ВОЛОКОННО-ОПТИЧЕСКИЙ ГИДРОФОН Российский патент 1997 года по МПК H04R1/44 

Изобретение относится к области измерительной техники и может быть использовано в гидроакустике для одновременного измерения уровня звукового давления и градиента звукового давления в натурном водоеме.

Известен волоконно-оптический гидрофон [1] (ВОГ), содержащий две волоконные катушки, оптически связанные в интерферометр с источником когерентного света и фотоприемником. Одна из волоконных катушек интерферометра располагается в исследуемой среде, а другая изолирована от нее. Известный ВОГ предназначен для измерения уровня звукового давления.

Недостатком известного ВОГ является невозможность с его помощью одновременного измерения уровня звукового давления и градиента звукового давления, а также подверженность известного ВОГ влиянию гидрофизических факторов, в частности, температуры и гидростатического давления.

Известен ВОГ, содержащий отстоящие друг от друга на известном расстоянии две волоконные катушки, выполненные из термостойких оптических волокон и оптически связанные в первый интерферометр с первым источником когерентного света и первым фотоприемником, а также первый и второй светоделители, расположенные под углами -45^o и +45^o к оптической оси [2]
С помощью известного ВОГ [2] можно измерять градиент звукового давления, если волоконные катушки расположить в исследуемой среде, или уровень звукового давления, если в исследуемой среде расположить одну из двух волоконных катушек интерферометра.

Данный ВОГ принят за прототип.

Недостатком прототипа является невозможность с его помощью измерять одновременно уровень звукового давления и градиент звукового давления.

Техническим результатом, получаемым от применения изобретения является получение возможности одновременного измерения ВОГ уровня звукового давления и градиента звукового давления, т.е. создание комбинированного гидроакустического приемника.

Данный технический результат получают за счет того, что известный ВОГ, содержащий отстоящие друг от друга на известном расстоянии две волоконные катушки, выполненные из термостойких оптических волокон и оптически связанные в первый интерферометр с первым источником когерентного света и первым фотоприемником, а также первый и второй светоделители, расположенные под углами +45^o и -45^o к оптической оси, дополнительно содержит второй источник когерентного света, второй фотоприемник, два фазосдвигающих устройства и три интерференционных светофильтра, при этом первый и второй источники когерентного света выполнены соответственно на первую и вторую длины волн, волокно первой волоконной катушки выполнено из материала, пропускающего только первую длину волны, а волокно второй волоконной катушки выполнено из материала, пропускающего одновременно первую и вторую длины волн, первый и второй светоделители соответственно установлены перед первым источником когерентного света и перед первым интерференционным светофильтром, который выполнен на первую длину волны и установлен перед первым фотоприемником, а второй и третий интерференционные светофильтры выполнены на вторую длину волны и установлены соответственно между светоделителями и перед вторым фотоприемником, причем второй источник когерентного света и второй фотоприемник через вторую волоконную катушку, первый светоделитель, второй интерференционный светофильтр, второй светоделитель и третий интерференционный светофильтр оптически связаны во второй интерферометр, а фазосдвигающие устройства установлены в первой и второй волоконных катушках.

Кроме того, ВОГ может дополнительно содержать третью волоконную катушку, изготовленную из материала, пропускающего вторую длину волны, и оптически связанную через светоделители, второй и третий интерференционные светофильтры со вторым источником когерентного света и вторым фотоприемником.

Вторая и третья волоконные катушки могут быть выполнены из кварцевого волокна, а первая из полимерного волокна, при этом первый источник когерентного света выполнен на длину волны а второй на длину волны
Изобретение поясняется чертежом. На фиг.1 представлена оптическая схема ВОГ; на фиг.2, 3 диаграммы, поясняющие работу гидрофона.

Гидрофон содержит отстоящие друг от друга на известном расстоянии Δx две волоконные катушки 1 и 2, выполненные из термостойких оптических волокон, например, покрытые, как в прототипе, тонким слоем термопластика. Волоконная катушка 1 выполнена из материала, пропускающего первую длину волны λ₁ а волоконная катушка 2 выполнена из материала, пропускающего длины волн λ₁ и λ₂
Обе волоконные катушки 1 и 2 оптически связаны в первый интерферометр с источником 3 когерентного света, излучающего на длине волны λ₁ и фотоприемником 4 через вводное и выводное оптические устройства 5, 6.

Имеется также источник 7 когерентного света на длину волны λ₂ и фотоприемник 8, оптически связанные с волоконной катушкой 2 и светоделители 9, 10 во второй интерферометр (светоделители 9, 10 установлены под углами -45^o и +45^o к оптической оси первого интерферометра).

Для развязки обоих интерферометров по длинам волн λ₁ и λ₂ имеется три интерференционных светофильтра 11, 12, 13. Причем светофильтр 13 пропускает длину волны λ₁ но не пропускает длину волны λ₂ а светофильтры 11, 12, напротив, пропускают длину волны λ₂ задерживая длину волны λ₁ (на фиг. 1 обозначены длины волн, пропускаемые светофильтрами и волоконными катушками).

Интерференционный светофильтр 13 на длину волны λ₁ располагают перед фотоприемником 4, интерференционные светофильтры 11 и 12 на длину волны λ₂ располагают соответственно между светоделителями 9 и 10 и перед фотоприемником 8.

В волоконных катушках 1 и 2 установлены фазосдвигающие устройства 14, 15.

Волоконные катушки устанавливаются вне специального носителя (на чертеже не показан) с возможностью контактирования с исследуемой средой. Все остальные элементы ВОГ устанавливаются внутри носителя (на фиг. 1 под позицией 16 показана стенка носителя, разделяющая указанные части ВОГ).

Между светоделителями 9 и 10 может быть расположена третья волоконная катушка (на фиг. 1 не показана) на длину волны λ₂ для выравнивания оптических путей в плечах второго интерферометра.

В частном случае вторую и третью волоконные катушки выполняют из кварцевого волокна, а первую из полимерного волокна, при этом источник 3 когерентного света выполняют на длину волны источник 7 когерентного света на длину волны Например, выбирают соответственно рубиновый и гелий-неоновый лазеры.

Такой подбор материала и источников света позволяет реализовать признаки основного пункта формулы изобретения, поскольку коэффициент поглощения кварцем излучения на первой и второй длинах волн равен соответственно 6 и 10 дБ/км, а у полимерного волокна 8 и 60 дБ/км соответственно. То есть кварцевое волокно пропускает обе длины волны практически одинаково, а полимерное пропускает лишь первую длину волны.

Волоконно-оптический гидрофон работает следующим образом.

Перед началом работы в исследуемой среде устанавливают рабочие точки A₁ и A₂ на выходных кривых 18, 19 интерферометров (фиг. 2, 3) в положение, соответствующее первоначальной разности фаз интерферирующих лучей, равной π/2 Данная операция осуществляется с помощью фазосдвигающих устройств 14, 15.

Затем устанавливают чувствительный элемент ВОГ (волоконные катушки 1, 2) в исследуемой области натурного водоема. Звуковая волна 17 воздействует сначала на волоконную катушку 2. При этом на фотоприемнике 4 выделяется сигнал, пропорциональный градиенту звукового давления Δp/Δx а на фотоприемнике 8 пропорциональный уровню звукового давления Δp
На диаграммах фиг. 2 и 3 уровень звукового давления Δp входного сигнала обозначен под позицией 20, а градиент звукового давления Δp/Δx под позицией 21. Выходные сигналы с фотоприемников 8 и 4 обозначены соответственно позициям 22, 23.

Таким образом, ВОГ позволяет получить по существу комбинированный приемник двух основных параметров звуковой волны: уровня звукового давления и градиента звукового давления. ВОГ действует как два независимых интерферометра, работающих на двух длинах волн λ₁ и λ₂ Комбинация интерференционных светофильтров 11, 12, 13 полностью "развязывает" интерферометры по спектральному признаку.

С другой стороны, выполнение волоконных катушек из термостойких волокон предохраняет ВОГ от воздействия температурных помех.

Использование: измерительная техника, гидроакустика. Сущность изобретения: две волоконные катушки оптически связаны в первый интерферометр с источником когерентного света и фотоприемником на длине волны λ₁ . Одна из волоконных катушек оптически сопряжена дополнительно со вторым источником света и вторым фотоприемником на длине волны λ₂ , образуя второй интерферометр. Спектральная развязка интерферометров позволяет одновременно проводить измерения уровня звукового давления и его градиента. 2 з.п. ф-лы, 3 ил.

1. Волоконно-оптический гидрофон, содержащий отстоящие друг от друга на известном расстоянии две волоконные катушки, выполненные из термостойких оптических волокон и оптически связанные в первый интерферометр с первым источником когерентного света и первым фотоприемником, а также первый и второй светоделители, расположенные под углами +45^o и -45^o к оптической оси, отличающийся тем, что дополнительно содержит второй источник когерентного света, второй фотоприемник, два фазосдвигающих стройства и три интерференционных светофильтра, при этом первый и второй источники когерентного света выполнены соответственно на первую и вторую длины волн, волокно первой волоконной катушки выполнено из материала, пропускающего только первую длину волны, а волокно второй волоконной катушки выполнено из материала, пропускающего одновременно первую и вторую длины волн, первый и второй светоделители соответственно установлены перед первым источником когерентного света и перед первым интерференционным светофильтром, который выполнен на первую длину волны и установлен перед первым фотоприемником, а второй и третий интерференционные светофильтры выполнены на вторую длину волны и установлены соответственно между светоделителями и перед вторым фотоприемником, причем второй источник когерентного света и второй фотоприемник через вторую волоконную катушку, первый светоделитель, второй интерференционный светофильтр, второй светоделитель и третий интерференционный светофильтр оптически связаны во второй интерферометр, а фазосдвигающие устройства установлены в первой и второй волоконных катушках. 2. Гидрофон по п. 1, отличающийся тем, что дополнительно содержит третью волоконную катушку, изготовленную из материала, пропускающего вторую длину волны и оптически связанную через светоделители, второй и третий интерференционные светофильтры с вторым источником когерентного света и вторым фотоприемником. 3. Гидрофон по п. 1 или 2, отличающийся тем, что вторая и третья волоконные катушки выполнены из кварцевого волокна, а первая из полимерного волокна, при этом первый источник когерентного света выполнен на длину волны 6900 а второй на длину волны 6328 и