面向海洋傳感與探測的光纖傳感器研究進展

陳 陽，陳嬡晨，沈 翔，戴 彬，李進延，楊旅云，戴能利

（華中科技大學 武漢光電國家實驗室，湖北 武漢 430074）

面向海洋傳感與探測的光纖傳感器研究進展

陳 陽，陳嬡晨，沈 翔，戴 彬，李進延，楊旅云，戴能利*

（華中科技大學 武漢光電國家實驗室，湖北 武漢 430074）

調研了近幾年光纖傳感器在海洋探測方面的研究進展，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、結構及性能，同時跟蹤了國內外相關的最新研究進展，并與傳統的測量方法進行了比較，分析得出光纖傳感器是對現有傳統海洋探測器的重要補充，并在一些探測領域具有獨特的優勢。 文章最后，探討了光纖傳感技術的未來發展趨勢，認為在海洋溫度、壓力、葉綠素、水聽器等領域可能會率先突破技術瓶頸并實現商用，同時提出了未來海洋光纖探測技術新的研究方向。

光纖；光纖傳感器；海洋探測；海洋監測；研究進展

海洋蘊藏著豐富的資源，影響著全球氣候變化，海洋科學在海洋環境保護、能源開發、災害預防、權益維護等多方面有著舉足輕重的作用，同時也能為國家制定海洋政策提供科學依據。

海洋科學的發展，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傳感器，它們具有技術成熟、用途廣泛等優勢。如今發達國家，特別是海洋強國都爭相發展自己的海洋探測技術，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備體系[1]，并在電學傳感領域實現了商用化[2]。電學傳感器發展至今，雖然技術成熟度很高，但仍有一些問題尚需解決：在海洋的惡劣環境下，電學傳感器對耐壓、防水、抗腐蝕性能要求很高，因為一旦出現海水泄露，將可能直接導致儀器失靈；水下環境信號傳輸困難，易受到噪聲干擾，對遠距離信號傳輸產生影響[3]；電學傳感器的制作與維護成本高，壽命較短，組建水下傳感網絡存在一定的困難。

隨著光纖技術的成熟和進步，光纖傳感技術也得到迅速發展[4]。1977年美國海軍實驗室最先開展光纖傳感器系統相關研究，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、耐腐蝕、成本低廉、便于集成、測量儀器水下無需電源等優良特性，因此是對現有傳統電學海洋傳感器件的重要補充，也是海洋傳感領域的研究熱點。美國、日本以及西歐國家都在進行這方面的探索，國內中國海洋大學、浙江大學、華北電力大學等多所學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構和能量分布狀態，常應用于監測海水細微結構與海洋污染情況。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，是近年來的一個研究熱點。據此，本文調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，光波場對物質的磁作用很弱，因此可以只考慮電矢量的作用。在圓柱坐標系下，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、偏振態等）在外界環境（溫度、壓力、電磁場、轉動、拉力……）作用下發生改變的現象制作傳感器，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。若光纖僅作為數據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，而光型光纖傳感器則能夠充分利用現有成熟傳感技術。傳感型與傳光型按調制原理都可以分為振幅調制型、相位調制型、偏振態調制型、波長調制型。本文介紹的都是傳感型光纖傳感器。

2 海洋傳感器發展

2.1 光纖溫度傳感器

傳統的海洋溫度傳感器一般基于熱敏電阻或熱電偶，已經具備比較成熟的技術，產品性能較好。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構簡單、靈敏度高、耐腐蝕等優點，采用光纖光柵溫度傳感器與復用技術能夠方便地獲取海洋溫度剖面信息。但是，目前還沒有實用化的面向海洋應用的光纖溫度傳感器。

光纖布拉格光柵(FBG)能夠直接響應外界的溫度變化，根據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。可見，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不同反射波長的光纖光柵，實現分布式溫度測量，方便地獲取海洋溫度剖面信息。2011年華北電力大學李星蓉[7]等試驗了在光纖鏈路上串接40個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。由于該系統缺少深度定位，因此與實際深度的溫度信息有差距。應用FBG對溫度的直接響應特性，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熱物質，溫度測量靈敏度達27.6 pm/℃，最快響應時間達48.6 ms，基本達到了商用電學傳感器的響應時間水平。

2014年，中國海洋大學Hongjuan Yang等[9]提出基于微光纖結諧振器（MKR）的溫度傳感器，從理論與實驗上研究了傳感器靈敏度與光纖直徑及探測光波長的關系，并實現了22.81 pm/℃的溫度靈敏度。2015年，美國內布拉斯加林肯大學Guigen Liu等[10]在單模光纖的頂端粘接了一個直徑80 μm、長度100 μm的石英柱，石英柱的外端面與粘接處端面構成反射鏡，結構與原理如圖1所示。傳感器的靈敏度達到了84.6 pm/℃，響應時間0.51 ms。同時采用新的平均波長追蹤法，溫度分辨率達到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環的溫度傳感器。在探測波長1 310 nm、光纖長度達98.9 cm、溫度10～30℃范圍內，實現溫度測量靈敏度-472 pm/℃。

圖1 Guigen Liu等設計的FPI光纖溫度傳感器

FBG能夠直接應用于溫度傳感，通過分布式測量獲取溫度剖面，響應時間短，剖面測量速度快，是面向海洋溫度測量的重要選擇。基于干涉儀相位調制非本征型FPI的光纖溫度傳感器,具有高靈敏度與采樣頻率。總體來看，海洋光纖溫度傳感器適應未來海洋測量方法的發展方向，對交叉敏感以及傳感器封裝材料、結構與工藝[12]等問題的解決，將使光纖傳感器更加具備技術優勢。

2.2 鹽度傳感器

當前，主流的海洋鹽度測量方法是電導率法，利用在一定的溫度、壓力條件下，溶液的濃度、成分與電導率之間的對應關系，通過測量溶液的導電性能獲得溶液的鹽度信息。由于電極長期處于海水環境，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，清華大學趙勇等[13]利用光學棱鏡制作海水射率傳感器，具有非常高的靈敏度，系統分辨率達到0.012‰，但是結構復雜、強度較差、測量條件要求很高。應用微波遙感技術可以快速、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，幾乎不受電磁干擾的影響，容易實現緊湊的傳感結構，對環境的適應能力更強，高靈敏度也決定了光纖傳感器具備很好的發展前景。

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形諧振器（PCRR）的強度調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制，20°C條件下，傳感器的最小可檢測（靈敏度）和動態范圍分別為1%（1 g/L）和40%，同時對溫度有較好的不敏感性。2016年，中國海洋大學Shanshan Wang等[15]提出了一種基于超細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將標準單模光纖拉成直徑為3.79 μm和2.20 μm細纖維，并組合成定向耦合器，實現鹽度靈敏度930 pm/‰和溫度靈敏度-160 μm/℃。進一步縮小纖維直徑，可將溫度敏感度提高至-1 130 μm/℃。同時，在傳感器耦合區涂覆乙基纖維素溶劑作為保護，提高了傳感器在海洋環境下的可靠性與穩定性。

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會發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致光纖徑向壓力變化進行鹽度傳感。結構如圖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環直徑為1.8 cm），并將裸露的FBG整合到Sagnac干涉儀中補償溫度影響，實現了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，增加了工藝復雜度，因此需要進一步優化制作工藝，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，實驗結果顯示，諧振波長分辨率為0.15 nm，折射率監測偏差0.002，具有較好的穩定性。

圖2 鹽度傳感器裝置圖

應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構[18]，增大了海水與泄露到光纖外的模式相互作用，但同時裸光纖長期暴露在海水環境下，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時間受涂覆材料性質影響較大，而且涂覆材料往往是自行制備，限制了技術推廣。綜上所述，很有必要發展出新的傳感原理，以適應光纖鹽度傳感面臨的海洋物理和化學環境問題，提高鹽度傳感的精度、穩定性和耐用性。

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]。傳統的電學壓力傳感器發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象測量壓力。但是存在著易受自身電流熱效應影響，線性度不佳的缺點。光纖器件能夠對壓力變化直接響應，與光纖溫度傳感器有相通之處，具有體積小、靈敏度高、穩定性好、量程大等特點。

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構。2012年，安徽大學Feng Xu等[20]采用化學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，與單模光纖端面構成外腔式FPI，結構圖與實物如圖3所示，該傳感器在0～50 kPa范圍內實現了70.5 nm/kPa的靈敏度，線性擬合系數達到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結構壓力傳感器，用兩支串聯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變，對溫度敏感性進行補償。傳感器在0～1 MPa范圍內實現靈敏度1.57 pm/kPa，線性擬合系數達到99.996%，重復性誤差小于0.6%，動態壓力測量頻率范圍為0～3 000 Hz，這種傳感器可以應用于氣體或液體的動態壓力測量。2014年，Duraibabu D B等[22]將FBG與外腔式法布里-珀羅干涉儀（EFPI）結合，實現了溫度與壓力的同步測量，傳感器具有良好的穩定性，壓力測量實現了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，天津大學精密儀器與光電子工程學院張偉航[19]等提出一種面向海洋應用的光纖F-P高壓傳感器，測量范圍達到105MPa，滿量程測量精度均優于0.100%。

圖3 Feng Xu設計的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現波分復用與分布式測量方面有獨特的優勢，并且已經在建筑與安防等領域實現了實用化。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技術的發展與材料工藝的進步，基于FPI的大量程壓力傳感器將更加容易制作與優化結構。充分研究各種光纖器件的性能，合理組合，實現性能互補，是光纖壓力傳感器發展的又一思路。

2.4 溶解氧傳感器

海水的溶解氧濃度能夠反映水質生物的狀態，直接影響海洋生物的生存環境，所以實時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（激發態）與氧分子碰撞產生熒光猝滅,可通過測量熒光指示劑熒光強度或者熒光壽命測出溶解氧濃度。

1980年，Peterson J I等[23]設計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]研發了基于磷光猝滅的光纖溶解氧傳感器。廈門大學的李偉等[26]2001年研制出一種測海水溶解氧濃度的光纖傳感器,該器件響應速度快、壽命長，已應用于相關海洋監測研究之中，但需要進一步優化雜散光的影響。2011年，R J Zheng等[27]以電化學發光（ECL）氧傳感器為基礎提出了一種應用于檢測溶解氧的濃度和生化需氧量的方法，當溶解氧濃度范圍在1.7～33 mg/L，ECL強度與其線性相關。2012年，南京信息工程大學的肖韶榮等[28]使用高亮度藍色發光二極管激發紅色熒光進行溶解氧含量的測量，并研究激發光頻率與信號占空比對傳感器性能的影響，實現檢測精度0.03 mg/L，檢測下限0.3 mg/L，有較好的穩定性和重復性。2017年，趙明富等[29]利用熒光猝滅原理，熒光標記物選用鄰啡咯啉釕，研制出的光纖傳感器相對熒光強度和溶解氧濃度線性相關，可逆性較好。同時國內還有很多高校、研究所也在研究光纖氧傳感器，如山東大學、國家海洋技術中心等。

總體來看，國外對光纖氧傳感器的研究水平較高，我國在該領域也逐漸發展起來，并也研制出應用于多方向的相關器件，但傳感器性能還有待進一步提升。

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系。傳統測量pH值的手段有pH試紙、pH玻璃電極、pH指示劑和電位法等。隨著現代科技發展，傳統的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。光纖傳感器結構緊湊、體積小，能實現高精度定量測量。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]首次設計出光纖pH化學傳感器進行生理學研究，從此光纖化學pH值傳感器在分析和測量等領域得到迅速發展。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，中國計量學院[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芯光子晶體光纖坍塌熔接而成PCFI部分，原理結構圖如圖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原理結構圖及光學顯微鏡圖

2012年，浙江大學何賽靈等[32]設計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0.013 pH unit，響應時間為200 s。2014年，Schyrr B等[33]利用倏逝波檢測方法，選溴酚藍作為pH指示劑，當溶液pH改變，膜的吸收能力也發生變化，倏逝波的強度隨之改變，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，可連續測量24 h以上。2015年，吉林大學崔洪亮等[34]設計了一種基于表面等離子體（SPR）技術的波長調制pH光纖傳感器，結構如圖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，剝去包層，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，山西大學的王松柏等[35]通過在光纖表面涂覆溴酚藍涂敷，構建了模式濾光光纖pH傳感器。該光纖傳感器顯示了良好的穩定性和重現性，pH在2.0～8.0范圍響應良好，在3.0～6.0間有較好的線性關系。2016年，暨南大學林宇等[36]設計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，結構如圖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，靈敏度最高可達到148.96 pm/pH，實驗結果在光纖光柵pH傳感器領域達到了領先水平。

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

2.6 葉綠素傳感器

水質生物的狀態參數能夠反映海水中浮游植物的時間和空間分布、蘊藏量和變化規律，從而監測赤潮的發生，評價水質。所以，必須實時直接監測海水葉綠素a含量，才能研究海洋復雜的污染情況。傳統測浮游植物葉綠素a的方式為現場采樣和實驗室化學分析（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勢，還具有光纖傳感的特點，其檢測原理為：在中心波長為450 nm激勵光激勵下，葉綠素a會發出峰值在680 nm左右的熒光，監測接收的熒光光強則可測出葉綠素a的濃度。

光纖傳感器測量葉綠素a始于1966年Lorenzen[37]首次進行活體內葉綠素連續測量，奠定了走航式不間斷監測葉綠素的基礎。1973年，Hongsuk H Kim[38]運用機載激光熒光計，首次實現了現場測量海藻的濃度和分布，探測葉綠素a含量的精度達到mg/m3量級。1991年，P Mazzunghi[39]設計出便攜式光纖熒光計，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，儀器測量出葉綠素熒光信號強度得出：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，新型該系統能夠檢測液體中雜質含量（如葉綠素a和b）的變化，可以放到一個基于Mote的平臺實行實時監測水體（如圖7所示），實驗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

通過調研發現，雖然國外進行了大量在線測量水體浮游植物濃度的研究工作，但有關運用光纖技術進行現場走航測量方面的并不多。國內在該方面的研究始于20世紀80年代末。1990年，國家海洋局青島海洋研究所[42]首次成功設計出海水葉綠素a現場測量儀。燕山大學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的現場監測海水葉綠素a濃度系統，實現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。2003年，金海龍等[44]提出基于RBF網絡的光纖熒光海水葉綠素a含量在線監測系統，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，實現檢出限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域研究甚少，還有一些問題亟待解決。隨著光纖傳感技術不斷發展，可以預見，光纖傳感技術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，二戰后受到反潛技術的推動，水聲技術得到長足發展。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的核心部分。1977年問世的光纖水聽器的聲壓靈敏度是傳統壓電陶瓷水聽器的1 000倍，并具有很強的抗干擾能力。同時，由于光纖傳感器采用光信號進行信息傳輸，因此十分有利于構建全光纖水聽器聲吶陣列，是實現未來水聲探測和數據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涂層的光纖端面構成FPI光纖水聽器，探測頻率可達50 kHz，在30 kHz處最小可探測壓力為18 μPa/，水聽器結構如圖9所示。2011年，Onur Kilic等[47]將這種水聽器探測范圍擴大到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。傳感器結構示意圖如圖10所示。

圖9 Onur Kilic等設計的光子晶體FPI光纖水聽器結構示意圖

圖10 Bin Liu等設計的長腔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]提出了一種基于環形涂層光纖布拉格光柵的共振水聽器，將可調諧激光器工作波長鎖定在光柵響應的線性邊緣上，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]則進一步解決了FBG水聽器存在的帶寬與信噪比限制，在實現高功率窄線寬的激光輸出的同時能夠縮短腔長。2011年，Bai-Ou Guan[52]進一步改進先前提出[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，通過將水聽器內部與外界聯系在一起，實現彈性隔膜兩側靜態壓力平衡，達到傳感器對靜態流體壓力的靈敏免疫的目的。2013年，Rizhong Li等[54]構建64元空間分復用尋址光纖激光水聽器陣列。

相位調制型光纖水聽器將高聲壓靈敏度高與復用能力相結合，仍然是研究熱點，但需要在結構、材料、制作工藝上做進一步研究，提高傳感器的實用化水平。基于DFB光纖激光器結構的光纖水聽器具有高功率窄線寬輸出的特性，十分利于構建光纖水聽陣列，未來一段時間仍然是研究的重點。將無指向性的光纖聲壓傳感器與質點振速傳感器結合，搭建光纖矢量水聽器[55]，是目前水聽器研究的前沿領域。可以預見，光纖水聽器在未來水聲探測領域會有更深入的發展，在構建高性能聲吶、陣列聲吶、水聲安防等方面會有重要應用。

3 總結與展望

光纖傳感已在建筑工程方面得到了應用，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，光纖傳感器具備應用于海洋探測的潛在能力。海洋探測技術的發展正朝著小型化、多參數化、模塊化、智能化、可視化、大深度化以及創新化方向發展，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、結構緊湊、抗腐蝕、抗電磁干擾、易于組網與復用，在實時在線檢測與無線傳感網絡構建方面有著獨特的優勢。

但是,實現面向海洋應用的光纖傳感器實用化，仍然有很長的路要走。光纖自身對溫度與壓力的敏感性，是光纖應用于溫度與壓力傳感領域的天然優勢。實現溫度測量靈敏度與傳感器保護的平衡是實現溫度傳感器走向實用的重要一步，這也有賴于材料與制造工藝的進步。同時，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。現有的鹽度傳感器需要改進傳感原理以實現傳感器的穩定性和耐用性，這是實現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污染，影響其傳感能力，對此需要相應措施來恢復傳感膜的傳感功能。另外，還要繼續研究熒光指示劑的固定方法，避免測量時熒光指示劑的滲漏。目前，國內外對pH光纖傳感器的研究已有很多，但缺乏新技術與原理，有待進一步提升。對于熒光光纖系統測量海水中的葉綠素，需要有效減少光纖損耗、光源不穩定、背景噪聲等方面對測量結果的影響。光纖水聽器是目前水聲傳感研究領域的重要方向。基于DFB光纖激光器結構的光纖水聽器具有高功率、窄線寬的特點，是未來發展的一個重要方向。而光纖矢量水聽器能夠同時獲得聲壓信息與位置信息，也是現在的前沿領域。

在海洋探測需求與技術發展的推動下，海洋環境觀測可視化也是未來重要發展方向之一。目前，各種水下觀測平臺，如潛水艇、水下遙控機器人、水下滑翔機以及海洋浮標Argo[56]等大量出現，對水下成像技術提出新要求。基于以往的電子設備進行水下成像，面臨著能耗高、工作時間短、信號傳輸困難、以及設備體積龐大、成本昂貴等問題。根據已經有商用石英光纖在可見光波段的損耗最低可以優化到約0.03 dB/m,提出一種光纖照明與光纖成像系統，有望實現水下部分不依賴電源，達到可視觀察、水下定位的目的。該系統具有結構簡單可靠、布放便捷、獲取信息迅速、抗干擾能力強、工作時間長等特點，在與圖像處理傳輸設備結合的情況下，便于信息的集中處理，對于水下資源觀測、水下安防、水下檢測等有實際應用價值。

4 結束語

光纖傳感器具有很多獨特的優勢，十分適用于惡劣的海洋探測環境。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展。本文綜述了近年來光纖傳感在海洋探測方面的最新進展，分析了其主要原理與應用特點，并與傳統的海洋傳感器進行了比較，最后探討了光纖海洋傳感的發展方向，提出了海洋探測可視化的設想。可以預見，加強面向海洋的光纖傳感器研究，對于構建我國海洋環境監測光纖傳感系統、開展海洋科學研究、維護海洋權益有重要的現實意義。

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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

國家自然科學基金資助項目（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、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