[发明专利]基于微纳光纤半耦合器海洋多参量一体化监测系统及方法

权利要求书

1.基于微纳光纤半耦合器的海洋多参量一体化监测系统，其特征在于：所述监测系统包括可调谐波长扫描光源、光纤隔离器、1×4可调谐光开关、CTD传感器、磁场传感器、湿度传感器、有害气体传感器、一号光电探测器、二号光电探测器、三号光电探测器、四号光电探测器、采集卡及信号处理计算机，其中，由可调谐波长扫描光源、光纤隔离器、1×4可调谐光开关、一号光电探测器、二号光电探测器、三号光电探测器、四号光电探测器、采集卡及信号处理计算机采用模块化组装方式集成为一体化干端处理机，一体化干端处理机上留有与CTD传感器、磁场传感器、湿度传感器、有害气体传感器连接的插拔孔，所述可调谐波长扫描光源由宽谱光源和高精度可调谐F-P腔组合而成，用于实现高精度波长扫描输出；所述可调谐波长扫描光源经光纤隔离器与1×4可调谐光开关相连；所述1×4可调谐光开关为电控可调谐光开关，通过电路驱动模块实现1×4端口光传输切换，并由信号处理计算机通过可编程程序进行控制；所述1×4可调谐光开关对CTD传感器、磁场传感器、湿度传感器、有害气体传感器进行级联，通过时钟控制与可调谐波长扫描光源扫描过程协同，可调谐波长扫描光源每扫描一周期后，可调谐光开关切换一次，进而对各传感器进行有规律切换和扫描，从而实现了不同传感器传感响应信号的准同步提取；所述1×4可调谐光开关的四个输出端口分别与CTD传感器、磁场传感器、湿度传感器、有害气体传感器的注入端口相连，将扫描探测光依次注入CTD传感器、磁场传感器、湿度传感器、有害气体传感器中；所述CTD传感器、磁场传感器、湿度传感器、有害气体传感器的返回端口分别与一号光电探测器、二号光电探测器、三号光电探测器和四号光电探测器相连，所述一号光电探测器、二号光电探测器、三号光电探测器和四号光电探测器分别用于实现对CTD传感器、磁场传感器、湿度传感器、有害气体传感器返回监测信号进行光电信号转换；所述一号光电探测器、二号光电探测器、三号光电探测器和四号光电探测器通过采集卡与信号处理计算机相连，进而实现监测信号采集与数据处理功能；

CTD传感器由微纳光纤半耦合器直接制作而成，磁场传感器由微纳光纤半耦合器腰区封装于磁流体中制作而成，湿度传感器由微纳光纤半耦合器腰区涂敷硅胶制作而成，所述有害气体传感器由微纳光纤半耦合器腰区涂敷有害气体吸附敏感材料制作而成；所述有害气体吸附敏感材料为石墨烯或硅胶；

所述微纳光纤半耦合器由微纳光纤耦合器OMC腰区横向切断一分为二制作而成；

基于微纳光纤半耦合器的海洋多参量一体化监测系统对海水盐度、温度、深度同时进行监测解调的信号处理方法的步骤如下：

S1因特定结构参数的微纳光纤半耦合器输出特征光谱会存在多个dip波长，所述dip波长为极小功率对应波长，因此对于海水盐度、温度、深度三个参量的传感通过多波长跟踪解调技术加以区分解调：首先对用于制作CTD传感器的微纳光纤半耦合器进行优化设计，即通过调整腰区长度使其传输特征光谱在整个光谱扫描范围内存在三个dip波长；并且通过优选，使三个dip波长对同一参量的传感响应灵敏度存在差异；

S2对CTD传感器三个dip波长对应的盐度、温度、深度响应灵敏度分别进行标定测试，具体实现方法如下：将所设计的CTD传感器单独接入海洋多参量一体化监测系统，将CTD传感器垂直固定于海水中，保持其所处水深和温度不变，改变盐度，利用海洋多参量一体化监测系统测三个dip波长分别对应的波长偏移量，由此分别计算得到CTD传感器三个dip波长对应的盐度响应灵敏S_S1，S_S2，S_S3；接着保持CTD传感器所处流体的盐度和深度不变，改变海水温度，利用海洋多参量一体化监测系统测三个dip波长分别对应的波长偏移量，进而计算得到传感器三个dip波长对应的温度响应灵敏S_T1，S_T2，S_T3；然后保持CTD传感器所处流体的盐度和温度不变，改变深度，用海洋多参量一体化监测系统测三个dip波长分别对应的波长偏移量，进而计算得到传感器三个dip波长对应的深度响应灵敏S_P1，S_P2，S_P3；

S3将CTD传感器浸没于水温20℃的静水表面，利用海洋多参量一体化监测系统得到CTD传感器传输谱三个dip波长对应的波长值λ₁，λ₂，λ₃，海洋多参量一体化监测系统在海洋环境参量监测的实际测量过程中将以λ₁，λ₂和λ₃作为所用传感器的标准计算波长，并建立标准数据库，以备处理软件调用；

S4通过以上步骤标定并建立CTD传感器温、盐、深传感灵敏度数据库后，再通过交叉灵敏度反演运算公式计算便可得到CTD传感器对海水盐度、温度及深度的传感响应；海水盐度、温度及深度三参量交叉灵敏度反演运算公式如下：

因此，通过波长扫描跟踪及数据反演技术，基于微纳光纤半耦合器的CTD传感器可以实现海水盐度、温度及深度三参量同步传感。