0 引言
相比较人类易于生存的陆地而言，海洋显得变幻莫测、充满神秘，具有众多有待研究的任务、有待勘探开发的资源以及需要监测的系统和工程，所以，适合于海洋环境的传感检测技术的发展、成熟和实用化，对整个海洋科学的发展具有重大意义，也有助于人类社会的进一步发展。针对海洋环境的恶劣，基于光纤传感技术的诸多优点，本文详细介绍了光纤传感技术在海洋中的具体应用。
自1970年康宁公司用高纯度石英首次研制成功耗损率为0.2 dB/km的光纤后，光纤通讯技术得到飞快的发展，各种光器件、光电器件也相继得到成功研制和改进，光纤传感技术相应地得到飞速发展。1977年美国海军研究所(NRL)开始执行由查尔斯M戴维斯(Charles M Davis)博士主持的Foss (光纤传感器系统)计划[1]，光纤传感器问世。光纤传感技术与传统的传感技术相比，具有如下优势[2]：响应速度快，灵敏度高；检测频带宽，动态范围大；可靠性强，使用寿命长；本征无源、安全；抗电磁、射频干扰；耐腐蚀，能在恶劣的环境下工作；传输距离远；尺寸小，并且易封装成各种形状的传感器；测量对象广泛；易实现分布式测量，便于复用，易于成网，等等。
目前最常用的光纤传感技术包括布拉格光纤光栅传感技术、基于散射光的分布式光纤传感技术、基于干涉原理的光纤振动传感技术、基于光谱吸收的光纤气体传感技术、基于表面等离子共振(surface plasmon resonance, SPR)原理的光纤折射传感技术等。上述技术大多得到深入研究，部分已经产业化，在陆地上得以实际应用[3]；但适用于海洋领域的光纤传感器还在探索研究中，离实用距离尚远[4]。本文就光纤传感在海洋中的应用进行具体介绍，包括应用于海防水中不明物体识别与预警的光纤水听器、应用于海底地震海啸监测的光纤振动和水位传感器、应用于海底能源勘探安全监测的光纤气体传感器、应用于海底长输管道防盗采和防破坏的基于光纤干涉的振动传感器、应用于海底光电缆及桥梁和隧道健康质量监测的分布式光纤传感器以及应用于海洋生态环境保护的光纤SPR溢油检测传感器。本文力求使读者对光纤传感在海洋领域中的广泛应用有一个基本认识，以及对应用于海洋领域光纤传感技术有一个更深入的了解。
1 海防水中不明物体识别与预警--光纤水听器随着世界各国对海洋领域保护意识的增强，核潜艇技术以及潜射导弹技术得到了迅速的发展，其产生的噪声日益降低。常规形式压电声纳的灵敏度已经接近极限值，探潜能力凸显不足[5]。目前，美国和欧盟各国都已经对光纤水听器进行了全面而深入的研究，并且已经获得了很多具有参考和借鉴意义的研究成果；国内也投入了大量物力、人力、财力进行研究，但还处于起步阶段。
光纤光栅传感器除了具有目前所有普通传感器的各项优点外，其基于光波波长的调制机理，不受光源强度变化的影响，结合波分或时分复用技术在同一根光纤中可串接多个光纤光栅进行准分布式的测量[6-7]，适合于阵列式的水听声纳传感检测。2015年，新加坡光纤通信学院报道的光纤光栅水听器，在100~1 000 Hz频率范围内，声压相位灵敏度可达-132.7 dB·rad/μPa，波动范围小于1.5 dB。
1.1 传感原理光纤布拉格光栅(fiber Bragg grating, FBG)水听声纳是利用FBG的优良传感特性设计而成的水中声波传感器。将FBG封装于特殊的声压敏感器件时，水中的声波通过声压敏感器件作用于FBG，使其产生应变，从而改变FBG的周期，使其中心波长发生相应偏移，然后通过光纤光栅解调系统可以准确地解调出波长变化量，进而得到水声信号变化量[8-9]。
图 1是FBG传感检测基本原理图，由光源发出的具有较宽带宽的光波注入到光纤光栅，由于其所具有的波长选择特性，会使注入其中的一个特定波长的光波被其反射，只需检测反射光的波长偏移量，就可以实现其传感作用[10-11]。
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| 图 1 FBG传感原理图 Figure 1 FBG sensing principle diagram |
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基于非平衡M-Z干涉解调的光纤光栅水听器的基本结构如图 2所示，其利用非平衡的M-Z干涉结构将传感光栅中心波长的变化量转化为相位的变化值，然后通过对干涉仪输出的光波相位信号进行解调，得到波长变化量，从而提高系统的探测灵敏度[8]。
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| 图 2 基于非平衡M-Z干涉解调的光纤光栅水听器基本结构图 Figure 2 Basic structure of fiber Bragg grating hydrophone based on unbalanced M-Z interferometer |
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如图 2所示，SLED (self-scanning light emitting device)光源发出的宽带光经光纤环行器传入传感光栅，然后经光栅反射的窄带光波进入非平衡干涉结构，最后在3×3光纤耦合器中形成干涉。3×3光纤耦合器的输出光强度Ij可表示为
(1) 式中：k为条纹的可见度；Δφ(λ(t))=2πnd/λ，为干涉仪不等臂而产生的相位差，n为光纤折射率，d为臂长差值；λ为光纤光栅中心波长；φ(t)是由干扰信号而产生的相位漂移。根据d=λ2/Δλ(Δλ为光纤光栅中心波长变化量)可知，d取值越大，解调灵敏度就越高，随之测量范围也会相应越小；所以，臂长差的选取对本系统起着至关重要的作用。Ij0(j=1，2，3)是与输入总光强Iin有关的强度。在理想的情况下，I10+I20+I30=Iin，而且有I10=I20=I30。最终，相位与波长变化量的关系可以表示为
(2) 式中，k′是与电路以及k相关的常数[12]。
综上所述，此系统是在非平衡M-Z干涉仪的原理基础上，利用3×3耦合器特性实现检测信号与实际波长变化量之间较为理想的线性关系，从而扩展了检测范围[8]。对于高频率(大于100 Hz)的测量时，此系统高精度解调特性体现得比较明显，如在500 Hz时其应变分辨率可以达到0.6×10-3με
为保证光纤光栅水听器的机械及光学可靠性，光纤光栅均应通过环境试验：在相对湿度为90%、温度为90 ℃的恒温恒湿箱中放置2 000 h；在-40~85 ℃的温度中循环2 000次，光学性能应无明显变化。利用加速老化的办法可预测光纤光栅反射及透射率随时间和环境因素变化的对应关系，从而判断其使用寿命。考虑其应用于海底的复杂环境，应选取适当的封装材料及光纤光栅粘贴材料(环氧树脂或特种胶)。为消除光纤光栅对温度、应力、压力等多种物理量的交叉敏感性，可采用多参量同时测量的方法。使用宽光谱的ASE (amplified spontaneous emission)或SLED光源可有效扩大测量范围，提高光源输出功率的同时也可以明显提高检测信号的信噪比。光纤光栅水听器的检测灵敏度直接取决于增敏材料的选择以及波长解调系统的灵敏度。
2 海底地震海啸监测--光纤振动和水位传感技术海底地震观测和海浪测量属于超低频、大位移(0.05 Hz；±10 m)的振动测量范畴[13]，且测量区域处于海底复杂环境中，需要长周期实时监测，技术难度大，构建海底地震海啸观测网络成本巨大，维护成本更大; 但其一旦建成，对于人类社会的安全意义以及带来的经济利益将是难以估量的。最具有代表意义的是加拿大海王星(NEPTUNE)海底地震海啸观测网，它集光缆探头、电缆探头于一体，可测量海底地震信息、海洋潮汐、海中声音环境、温度环境、盐度环境、水下视频监控等参数[14-15]。该系统检测信号的最低频率可达0.002 Hz，最小可探测信号为4×10-4 rad/
目前，实际采用的地震计主要包括：压电式地震计、动圈式地震计、涡流式地震计、MEMS (micro electro mechanical system)数字式地震计和光学式地震计。实际采用的水位计主要包括：水下压力式水位计、水面浮子式水位计、水上雷达式水位计和光学式水位计[16]。光学式地震计以及光学式水位计采用光纤作为传感单元以及传输介质，构成海底地震以及海啸观测网络，比以往地震检波器以及海啸观测设备更具优势[17]。
2.1 传感原理基于光纤干涉原理构成的传感器是目前所有测量手段中精度最高的技术之一，针对海底环境的复杂性以及海底地震(0.000 1~50 Hz)和海啸海浪的实时观测需求，全光纤观测网络已经成为国际上广泛研究的内容[18]。
光纤中干涉光路光波的相位为
(3) 式中：β是光纤中光的传播常数，β=2π/λ；L是干涉光路的光纤长度。任何一个参数的变化都会影响光波的相位[19]，即
(4) 式中：Δφ是光波信号相位变化量；D是光纤纤芯直径。
光纤干涉式检波器通常采用弹性膜片或者弹性顺变柱体两种结构。环境振动或压力引起膜片或顺变柱体的形变，导致与膜片或顺变柱体耦合的光纤折射率和长度发生变化，引起了干涉光强的变化，通过信号的解调可还原振动信息或者压力信息。常用于振动测量或压力测量的光纤干涉系统有马赫-曾德尔(Mach-Zehnder)光纤干涉仪、法布里-珀罗(Fabry-Perot)光纤干涉仪、迈克尔逊(Michelson)光纤干涉仪，此外还有Sagnac光纤干涉仪、基于3×3耦合器结构的干涉仪等[20]。
2.2 系统介绍以Michelson光纤干涉检波系统为例进行干涉式检波系统介绍。采用基于Michelson光纤干涉法顺变柱体结构的地震检波系统如图 3所示。
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| 图 3 Michelson光纤干涉式地震检波器系统结构图 Figure 3 Structure diagram of the Michelson fiber interferometer seismometer |
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干涉仪两臂的光纤末端采用镀膜的方法形成反射端面(或者直接采用法拉第旋光镜进行替代)；两个光纤干涉臂分别缠绕在上下两个顺变柱体上，构成复合顺变柱体；复合顺变柱体与质量块共同构成推挽式(push-pull)振动测量结构，中间质量块在惯性的作用下与壳体加速度呈线性关系，分别拉、压上下两个复合顺变柱体使干涉信号中光程差翻倍，有利于小振幅振动信号检测。此外，这种推挽式检波结构对温度等低频噪声具有很强的抑制能力[21]。
系统工作原理：光源发出含有调制信号(频率为ωc)的连续光，经过长距离传输到达位于海底传感单元内部的2×2耦合器，分成两束光进入到检波器内部的两个光纤干涉臂。当检波器响应外界地震的振动信号时，干涉臂的反馈信号中就携带了含有振动信息(频率为ωs)的振动信号，该信号再次经由长距离传输返回到观测主机内部的光电探测器，经光电转换及放大后，生成的电信号与调制信号同时传输给数据采集卡，转化为数字实时信息，然后交由解调模块进行分析解调最终得到振动信息的幅值、频率等原始信息[22]。
在单分量地震检波器的基础上，可拓展到三分量地震检波器。这种结构的三分量加速度地震检波器具有并行、实时、高分辨率及高灵敏度等优点，可以更准确、快速地监测海底地震及海啸[23-24]。
2.3 技术小结经过多年的研究发展，光纤干涉测量技术用于振动、压力检测有了长足的发展，其以测量灵敏度高、测量精度高、动态范围大等突出优点被广泛认可，应用于石油矿藏勘察、地震预报分析网络、海啸观测网络、区域安全监测等领域。但为了满足低频地震波探测预报、海洋液位信息监测工作，并且发挥全光纤监测网络优势，还需要解决低频振动检测中信噪比提高、大范围组网中信道间差异等技术难点。
3 海底能源勘探安全监测--光纤气体传感技术大量的天然气资源储藏在海洋深处，海洋天然气的勘探、开发和利用任重道远。加大勘探力度，提高海洋天然气生产能力的同时，保证生产安全也同样重要[25]。
随着海洋石油勘探技术的不断提高，建立海洋平台危险气体监测系统是非常必要的[26]。海洋平台作业过程中会产生大量烷烃气体，如CH4，同时也可能伴随产生H2S、SO2等有毒气体，一旦气体泄漏，极易引起爆炸、中毒事故。因此，建立海洋石油平台安全监测系统，实现海洋平台生产设备运行监测和海洋平台危险化学气体泄漏监测，对海洋能源的安全生产提供全面保障是十分必要的[27]。
海洋环境中常用的可燃气体探测器主要有触媒传感器、半导体传感器和红外线传感器[28-29]。
1) 触媒催化可燃性气体传感器，在可燃性气体的范围内没有选择性；在暗火条件下工作，有引燃爆炸的危险，监测的大部分元素有机蒸汽会使传感器失效。
2) 半导体可燃气体传感器，根据其传感机制可以分为两种：电阻式和非电阻式。电阻式半导体传感器对气味或气体的选择性差，稳定性不够，功率要求高且容易中毒；而非电阻式半导体气体传感器制作工艺比较复杂，成本高。
3) 红外线可燃气体传感器通过感测红外光光通量的物理变化实现对可燃气体的探测，广泛应用于对某一频带红外线有较强吸收能力的碳氢化合物，如CH4等气体。
光纤气体传感技术在煤矿隧道安全、大气污染、石油储运、海洋能源勘探等领域中有重要的应用。光纤气体传感器以光纤作为测量信号的载体，特别适合在各种易燃易爆、空间受限及强干扰等恶劣环境下使用[30]。基于光纤气体红外光谱吸传感技术的光纤传感是有效进行海洋环境监测和海洋资源开发的一个非常重要的技术。2014年，山东海洋局采用一次谐波检测的方法使CH4气体的检测精度达到了1%[31]。
3.1 传感原理气体红外光谱吸收原理：基于大气传输理论中的本征谱带吸收原理，每种气体都有相对应的吸收谱线；当光源发出的光与被测气体吸收谱线重叠的时候，就会产生相应的吸收效应，气体分子吸收后的光信号强度发生衰减。光纤气体浓度检测方法是通过测量气体透射或反射光强的变化来计算和测量气体的浓度[32]。
在含有待测气体的储存气室中通过一束光强为I0的光，如果光信号覆盖了待测气体的吸收谱线，则透射或反射光强会由于气体分子的吸收发生相对应的衰减。输出光强度I (λ)与输入光强度I0(λ)、气体浓度C之间的关系为
(5) 式中：αλ是待测气体在光波长为λ时的吸收系数；l是吸收路径的长度。由式(5)可得
(6) 当λ恒定时，αλ是一个常数，l可以测量得到；所以，通过检测I0(λ)和I (λ)就可以得到待测气体浓度值。
在使用光谱吸收原理检测待测气体浓度时，有许多因素会影响到检测精度：光源的波动、光信号链路耦合处耦合状态的变化、环境噪声、器件指标漂移等。为了克服这些随机因素对检测精度的影响，普遍采用的技术方法主要有差分吸收检测方法和谐波检测方法[32]。
3.2 系统介绍光纤气体浓度检测系统，包括光源及其驱动模块、温控模块、光纤耦合器、光信号传输链路、光学探头、气室、光电转换模块、微弱信号放大模块、微分模块、信号调理模块、模数转换模块、处理器等单元。结构框图[33]如图 4所示。
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| 图 4 光纤甲烷气体浓度检测系统 Figure 4 Optical fiber methane gas concentration detection system |
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系统采用DFB (distributed feed back)可调谐激光器作为光源，驱动模块产生用于调制波长的电流信号，使光源发出的光信号波长扫过待测气体的吸收谱线。温控模块采用负反馈控制，通过电流的方向和大小控制激光器自带的制冷器进行制热或制冷，从而保持激光器的温度稳定在一个合理的区间。调制后的光信号经过光纤耦合器、光信号传输链路、光学探头进入含有甲烷气体的气室。气室为改进型的反射式气室，采用封闭式结构，整个气室包括了平行光管、反射镜、防水防尘保护套，使整个气室只有气体通过。泄露的气体通过气体扩散方式进入气室，依据比尔-朗伯定律，不同的气体及不同浓度的气体从气室内返回光的中心波长及强度不同；再通过光信号传输链路、光纤耦合器返回，经光电转换模块变为微安级的微弱电信号；经微弱信号放大模块使电信号放大到可以进行信号处理的水平，再经过微分模块、信号调理模块和模数转换模块，得到处理器能够处理的数字量；再根据相关标定公式计算可得待测气体的浓度[34]。
3.3 技术小结在气体检测领域的研究已经取得了很多的进步, 但仍有许多关键技术和需要改进的地方有待进一步探索和研究：
1) 光在光纤中的传输会有衰减，如何实现更长距离的监测是一个需要解决的问题；
2) 便携式、专用化、小型化的气体检测分析仪的研发与实现；
3) 如何更好地协调分布式、组建网络监控系统，是发展的新趋势；
4) 采用集散控制系统，组建现场总线数据采集、监控网络, 从而实现气体浓度的在线实时检测, 满足不同环境下的测量要求；
5) 根据工作现场的需要，可以实施实时或定时检测，不受限制于传统气体检测仪表的工作模式，便携式与无线传输相结合将是今后气体检测装置新的发展趋势。
4 海底输油输气管道防盗采、防破坏--光纤干涉振动检测技术现有对海底长输管道安全检测的方法包括负压波法、射线法、系缆式漏磁法、渗透法、清管球、导波技术、水下遥控机器人、声发射法等[35-36]，但这些常规方法都有其应用的局限性。例如负压波检测方法适用于压缩性小的液体管线，对于气体管线，基于负压波的检测系统的定位误差可达40%；声发射技术用于管道检测还面临着诸如信号解释问题、源定位问题以及噪声剔除等一系列亟待解决的问题[37]。综上所述，尽管已经有很多的管道泄漏检测方法投入使用，在一定程度上也避免了很多重大安全事故的发生。但是，由于海底长输管道铺设环境复杂，水体对于声、光等多种信号具有强烈的吸收作用，长距离管线泄漏点准确定位困难，所以要求泄漏监测系统具有架构简单、便于布放、传感信号损耗小、能够探测微弱信号等性能。基于传统监测方法的系统已不能满足对于海底长输管道健康状况进行长期、实时监测和快速响应、准确定位的要求，需要寻求一种可靠性高，能够满足水下长输管道监测要求的切实有效的监测方法，用于对水下长输管道长距离、小泄漏的实时自动监测[38]。
分布式光纤干涉传感技术对于管道实施安全健康监测具有很好的应用前景，该技术利用沿管线铺设的光纤作为传感元件，无需日常维护，能够实现对海底长输管道破坏行为的预警与定位[39]。目前，由电子科技大学饶云江教授课题组报道的基于光纤干涉的光纤传感系统最大监测距离为175 km，空间分辨率为25 m；由中国科学院上海学学精密机械研究所蔡海文课题组报道的基于光频分复用技术的光纤干涉振动传感系统可实现扰动信号频率的检测(大于MHz)；它们分别为国际上报道的最长监测距离和最大响应频率[40-41]。
4.1 传感原理影响光纤中光波相位的因素包括：因外界物理场的改变而引起的光纤的长度(应变效应)、折射率及分布(弹光效应)和直径(泊松效应)的改变。在干涉型光纤传感系统中，将光纤作为感测元件。由于被测物理场与光纤的相互作用，光纤中的光相位发生调制[42]。下面具体讨论引起光纤中光信号相位调制的两种物理效应[43]。
4.1.1 应力应变效应当光波信号通过长度为L的光纤后，在外界物理场作用下，由公式(4)可推导出光波信号的相位变化为
(7) 式中：ΔφL与光纤应变效应相关，是由光纤物理长度变化引起的相位变化；Δφn与光纤光弹效应相关，是折射率变化引起的相位变化；ΔφD与光纤泊松效应相关，是光纤直径变化引起的相位变化。
4.1.2 温度应变效应温度效应对相位的调制主要通过对光纤长度和折射率的影响，表现为对光纤折射率变化量Δn和光纤长度变化量ΔL的作用，对光纤直径变化量ΔD的影响很小，一般可以忽略不计[44]。若k0=β/n，则由温度变化量ΔT引起的相位变化[38]可表示为
(8) 以最适用于海底长输管道安全监测的分布式光纤干涉振动系统为例，图 5为基于3×3耦合器的Fox-Smith型分布式光纤干涉振动传感系统的结构[45]。该系统由SLED宽谱光源、光纤隔离器、光环行器、3×3光纤耦合器、长度为Ld的延迟光纤、法拉第旋光镜(FRM)、光电探测器(PD)，高速数据采集卡、单模传感光纤等组成。在如图 5所示的系统中，若扰动点为D，扰动点距离传感光纤尾端面距离为Lx，则从宽谱光源发出的光波在系统中经多条光路传播，产生干涉效应的两路光波如下。
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| Cir1、Cir2、Cir3为光纤环行器的3个端口；Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ为3×3光纤耦合器输入端的3个端口；1、2、3为3×3光纤耦合器输出端的3个端口。 图 5 基于3×3耦合器的Fox-Smith型分布式干涉振动传感系统结构图 Figure 5 Structure diagram of Fox-Smith distributed interference vibration sensing system based on 3×3 coupler |
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光路1：光源→I→1→FRM→II→2→III→PD2；
光路2：光源→I→2→II→FRM→1→I→PD1。
同一宽谱光源发出的光经过3×3光纤耦合器分成两路，再经过相同长度的传输及传感光路，其频率及强度大致相同，因经过扰动点D的时间不同，产生相位差，返回的光可在3×3耦合器中形成稳定的干涉现象。
4.2.2 相位解调通过基于3×3光纤耦合器的相位解调方法来实现对扰动信号的解调，通过对光电探测器接收到的两路光强信号进行光电转换，数据由高数数据采集卡采集并进行A/D转换，进一步对两路原始数据进行直流补偿、归一化处理、微分等数据处理，可得
(9) 式中：I11、I21为归一化处理后的两路光强信号；I′11、I′21分别为I11、I21的导数；
干涉后的两路光携带着扰动点的相位信息，干涉光通过环路两次经过扰动点，所获得的数据是叠加后形成的扰动信息，其扰动位置与频率特性密切相关。当外界扰动信号作用于传感光纤时，系统无法感应扰动信号中与特定扰动位置相对应的特征频率，表现为对解调的Δφ(t)进行功率谱估计后，其频谱中相应的特征扰动频率对应的幅值明显小于其他频率对应的幅值，存在频谱凹陷点。根据频谱凹陷点所对应的频谱位置的周期性变化，经定位算法处理可以对扰动信号进行准确定位[47]。
图 6为干涉系统的频谱响应示意图。光纤中光的频率为f，光纤有效折射率为neff，扰动信号的幅度为φ0，光的传播速度为c，则扰动信号引起的相位幅值变化可表示为
(10)
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| 图 6 干涉系统的频谱响应示意图 Figure 6 Spectrum response sketch map of interference system |
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当cos (2πfneffLx/c)=0时，在解调信号的频谱上表现为向下的凹陷，我们称之为“凹陷点”，此时，2πfneffLx/c=(2z+1)π/2，z为自然数。同时，通过控制延迟光纤的长度Ld，可避免正弦项为0时产生的误报。最终可获得扰动点的位置为
(11) 式中，fnull(z)为特征频率。
4.3 技术小结由于海底长输管道的广泛应用，对其安全运行情况进行实时监测显得迫在眉睫、意义重大。应从以下几点出发继续进行深入研究。
1) 由于海底环境较为复杂，噪声源较多，应建立系统的干扰噪声信号模型以减小水下环境因素对检测系统的影响。改进传感系统结构，在硬件层面，降低水下环境影响因素对传感系统的干扰，确保传感系统在海底长输管道泄露检测的可行性与可靠性。
2) 实际情况下，海底长输管道可能有多个泄漏点几乎同时出现，应对多个泄漏点的识别与定位进行深入研究与分析。
3) 现有的监测手段往往只能减轻事故的损失，无法避免泄露事故的发生，因此，研究基于光纤传感技术的海底长输管道运行健康预警技术具有实际的推广价值和广泛的应用前景。
5 海底光电缆及桥梁隧道健康质量监测--基于布里渊散射的分布式光纤传感技术海洋中的海况及地质环境复杂，海床塌陷、局部滑坡、海浪和海流以及船只抛锚对海底电缆造成的损伤和断裂事故时有发生。因此, 对海底高压电缆的运行状况进行在线监测和故障预警具有十分重要的意义。近年来，分布式光纤传感技术研究与应用不断发展, 使得对海底高压电缆的在线监测、诊断、预测成为可能。
基于布里渊(Brillouin)散射的分布式光纤传感技术可在沿光纤分布的路径上同时得到应力及温度的时间和空间分布信息，解决了许多结构健康质量监测应用场合下其他类型传感器难以胜任的监测任务。基于布里渊散射的分布式光纤传感系统集温度与应变信息的传感和传输于一体，还可实现故障诊断以及灾害的监测和报警，具有广泛的市场应用潜力[48]。
5.1 传感原理当光在光纤中传输时发生散射，产生波长大于入射光的斯托克斯波和波长小于入射光的反斯托克斯波。瑞利(Rayleigh)散射属线性散射，光学声子引起的拉曼(Raman)散射和声学声子引起的布里渊散射属于非线性散射[49]。本振光波和上述三种散射的频谱位置图如图 7[50]所示。
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| f0.入射光频率。 图 7 石英光纤中典型的散射频谱 Figure 7 Typical scattering spectrum of quartz fiber |
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声波速度影响着布里渊散射光频移，作用于传感光纤上的温度和应力会影响光纤中的声波速度，因此可以通过测量布里渊频移的变化量来计算传感光纤感受的温度或应变。布里渊频移[51-52]为
(12) 式中：vB代表布里渊频移；va为声波在光纤中的传播速度；λ0为入射光的波长。对于普通的硅玻璃光纤，n=1.46，va=5 945 m/s。当λ0=1 550 nm时，vB=11.2 GHz；当λ0=1 310 nm时，vB=12.8 GHz。
光纤材料的热光特性和弹光特性的变化影响光纤的声波传播速度，所以光纤中的温度和应变变化都会引起布里渊频移的变化。光纤中的声速为
(13) 式中：E为杨氏模量；ρ为材料密度；μ为泊松比。
将式(13)带入式(12)得
(14) 当传感光纤的温度、应变变化时，公式(14)中的n、μ、E、ρ将发生改变，vB也会随之变化。从而，通过对布里渊频移的测量与反演，可以实现对温度、应变的分布式测量。布里渊频移变化和强度变化分别与温度和应变之间的关系[53]如下：
(15) 
(16) 式中：δvB为布里渊频移变化量；C1为布里渊频移的应变系数，MHz/με；δε为应变变化量；C2为布里渊频移的温度系数，MHz/℃；δT为温度变化量；δpB/pB为强度变化率；C3为强度变化率的应变系数，%/με；C4为强度变化率的温度系数，%/℃。因此，基于布里渊散射的分布式传感技术的原理，通过测定布里渊散射信号的频移和功率变化率，通过求解式(15)、(16)就可以得到温度和应变的变化量。
5.2 系统介绍目前，基于布里渊散射的温度和应变传感技术的研究主要集中在以下3个方面：基于布里渊光时域分析(brillouin optical time domain analysis, BOTDA)技术方案、基于布里渊光频域分析(brillouin optical frequency domain analysis, BOFDA)技术方案和基于布里渊光时域反射(brillouin optical time domain reflectometry, BOTDR)技术方案。BOTDA技术方案和BOFDA技术方案需要双端入射，系统结构复杂，占用资源多且不利于现场应用；而BOTDR技术方案只需单端入射，系统结构相对简单，应用灵活、方便[54]。浙江大学任艳[55]报道的BOTDR系统监测距离可达100 km，空间分辨率受制于检测距离仅为40 m，光纤尾端温度分辨率±3 ℃。
图 8是一种基于布里渊散射的分布式光纤温度、应变传感系统(DTSS)的结构图[55-56]。在该系统结构中，主要有几大部分：激光光源、2×2光纤耦合器、光电调制器模块、放大器和滤波器、光纤环形器、光电探测器、后向散射信号的处理电路、信号采集和处理以及软件编程和界面显示。
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| 图 8 DTSS的结构图 Figure 8 Structure diagram of DTSS |
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基本工作原理[56]如图 8所示。激光光源发出的偏振光被98/2的偏振耦合器分成两部分，其中98%的偏振光进入光电调制器的子系统中进行调制得到符合要求的脉冲光，然后该脉冲光进入掺铒光纤放大器中进行放大，放大后的光脉冲经滤波器滤除掺铒光纤放大器的噪声和光环行器后进入传感光纤中产生后向布里渊散射信号。接着瑞利散射光和布里渊散射光先经过75/25的光耦合器分成两束光，其中在①路中，25%的光进入125 MHz的光电探测器中，再经过低通滤波器和放大器进入数据采集卡里，进行处理；另75%的光与从激光光源里发出的光在75/25的光耦合器中进行混合，使得瑞利散射光成分加强。混合光进入光电探测器中进行同源外差干涉，可以得到约为11 GHz的外差干涉信号。该电信号经过放大器和滤波器后，在功率分束器中进行功率分配，一路(②路)直接进入微波探测器中，将高频信号转化成低频信号，然后经过低频放大器后进入采集卡中进行数据采集处理；另一路(③路)先经过一个频率-强度转换器，将频率的不同转化为强度的不同，进而进入微波探测器中，将高频信号转化为低频信号，然后经过低频放大器后进入采集卡中进行数据采集处理。①②两路经过某种处理即可得到后向布里渊散射光的光强变化量，同时可以消除由于激光光源不稳或线路损耗等的影响；而②③两路信号经过一定的处理便可以得到后向布里渊散射光的频移变化量，同时也可以消除由于激光光源不稳或线路损耗等的影响[57-59]。
5.3 技术小结基于布里渊散射的分布式光纤传感技术的发展方向主要如下。
1) 目前，分布式光纤传感系统还停留在一维的单根光纤轴向传感，随着探测的空间和范围的扩大其必然会受到限制；应研究多维的全分布式传感网路系统，使全分布式光纤传感技术网络化、阵列化。
2) 提高信号接收和处理的能力，进一步提高传感系统的空间分辨率、精确度、灵敏度、系统测量范围，减少测量时间、降低成本。通过定标参数的优化，提高测量效率，达到分布式、实时监测的需求。
3) 针对全分布式传感器的实用化和工业化，大力开展应用研究，包括实时动态感知，完善传感光纤光缆的布设方式、自然环境变化对传感系统的影响等。
4) 混合组网技术也将是未来光纤传感技术发展的关键方向之一，信息快速传递的智能化和安全可靠性以确保传感系统稳定运作。
6 海洋生态环境保护--光纤SPR溢油检测技术我国在海上石油工业方面的快速发展及对原油需求的不断增长，促进着海上石油运输的发展和输油管道运输网、海上钻井平台的建设。但是由于技术欠缺、自然灾害等原因造成的石油污染也相当严重。因此，海上溢油问题的预防、应急处置成为社会日益关注的焦点。在溢油治理过程中，应当把预防放在优先位置，以减小溢油污染事故发生的机率，减小溢油带来的经济损失和对海洋生态环境的危害。
目前国内外溢油报警产品主要是基于电磁波、紫外、红外等原理开发而成，该类产品不能直接接触水面，而且针对小面积的溢油不能进行高精度、全天候、实时在线的监测。表面等离子体共振传感技术具有对外界介质折射率微小变化极其敏感、可实现实时过程检测、无需标记、消耗样品较少等特点，因此广泛应用于能够引起折射率变化的相关物理量的测量与检测。2015年，Verma等[60]提出的SPR传感器的折射率检测精度可达0.01。
6.1 传感原理光纤表面等离子体共振(SPR)传感器的基本结构为三层结构，包括敏感膜、纤芯和环境介质。由于光纤SPR传感器对环境介质的折射率敏感，且不同浓度的溶液各自的折射率不相同，随着介质折射率的变化，传感器的SPR光谱共振波长及共振深度就会相应变化。根据折射定律，光波从光密介质射向光疏介质(n2 < n1)时，sinθ1/sinθ2=n2/n1 < 1，此时没有折射，入射光全部被反射回入射介质中，这种现象称为全内反射，入射角θ0成为临界角，同时相应的临界角θ=90°。由于金属本身具有复介电性质，在金膜与纤芯的界面上会有部分入射光波渗透到金属敏感膜内，当达到一定深度时会呈指数衰减进而形成消逝波[60]。
在发生全内反射的条件下，金膜与纤芯界面上部分渗透光波穿透导电金属层，与金属层中自由电子相互作用，激发出沿金属敏感膜表面传播的表面等离子体波。当消逝波的水平波矢与金属膜表面的等离子体波的波矢相匹配时，发生谐振，大部分入射光能量被等离子体波吸收，导致反射光能量急剧下降，形成SPR效应。共振光传输至端面处经反射沿来路返回。发生第二次共振后，传至光谱仪进行检测。光线在光纤中的传输方式通常分为两种，沿着子午面传播的子午光线和不经过子午面的斜光线，其中斜光线为空间螺旋曲线。光纤SPR传感器探头结构如图 9[61]所示。
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| 图 9 光纤SPR溢油检测传感器探头结构 Figure 9 Probe structure of optical fiber SPR oil spill detection sensor |
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消逝波在金属膜与空气或溶液的界面仍起作用，因此消逝波的波矢量为
(17) 式中：ω为光波角频率；ε1为光纤的介电常数。入射光波长多处于可见光和近红外波段。因此，金属薄膜复介电常数的实部远大于虚部。金属介电常数ε2可表示为ε2=εR+iεI(εR为金属介电常数的实部，εI为金属介电常数的虚部)，且|εR|≥εI。介质的折射率与介电常数的平方成正比。因此，根据Maxwell方程和金属的复介电性，可得
(18) 式中：θspr为共振角；n0、n2分别为纤芯、环境介质的折射率。由式(19)可知，n0、n2、εR发生微小变化，则θspr变化明显。n0和εR为确定值时，θspr对所测介质(液态)的折射率n2的分辨率可达3.5×10-5[62]。
6.2 系统介绍光纤SPR溢油检测传感器检测系统如图 10所示，采用基于金膜的光纤SPR溢油检测传感器如图 9所示。金膜厚50 nm；金薄层反射镜；单晶蓝宝石传感光纤直径425 μm，探头长20 mm；传输光纤为石英光纤；光源为宽带光源；HR4000光纤光谱分析仪(内含3648 pixels CCD)。
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| 图 10 反射式波长调制型光纤SPR溢油检测系统 Figure 10 Reflective wavelength modulation optical fiber SPR oil spill detection system |
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光纤探头部分需采用高折射率的光纤才能达到检测的范围。根据菲涅尔公式，通过MATLAB模拟仿真计算认为，为保证能够完全检测出原油的折射率范围，需要光纤探头的折射率比原油折射率最大值至少高出0.2。原油折射率范围为1.40~1.55，但由于可能存在更高折射率的原油，故将光纤探头的折射率范围定在1.80左右[63]。综上所述，蓝宝石单晶光纤满足实际应用要求。
根据折射率与波长的关系有如下经验公式：
(19) 式中，A1、A2、A3、λ1、λ2、λ3为常数。
由于单晶蓝宝石光纤价格相对昂贵，所以传输部分可采用普通石英光纤。单晶蓝宝石光纤与石英光纤连接处存在一定的衰减，约6 dB。故采用单晶蓝宝石光纤作为传感部分，在可见光波段以及在钻井平台周围产生高温的状态下，都可实时在线、全天候的监测小面积溢油，达到提早预防、预警、应急处理，为判断泄漏地点提供了重要的信息。
6.3 技术小结SPR传感技术有待突破的方面如下。
1) 检测灵敏度以及分辨率。当前的检测精度，仍难满足对低浓度、小分子量样品的检测标准，需通过优化数据处理的算法、引入LSPR纳米共振增强或生物信号放大的方法以及增加参考通道来提高检测灵敏度和分辨率。
2) 实现SPR分析仪器的便携式化。囿于当前外围泵、阀控设备难以微型化的限制，难以制成全自动、便携式SPR分析系统，故应加深对微型流量控制系统的集成及SPR检测结构的研究，通过引入基于微流控技术的微泵、微阀，形成集采样、进样、分离、反应、检测功能于一体的片上实验室。
3) 用于环境监测的分布式SPR系统。SPR技术对于环境污染物的现场实时、分布式监测仍有很多困难，如现场恶劣工作环境、传感器的使用寿命、再生液缓冲液保质及更换等问题都会对检测结果有很大的影响，有待进一步研究。
7 总结基于海洋科学发展现状和实际需求，本文阐述了各种光纤传感技术在海洋环境和海洋工程各方面的应用原理、系统结构及系统特点，仔细分析了各技术的优势，详细介绍了光纤传感技术在海洋领域内的具体应用技术。该技术有望成为海洋经济发展和海洋生态保护亟需的核心技术和关键共性技术，将极大推动光纤传感技术在海洋领域内的研究和发展。
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