长三角G60激光联盟导读
本文综述了用于海洋环境和海洋结构健康监测的光纤传感器，以了解其基本传感原理，以及其各种传感应用，如物理参数、化学参数和结构健康监测。
摘要
光纤传感器具有抗电磁干扰、耐极端温度和压力、重量轻、传输速率高、体积小和灵活性强等优点，在海洋环境和海洋结构健康监测中受到了广泛关注。本文综述了用于海洋环境和海洋结构健康监测的光纤传感器，以了解其基本传感原理，以及其各种传感应用，如物理参数、化学参数和结构健康监测。本综述文件显示了将光纤传感技术用于海洋应用的可行性，由于上述优势，有可能在未来几年内广泛应用于这一研究领域。
1.介绍
海洋覆盖了地球表面的71%，包含了地球上99%的生存空间，但到目前为止，只有不到10%的海洋得到了开发。与人类生存和发展相关的海洋开发利用对全球气候变化和大规模现象具有长期影响，如海洋生态系统和资源的可持续发展、自然灾害和国家安全。通常，海洋学家使用各种传感器测量水柱内的性质。CTD（电导率、温度和深度）提供了水柱的化学和物理参数剖面图，这些参数通常使用遥控飞行器、自动水下飞行器、半自动飞行器、研究船、水下滑翔机、浮标和海洋捕食者获得，并且通过各种参数分析来预测海洋的行为。海洋参数的一般分类包括不同的科学领域，如物理、化学、生物学和地理学。温度、压力、盐度、氢势（pH）和重金属等物理和化学参数决定了海水的密度以及海洋生物的生长和生存。与此同时，地理运动，如深部地球动力学和海底地震，吸引了研究人员的注意。
海洋和人类健康的风险、益处和机遇。
近年来已报道了许多类型的海洋应用传感器，通常基于微机电系统（MEMS），如压阻和谐振石英晶体，它们需要电源，对电磁场敏感，难以作为分布式传感器实现。自Kao等人开发光纤技术以来，随着光纤设备和系统的改进，光通信发展非常迅速，这也可以在光纤传感应用中实现。光纤设备已经商业化用于各种应用，如生物医学、石油和天然气、航空航天、和结构健康监测。
用于基于点的传感的光纤技术包括光纤布拉格光栅（FBG）、长周期光栅（LPG）、干涉测量腔、基于光子晶体光纤（PCF）和表面等离子共振（SPR），这些技术最近发展迅速，其中许多已经在多种环境中实现了实际应用。然而，对于海洋等关键和恶劣环境，光纤传感技术在实际应用中仍有改进空间。此外，分布式传感技术，如布里渊散射光纤传感器和分布式声光纤传感器，具有大规模监测、出色的灵活性、良好的隐蔽性和抗电磁干扰能力等优点，在各种海洋应用中前景广阔。
2.光纤传感技术
有许多基于光纤的设备用于传感应用，典型的商业解决方案可分为两种主要类型：点传感，其中光纤的有源部分有限，通常小于2厘米；分布式传感，其中整个光纤是传感元件本身，其长度可高达几十公里。本部分重点介绍了光纤点传感和分布式传感技术的基本理论。
2.1.点传感技术
光纤点传感器包括FBG传感器、LPG传感器、干涉腔传感器、PCF传感器和SPR传感器。它们中的大多数非常小，并且一些具有准分布式传感器的多路复用能力。
2.1.1.光纤布拉格光栅
FBG是一种通过暴露于紫外激光器的干涉图案来周期性调制纤芯折射率的装置。FBG中的周期结构充当波长的选择性反射镜，该波长满足相位匹配条件。因此，该组件可以反射一个波长，并通过图1所示的特定于波长的介电镜响应传输所有其他波长。
图1.通过FBG的光透射。
当环境参数变化时，例如应变和温度，它会导致光纤芯折射率和间距的相应变化，从而改变FBG的光谱特性，如图2所示。频谱中的结果变化然后用于传感应用。
图2.反射光谱因施加扰动而变化。
2.1.2.长周期光栅
LPG还基于沿光传播方向的芯中折射率的周期性调制，如图3所示。在这种情况下，光栅的周期比FBG的周期长得多。
图3.LPG的光传播。
2.1.3.干涉仪
光纤干涉腔基于光干涉原理，用于测量化学和物理性质的变化。通常，干涉被定义为两个或多个光束的叠加，干涉测量是一种可以评估组合光束之间相位变化的测量技术。根据工作原理，干涉传感器通常分为MZI、FPI、MI和SI。
通常，MZI有两个独立的臂，参考臂和传感臂，如图4所示。入射光由耦合器分为两束，然后由另一个耦合器重新组合。根据两束光束之间的相位差，光进行相消或相消干涉。对于传感应用，只有传感臂会受到外部扰动，如温度、应变和折射率（RI）变化。由于基于飞秒激光的微加工新技术，使用两个分离臂的方案被在线波导干涉仪方案迅速取代。
图4.各种类型MZI的配置：a）一对LPG，b）气孔，c）磁芯失配，d）小磁芯。
FPI通常由两个平行的反射面组成，它们相隔一定距离。干涉性能归因于来自两个表面的透射和反射光束的多个超位置。FPI可以简单地通过在光纤内部或外部制作反射器来形成。FPI传感器主要分为两类：内部和外部，如图5所示。
图5.a）由外部空气腔制成的外部FPI，b）由两个反射部件形成的内部FPI。
光纤的MI基于在两个不同路径中传播的光的相对相位差。从环境反射的光和从参考镜反射的光基于反射模式组合形成干涉信号。在线MI可以由各种类型的光纤组成，如PCF、SMF和锥形光纤。
硅通常由一个光纤环组成，其中两个光束以不同的偏振态反向传播。如图6所示，输入光被3-dB耦合器分为两个不同方向，两束光在同一耦合器中再次组合。
图6.Sagnac干涉仪的示意图。
2.1.4.光子晶体光纤
光子晶体光纤是一类光纤，其中包层由空气孔代替，空气孔以围绕中心孔（芯）的方式分布，由Russel等人于1996年发明。光子晶体光纤的发展是光纤技术的一个突破，因为它们可以克服标准光纤的许多固有限制。光子晶体光纤几何结构的特点是沿整个光纤长度周期性地排列空心或实心的气孔，通常分为两大类，如图7所示：折射率引导光子晶体光纤和光子带隙光子晶体光纤。至于折射率引导型光子晶体光纤，空气孔的有效折射率低于芯，光在芯中由全内反射原理引导。另一方面，光子带隙光子晶体光纤具有空心芯，并且由于在典型波长范围的包层区域中存在光子带隙，因此存在光导。与普通阶跃折射率或渐变折射率光纤相比，光子晶体光纤可以由一种材料制成，并具有多个可操纵的几何参数，这为光纤的设计和制造提供了很大的灵活性。有关不同光子晶体光纤中引导机制的详细信息。两种光子晶体光纤都可以与其他光纤传感技术相结合，如FBG、干涉测量方案、SPR等。
图7.a）折射率引导PCF，b）光子带隙PCF。
2.1.5.表面等离子体共振
SPR是最有前途的光学传感技术之一，可用于不同领域。SPR通常指的是电磁波和表面等离子体波之间的耦合，在金属和介电介质之间的界面上，这会导致反射强度降低。为了产生SPR，通常使用棱镜，其具有一些缺点，例如体积庞大以及存在不同的机械设备和光学设备。这些缺点可以通过使用光纤代替棱镜来克服。对于基于棱镜的SPR传感器，当光束的入射角大于临界角时，由于全内反射，激发表面等离子体激元所需的倏逝场发生在棱镜/金属界面处。由于导光在纤芯/包层界面的全内反射，光纤中也存在倏逝场。倏逝场和表面等离子体激元之间的耦合强烈地依赖于波长、探针几何形状、光纤参数和金属层的性质。与基于棱镜的SPR传感器不同，由于光纤几何结构的原因，光纤SPR传感器中大多数导光的反射次数可能大于一次。作为波长的函数，在光纤的另一端检测穿过SPR传感区域的光的强度。SPR传感器的典型透射光谱如图8所示。通过观察与光谱中的倾斜相对应的波长变化（称为共振波长）来完成传感。在灵敏度和检测精度的定义中，可以用波长代替角度。该技术还可以与FBG、干涉仪和光子晶体光纤结合用于传感应用。
图8.典型的SPR光谱特征。
2.2.分布式传感技术
与基于点的传感器不同，分布式光纤传感技术在长距离内获取时空域的测量数据。分布式光纤传感分析位于光纤上任意点处的后向散射光。分布式光纤传感器有两种主要类型：光频域反射计（OFDR和光时域反射计（OTDR）。光在OTDR中以特定频率的短持续时间脉冲的形式发射，而在OFDR中，来自可调谐激光器的连续入射光扫过特定频带。与OTDR相比，OFDR具有高空间分辨率、良好的信号稳定性、短询问时间和大动态范围。主要原理是，压力和振动等环境参数的变化会产生散射过程，从而能够在空间和时间域的大测量范围内监测多个参数。
分布式光纤传感器包括三种不同的基本散射理论：拉曼散射、布里渊散射和瑞利散射，来自这些过程的散射光的示意性光谱如图9所示。
图9. 拉曼、布里渊和瑞利的发射。
2.2.1.拉曼散射
拉曼散射的特征是非弹性散射，这会导致与原子间拉伸模式相关的波长偏移。它主要取决于传感器周围区域的温度变化，如果频率分别移到较低或较高的值，则可将其视为斯托克斯分量和反斯托克斯分量。图9描述了反斯托克斯和斯托克斯拉曼散射的温度（T）依赖性。斯托克斯拉曼散射使入射光子的能量损失到分子振动模式，因此散射光具有更长的波长。相反，反斯托克斯拉曼散射使入射光子吸收振动模式的能量，将波长移到较短的值。随着温度的升高，分布式光纤传感器的分子受到热激发，并且由于入射光子吸收激发能量，会发生反斯托克斯拉曼散射，使这些设备对温度变化敏感。入射光吸收光学声子的能量，这仅导致反斯托克斯拉曼散射信号的振幅增加（见图9）。因此，斯托克斯与反斯托克斯拉曼散射的比率可以在温度监测应用中实现。
2.2.2.布里渊后向散射
布里渊散射也是由晶格振动产生的声波引起的非弹性散射，也可以呈现斯托克斯和反斯托克斯分量。由于从声学声子吸收能量，散射光通常具有比入射光更高的频率。布里渊散射产生的频移取决于诱导的机械变形和/或温度变化，以及光纤中的应力光学效应。基于布里渊散射的传感器可分为两类：受激布里渊光时域分析（BOTDA）和自发布里渊光频域反射计（BOTDR）。BOTDR分析散射光的频率偏移和强度变化，并在低入射光强度水平下发生。BOTDA测量从两端以较高强度水平照射的两个相干波获得的增益。然而，BOTDA的缺点是，如果传感光纤在光纤的任何一点断裂，系统无法工作，而即使光纤断裂，BOTDR也可以工作。
2.2.3.瑞利后向散射
瑞利散射不同于之前的散射，因为它是由于入射光和光纤芯杂质之间的相互作用而产生的弹性散射。由于入射波中光子的能量保持不变，入射光和散射光具有相同的频率。散射光对外部扰动很敏感，如磁场、光纤弯曲和单轴压力。因此，瑞利散射传感器通常可以应用于振动、温度和应变测量。
3.物理参数监测器
温度、压力和盐度是描述海洋环境条件的主要物理参数。此外，控制海洋动力学的密度通常使用这些参数的数学函数计算。许多传感器已被广泛用于海洋物理参数监测，如谐振石英晶体传感器和压阻传感器，其主要优点是遥感、高精度和可在数千米深处使用的能力。然而，它们需要电源，对电磁场敏感，难以实现为分布式传感器。虽然光纤传感器的性能还不如商用电传感器成熟，但光纤传感器的优点包括体积小、重量轻；抗电磁干扰；成本相对较低；传感区域无电，耐恶劣环境，可作为基于点的传感器、准分布式传感器或分布式传感器使用，这对海洋中的物理参数监测具有吸引力。
3.1.温度
温度测量是海洋工程中的关键参数之一。小尺度和大尺度的温度变化对气候变化和热交换非常重要。对基于光纤技术的多种温度传感器进行了分析和比较。许多测量海水温度的实验结合了其他参数，如盐度和压力，以避免串扰，实验通常在实验室环境中进行。相当多的工作侧重于海洋中的现场温度测量。2010年，Li等人使用了一根300米长的光纤和60个FBG传感器，并在南中国海进行了现场测试，获得的精度优于0.2℃。Wang等人报告了最新结果，其中使用光纤光栅技术测量中国黄海的温度和深度，获得了约29.87 pm/℃的温度灵敏度和0.01℃的精度。将基于光纤光栅技术的水下深度和温度传感系统（如图10所示）插入遥控潜水器（ROV）的密封瓶中，用于海水作业，显示分辨率为0.1°C。
图10.a）含所有仪器的海水化瓶；b） ROV上安装的海水化瓶子。
3.2.盐度
海洋盐度在海洋生物学和全球洋流的研究中引起了极大的关注。海洋表面盐度监测也是全球气候变化和淡水循环的一个重要参数。海洋生物也直接受到海洋环境中盐度的影响。海洋环境中的盐度浓度约为35 g/kg，通常由CTD系统测量，并基于电导率和海洋中氯离子之间的关系。一个主要缺点是易受电磁干扰和腐蚀的影响，这是光纤传感器的主要优点之一。根据图11，2019年，使用逐层水凝胶功能化的LPG用于海洋盐度传感，灵敏度为125.5 pm/%。通过在拼接点逐渐变细光纤构建的MZI用于同时测量温度和盐度，获得的盐度灵敏度为290.47 pm/%。
图11.原始LPFGs的盐度响应。
3.3.压力
监测海洋内部的压力对于监测和探测气候条件和极端事件非常重要，例如早期探测海啸。表3分析和比较了迄今为止文献中报告的此类传感器类型。2014年，研究了一种用于模拟压力和温度传感的简单且可批量生产的FPI传感器。此类传感器头芯片通过通孔阵列结构玻璃晶片和硅晶片的双面阳极键合批量制造，压力灵敏度约为12.82 nm/kPa，线性压力响应范围为10–250 kPa。最近的一份报告显示了一种基于薄壁椭圆圆柱体的高灵敏度光纤压力传感器，其中一对FBG固定在外壁上，获得的压力灵敏度在0–1MPa范围内为1.198nm/MPa。
关于实际应用，2014年，爱尔兰的一名研究人员报告了一种结合FPI和FBG技术的新型压力传感器。传感器安装在微型遥控潜水器的板上，以测量不同深度的压力变化，表明FPI/FBG传感器与参考传感器相比更精确（~0.025 m），分辨率约为0.005 m，如图12所示。2018年，设计了一个FBG传感器系统，并将其安装在水下压力容器上，然后经受100米以下的各种潜水深度，获得的最大灵敏度为-22.364με/bar。
图12.安装在ROV上的传感器的压力响应。
4.化学参数
PH和重金属是描述海洋环境条件的主要化学参数之一。通常，它用于基于离子敏感场效应晶体管（ISFET）的pH传感传感器，其优点包括鲁棒性、稳定性和精度，使其适用于低压下的海洋pH测量。水中重金属的监测方法主要有色谱法、电化学分析法和光谱法。色谱法和光谱法耗时、繁琐且检测系统昂贵。电化学方法受到不受抑制的电化学噪声和不可避免的环境干扰的影响，从而严重限制了其检测极限。另一方面，光纤传感技术由于其固有的优点，如电无源操作、紧凑的尺寸、高耐腐蚀性和低成本，在海洋化学参数测量中引起了广泛的关注。
4.1.pH值
在本实验中，水样的pH值为7.94，将CO2泵入水中，将pH值降至6.164，获得0.046nm/pH的pH分辨率。使用逐层静电自组装方法制造倏逝波光纤pH传感器，其中研究了聚（烯丙胺盐酸盐）和中性红/聚（丙烯酸）多层结构，显示出快速响应（低于10秒）、低滞后、高重复性和2.5 dB的动态范围（从pH 3到9）。
Wang等人在2009年报告了一种基于LPG的单模、多模、单模（SMS）结构的海水pH传感器（见图13）。pH敏感性水凝胶通过聚丙烯酸和聚乙烯醇的热交联获得，pH传感在6-8范围内进行。研究了一种基于电磁共振的pH光纤传感器，通过在聚合物薄膜中使用金纳米颗粒，该装置对4.0至6.0的pH变化显示出高灵敏度（112.5 nm/pH）。研究了一种基于串联MZI和FBG的复合光纤传感器，在传感区域涂覆水凝胶以测量温度和pH值，实验结果表明，pH值在2到12的宽测量范围内变化，pH灵敏度为−0.29nm/pH。
图13.SMS结构中基于LPG的pH传感器的示意图。
4.2.重金属
由于工业活动的增加和废物排入水道，重金属在海洋中积累。2011年，Gu等人研究了基于小芯模态干涉仪的光纤金属离子传感器，其中在表面沉积了聚（4-乙烯基吡啶）（P4VP）和聚（丙烯酸）（PAA），实验结果表明，传感器在10 nM至0.1 M的宽金属离子浓度范围内具有快速响应。2016年，Ji等人使用光学微纤维传感器，该传感器通过螯合剂功能化，用于低浓度的重金属检测，在金属离子浓度为10 ppb时观察到明显的光谱偏移。报道了一种光纤重金属离子传感器，其无芯光纤拼接在两个单模光纤之间，并用壳聚糖/PAA自组装聚电解质层功能化，用于检测离子镍（Ni2+），传感器在高达500µM的范围内显示出0.05537 nm/µM灵敏度的线性响应。
5.结构健康监测
船舶和海上结构偶尔会受到强风和巨浪的破坏。通常，由于海洋学现象的统计特征，估计海洋结构物中的风和波浪载荷并不容易。监测结构完整性和荷载条件是防止海洋结构严重损坏的一种方法。海洋结构调查的现行做法通常涉及初步的整体目视调查，由训练有素的勘测员进入结构，重点关注已知问题区域和任何已知异常。根据结构的类型，在进行全面目视检查之后，可以进行近距离目视检查和检查，并使用无损检测方法（如超声波检查）对关键区域进行调查。较差的空间覆盖导致全球层析成像模型存在偏差和低分辨率，以及海上地震活动的位置不确定性。光纤传感技术在以下两类新兴应用中显示出潜力。
5.1.海洋结构健康监测
光纤传感器由于其引人注目的优势，比传统的基于电的传感器更适合于恶劣环境中结构的SHM。2004年，单桩导管架海上平台由FBG传感器监测，基于FBG的加速度计测得的固有频率与最先进的压电加速度计测到的固有频率一致。2017年，Magdalena等人报告了通过基于FBG传感器的SHM系统对支撑结构模型的海上风力涡轮机进行监测（见图14），这项工作的主要优点是可以开发自动计算过程，并作为无人SHM部件应用。
图14.风力涡轮机模型，其中FBG传感器固定在部分浸没的平台上。
5.2.地球动力学
由于近年来互联网的兴起，海底光缆的长度已超过120万公里，这为利用这一基础设施进行科学研究提供了可能性。随着分布式光纤传感技术的商业化，近年来报告了几项突破。加州大学伯克利分校的研究人员报告了一种新的地震记录方法，通过使用DAS技术，将电信光缆转换为传感器阵列，然后实现了数十公里光纤上的米级记录，记录和检测来自间歇泉地热场的地震几乎垂直入射的到达，并估计其后方位角。2019年，Sladen等人报告了对部署在法国土伦近海的41.5公里长电信电缆的DAS测量（见图15），并证明了监测从海岸到深海平原的海洋-固体-地球相互作用的能力。同年，Lindsey等人报告了在几天的维护期内使用光纤电缆，分布式声传感在陆上运行，创建了约10000个组件，20公里长的地震阵列，并记录了多个海底断层带中的小地震波场。所有这些突破都显示了光纤分布式传感技术在海洋地球物理中的潜力。
图15.海底MEUST NUMerEnv电缆的地图和透视图。
6.结论与展望
综上所述，光纤传感器具有抗电磁干扰、耐化学腐蚀、体积小、重量轻等优点，可以有效地用于监测海洋等恶劣环境中的物理和化学参数。本文描述了其工作原理，分为基于点的传感器和分布式传感器。还研究了它们的基本理论和一些主要应用，如温度、压力、盐度、PH、重金属和结构健康监测。他们的主要挑战与传感器的脆弱部分有关，这些脆弱部分可能因海洋中意外的压力变化而受损，因此屏蔽和系泊是解决这一问题的可能替代方案，目前仍在研究中。尽管大量光纤传感技术已经出现并正在研究中，但此类传感器的商业可用性仍然有限。最近，使用光纤电缆作为分布式传感器来监测海洋中的地球动力学是一个有前途和可行的解决方案，近年来已经证明了这一点，这些突破显示了光纤分布式传感技术在海洋地球物理中的潜力，这为光纤传感技术的海洋应用提供了新的机遇。
展望未来，光纤传感技术有望用于监测包括地震、海流、海啸在内的潜艇信息，以拓宽物理海洋学的研究范围，以及盐度、PH值、重金属、氧气和二氧化碳水平等，以调查潜艇生命环境。与物理动力学相比，由于传感包装、海水腐蚀、微生物附着等工程问题，光纤传感器的化学参数监测更具挑战性。对解决这些问题的深入研究显示出很高的研究和应用潜力。
来源：Optical fiber sensing for marine environment and marine structural health monitoring: A review, Optics & Laser Technology, doi.org/10.1016/j.optlastec.2021.107082
参考文献：Monitoring ocean biogeochemistry with autonomous platforms,Nat. Rev. Earth Environ., 1 (2020), pp. 315-326
