光纤海洋温盐深传感器：开启高精度海洋监测新篇章

海洋，这片占据地球表面超过70%的广阔领域，一直以来都是人类探索和利用的重要对象。无论是海洋资源的开发、气候变化的监测，还是海上航行安全、军事防御等，都离不开对海洋环境参数的精确感知。其中，海水的温度、盐度和深度（简称CTD）是最基础也是最重要的水文参数，它们直接关系到海洋环流、生态系统乃至全球气候的演变。

传统的CTD测量多依赖电学传感器，虽然技术成熟，但也存在体积大、成本高、易受电磁干扰、难以长期稳定工作等问题。随着海洋监测向"立体、实时、长期、多维"方向发展，尤其是"海洋物联网"概念的提出，对传感器的灵敏度、稳定性、集成度和环境适应性提出了更高要求。在这一背景下，光纤传感器凭借其抗电磁干扰、耐腐蚀、易于复用和集成等优势，逐渐成为海洋环境监测的研究热点。

一、光纤CTD传感器的基本工作原理

海水的折射率与其温度、盐度和压力之间存在明确的数学关系，这一发现为光学法测量海洋CTD参数提供了理论依据。早在1989年，日本学者Minato等人就提出了基于棱镜折射法的盐度传感器（图1），通过测量光束因海水折射率变化而产生的偏移量，间接推算出盐度值。该研究团队来自日本大阪大学工学部，他们的工作发表在《IEEE仪器与测量汇刊》上。尽管该方案仍依赖复杂的光学结构，但它为后续全光纤CTD传感器的研制指明了方向。

图1 基于光学棱镜法的折射型盐度传感器（a）盐度测量系统示意图（b）光通过样品单元折射示意图

真正的突破来自于各类微结构光纤和功能化光纤器件的发展。例如，光纤光栅（FBG）、光子晶体光纤（PCF）、表面等离子共振（SPR）结构、拉锥光纤（微纳光纤）等，能够直接将外界环境的物理变化转换为光信号的变化，实现高精度、多参数的原位感知。

二、各类光纤CTD传感器的研究进展

1.光纤光栅型传感器：稳定可靠，易于成阵

光纤光栅是一种通过在光纤中形成周期性折射率调制而制成的器件，其对温度和应变非常敏感。通过涂覆不同的功能材料（如聚酰亚胺、水凝胶等），可实现对盐度、压力等多参数的区分感知。例如，Cong等人早在2002年就提出了一种基于水凝胶涂覆FBG的盐度传感器（图2a），通过水凝胶吸水膨胀带动光栅拉伸，从而引起波长漂移。该研究由中国科学院上海微系统与信息技术研究所完成，发表在国际传感器领域著名期刊《Sensors and Actuators B》上。后续Liu等人通过腐蚀包层进一步提升了灵敏度（图2b）。2019年，国防科技大学于洋课题组采用微光纤耦合器（OMC）结构，实现了温度、盐度、压力三参数的高灵敏度同步感知（原文图8），为后续工程应用奠定了基础。

图2 FBG 盐度传感器（a）直接涂覆水凝胶结构（b）刻蚀后涂覆水凝胶结构

光纤光栅传感器虽然灵敏度不如某些新型结构，但其稳定性高、环境适应性强，尤其适合大规模阵列布放，已在实际海洋监测中得到应用。中国科学院半导体研究所李芳课题组成功将FBG温深阵列用于海洋内波监测，这项研究成果发表在《Photonic Sensors》期刊上，为海洋环境监测提供了新的技术手段。

2.光纤干涉仪型传感器：结构多样，灵敏度高

干涉型传感器利用光程差变化实现传感，常见的有法布里-珀罗（F-P）、Sagnac、马赫-曾德尔（M-Z）等结构。例如，Nguyen等人提出的F-P腔盐度传感器（图3），该研究由澳大利亚埃迪斯科文大学团队完成，并在国际高容量光网络 enabling 技术研讨会上发表。Sun等人设计的聚合物封端F-P干涉仪（图4），由深圳大学王义平课题组研制，发表在《Optics Express》上，均可实现温压或盐度的高灵敏度测量。

图3 基于F-P腔的盐度传感器

图4 光纤尖端F-P干涉仪温压传感器

这类传感器灵敏度较高，但结构复杂、稳定性较差，多参数同步测量和交叉敏感问题仍是技术难点。墨西哥塔毛利帕斯自治大学的Guzman-Sepulveda等人研制出基于双芯光纤的M-Z干涉仪盐度传感器（图5），灵敏度达到253.77 pm/%，这项研究发表在拉丁美洲光学与光子学会议上，为干涉型传感器的发展提供了新思路。

图5 基于双芯光纤的盐度传感器

3.表面等离子共振（SPR）型传感器：高灵敏度，多参数潜力大

SPR效应对外界折射率变化极其敏感，非常适合盐度测量。2019年，东北大学赵勇课题组提出了一种基于PCF-SPR的三参数传感器（图6），通过在不同区域涂覆PDMS和SU-8胶，实现了温度、盐度、压力的同步解调，灵敏度分别达到1.802 nm/℃、0.560 nm/%、2.838 nm/MPa。这项重要研究成果发表在《Measurement》期刊上，为多参数海洋监测提供了新的解决方案。

图6 基于SPR的温盐深多参量传感器

SPR传感器灵敏度极高，但金属膜易腐蚀、结构复杂，实际海洋环境中长期稳定性仍有待提升。墨西哥大学的Velázquez-González等人开发了基于多模-单模-多模结构的SPR传感器（图7），实现了折射率和温度的同时测量，这项工作发表在《Procedia Engineering》上，为SPR传感器的实用化推进提供了重要参考。

图7 基于多模-单模-多模结构的传感系统

4.拉锥光纤（微纳光纤）型传感器：灵敏度领先，集成度高

微纳光纤因其强倏逝场特性，对环境折射率变化极为敏感，非常适合盐度传感。中国海洋大学王晶课题组较早开展了基于微光纤环结的温盐传感研究，国防科技大学于洋课题组则进一步利用微光纤耦合器（OMC）实现了三参数同步感知（图8、9），灵敏度显著高于传统光纤传感器。相关研究成果分别发表在《Sensors and Actuators A》和《Journal of Lightwave Technology》等知名期刊上。

图8  基于OMC的温盐深传感实验系统

图9 基于OMCI的三参数传感器

该类传感器灵敏度高、体积小、易集成，是目前最有潜力实现全光纤CTD一体化的技术路线之一。近年来，中国海洋大学王晶课题组利用PDMS材料对微纳光纤M-Z干涉仪进行封装，实现了高稳定性的温压传感，这项工作发表在《Journal of Lightwave Technology》上，为传感器的实用化提供了重要的技术支持。

三、传感阵列：从单点走向网络化

要实现海洋环境的大范围、立体化监测，仅靠单个传感器是远远不够的。近年来，基于光纤光栅的传感阵列逐渐成为研究热点。例如，武汉理工大学Bai等人利用超弱光纤光栅（UFBG）阵列实现温盐湿多参数测量（图10），该研究成果发表在《Sensors》期刊上，为多参数传感网络的发展提供了重要参考。中科院半导体研究所李芳课题组则成功将FBG温深阵列用于海洋内波监测。

图10 UFBG涂覆型温盐传感器

日本德岛大学的Kishikawa等人采用基于FBG线性腔激光器阵列系统，开展了多点水域温度传感研究，发表在《Applied Optics》上。智利天主教教皇大学的Sarabia等人将光纤分布式温度传感技术用于热梯度太阳池研究，这项研究发表在《Solar Energy》上，展示了光纤传感在特殊海洋环境中的应用潜力。

这些研究表明，光纤传感器不仅在单点测量上表现出色，更具备大规模成阵、多参数同步解调的潜力，非常适合未来"海洋物联网"的建设需求。随着传感技术的不断发展，相信在不久的将来，我们能够看到更加完善和成熟的光纤传感网络在海洋环境中得到广泛应用。

四、总结与展望

光纤温盐深传感器历经多年发展，已从单一参数测量走向多参数一体化，从实验室走向工程实践。光纤光栅型传感器稳定性好，适合阵列化布放；SPR和拉锥光纤型传感器灵敏度高，适合高精度监测；干涉型传感器结构多样，仍在不断优化中。

从技术指标来看，各类光纤CTD传感器的温度灵敏度在10-7410 pm/℃之间，盐度灵敏度在20-1950 pm/%之间，深度（压力）灵敏度在2.8 pm/MPa到30 nm/MPa之间。这些性能指标已经达到或超过传统电学传感器的水平，展现出巨大的应用潜力。

未来，随着新材料、新结构、新封装工艺的引入，光纤CTD传感器将在灵敏度、稳定性、环境适应性和成本控制等方面进一步提升。尤其是在"海洋物联网"背景下，小型化、低功耗、多参数兼容的传感器将成为海洋监测装备的主流。我们需要重点突破多参数交叉敏感解调、复杂环境适应性、大规模成阵集成等关键技术难题，推动光纤传感技术在实际海洋环境中的规模化应用。

作为压力传感器领域的科普作者，我深切感受到光纤传感技术带来的革新力量。它不仅是技术的进步，更是人类对海洋认知方式的一次升级。期待在不久的将来，更多高性能、低成本的光纤传感器能投入实际应用，为我们揭开海洋更深层的秘密。随着各国科研团队的持续努力，相信光纤海洋传感器技术将会迎来更加广阔的发展前景，为人类探索和利用海洋提供更加先进的技术手段。