì)了測量血液中氧分壓的光纖傳感器。1992年，Wlothuis R A等[24]研制了一種基于光吸收原理的光纖氧傳感器。1999年，Campo J C等[25]研發(fā)了基于磷光猝滅的光纖溶解氧傳感器。廈門大學(xué)的李偉等[26]2001年研制出一種測海水溶解氧濃度的光纖傳感器,該器件響應(yīng)速度快、壽命長，已應(yīng)用于相關(guān)海洋監(jiān)測研究之中，但需要進(jìn)一步優(yōu)化雜散光的影響。2011年，R J Zheng等[27]以電化學(xué)發(fā)光（ECL）氧傳感器為基礎(chǔ)提出了一種應(yīng)用于檢測溶解氧的濃度和生化需氧量的方法，當(dāng)溶解氧濃度范圍在1.7～33 mg/L，ECL強(qiáng)度與其線性相關(guān)。2012年，南京信息工程大學(xué)的肖韶榮等[28]使用高亮度藍(lán)色發(fā)光二極管激發(fā)紅色熒光進(jìn)行溶解氧含量的測量，并研究激發(fā)光頻率與信號占空比對傳感器性能的影響，實(shí)現(xiàn)檢測精度0.03 mg/L，檢測下限0.3 mg/L，有較好的穩(wěn)定性和重復(fù)性。2017年，趙明富等[29]利用熒光猝滅原理，熒光標(biāo)記物選用鄰啡咯啉釕，研制出的光纖傳感器相對熒光強(qiáng)度和溶解氧濃度線性相關(guān)，可逆性較好。同時(shí)國內(nèi)還有很多高校、研究所也在研究光纖氧傳感器，如山東大學(xué)、國家海洋技術(shù)中心等。

總體來看，國外對光纖氧傳感器的研究水平較高，我國在該領(lǐng)域也逐漸發(fā)展起來，并也研制出應(yīng)用于多方向的相關(guān)器件，但傳感器性能還有待進(jìn)一步提升。

2.5 pH值傳感器

pH值與海洋大氣、水下生物和海水變化之間存在密切聯(lián)系。傳統(tǒng)測量pH值的手段有pH試紙、pH玻璃電極、pH指示劑和電位法等。隨著現(xiàn)代科技發(fā)展，傳統(tǒng)的pH值測量方法越來越不能滿足測量需求，如pH試紙只能進(jìn)行定性測量，pH玻璃電極存在阻抗高、易破損以及體積大等問題。光纖傳感器結(jié)構(gòu)緊湊、體積小，能實(shí)現(xiàn)高精度定量測量。目前光纖pH傳感器主要測量原理有光吸收原理、光反射原理和熒光法。

1980年，Peterson J I等[23]首次設(shè)計(jì)出光纖pH化學(xué)傳感器進(jìn)行生理學(xué)研究，從此光纖化學(xué)pH值傳感器在分析和測量等領(lǐng)域得到迅速發(fā)展。2013年，Chiang等[30]提出基于聚乙烯醇/聚丙烯酸(PVA/PAA）混合薄膜的光纖pH值傳感器，測量范圍為3～6，探測分辨率為0.02 pH unit。2013年，中國計(jì)量學(xué)院[31]研制出基于PVA/PAA薄膜的反射型光纖PCFI-pH值傳感器，該器件中由單模光纖與實(shí)芯光子晶體光纖坍塌熔接而成PCFI部分，原理結(jié)構(gòu)圖如圖4所示，傳感器探測靈敏度為0.9 nm/pH unit，探測分辨率為 0.022 pH unit。

圖4 反射型PCFI原理結(jié)構(gòu)圖及光學(xué)顯微鏡圖

2012年，浙江大學(xué)何賽靈等[32]設(shè)計(jì)一種基于吸水性納米膜光纖pH傳感器，該器件靈敏度為0.45 nm/pH，分辨率達(dá)0.013 pH unit，響應(yīng)時(shí)間為200 s。2014年，Schyrr B等[33]利用倏逝波檢測方法，選溴酚藍(lán)作為pH指示劑，當(dāng)溶液pH改變，膜的吸收能力也發(fā)生變化，倏逝波的強(qiáng)度隨之改變，由此可測量出溶液pH。該光纖pH傳感器的測量范圍是3～9，但精度不高（0.2 pH units），具有可逆性，可連續(xù)測量24 h以上。2015年，吉林大學(xué)崔洪亮等[34]設(shè)計(jì)了一種基于表面等離子體（SPR）技術(shù)的波長調(diào)制pH光纖傳感器，結(jié)構(gòu)如圖5所示。該pH值傳感器的光纖探頭采用纖芯直徑為400 μm的石英光纖，剝?nèi)グ鼘?，鍍上金膜、金膜反射鏡，pH敏感層采用聚丙烯酰胺水凝膠，該傳感器的靈敏度為5.51 nm/pH值。2015年，山西大學(xué)的王松柏等[35]通過在光纖表面涂覆溴酚藍(lán)涂敷，構(gòu)建了模式濾光光纖pH傳感器。該光纖傳感器顯示了良好的穩(wěn)定性和重現(xiàn)性，pH在2.0～8.0范圍響應(yīng)良好，在3.0～6.0間有較好的線性關(guān)系。2016年，暨南大學(xué)林宇等[36]設(shè)計(jì)了一種基于水凝膠螺旋式涂覆的長周期光纖光柵pH傳感器，結(jié)構(gòu)如圖6所示。其測量pH的范圍為0～14，透射譜中心波長隨著pH值的增大而減小，靈敏度最高可達(dá)到148.96 pm/pH，實(shí)驗(yàn)結(jié)果在光纖光柵pH傳感器領(lǐng)域達(dá)到了領(lǐng)先水平。

圖5 光纖表面等離子體pH值傳感器

圖6 螺旋式涂敷LPG pH傳感器

綜合來看，pH光纖化學(xué)傳感器雖然還存在一些問題，如缺乏新原理、新技術(shù)，使得該領(lǐng)域前景不太可觀。如果能提出新的原理技術(shù)，pH光纖化學(xué)傳感器就會有巨大的應(yīng)用前景。

2.6 葉綠素傳感器

水質(zhì)生物的狀態(tài)參數(shù)能夠反映海水中浮游植物的時(shí)間和空間分布、蘊(yùn)藏量和變化規(guī)律，從而監(jiān)測赤潮的發(fā)生，評價(jià)水質(zhì)。所以，必須實(shí)時(shí)直接監(jiān)測海水葉綠素a含量，才能研究海洋復(fù)雜的污染情況。傳統(tǒng)測浮游植物葉綠素a的方式為現(xiàn)場采樣和實(shí)驗(yàn)室化學(xué)分析（分光光度法或熒光光度法）。光纖熒光傳感器不僅有熒光法的優(yōu)勢，還具有光纖傳感的特點(diǎn)，其檢測原理為：在中心波長為450 nm激勵(lì)光激勵(lì)下，葉綠素a會發(fā)出峰值在680 nm左右的熒光，監(jiān)測接收的熒光光強(qiáng)則可測出葉綠素a的濃度。

光纖傳感器測量葉綠素a始于1966年Lorenzen[37]首次進(jìn)行活體內(nèi)葉綠素連續(xù)測量，奠定了走航式不間斷監(jiān)測葉綠素的基礎(chǔ)。1973年，Hongsuk H Kim[38]運(yùn)用機(jī)載激光熒光計(jì)，首次實(shí)現(xiàn)了現(xiàn)場測量海藻的濃度和分布，探測葉綠素a含量的精度達(dá)到mg/m3量級。1991年，P Mazzunghi[39]設(shè)計(jì)出便攜式光纖熒光計(jì)，只需使用電池供電。2009年，Pena-Vazquez等[40]研制了一種光纖探測器，用3種微藻類生物（D.c.，S.i.，S.s.）測量除草劑含量，儀器測量出葉綠素?zé)晒庑盘枏?qiáng)度得出：D.c.的檢測限度為3.6 μg/L，比S.s.的 48 μg/L 和 S.i.的 31.0 μg/L 低，并且這種生物傳感器至少可以穩(wěn)定3周以上。2013年，Eoin O Connell等[41]提出了一種基于光纖傳感平臺的系統(tǒng)，新型該系統(tǒng)能夠檢測液體中雜質(zhì)含量（如葉綠素a和b）的變化，可以放到一個(gè)基于Mote的平臺實(shí)行實(shí)時(shí)監(jiān)測水體（如圖7所示），實(shí)驗(yàn)樣品的葉綠素從菠菜中提取。圖8為葉綠素a和葉綠素b的可見光吸收光譜。

圖7 Eoin O’Connell等搭建的傳感平臺示意圖

圖8 葉綠素a和b的可見光吸收光譜

通過調(diào)研發(fā)現(xiàn)，雖然國外進(jìn)行了大量在線測量水體浮游植物濃度的研究工作，但有關(guān)運(yùn)用光纖技術(shù)進(jìn)行現(xiàn)場走航測量方面的并不多。國內(nèi)在該方面的研究始于20世紀(jì)80年代末。1990年，國家海洋局青島海洋研究所[42]首次成功設(shè)計(jì)出海水葉綠素a現(xiàn)場測量儀。燕山大學(xué)對光纖熒光海水葉綠素a濃度測量的研究較多。2001年，王玉田和鄭龍江[43]用弱光信號檢測技術(shù)的現(xiàn)場監(jiān)測海水葉綠素a濃度系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)海藻濃度的在線測量，這一方案融合了熒光測量法與光纖傳感技術(shù)。2003年，金海龍等[44]提出基于RBF網(wǎng)絡(luò)的光纖熒光海水葉綠素a含量在線監(jiān)測系統(tǒng)，后又研制出一種便攜式全光纖海藻葉綠素a濃度測量儀[45]，配合有效的微弱信號檢測技術(shù)，實(shí)現(xiàn)檢出限0.001 mg/L，精確度1.2%F.S。

由此看出，近年來我國在光纖傳感器測量葉綠素這一領(lǐng)域研究甚少，還有一些問題亟待解決。隨著光纖傳感技術(shù)不斷發(fā)展，可以預(yù)見，光纖傳感技術(shù)會在海水浮游植物葉綠素的測量方面大有所為。

2.7 水聽器

聲波是目前唯一可靠的水下信息傳輸載體，二戰(zhàn)后受到反潛技術(shù)的推動，水聲技術(shù)得到長足發(fā)展。作為一種用于接收水下聲信號的“耳朵”，水聽器是被動聲吶系統(tǒng)的核心部分。1977年問世的光纖水聽器的聲壓靈敏度是傳統(tǒng)壓電陶瓷水聽器的1 000倍，并具有很強(qiáng)的抗干擾能力。同時(shí)，由于光纖傳感器采用光信號進(jìn)行信息傳輸，因此十分有利于構(gòu)建全光纖水聽器聲吶陣列，是實(shí)現(xiàn)未來水聲探測和數(shù)據(jù)傳輸一體化的很好選擇。

2007年 Onur Kilic等[46]用間距約 15 μm 的光子晶體板與鍍有金屬涂層或電解質(zhì)涂層的光纖端面構(gòu)成FPI光纖水聽器，探測頻率可達(dá)50 kHz，在30 kHz處最小可探測壓力為18 μPa/，水聽器結(jié)構(gòu)如圖9所示。2011年，Onur Kilic等[47]將這種水聽器探測范圍擴(kuò)大到100 Hz～100 kHz，最小可探測壓力為 12 μPa/。2017年，Bin Liu等[48]首次提出適于監(jiān)測微弱信號的基于隔膜的長腔FPI水聽器，2 kHz處相位靈敏度約-140 dB/rad/μPa。傳感器結(jié)構(gòu)示意圖如圖10所示。

圖9 Onur Kilic等設(shè)計(jì)的光子晶體FPI光纖水聽器結(jié)構(gòu)示意圖

圖10 Bin Liu等設(shè)計(jì)的長腔FPI水聽器

1997年N Takahashi等[49]最先提出光纖布拉格光柵（FBG）光纖水聽器。2011年，Massimo Moccia等[50]提出了一種基于環(huán)形涂層光纖布拉格光柵的共振水聽器，將可調(diào)諧激光器工作波長鎖定在光柵響應(yīng)的線性邊緣上，通過檢測聲壓引起的光纖光柵布拉格波長偏移，獲得約10 MPa/的最小可檢測聲信號和良好的線性度。分布反饋式光纖激光器（DFB）[51]則進(jìn)一步解決了FBG水聽器存在的帶寬與信噪比限制，在實(shí)現(xiàn)高功率窄線寬的激光輸出的同時(shí)能夠縮短腔長。2011年，Bai-Ou Guan[52]進(jìn)一步改進(jìn)先前提出[53]的基于雙偏振光纖光柵激光器和隔膜的新型光纖水聽器，通過將水聽器內(nèi)部與外界聯(lián)系在一起，實(shí)現(xiàn)彈性隔膜兩側(cè)靜態(tài)壓力平衡，達(dá)到傳感器對靜態(tài)流體壓力的靈敏免疫的目的。2013年，Rizhong Li等[54]構(gòu)建64元空間分復(fù)用尋址光纖激光水聽器陣列。

相位調(diào)制型光纖水聽器將高聲壓靈敏度高與復(fù)用能力相結(jié)合，仍然是研究熱點(diǎn)，但需要在結(jié)構(gòu)、材料、制作工藝上做進(jìn)一步研究，提高傳感器的實(shí)用化水平?；贒FB光纖激光器結(jié)構(gòu)的光纖水聽器具有高功率窄線寬輸出的特性，十分利于構(gòu)建光纖水聽陣列，未來一段時(shí)間仍然是研究的重點(diǎn)。將無指向性的光纖聲壓傳感器與質(zhì)點(diǎn)振速傳感器結(jié)合，搭建光纖矢量水聽器[55]，是目前水聽器研究的前沿領(lǐng)域?？梢灶A(yù)見，光纖水聽器在未來水聲探測領(lǐng)域會有更深入的發(fā)展，在構(gòu)建高性能聲吶、陣列聲吶、水聲安防等方面會有重要應(yīng)用。

3 總結(jié)與展望

光纖傳感已在建筑工程方面得到了應(yīng)用，如橋梁、大型建筑等，這證明了光纖傳感器的靈敏性與可靠性。由此看出，光纖傳感器具備應(yīng)用于海洋探測的潛在能力。海洋探測技術(shù)的發(fā)展正朝著小型化、多參數(shù)化、模塊化、智能化、可視化、大深度化以及創(chuàng)新化方向發(fā)展，這對海洋觀測傳感器提出了更高的要求。光纖傳感器體積小、結(jié)構(gòu)緊湊、抗腐蝕、抗電磁干擾、易于組網(wǎng)與復(fù)用，在實(shí)時(shí)在線檢測與無線傳感網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建方面有著獨(dú)特的優(yōu)勢。

但是,實(shí)現(xiàn)面向海洋應(yīng)用的光纖傳感器實(shí)用化，仍然有很長的路要走。光纖自身對溫度與壓力的敏感性，是光纖應(yīng)用于溫度與壓力傳感領(lǐng)域的天然優(yōu)勢。實(shí)現(xiàn)溫度測量靈敏度與傳感器保護(hù)的平衡是實(shí)現(xiàn)溫度傳感器走向?qū)嵱玫闹匾徊?，這也有賴于材料與制造工藝的進(jìn)步。同時(shí)，采用合理的方式解決溫度與壓力的交叉敏感問題也是科研工作者的重要研究方向?，F(xiàn)有的鹽度傳感器需要改進(jìn)傳感原理以實(shí)現(xiàn)傳感器的穩(wěn)定性和耐用性，這是實(shí)現(xiàn)海洋鹽度測量的重要一步。溶解氧傳感器在測量過程中，傳感膜可能會被周圍雜質(zhì)污染，影響其傳感能力，對此需要相應(yīng)措施來恢復(fù)傳感膜的傳感功能。另外，還要繼續(xù)研究熒光指示劑的固定方法，避免測量時(shí)熒光指示劑的滲漏。目前，國內(nèi)外對pH光纖傳感器的研究已有很多，但缺乏新技術(shù)與原理，有待進(jìn)一步提升。對于熒光光纖系統(tǒng)測量海水中的葉綠素，需要有效減少光纖損耗、光源不穩(wěn)定、背景噪聲等方面對測量結(jié)果的影響。光纖水聽器是目前水聲傳感研究領(lǐng)域的重要方向?；贒FB光纖激光器結(jié)構(gòu)的光纖水聽器具有高功率、窄線寬的特點(diǎn)，是未來發(fā)展的一個(gè)重要方向。而光纖矢量水聽器能夠同時(shí)獲得聲壓信息與位置信息，也是現(xiàn)在的前沿領(lǐng)域。

在海洋探測需求與技術(shù)發(fā)展的推動下，海洋環(huán)境觀測可視化也是未來重要發(fā)展方向之一。目前，各種水下觀測平臺，如潛水艇、水下遙控機(jī)器人、水下滑翔機(jī)以及海洋浮標(biāo)Argo[56]等大量出現(xiàn)，對水下成像技術(shù)提出新要求?；谝酝碾娮釉O(shè)備進(jìn)行水下成像，面臨著能耗高、工作時(shí)間短、信號傳輸困難、以及設(shè)備體積龐大、成本昂貴等問題。根據(jù)已經(jīng)有商用石英光纖在可見光波段的損耗最低可以優(yōu)化到約0.03 dB/m,提出一種光纖照明與光纖成像系統(tǒng)，有望實(shí)現(xiàn)水下部分不依賴電源，達(dá)到可視觀察、水下定位的目的。該系統(tǒng)具有結(jié)構(gòu)簡單可靠、布放便捷、獲取信息迅速、抗干擾能力強(qiáng)、工作時(shí)間長等特點(diǎn)，在與圖像處理傳輸設(shè)備結(jié)合的情況下，便于信息的集中處理，對于水下資源觀測、水下安防、水下檢測等有實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。

4 結(jié)束語

光纖傳感器具有很多獨(dú)特的優(yōu)勢，十分適用于惡劣的海洋探測環(huán)境。近年來，光纖傳感面向海洋的溫度、鹽度、壓力、葉綠素、溶解氧、pH值以及水聽器的研究有很大發(fā)展。本文綜述了近年來光纖傳感在海洋探測方面的最新進(jìn)展，分析了其主要原理與應(yīng)用特點(diǎn)，并與傳統(tǒng)的海洋傳感器進(jìn)行了比較，最后探討了光纖海洋傳感的發(fā)展方向，提出了海洋探測可視化的設(shè)想?？梢灶A(yù)見，加強(qiáng)面向海洋的光纖傳感器研究，對于構(gòu)建我國海洋環(huán)境監(jiān)測光纖傳感系統(tǒng)、開展海洋科學(xué)研究、維護(hù)海洋權(quán)益有重要的現(xiàn)實(shí)意義。

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Research Progress of Fiber-Optical Sensors for Ocean Sensing and Detection

CHEN Yang,CHEN Ai-chen,SHEN Xiang,DAI Bin,LI Jin-yan,YANG Lv-yun,DAI Neng-li
Wuhan National Laboratory for Optoelectronics,Huazhong University of Science and Technology,Wuhan 430074,Hubei Province,China

Ocean has an essential role in supporting human survival and development.Therefore,many countries in the world attach increasing significance to the progress of various marine detection technologies,and many efforts have been made globally to press ahead related programs.At the same time,the optical fiber sensor has been widely applied in aerospace,marine sector,nuclear industry,medical treatment,oil drilling,power transmission,scientific research and many other fields.This paper systematically reviews the principle,structure and development of hydrophones,covering temperature,pressure,salinity,chlorophyll,pH,dissolved oxygen and fiber optic types,concentrates on the latest research progress,and compared with the traditional measurement methods.Finally,the future development direction of optical fiber marine sensors is discussed to reach a conclusion that fiber optic sensors will be soon making breakthroughs and realize commercialization in the field of temperature,pressure,chlorophyll and hydrophone.This paper also puts forward the new research direction of optical fiber ocean exploration.

optic fiber;optic fiber sensor;ocean exploration;ocean monitoring;ocean science

TP212

A < class="emphasis_bold">文章編號：1

1003-2029（2017）05-0001-10

10.3969/j.issn.1003-2029.2017.05.001

2017-06-16

國家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目（61378070，51672091）

陳陽（1993-），男，碩士研究生，主要從事光纖制備與光纖傳像研究。E-mail：cy_thc@hust.edu.cn

戴能利（1970-），男，博士，研究員，主要從事光子晶體光纖技術(shù)、超寬帶放大與高功率激光光纖、新型光纖器件的研究工作。E-mail：dainl@hust.edu.cn