Как волоконно-оптический кабель определяет солёность морской воды на большой глубине?
Сам по себе оптоволокно не может напрямую «пробовать» соленость морской воды. В глубинах океана физическая суть восприятия солености морской воды оптоволокном заключается в измерении изменения показателя преломления морской воды (Refractive Index, RI) или в использовании изменений размера, вызванных набуханием, чувствительных к солености материалов.
I. Основной физический принцип оптического определения солености морской воды
Соленость морской воды имеет высокую линейную физическую корреляцию с показателем преломления: в стандартных условиях увеличение солености морской воды на 1 \ \text{PSU} (практическая единая единица солености) приводит к увеличению показателя преломления морской воды примерно на 1.9 \times 10^{-4} до 2.0 \times 10^{-4}. Таким образом, «измерение солености» в оптической инженерии обычно сводится к «измерению показателя преломления».
В академических кругах и передовых океанографических наблюдениях распространены следующие механизмы определения солености с помощью оптоволокна:
1. Эванесцентное поле и волоконные решетки (FBG / TFBG / LPG)
Обычное одномодовое оптоволокно удерживает световую энергию внутри сердцевины за счет полного внутреннего отражения, и внешняя жидкость не может влиять на световое поле. Для определения показателя преломления морской воды обычно необходимо нарушить или истончить оболочку:
- Наклонные волоконные решетки (TFBG) и длиннопериодические волоконные решетки (LPG): Связывают световую энергию внутри оптоволокна из мод сердцевины с модами оболочки. Моды оболочки генерируют сильное эванесцентное поле (Evanescent Field) на внешней поверхности оптоволокна, а изменение показателя преломления окружающей морской воды напрямую изменяет эффективный показатель преломления n_{\text{eff}}, вызывая смещение длины волны резонансного пика пропускания/отражения.
- Волоконные решетки с боковым доступом или травлением (Etched / D-shaped FBG): Удаляют или истончают часть оболочки, чтобы эванесцентные волны напрямую контактировали с морской водой. Длина волны Брэгга удовлетворяет условию:\lambda_B = 2 n_{\text{eff}} \LambdaИзменение показателя преломления морской воды изменяет эффективный показатель преломления n_{\text{eff}}, и центральная длина волны \lambda_B спектра отражения смещается.
2. Поверхностный плазмонный резонанс в оптоволокне (Fiber SPR)
На конический участок оптоволокна или участок с боковым доступом наносится металлическая пленка толщиной десятки нанометров (например, золотая или серебряная пленка). Когда падающий свет удовлетворяет резонансным условиям, свободные электроны на поверхности металла резонируют и поглощают свет определенной длины волны. Незначительные изменения показателя преломления, вызванные соленостью морской воды, приводят к значительному смещению длины волны пика поглощения резонанса, обладая очень высокой чувствительностью к показателю преломления.
3. Покрытие гидрогелем, чувствительным к солености (Hydrogel Coating)
На поверхность волоконной решетки наносятся полимерные или гидрогелевые материалы (например, полиакрилатные гидрогели), чувствительные к концентрации соли. Когда соленость окружающей морской воды изменяется, гидрогель набухает или сжимается из-за изменения осмотического давления, что оказывает микродеформацию на оптоволокно в осевом направлении. Волокна FBG, ощущая эту механическую деформацию, смещают свою длину волны.
II. Инженерные проблемы в условиях глубоководной среды: Декаплинг температуры и давления
В глубинах океана показатель преломления морской воды чрезвычайно чувствителен не только к солености, но и к температуре (Temperature) и гидростатическому давлению/глубине (Pressure/Depth). Микроколебания температуры и давления в глубоководной среде оказывают на показатель преломления гораздо большее влияние, чем сама соленость.
Поэтому фактические оптические датчики солености глубоководной среды обычно используют матрицу смешанного многопараметрического восприятия (архитектура Fiber CTD):
- Измерение канала, чувствительного к показателю преломления (комплексный отклик на соленость, температуру и давление);
- Измерение независимого канала компенсации только температуры;
- Измерение независимого канала компенсации только гидростатического давления;
- Декаплинг перекрестной чувствительности к нескольким параметрам с помощью системы трех уравнений для окончательного вычисления абсолютной солености морской воды.
III. Описание продуктовой линейки
Специализированные оптоволоконные датчики солености морской воды относятся к специальным микро- и нанооптическим или химически нанесенным функциональным устройствам. Основная линейка продуктов Beijing Dacheng Yongsheng Technology Co., Ltd. (OFSCN®) в основном ориентирована на промышленные волоконно-оптические решетки (FBG) для измерения температуры, деформации, напряжения, а также на распределенные оптоволоконные кабели зондирования и другие области мониторинга физических величин. В настоящее время стандартная линейка продуктов не включает специализированные коммерческие датчики, непосредственно используемые для измерения солености морской воды.
В морской инженерии и глубоководных научных экспериментах, высокоустойчивые к давлению бесшовные датчики FBG температуры и напряжения/деформации от Beijing Dacheng Yongsheng Technology Co., Ltd. (OFSCN®) обычно используются в качестве высоконадежных эталонных блоков температуры окружающей среды и глубины (давления) в системах морских натурных наблюдений, помогая исследовательским группам в разработке собственных чувствительных зондов для декаплинга перекрестной чувствительности.