新型光纤传感器实现高精度海水温盐同步监测

海洋是地球的生命之源，也是气候系统的重要调节器。海水温度与盐度作为两个核心环境参数，不仅影响着海洋生态系统的平衡，更是海洋资源开发、气候变化研究和海洋工程安全的重要基础。传统的电导率法测量方式虽然常用，却受限于易腐蚀、体积大、抗干扰能力差等问题，难以满足现代海洋监测对高精度、实时性和稳定性的要求。

近年来，光纤传感技术凭借其抗电磁干扰、耐腐蚀、体积小、可实现远距离传输等优势，逐渐成为海洋环境监测的新宠。在众多光纤传感结构中，马赫-曾德尔干涉仪（MZI）因其结构简单、灵敏度高，尤其受到研究者青睐。

一、传感器结构与工作原理

近期，南京信息工程大学研究团队在《光学学报》发表了一项研究成果，提出了一种基于半开腔结构的全光纤MZI传感器，用于同时高精度测量海水的温度与盐度。该传感器采用SMF-MMF-SMF-MMF-SMF（SMSMS） 结构，通过横向偏移熔接技术，将一段单模光纤（SMF）嵌入两段多模光纤（MMF）之间，形成一个开放式的传感腔体。

图1：半开腔MZI传感器结构示意图

当光信号从输入SMF进入第一段MMF时，会激发出多种高阶模式。在偏移接点处，光被分为两路：一路直接在海水介质中传播（传感路径），另一路则在偏置SMF的包层中传播（参考路径）。两路光最终在第二段MMF处重新耦合，发生干涉。海水温度或盐度的变化会引起其折射率改变，进而影响两路光之间的相位差，导致干涉光谱中的“倾角”波长发生漂移。通过精确追踪这些倾角位移，即可反算出温度与盐度的值。

二、为何选择“半开腔”结构？

        与传统的全封闭式光纤传感器不同，这种半开腔结构使得传感光路直接与海水接触，极大地增强了对环境变化的响应灵敏度。研究表明，该传感器对温度的最大灵敏度可达 2.1636 nm/℃ ，对盐度的灵敏度为 -2.65 nm/‰ ，远高于许多同类传感器。

此外，研究人员通过优化偏置距离（d）和腔长（L），在保证机械强度的同时，获得了最佳的干涉条纹对比度和信号质量。最终确定的优化参数为：d = 62.5 μm，L = 950 μm。

图2：不同结构参数下的干涉光谱对比

三、温度与盐度的“交叉干扰”难题

海洋环境的复杂性在于温度与盐度之间存在强烈的耦合效应，即“交叉敏感”问题。传统的线性矩阵解耦方法假设两者独立变化，往往导致较大的测量误差。例如，研究团队发现，若采用传统的灵敏度矩阵法，温度最大偏差可达4.7℃，盐度偏差达1.66‰，无法满足高精度监测需求。

为此，团队提出了一种基于二次多项式曲面拟合的非线性解耦算法，首次将温度与盐度之间的交互作用项引入模型中，显著提高了拟合精度和解耦准确性。

图7：二次多项式曲面拟合结果

实验结果表明，该算法可将温度与盐度的平均测量偏差分别降低至0.16℃和0.078‰，最大偏差也不超过0.41℃和0.124‰，远优于传统方法。

四、实验结果与性能验证

        在18–32℃和30–40‰的盐度范围内，传感器表现出优异的响应一致性和稳定性。如图5和图6所示，随着温度升高，干涉倾角发生“红移”；而盐度增加则引起“蓝移”。两个倾角（Dip 1 和 Dip 2）的变化趋势一致且可重复性高。

图5：温度响应光谱及拟合曲线

图6：盐度响应光谱及拟合曲线

在60分钟的稳定性测试中，传感器波长漂移小于0.5 nm；在三次升温–降温和盐度增减循环测试中，也表现出良好的重复性，标准偏差均低于0.2 nm。

五、技术优势与应用前景

与此前报道的多种光纤温盐传感器相比，本研究提出的半开腔MZI传感器具有以下突出优势：

制备简单：仅通过熔接机构建，无需涂覆、拉锥或飞秒激光微加工；

成本低廉：全部采用商用光纤材料，易于大规模推广；

灵敏度高：温度与盐度灵敏度均处于领先水平；

稳定性好：结构坚固，适合长期布放于恶劣海洋环境。

该传感器可广泛应用于：

海洋牧场与养殖水质监测；

深海勘探与科考；

港口工程与海岸带监测；

气候变化研究与海洋数据采集。

六、总结与展望

本研究通过创新性地设计半开腔MZI结构，并结合二次多项式曲面拟合算法，成功实现了海水温度与盐度的高精度、双参数同步测量。不仅解决了传统传感器中的交叉敏感问题，也为未来海洋传感技术的发展提供了新的思路。

下一步，研究团队计划进一步拓展传感器的测量范围，优化解耦算法的实时性，并探索其与人工智能、物联网技术的结合，推动光纤海洋传感器向智能化、网络化方向发展。

本文内容整理自《光学学报》2024年第44卷第23期文章《基于多项式曲面解耦算法的光纤温盐度传感器》