1　引言

地球表面的70.8%被海水覆盖，但目前人类对海洋的认知度低于5%。2001年5月，联合国缔约国文件指出：“21世纪是海洋世纪”。海洋本就是人类赖以生存的空间，我们的生活离不开海洋。海洋中丰富的矿产、生物资源，是支持人类持续发展的宝贵财富。海洋科学研究的进展，对当今人类所面临的极端气候、全球变暖、物种起源等重大科学问题的解决都有着重要意义。

海洋可以被称为气候系统的“记忆”，因为它储存的热量是大气的1000倍，碳的储存量是大气的10倍。据统计，1973—2013年海洋累计吸收了地球气候系统约93％的热能^［1］。因此，了解海洋吸收热量的方式以及存储方式，对于了解随着温室气体浓度升高的地球变暖速度至关重要。海洋在许多方面与人类的生计息息相关，除海洋对气候有调节作用外，海洋还提供了各种各样的社会、文化、资源和环境效益。

人类理解海洋规律、利用海洋规律去造福人类，主要依靠的手段是海洋环境监测和海洋调查。海洋环境监测和海洋调查可以帮助人类更好地理解海洋气候^［2］和生态系统以及人类对海洋生态环境的影响，如气候变暖导致陆地和海洋的冰融化^［3］，二氧化碳吸收量的增加导致海洋酸化。两者都在以惊人的速度发展。深海和偏远海区的持续有效观测甚至可以为准确模拟全球气候变化、减缓气候变化的影响提供数据支撑和指导。

此外，开展海洋科学研究有助于人类了解地球的能量传输方向与耗散途径，帮助人类解决21世纪最具挑战的部分基本科学问题，如与生命起源和地球能量流动相关的基本科学问题、洋底沉积物扩散以及生态过程演化的认识等科学问题，同时海洋科学研究也是国家海洋强国战略和资源开发的重要手段。

实时观测数据匮乏，尤其是大尺度的、实时或准实时的、深海资料的短缺，一直制约着海洋科学研究的发展。1998年，美国和日本等国家的大气、海洋科学家提出了全球海洋环境观测项目——ARGO（Array for Real-Time Geostrophic Oceanography）计划，为海洋环境观测领域开启了新的纪元。ARGO计划通过在海洋上投放足够多的、性价比高的、卫星可跟踪的自动探测浮标，构成一个海洋观测网。ARGO计划的推出，迅速得到了10余个国家的响应和支持，其中包括澳大利亚、加拿大、法国、德国、日本、韩国等，我国已于2002年正式宣布参加国际ARGO计划的组织实施。经过世界各国近20年的共同努力，现在已经建成一个由3000个ARGO剖面浮标组成的全球ARGO海洋观测网，能够持续获取全球深海大洋上2000 m深度内的海水温盐深流等监测资料，并免费提供给世界各国科学家研究和应用。此外，世界各个海洋强国的海洋观测计划也都对海洋物理温盐深流展开了积极的观测，如：美国的OOI^［4］、MARS^［5］、DOOS^［6-7］；加拿大的ONC^［8］、NEPTUNE^［9］、VENUS^［10］；欧洲的ESONET^［11-12］、EMSO^［13］；日本的ARENA^［14-15］、JAMSTEC^［16］。

海洋观测技术的进步推动着海洋科学的发展，海洋观测能力也是一个国家综合国力的重要体现。从各个国家和地区的重点海洋观测计划中不难发现，对海洋温度、盐度、压力以及各种尺度流浪潮的观测是不可或缺的观测内容。

对海洋温度、盐度、深度的观测是海洋调查的最基本内容之一，海洋的温盐深数据不仅可以为生物地球化学和海洋生态系统提供背景物理参数^［17-19］，还可以为其他海洋传感器和海洋声学传播的计算提供必要的补偿参数。例如，海洋中的声速随着海水的温度、盐度、压力的增大而增大^［20］。虽然声速的数值变化量很小，但是这个变化对长距离传播声线的分布、射程、传播时间等参量的影响会很大，一般需要有准确的声速数值^［21］。正是这个原因，海洋的温度信息、深度信息和盐度（电导率）信息也是海洋监测的重要内容^［22］。近年来，在海洋温盐深传感器的研发方面，科学家也取得了不少进展。本文按测量对象和测量原理分类，着重介绍了基于光纤光栅的海水温度传感器、海水盐度传感器和海水压力传感器，基于多芯光纤的海水盐度传感器，基于Michelson和Mach-Zehnder干涉式的海水盐度传感器，基于法布里-珀罗（F-P）腔的海水压力传感器，基于谐振、耦合技术的新型光纤海洋温盐深传感器，以及基于热耗散和湍动能耗散两种原理的光纤湍流传感器。

2　光纤温盐深类传感器研究进展

电子型温盐深仪（CTD）系统具有精度高、实用性广等优点，目前在行业中依然属于主要的观测工具。但在某些方面依然存在一些不足，如系统价格通常较高、体积大、易受电磁干扰，不适用于对海水的表面和微纳尺度进行检测^［23］。此外，为了获得一定深度的海洋盐度和温度数据，需要在海试中使用串联CTD，这大大提高了成本。因此，光纤传感器因其结构紧凑、灵敏度高、耐高温、复用方便、可现场测量和抗外部电磁干扰等特点，成为电子型CTD的补充测量手段而受到越来越多的关注。

电子CTD测量盐度的原理是测量海水的电导率。目前通用的标准是1978 年公布的《1978年实用盐标》^［24］，其改善了以前的标度方法中存在的只适用于海水成分不变的情况，以及精确度不高等问题。实用盐标表达式为

式中：a0~a5为系数，分别为-0.08996、28.29720、12.80832、-10.67869、5.98624、-1.32311；K₁₅为当温度为15 ℃时，在一个标准大气压下，海水样品与标准KCl溶液的电导率比值。

光纤传感测量盐度一般是基于折射率进行测量。随着海水盐度的改变，其光学折射率也发生单调变化，并且在一定温度条件下两者存在线性对应关系。因此，通过测量海水折射率来间接检测海水盐度是一种可行的技术方案。自从1967年Rusby^［25］基于少量的几个样品，拟合了海水折射率与盐度的变化，关于海水盐度（S）和光学折射率（n）的研究屡见报道，也出现了大量经验公式。

1977年McNeil^［26］得到了海水折射率的经验方程式

式中：n为折射率；T为温度；λ为波长。1995年Quan等^［27］也得出了类似的经验公式

式中：n0=1.31405，n1=1.779×10-4，n2=-1.05×10-6，n3=1.6×10-8，n4=-2.02×10-6，n5=15.868，n6=0.01155，n7=-0.00423，n8=-4382，n9=1.1455×106。但上述经验方程式中都没有引入压强（P），本研究认为这是一种缺憾。

目前，对海水盐度的光学测量手段还存在一定的局限性。首先是测量设备特别是光源和结构的限制，一般都是金属或者稀有气体的光谱线，局限在可见光范围内；其次是测试标定用的标准海水的选择不统一且缺乏相对一致的参考，导致光学测量的通用性没有电导率高，且系统复杂、价格高昂。因此，光学类盐度光感器始终处在一个相对辅助的地位。此外，海水与其他物质一样是具有色散特性的。通过文献调研得知，在可见光波段300 nm的波长差引起的折射率差为-0.013，其绝对值是43‰盐度引起折射率差0.009的1.44倍，即忽略色散效应通过折射率测量得到的盐度是不精确的。另外，由于压强也是折射率的重要影响因素，如：在可见光波段100 MPa压强引起的折射率变化约为0.015，是43‰盐度引起的折射率差0.009的1.67倍。因此，海洋盐度测量需要采用原位测量，且在计算公式中引入实时测量压强。

目前，国内外文献报道中的基于各种光纤传感原理和结构的CTD传感器被多次提出，主要包括传统的短周期光纤布拉格光栅（FBG）、长周期光纤光栅（LPG）、多芯光纤、基于Michelson和Mach-Zehnder干涉式、光纤F-P腔干涉式、超细纤维结/线圈谐振器、高双折射椭圆光纤Sagnac环、光学微纤维耦合器等。这些传感器各有优缺点，下面将选取一些典型文献对它们进行逐一介绍。

2.1　基于光纤光栅的海水温盐深传感器

2005年，法国科学家在Europe Oceans上报道了一种采用FBG和LPG混合集成的温盐传感器^［28］，两者协同工作，并提出如图1所示的48元观测阵列，但FBG的温度灵敏度仅为51 pm/℃，LPG的盐度灵敏度为4.6 pm/（g·L^-1），根据GB/T 23246—2009《电导率温度深度剖面仪》中的CTD分级标准，该传感器只达到二级标准，但是它充分展现了光纤光栅传感器便于组网式测量的优势。

图 1. 传感器结构示意图和实物照片^［30］。（a）传感器结构示意图；（b）传感器头照片

Fig. 1. Schematic of sensor structure and photos^[30]. (a) Schematic of sensor structure; (b) photo of the sensor head

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2006年，华北水利水电大学开展了FBG测温研究，并于2009年在南海进行了海试比测^［29］。实验结果显示，FBG的固有温度灵敏度低，比测结果显示的系统精度为0.2 ℃，远大于物理海洋观测所需要的精度0.01 ℃，但是该系统具有长期无零漂的优势。相比于电子类传感器，这种传感器可以应用于腐蚀性或电磁干扰的环境中，预计会有更长的工作寿命。

2014年，印度理工学院设计了一款基于FBG并集成了薄金属膜片的高灵敏度压力传感器，其原理如图1（a）所示，传感探头照片见图1（b）^［30］。他们在理论和实验上进行了研究，结果发现：在压力作用下，膜片挠曲会导致沿FBG长度方向拉伸应变；从测试结果中获得的传感器压力灵敏度比裸FBG可以测量的灵敏度高大约4个数量级。

这种膜片式封装的压力传感器的优点是通过对机械结构和材料组分的设计，可以达到比较高的灵敏度，但是对机械加工要求比较高。此外，膜片与光纤结合处需要施加预应力，这对传感器的长期稳定性也是一种考验。理论上，这种传感器较电子类传感器可以适应更加恶劣的电磁干扰环境。

2013—2018年，在中科院先导专项的支持下，中科院半导体研究所李芳团队自主研发了基于短周期光纤光栅的温深传感器阵列（深度传感器即压力传感器），在630 m长的拖曳链上集成了120个温深传感器，在船舶运行时对海洋的温深剖面进行高分辨率测试，突破了之前大面观测的低水平分辨率限制，极大提升了海洋调查的效率和数据的丰度，是冷水团等海洋现象观测装备的一次质的飞跃，推动了光纤传感技术在海洋技术领域的应用研究^［31］。

2016年、2017年中科院半导体研究所先后在北黄海冷水团断面、南海东沙群岛附近开展了3次海试应用^［31］，这也是首次精确绘制各水域温深剖面特征，并捕捉到以往未观测到的冷水团锋面和亚中尺度过程的精确温深剖面，为海洋科学家的科学研究提供了装备支撑。图2分别展示了630 m拖曳链系统示意图、绞车及排缆器和拖曳中的温深链。图3分别展示了2017年7月南海东沙群岛拖曳链和传统站位观测海试结果的对比图。图4展示了2017年10月北黄海海试冷水团全海深温度剖面，这也是首次获得的该区域高空间分辨率的温深剖面。

图 2. 温深链设备^［31］。（a）630 m拖曳链系统示意图；（b）绞车及排缆器；（c）拖曳中的温深链

Fig. 2. Warm deep chain equipment^[31]. (a) Diagram of 630 m towing chain system; (b) winches and streamers; (c) warm deep chain in towing

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图 3. 2017年7月南海东沙群岛海试结果对比图^［31］。（a）拖曳链；（b）传统站位观测

Fig. 3. Comparison of sea trial results in Dongsha Islands, South China Sea, July 2017^[31]. (a) A towing chain; (b) traditional station observation

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图 4. 2017年10月北黄海海试航行方向及冷水团全海深温度剖面^［31］

Fig. 4. The sea trial direction and the total depth temperature profile of the cold water mass in the north Yellow Sea in October 2017^[31]

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在长周期光纤光栅方面，2016年东北大学用光子晶体光纤制作了长周期光栅，并测量了折射率^［32］。在1.33~1.34折射率范围内灵敏度可达2343 nm/RIU，分辨率为8.5×10^-6 RIU，属于目前使用的长周期光纤光栅方案中能够达到的最高灵敏度，如图5所示^［32］。

图 5. 光子晶体长周期光栅测量系统示意图及其传感器结构^［32］

Fig. 5. Schematic of photonic crystal long period grating measurement system and its sensor structure^[32]

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2017年，北京信息科技大学祝连庆教授团队采用飞秒激光器制作长周期光栅的方式研制折射率传感器，灵敏度达到332 nm/RIU^［33］。同年，印度技术学院用特种光纤PS-1250/1500制作的两个长周期光栅，也得到了高灵敏度的折射率传感器，如图6所示^［34］。

图 6. 印度技术学院的传感器结构示意图^［34］

Fig. 6. Schematic of the sensor structure at the Indian Institute of Technology^[34]

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经过换算，北京信息科技大学祝连庆教授团队和印度技术学院的两种长周期方案都可以达到GB/T 23246—2009《电导率温度深度剖面仪》技术指标的二级标准，但是该技术的实际应用还有很长一段路要走，首先要解决的就是海洋污染物或藻类的附着问题。

2018年，吉林大学报道了周期为几十μm的长周期光栅^［35］，采用飞秒激光刻写的方式，研制了周期为40μm的光栅，这个周期长度介于长周期光栅和布拉格光栅之间，其光谱特性也介于两者之间。因此，这个传感器的优点是既有布拉格光栅的反射特性，又有长周期光栅的透射特性，两种类型的光栅同步工作，以消除温度、折射率的交叉敏感；但缺点是长周期光栅的线宽过大。

同年（2018年），中科院半导体研究所李芳团队设计并制作了高分辨率长周期光纤光栅折射率传感器^［36］。使用级联长周期光纤光栅方案，结合高精度解调仪来提高测量分辨率；采用较高次包层模并腐蚀光纤包层的方案来提高长周期光纤光栅折射率灵敏度。制作的传感器灵敏度为-344.04 nm/RIU，分辨率达到10^-6 RIU量级。此外，李芳团队^［36］还设计并制作了高灵敏度长周期光纤光栅温度传感器，其灵敏度为1.26 nm/℃，约为普通长周期光纤光栅的10倍。

2019—2020年，重庆理工大学对涂覆石墨烯的长周期光纤光栅折射率传感器进行了研究报道^［37-38］。涂覆石墨烯的长周期光纤光栅折射率传感器（GO-LPFG）的平均折射率灵敏度较未涂覆GO的LPFG提高了1.09倍。随着光栅直径的减小，GO-LPFG的平均折射率灵敏度进一步提高。当光栅直径为108μm时，在1.333~1.448折射率内的平均波长和耦合强度折射率灵敏度分别约为38.99 nm/RIU和57.33 dB/RIU，与未采用GO修饰的直径为108μm的LPFG及直径为 125μm的GO-LPFG 相比，其平均波长和耦合强度折射率灵敏度分别提高了1.45、2.17，3.80、3.42倍。

独特的二维结构使GO具有更高的响应灵敏度和生物兼容性。GO与羟基化光栅传感结合形成氢键，使GO牢固地结合在光栅表面形成 GO-LPFG，这将会是一种具有非常好的亲水和生物兼容性的传感器。

2.2　基于多芯光纤的海洋盐度传感器

2013年，美国佛罗里达大学的Guzman-Sepulveda^［39］发文介绍了一种高灵敏度的光纤盐度传感器［图7（a）］，可以适用于海洋测量；其测量原理是一种基于双芯光纤（two-core fiber，TCF）的简单、紧凑的光纤传感器，可以执行高灵敏度盐度测量；盐度测量范围为0~5 mol/L和0~1 mol/L，灵敏度分别为14.0086 nm/（mol·L^-1）和12.0484 nm/（mol·L^-1）（图8）。

图 7. 双芯光纤测量原理和数据^［39］。（a） TCF盐度传感器原理图；（b） 盐度传感器的温度依赖性（浓度为1 mol/L）

Fig. 7. Principle and data of two-core optical fiber measurement^[39] . (a) Schematic of TCF salinity sensor; (b) temperature dependence of salinity sensor (concentration is 1 mol/L)

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图 8. TCF盐度传感器的光谱响应^［39］。（a） NaCl浓度的变化范围为0~ 5 mol/L；（b） NaCl浓度的变化范围为0 ~ 1 mol/L

Fig. 8. Spectral response of TCF salinity sensor^[39]. (a) The NaCl concentration varies from 0 to 5 mol/L; (b) the NaCl concentration varies from 0 to 1 mol/L

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综上所述，双纤芯盐度传感器目前在实验室测量的盐度灵敏度还是比较高的，但是不适合复用。此外，考虑到海水里面的杂质附着问题，这种传感器是否可以成功应用，还有待进一步考证。

2018—2019年燕山大学齐跃锋团队开展了基于微纳多芯光纤传感器的折射率和温度传感特性研究^［40］。该实验团队特地选取未知盐度的海水样品验证了基于微纳多芯光纤折射率传感器的测量误差，得到该拉锥长度为16.20 mm的传感器的折射率灵敏度为5815.50 nm/RIU，实际测量误差小于0.35‰；最后理论分析了该结构的传感器可以通过引入FBG来解决折射率与温度的交叉敏感问题。

2.3　基于Michelson和Mach-Zehnder的海水盐度传感器

2012年，香港理工大学的Liao等^［41］提出了一种基于开放式微腔的光纤在线型 Michelson干涉式传感器。该传感器利用飞秒激光技术在单模光纤末端刻制半开口凹形腔，其折射率灵敏度可达到975 nm/RIU，且该结构传感器可以实现单端测量。

2014年，哈尔滨工程大学的Zhang等^［42］提出了一种基于单模光纤的模间干涉式折射率传感器：将小段多模光纤一端与单模光纤熔接，在另一端镀金薄膜形成光纤式 Michelson传感结构。该传感器结构简单，光波损耗小，折射率灵敏度可达到-110.5 nm/RIU。

2016年，山东科技大学的Li等^［43］提出了一种全光纤Michelson干涉式传感器：将一段超细芯光纤的一端与单模光纤熔接，另一端通过法拉第旋光镜使光信号反射回来。该传感器在1.38~1.435折射率区间内的折射率灵敏度为-48.85 nm/RIU，且具有制作简单、稳定性高、功率损耗低的优点。

2018年，暨南大学的苏达顺等^［44］设计了一种单端反射式Mach-Zehnder干涉仪，将两段光纤对称地错位熔接在一段长度为几百微米的单模光纤两端，在一段光纤端面镀上金膜使传输光在端面发生反射。由于外界环境和包层材料内传输的光波间存在光程差，因此会产生干涉现象。实验结果显示，当偏置量为62.5μm、空腔长度为554μm时，其折射率灵敏度为-13257 nm/RIU。该传感器能够实现超高灵敏度测量，但制作难度较大。图9为单端反射式光纤干涉仪的原理图。

图 9. 单端反射式光纤干涉仪原理图^［44］

Fig. 9. Schematic of single-ended reflective fiber interferometer^[44]

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2.4　基于F-P腔的海水压力传感器

2001年，美国弗吉尼亚理工学院的Wang等^［45］采用毛细管和光纤构成F-P空气腔，通过毛细管侧向受压改变腔长的方法进行压力传感，最高测量压强为41.4 MPa（图10）。

图 10. 毛细管和光纤构成F-P空气腔的传感原理图^［45］

Fig. 10. Sensing schematic of the F-P air cavity formed by capillary and optical fiber^[45]

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2011年香港理工大学的Ma等^［46］通过电弧熔接在光纤端面制作出可感受压力的微泡式F-P腔，测量压强达到40 MPa（图11）。

图 11. 传感器响应曲线和灵敏度^［46］。（a）微腔传感器的响应；（b）不同微腔传感器的压力灵敏度

Fig. 11. Sensor response curves and sensitivity^[46]. (a) Response of microcavity sensors; (b) pressure sensitivity of different microcavity sensors

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2011年，香港理工大学的Wu 等^［47］将实芯光子晶体光纤两端与单模光纤熔接制作F-P腔，在25 ℃和700 ℃的压强测量范围均为0~40 MPa。

2012年，香港理工大学的Liu等^［48］采用双芯光子晶体光纤（twin-core photonic crystal fiber，TC-PCF）与单模光纤熔接制作F-P腔，在实验室的测试条件下实现了0~45 MPa的压强测量（图12和图13）。这种光子晶体F-P腔传感器结构小巧，灵敏度高于普通FBG传感器。

图 12. 光纤断面结构^［48］。（a）光纤断面；（b）光纤横断面的局部放大图；（c） TC-PCF的SEM照片孔部分

Fig. 12. Fiber cross-section structure^[48]. (a) Optical fibre cross-section; (b) local enlarged view of optical fibre cross-section; (c) SEM photo hole part of TC-PCF

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图 13. 当静液压强从0 MPa变为45 MPa时，传感器的光谱发生位移^［48］

Fig. 13. The spectrum shift of the sensor with the hydrostatic pressure changes from 0 MPa to 45 MPa^[48]

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2016年，天津大学刘铁根教授团队结合光纤微机电技术和光纤F-P传感技术制作了膜片式光纤F-P压力传感器^［49］。这种传感器具有灵敏度高、一致性好的特点。

光纤F-P大压力传感器芯体的结构如图14所示。可以看到，传感器芯体主要由传感器芯片、硼硅玻璃毛细管和多模光纤构成。通过硼硅玻璃毛细管实现传感膜片的固定、支撑以及传感膜片与多模光纤间的连接、准直。多模光纤作为光的传输介质，经玻璃毛细管与传感器芯片紧密贴合。通过无机焊料实现传感器芯片与玻璃毛细管间的密封连接，并通过环氧树脂结构胶将多模光纤与玻璃毛细管密封固定。传感系统工作时，光源发出的光经多模光纤垂直入射传感膜片，其中一部分光经微腔底面的反射膜反射，另一部分光经过真空F-P腔后由单晶硅膜片底面反射回到光纤，两束光发生低相干干涉。当外部压力发生变化时，感压膜片在压力作用下产生弯曲，改变了两束光的光程差，从而产生不同的低相干干涉条纹。通过对低相干干涉条纹的解调，可以得到对应的压力值，从而实现高精度压力传感。

图 14. 光纤F-P大压力传感器芯体结构图^［49］

Fig. 14. Fiber-optic Fabry-Perot high pressure sensor core structure^[49]

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这种传感器的腔长是一个非常重要的参数指标，在应用之前需要大量的老化实验，同时传感器的鲁棒性和稳定性也需要大量的实验来验证。此外，传感器的耐热性和温度重复性也需要进一步进行研究，以探索更好的温度补偿方法。

2020年北京理工大学的刘天沐等^［50］提出了一种同时测量压力和温度的传感器。该研究团队在普通光纤和光子晶体光纤之间熔接一段空心光纤构成了干涉结构。空心光纤段构成了非本征F-P干涉仪，利用光子晶体光纤的微孔与外界相通。实验表明传感器能够在28~800 ℃的温度下和0~10 MPa的压强下稳定工作，测量范围内温度灵敏度可达17.4 nm/℃，压力灵敏度随温度增加而降低，在28 ℃时可达1460.5 nm/MPa。

2.5　基于谐振、耦合技术的新型光纤海洋温盐深传感器

2014年，中国海洋大学的Yang等^［51］从理论上设计了基于微纤维结谐振器（microfiber knot resonator，MKR）的海水温度传感器，并进行了实验验证。如图15所示：随着超细纤维直径在2.30~3.91 μm范围内不断增大，传感灵敏度增加，这与实验获得的结果吻合；通过选择适当的参数，测得的最大灵敏度可以达到22.81 pm/℃。

图 15. 灵敏度与光纤直径关系曲线^［51］

Fig. 15. Relationship curves between sensitivity and fiber diameter^[51]

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2015年，中国海洋大学的Wang等^［52］提出了一种基于高双折射椭圆光纤（high-birefringence elliptic fiber，HBEF）Sagnac环的海水温度传感方法，其测量原理是利用温度变化与干涉峰位移之间的线性关系，如图16所示；传感灵敏度随HBEF长度L的增加和波长的减小而增大，其模拟光谱如图17所示。通过优化探测系统参数，获得的温度传感灵敏度为472 pm/℃，检测范围为10~30 ℃，波长为1310 nm（通信窗口），光纤长度为98.9 cm。

图 16. 基于Sagnac回路的HBEF传感器原理图^［52］

Fig. 16. Schematic of HBEF sensor based on Sagnac loop^[52]

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图 17. L为5.5 cm（红色）、7.8 cm（蓝色）、29.9 cm（绿色）和98.9 cm（黑色）时的模拟光谱^［52］

Fig. 17. Simulated spectra when L is 5.5 cm (red), 7.8 cm (blue), 29.9 cm (green), and 98.9 cm (black) ^[52]

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2019年，**科学技术大学的Yu等^［53］研制了一种基于光纤耦合器（optical microfiber coupler，OMC）的全光纤海水CTD传感器，传感器的实验过程如图18所示。在改进的火焰刷法基础上，将两根传统的光纤捻成一根一根的细束，制成OMC；通过监测感应倾角，可以实现对海水盐度、温度和深度（压力）的原位测量；OMC具有水深（压力）传感功能，其压力灵敏度比裸光纤光栅（0~25 MPa的宽压力测量范围）高50倍；盐度、温度和深度的最高灵敏度分别为1596 pm/‰、2326 pm/℃和169 pm/MPa。该全光纤海水CTD传感器可满足海洋动态环境监测和光纤水听器水下目标探测系统的要求。

图 18. OMC传感器实验过程^［53］。（a）测量海水盐度、温度和深度的实验装置示意图；（b）盐度测量实验装置和OMC样品的光学显微镜图像；（c）温度测量实验装置；（d）深度测量实验装置

Fig. 18. OMC sensor experiment process^[53]. (a) Schematic of experimental apparatus for measuring salinity, temperature, and depth of sea water; (b) optical microscope images of the experimental apparatus for salinity measurement and OMC samples; (c) experimental apparatus for temperature measurement; (d) experimental apparatus for depth measurement

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2020年中国矿业大学的刘海等^［54］设计了一种基于表面等离子体共振（SPR）效应的高灵敏度温度传感器，并在光子晶体光纤（PCF）包层外侧填充金纳米薄膜和温敏薄膜（PDMS），该传感器具有结构简单、工艺成熟、可逆性好等优点。随着温度的升高，PDMS的有效折射率将降低，从而导致纤维芯模的损耗峰向短波方向移动。利用全匹配层边界条件，对SPR-PCF材料的损耗谱特性进行有限元分析，实现了对温度的高灵敏度、高精度、快速测量。该感应器在22~47 ℃温度范围内的温度灵敏度可达-8.18 nm/℃。

2020年北方工业大学的陈强华等^［55］基于Kretschmann结构，建立了四层介质光纤表面等离子体共振（SPR）传感器的理论模型，并给出了光纤SPR的传感测量公式。模拟结果表明，在折射率为1.333~1.336的条件下，反射波的p、s偏振量的相位差与折射率的变化几乎呈线性关系。他们将双频激光作为光源，设计了一种基于共光路结构的外差干涉光纤SPR测量系统，该系统采用相位调制的信号处理方法，提高了传感器的测量分辨率。利用外差干涉光纤SPR测量系统对甘油溶液进行实验校准，得到的结果与理论分析结果一致，并与其他测定方法得到的结果吻合，其折射率的相对误差小于8.0×10^-5。

2021年安徽大学信息材料与智能感知安徽省实验室的方莎莎等^［56］基于光纤Sagnac干涉仪（FSI）与极化模数干涉仪（PMI）级联结构，提出了一种高灵敏光纤温度应变传感器。作为基准干涉仪，FSI是在Sagnac环内引入椭圆芯保偏光纤（ECPMF），它对温度、应变、弯曲和扭转不敏感。采用PMI作为传感干涉仪，将保偏光纤的快轴、慢轴相结合，将光纤的起偏器与镀金的端面相结合，制成45°角的熔接体。基准干涉仪的自由波段（FSR）很容易被调整到接近敏感干涉仪的FSR，从而产生光学光标效应，提高测量灵敏度。实验结果表明：所设计的串联传感器具有15.56 nm/℃的温度灵敏度，以及11.12倍于单一PMI的温度和11.81倍的应变灵敏度。该传感器具有灵敏度高、制造简单、工作稳定等特点。

对于实际应用的传感器，决定其使用性能的主要是可靠性和稳定性，没有较高可靠性、稳定性的研究工作和海试验证，传感器无法真正走向实用。但国内外文献中有关这方面性能的研究鲜有报道。

在光纤温度传感器方面，科研人员多从原理方面报道了提高灵敏度的诸多方案，但对其综合性能如压力和盐度对温度的交叉敏感、响应时间、长期稳定性、耐震动冲击能力等的研究较少。在压力传感器方面，虽然国内的大量土建工程促进了商用的光纤压力传感器的发展，但其长期稳定性指标与成熟的电子学压力传感器还有一定差距，动态响应和实时温度补偿性能还有待改善。在盐度传感器方面，首先是缺乏行业认可的定标依据，面对成分复杂的海水，光学传感器所测的折射率如何与海水状态参数即盐度、温度、压力建立精确的数量关系；其次是原理性验证、单一溶质实验报道居多，真正海试的较少；最后，对于基于光学折射率的测量，几乎所有的方案都受到附着物的影响，诸如此种工程化研究几乎是空白。

海洋科学是基于海洋调查的科学，而海洋调查的根本是性能可靠的各类传感器和平台。在海洋研究走向大洋深渊的今天，海洋科学家对调查的支撑技术提出了更高的要求。将光纤传感领域新原理、新技术应用到深海大洋中，最重要的是通过大量工程化应用使实验室成果走向实用。

作为海洋科学的基础学科，物理海洋学关注的是海洋中的动量、能量与物质输运过程及其变化规律，其基本研究对象是海水的运动，即海流。而海水运动由大尺度到小尺度，最终以湍流混合的形式耗散；海洋湍流能量耗散过程成为物理海洋学的重要研究焦点^［57］。然而，对湍流问题的研究至今也没有得到完全一致的结论，湍流问题一直以来都被认为是流体力学中的难题。著名物理学家理查德·费曼将湍流称为“经典物理学中最后的未解难题”，人们经过一百多年的不懈研究，才逐渐认识到湍流是一种三维空间不规则的非定常运动，属于时空随机过程^［58］。

3　光纤流速类传感器的研究进展

近几年关于海流尤其是湍流的文章多次发表在Nature、Science及其子刊上。2017年，英国国家海洋中心的Garabato等^［59］在Nature上发表文章称湍流混合的快速耗散使得融水最终沉淀到深处；Garabato等使用一个理想的海洋环流模型来证明这种机制与南极冰架的加速融化有关；并建议将这种产生深度融水的机制——南极融化的动态稳健特征纳入气候尺度模型，其研究区域如图19所示。

图 19. 研究区域^［59］

Fig. 19. Research area^[59]

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2018年，德国莱布尼兹淡水生态研究所的Bergkvist等^［60］在Nature Communications上发文，表示他们使用二次离子质谱结合稳定同位素示踪剂，在低营养浓度的静止条件和湍流剪切下，测量了两种形成链的硅藻（骨架藻和角毛藻）的细胞特异性碳、硝酸盐和铵同化，并将数据与传质理论预测的数据进行比较。这个实验证明了：与静止条件相比，湍流剪切显著增加了细胞特异性同化，细胞/链也会形成快速下沉、富含碳和铵的聚集体；湍流同时激发了海洋中小规模的生物CO₂同化和大规模的生物地球化学碳氮循环。

2019年，东京海洋科技大学的Takeuchi等^［61］在Scientific Reports上发文称：实验室和原位研究表明，底栖边界层中的湍流对于海洋聚集体的形成和破坏很重要，其上层海洋聚集和解离速率的湍流中介作用关系如图20所示，但是少量的实地观察限制了我们对湍流在海洋表面聚集过程中所发挥作用的理解；而通过大颗粒（>0.05 cm）的凝结形成的海洋聚集体（也称为“海洋积雪”）通过从富营养区下沉对全球碳通量作出了重大贡献，也影响了地球的气候。

图 20. 上层海洋聚集和解离速率的湍流中介作用^［61］

Fig. 20. Turbulence mediating effects of aggregation and dissociation rates in the upper ocean^[61]

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2020年，中国科学院海洋研究所通过观测和数值模拟，研究了南海北部内潮的相干和非相干特征；通过11个月的系泊流观测，证明了湍流参数化模型与潮汐、内潮有关^［62］。

此外，从任何一个物理海洋学的实质性突破上都不难发现观测手段和探测技术的革新^［57］，由于物理海洋学发展的基石其实是监测手段的革新，因此为了使海洋科学家们对海洋混合的发生过程和机制、海洋模式演变以及海洋的气候模型有更深入的认识和了解，开展海洋流速、湍流观测的研究极有必要。

3.1　基于多芯光纤的流速传感器

2008年，哈尔滨工程大学提出了一种基于双芯光纤Michelson干涉仪的新型光纤流速传感器^［63］。该传感器仅以一段双芯光纤为圆柱形悬臂梁，流体以未知的速度流动时所施加的力使光纤弯曲，这与双芯光纤内集成Michelson干涉仪的相位移动相对应。这种双芯光纤传感技术可以自动补偿由于干涉仪两臂受环境温度和压力的影响而产生的环境温度和压力变化。这种基于双芯光纤的流速传感器的优点是：1）结构简单紧凑；2）不受环境温度、压力变化的影响；3）灵敏度与双芯光纤悬臂梁长度无关；4）灵敏度可以通过转动双芯光纤的方向进行调节。这种传感器也可以应用于海水流速的测量。

2019年，燕山大学的白景华^［64］报道了关于多芯光纤流速/流向测量技术的研究工作。其原理是在多芯光纤上刻写不同波长的布拉格光栅，这种传感器的优点是可以同时测量曲率和受力方向，应用到海洋环境中，可实现流速和流向的同时测量，很好地消除环境温度对实验测量的影响。目前该传感器还处于实验室研究阶段，缺乏在真实水文环境下的应用测试。如果该实验的解调仪和控制平台精度能够进一步提高，预计传感器可以具备更好的性能。

3.2　基于光纤传感的两种海洋湍流传感器

湍流的耗散形式有两种，一种是湍动能耗散，另一种是热耗散。关于湍动能耗散率的测量目前国际上都是基于压电陶瓷的方法。热耗散方面主要有关于快速变温传感器FP07的报道，其对温度的响应时间为7 ms。如何让光纤传感器具有响应快且灵敏度高的特性，这是一个难点问题。

2015年，Liu等^［65］利用基于F-P腔干涉的方法测量海水温度的变化，并与FP07所测得的信号进行对比。传感器头的结构如图21所示。将圆柱体硅安装在单模光纤的端面上，硅柱体作为F-P腔干涉仪的重要组成部分，在纤维硅和硅周围的界面上两个反射结合并发回干涉光谱，其特征是具有一系列的倾斜波长和峰值波长。

图 21. 传感器头的结构^［65］。（a）传感器探头结构示意图；（b）工作原理说明

Fig. 21. Structure of sensor head^[65]. (a) Schematic of sensor probe structure; (b) description of working principle

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之后通过向一桶冷水中倒入一些热水来产生湍流。将光纤传感器与商用快速响应热敏电阻（FP07）进行比较，FP07既可作为参考，也可作为校准。两个传感器被部署在彼此的附近。两种传感器的实验结果对比如图22所示。显然，光纤传感器不仅很好地跟踪了FP07热敏电阻，还跟踪了更多的快速温度变化细节。这些有用的温度剖面将为水下湍流对海洋成像影响的分析提供有力的工具；这个实验结果展现了光纤传感在快速变温测量领域应用的可能性，也为海洋学应用提供了参考。

图 22. 快速变温湍流热耗散传感器实验数据^［65］。（a）将一个冰袋放在水面上；（b）将一些热水倒入一桶冷水中，检测水的湍流，并将商用高速热敏电阻FP07的响应作为校准和参考

Fig. 22. Experimental data of a fast-changing temperature turbulent heat dissipation sensor^[65]. (a) Place an ice pack on the surface of the water; (b) measure turbulence by pouring some hot water into a bucket of cold water, and the response of a commercial high speed thermistor FP07 is provided for calibration and reference

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2020年，中国科学院半导体研究所李芳团队采用短周期布拉格光纤光栅作为传感元件（传感器的封装结构如图23所示）^［66］，基于相位产生载波（phase generated carrier，PGC）的解调技术采用与电学类传感器类似的翼型探针和等强度钛合金悬臂梁等技术在实验室完成了传感器探头和解调仪原理样机的搭建。该套系统可以测量海洋湍流引起的切向速度变化率。解调系统分辨率达到0.001pm/Hz，传感器的灵敏度达到4.37×10-16m2⋅s2/kg（这个灵敏度实测结果与PNS01相近），在空气中的固有频率为595 Hz，与理论值相近。它在水中的共振频率（534 Hz）超过了海洋湍流的最高频率（200 Hz），且两种传感器的实验室标定信号相关度达到了0.91607（图24）。这种传感器的应用有望于填补海洋地边界层附近湍流测量数据的空白。

图 23. 传感器封装结构^［66］

Fig. 23. Sensor package structure^[66]

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图 24. PNS信号与FBG信号相关性对比图^［66］

Fig. 24. Comparison diagram of correlation between PNS signal and FBG signal^[66]

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目前，有关光纤传感在海洋湍流测量领域的应用研究方面的报道还很少。目前国际上的大形势是转向传感器的载体研究，如开发更稳定的湍流剖面仪平台，或搭载水下滑翔机等。由于国内还没有比较成熟的湍流传感器产品化应用的实例，因此对湍流传感器的研究依然需要科研工作者的不懈努力。

4　结论与展望

目前，我国在传统的电子类温盐深流传感器制造领域与国际的先进产品还有一定差距，但本文认为在“传统车道内”很难形成“弯道超车”的局面。在光纤传感这个新兴的领域，在各个原理的把握上国内学者都有积极的创新意识，并获得了很好的实验现象，处于国际第一梯队的水平。不过在海洋温盐深流方面的光纤传感器依然有许多不足之处。本文将光纤传感在温盐深流方面的优缺点总结如表1所示。

在解调方面还存在多种限制因素，如反射式匹配光纤光栅滤波法存在系统信噪比低的问题，透射式光纤光栅滤波法存在非线性误差较大的问题，而边缘滤波法的器件对温度过于敏感而引起的温度补偿误差问题，高精度的可调谐F-P滤波解调系统造价高昂且滤波损耗较大。科研工作者如果把握机会，攻克上述技术上的难点，很有可能使光纤传感器在物理海洋观测领域上实现质的突破，进一步解决国内海洋观测类传感器依赖进口的“卡脖子”问题。目前大多数研究所和大学的研究都止步于实验室，缺少工程化应用的研究。科研人员设计的传感器应该走出实验室，只有在工程化和市场化的应用过程中得到足够多的用户反馈，才能促使我们的传感器各方面的性能走向成熟。