海洋光纤温深传感器及其动态解调系统研究
摘要
在海洋复杂的环境中，温度与深度是海洋众多环境参量中最基础的参量，它们不仅
决定海洋跃层分布，也会影响水下声信号的传播特性。目前海洋温度、深度测量常用的
是电学式温深仪，已普遍应用在海洋监测领域，但仍然存在耐腐蚀性差、体积大、受电
磁干扰、测量设备分离、易受串扰等问题。光纤传感器因具有体积小、成本低、耐电磁
干扰、可远距离传输等优点，逐渐成为海洋环境监测领域的研究热点之一。针对目前海
洋温度、深度(压强)双参量传感、高分辨率测量等应用要求，本论文主要研究了基于法
布里珀罗(Fabry-Perot,FP)干涉的多参量传感技术，提出了三种集成化高、体积小、分辨
率高的光纤FP温深传感器，在传感器基础上，对FP传感器的算法进行了研究，提出了
两种高分辨率、大动态范围、快速解调算法。最后，搭建了复合FP干涉结构传感器的
动态解调系统。本文的具体研究内容如下：
1.针对温度、深度(压强)双参量传感需求，设计了两种基于硅基结构的双参量传感
器。详细介绍了两种硅基结构的设计及制作方法，阐述了两种传感器的制备方法，两种
传感器均是将硅基结构与多芯光纤结合，在传感探头上构建了并行FP干涉腔，区别在
于采用了不同形状的硅基结构。传感器的两个FP干涉腔可以同时感测温度与压强，实
现了双参量传感器探头微型化、集成化。通过实验测试，第一种传感器在温度25~55℃
和空气压强5~40kPa范围内获得了良好的线性响应。第二种传感器在温度25~65℃和水
压强100~1000kPa范围内传感能力强、可逆性好，温度分辨率达到了0.0058℃，压强(深
度)分辨率达到了1.36kPa(0.136m)。
2.为满足深海温度、深度需求，本文提出了基于级联FP干涉结构的温深传感器技
术方案，在传感探头上利用碳化硅和单晶硅片构建了两个级联FP干涉腔，并对传感探
头结构进行了仿真、封装设计和制作。为了实现FP传感器绝对测量，本文对解调算法
进行了研究，分别提出了两种无跳变、高分辨率、大动态范围、快速的解调算法。经过
测试，两种解调算法均可以实现百赫兹以上的解调速度，其中第一种解调算法的光程差
分辨率达到了0.64nm，第二种解调算法的光程差分辨率达到了0.181nm，且在动态范围
300μm~1740μm内解调性能优异。
3.为了实现温度与深度(压强)传感器的动态监测，本文搭建了光纤温深传感动态解
调系统。基于本文提出的第二种解调算法，通过Labview编写了上位机解调程序，实现
传感器信号解调。然后对本文提出的级联FP干涉温深传感器进行了实验测试，证实了
哈尔滨工程大学专业学位硕士学位论文
该传感器在温度0~45℃和压强(深度)0~4.8MPa(0~480m)范围内具有良好的线性响应，温
度分辨率达到了0.01℃，压强(深度)分辨率达到了0.06653m(0.6653kPa)。此外，本文给
出了解耦矩阵，用来消除温度和压强(深度)之间的交叉串扰，实现了温度、压强(深度)同
时测量的功能。
最后，对本文的研究工作进行了总结，并对接下来的工作进行了展望。
关键词：光纤传感器；法布里珀罗干涉；温深测量；解调算法
海洋光纤温深传感器及其动态解调系统研究
ABSTRACT
Inthecomplexenvironmentoftheocean,temperatureanddeptharethemostfundamental
ofthemanyenvironmentalparametersoftheocean,andtheynotonlydeterminethedistribution
ofmarinejumplayers,butalsoaffectthepropagationcharacteristicsofunderwateracoustic
signals.Atpresent,thecommonlyusedoceantemperatureanddepthmeasurementiselectrical
typetempe