本發(fā)明涉及環(huán)境監(jiān)測，尤其涉及一種高寒湖泊水溫連續(xù)觀測系統(tǒng)及方法。

背景技術(shù)：

1、高原湖泊通常位于海拔較高、氣候寒冷的地區(qū)，水溫變化受季節(jié)、日照、風(fēng)速等多種因素影響，呈現(xiàn)出顯著的時空異質(zhì)性。例如，夏季表層水溫可能較高，而深層水溫較低；冬季則可能出現(xiàn)逆溫現(xiàn)象。這種復(fù)雜的水溫分布和變化規(guī)律對水溫監(jiān)測設(shè)備的精度、響應(yīng)速度和環(huán)境適應(yīng)性提出了極高的要求。

2、高原湖泊由于其獨特的地理位置和氣候條件，水溫變化范圍大，波動劇烈，這對水溫監(jiān)測設(shè)備提出了更高的要求。傳統(tǒng)的溫度測量設(shè)備（如熱敏電阻）在極端環(huán)境下存在抗干擾能力弱、長期穩(wěn)定性差、傳輸距離短等問題，難以滿足高精度、長距離、分布式監(jiān)測的需求。

3、傳統(tǒng)的溫度測量方法（如熱敏電阻、熱電偶等）雖然成本低、技術(shù)成熟，但在高原湖泊的極端環(huán)境中存在以下局限性：高原湖泊周圍可能存在強電磁干擾（如雷電、高壓輸電線路），傳統(tǒng)傳感器易受干擾，導(dǎo)致測量誤差；傳統(tǒng)傳感器在低溫、高濕環(huán)境下易發(fā)生漂移或失效，需要頻繁校準(zhǔn)和維護；傳統(tǒng)傳感器的信號傳輸距離有限，難以實現(xiàn)大范圍分布式監(jiān)測；湖水中的化學(xué)物質(zhì)可能腐蝕傳感器，影響其使用壽命和測量精度。

4、光纖傳感技術(shù)因其抗電磁干擾、耐腐蝕、長距離傳輸和高精度測量等優(yōu)勢，逐漸成為環(huán)境監(jiān)測領(lǐng)域的研究熱點。光纖布拉格光柵（fbg）傳感器通過測量光波長的變化來感知溫度變化，具有高精度、高穩(wěn)定性和分布式監(jiān)測能力。然而，現(xiàn)有光纖傳感技術(shù)在水溫監(jiān)測中的應(yīng)用仍面臨以下挑戰(zhàn)：光纖傳感系統(tǒng)需要復(fù)雜的光學(xué)解調(diào)設(shè)備和信號處理技術(shù)，部署和維護成本較高；高原湖泊的低溫、強震動和高濕度環(huán)境對光纖傳感器的封裝和穩(wěn)定性提出了更高要求；現(xiàn)有光纖傳感系統(tǒng)在多路溫度監(jiān)測方面的集成度和效率較低。

技術(shù)實現(xiàn)思路

1、本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題是提供一種高精度、長距離、分布式的高寒湖泊水溫連續(xù)觀測系統(tǒng)。

2、本發(fā)明所要解決的另一個技術(shù)問題是提供一種高寒湖泊水溫連續(xù)觀測方法。

3、為解決上述問題，本發(fā)明所述的一種高寒湖泊水溫連續(xù)觀測系統(tǒng)，其特征在于：該系統(tǒng)包括布置在高寒湖泊中不同深度處的光纖溫度傳感器陣列以及置于防水機箱內(nèi)的可調(diào)諧激光器、光纖解調(diào)模塊、通信模塊和供電模塊；所述光纖溫度傳感器陣列通過光纖分別與所述可調(diào)諧激光器和所述光纖解調(diào)模塊相連；所述光纖解調(diào)模塊與所述通信模塊相連；所述供電模塊分別與所述光纖溫度傳感器陣列、所述光纖解調(diào)模塊、所述通信模塊、所述可調(diào)諧激光器相連；所述通信模塊與pc或遠(yuǎn)程終端相連。

4、所述光纖溫度傳感器陣列由多個fbg傳感器通過串聯(lián)方式集成在一根光纖上構(gòu)成，且對每個fbg傳感器采用聚氨酯或氟聚合物材料進行封裝；多個所述fbg傳感器與所述供電模塊相連。

5、所述fbg傳感器的測量范圍為-40℃~80℃，測量精度為±0.05℃。

6、所述光纖的類型為單模光纖，該光纖外部設(shè)有防水護套。

7、所述光纖解調(diào)模塊內(nèi)置功耗低于5w的處理器。

8、所述通信模塊包括連接在一起的集成無線傳輸技術(shù)的傳輸模塊和數(shù)據(jù)存儲模塊，并內(nèi)置數(shù)據(jù)壓縮模塊和數(shù)據(jù)加密模塊；所述數(shù)據(jù)存儲模塊和所述傳輸模塊通過標(biāo)準(zhǔn)通信接口與所述光纖解調(diào)模塊連接；所述數(shù)據(jù)壓縮模塊和所述數(shù)據(jù)加密模塊與所述數(shù)據(jù)存儲模塊相連；所述傳輸模塊與所述pc或遠(yuǎn)程終端相連。

9、所述供電模塊由集成在所述防水機箱表面的柔性太陽能板以及內(nèi)置的儲能電池和電源管理電路組成；所述電源管理電路分別與所述柔性太陽能板、所述儲能電池、所述光纖溫度傳感器陣列、所述光纖解調(diào)模塊、所述通信模塊相連。

10、所述儲能電池為鋰亞硫酰氯電池。

11、一種高寒湖泊水溫連續(xù)觀測方法，其特征在于：包括以下步驟：

12、⑴將光纖溫度傳感器陣列布置在高寒湖泊中不同深度處，形成分布式監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)；

13、⑵將光纖溫度傳感器陣列通過光纖與可調(diào)諧激光器和光纖解調(diào)模塊相連，在防水機箱內(nèi)安裝通信模塊和供電模塊，確保各部件連接牢固；

14、⑶將通信模塊與pc或遠(yuǎn)程終端相連后進行調(diào)試，先設(shè)置數(shù)據(jù)采集參數(shù)，再進行初步的數(shù)據(jù)采集測試，直至系統(tǒng)正常運行；

15、⑷通過可調(diào)諧激光器獲取fbg反射光譜，經(jīng)光纖與光纖解調(diào)模塊實時檢測fbg傳感器的波長變化，提取布拉格波長，通過峰值檢測算法或擬合算法精確計算布拉格波長的漂移量，并將其轉(zhuǎn)換為溫度數(shù)據(jù)；

16、⑸所獲取的溫度數(shù)據(jù)存儲在通信模塊中的數(shù)據(jù)存儲模塊，先經(jīng)數(shù)據(jù)壓縮模塊和數(shù)據(jù)加密模塊后再通過傳輸模塊傳輸至pc或遠(yuǎn)程終端。

17、本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比具有以下優(yōu)點：

18、1、本發(fā)明中布置在高寒湖泊中不同深度處的光纖溫度傳感器陣列，該光纖溫度傳感器陣列采用光纖布拉格光柵（fbg）技術(shù)，由多個fbg傳感器通過串聯(lián)方式集成在一根光纖上構(gòu)成，形成了分布式監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)，可同時實時測量不同水層的溫度變化。同時光纖傳感技術(shù)支持長距離信號傳輸，適合大范圍分布式監(jiān)測；且光纖傳感技術(shù)對電磁干擾完全免疫，適合強電磁環(huán)境。

19、2、本發(fā)明中光纖解調(diào)模塊采用高精度光譜分析技術(shù)，將fbg傳感器的波長變化轉(zhuǎn)換為溫度數(shù)據(jù)。

20、3、本發(fā)明中通信模塊設(shè)有集成無線傳輸技術(shù)的傳輸模塊，可實現(xiàn)遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)采集和監(jiān)控。

21、4、本發(fā)明中供電模塊采用柔性太陽能板和耐低溫、防震動的儲能電池，確保系統(tǒng)在高原湖泊的惡劣環(huán)境中穩(wěn)定運行。

22、5、本發(fā)明中fbg傳感器的測量精度為±0.05℃，可滿足高寒湖泊水溫監(jiān)測的高精度需求。

23、6、本發(fā)明集成無線通信技術(shù)，實現(xiàn)遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)采集和監(jiān)控，減少人力和時間成本；同時，對每個fbg傳感器采用聚氨酯或氟聚合物材料進行封裝，該封裝材料具有耐腐蝕、耐低溫的特性，可確保系統(tǒng)在高原湖泊的惡劣環(huán)境中穩(wěn)定運行，環(huán)境適應(yīng)性強。

24、7、本發(fā)明具有低成本、可擴展的特點，適用于高原湖泊、海洋、工業(yè)設(shè)備等多種場景，為極端環(huán)境下的水溫監(jiān)測和工業(yè)應(yīng)用提供了可靠的技術(shù)支持，具有廣泛的應(yīng)用價值。

技術(shù)特征：

1.一種高寒湖泊水溫連續(xù)觀測系統(tǒng)，其特征在于：該系統(tǒng)包括布置在高寒湖泊中不同深度處的光纖溫度傳感器陣列（1）以及置于防水機箱（2）內(nèi)的可調(diào)諧激光器（7）、光纖解調(diào)模塊（3）、通信模塊（4）和供電模塊（5）；所述光纖溫度傳感器陣列（1）通過光纖（11）分別與所述可調(diào)諧激光器（7）和所述光纖解調(diào)模塊（3）相連；所述光纖解調(diào)模塊（3）與所述通信模塊（4）相連；所述供電模塊（5）分別與所述光纖溫度傳感器陣列（1）、所述光纖解調(diào)模塊（3）、所述通信模塊（4）、所述可調(diào)諧激光器（7）相連；所述通信模塊（4）與pc或遠(yuǎn)程終端（6）相連。

2.如權(quán)利要求1所述的一種高寒湖泊水溫連續(xù)觀測系統(tǒng)，其特征在于：所述光纖溫度傳感器陣列（1）由多個fbg傳感器通過串聯(lián)方式集成在一根光纖（11）上構(gòu)成，且對每個fbg傳感器采用聚氨酯或氟聚合物材料進行封裝；多個所述fbg傳感器與所述供電模塊（5）相連。

3.如權(quán)利要求2所述的一種高寒湖泊水溫連續(xù)觀測系統(tǒng)，其特征在于：所述fbg傳感器的測量范圍為-40℃~80℃，測量精度為±0.05℃。

4.如權(quán)利要求2所述的一種高寒湖泊水溫連續(xù)觀測系統(tǒng)，其特征在于：所述光纖（11）的類型為單模光纖，該光纖（11）外部設(shè)有防水護套。

5.如權(quán)利要求1所述的一種高寒湖泊水溫連續(xù)觀測系統(tǒng)，其特征在于：所述光纖解調(diào)模塊（3）內(nèi)置功耗低于5w的處理器（31）。

6.如權(quán)利要求1所述的一種高寒湖泊水溫連續(xù)觀測系統(tǒng)，其特征在于：所述通信模塊（4）包括連接在一起的集成無線傳輸技術(shù)的傳輸模塊（41）和數(shù)據(jù)存儲模塊（42），并內(nèi)置數(shù)據(jù)壓縮模塊（43）和數(shù)據(jù)加密模塊（44）；所述數(shù)據(jù)存儲模塊（42）和所述傳輸模塊（41）通過標(biāo)準(zhǔn)通信接口與所述光纖解調(diào)模塊（3）連接；所述數(shù)據(jù)壓縮模塊（43）和所述數(shù)據(jù)加密模塊（44）與所述數(shù)據(jù)存儲模塊（42）相連；所述傳輸模塊（41）與所述pc或遠(yuǎn)程終端（6）相連。

7.如權(quán)利要求1所述的一種高寒湖泊水溫連續(xù)觀測系統(tǒng)，其特征在于：所述供電模塊（5）由集成在所述防水機箱（2）表面的柔性太陽能板（51）以及內(nèi)置的儲能電池（52）和電源管理電路（53）組成；所述電源管理電路（53）分別與所述柔性太陽能板（51）、所述儲能電池（52）、所述光纖溫度傳感器陣列（1）、所述光纖解調(diào)模塊（3）、所述通信模塊（4）相連。

8.如權(quán)利要求7所述的一種高寒湖泊水溫連續(xù)觀測系統(tǒng)，其特征在于：所述儲能電池（52）為鋰亞硫酰氯電池。

9.一種采用如權(quán)利要求1所述系統(tǒng)的高寒湖泊水溫連續(xù)觀測方法，其特征在于：包括以下步驟：

技術(shù)總結(jié)
本發(fā)明涉及一種高寒湖泊水溫連續(xù)觀測系統(tǒng)及方法，該系統(tǒng)包括布置在高寒湖泊中不同深度處的光纖溫度傳感器陣列以及置于防水機箱內(nèi)的可調(diào)諧激光器、光纖解調(diào)模塊、通信模塊和供電模塊。光纖溫度傳感器陣列通過光纖分別與可調(diào)諧激光器和與光纖解調(diào)模塊相連；光纖解調(diào)模塊與通信模塊相連；供電模塊分別與光纖溫度傳感器陣列、光纖解調(diào)模塊、通信模塊、可調(diào)諧激光器相連；通信模塊與PC或遠(yuǎn)程終端相連。同時，本發(fā)明還公開了一種高寒湖泊水溫連續(xù)觀測方法。本發(fā)明具有高精度、長距離、分布式的優(yōu)點，適用于高原湖泊、海洋、工業(yè)設(shè)備等多種場景，為極端環(huán)境下的水溫監(jiān)測和工業(yè)應(yīng)用提供了可靠的技術(shù)支持，具有廣泛的應(yīng)用價值。

技術(shù)研發(fā)人員：陳昊,孟憲紅,李照國,舒樂樂,趙林,奧銀煥
受保護的技術(shù)使用者：中國科學(xué)院西北生態(tài)環(huán)境資源研究院
技術(shù)研發(fā)日：
技術(shù)公布日：2025/5/15