ДВУХКОЛЬЦЕВОЙ ВОЛОКОННО-ОПТИЧЕСКИЙ ГИДРОФОН Российский патент 1998 года по МПК H04R1/44 

Изобретение относится к области гидроакустики и может быть использовано для измерения параметров шумоизлучения подводных и надводных источников звука в натурных водоемах и гидроакустических бассейнах.

В настоящее время на основе одномодовых кольцевых волоконно-оптических интерферометров реализованы схемы, которые могут быть использованы в волоконно-оптических датчиках, в частности в гидрофонах [1] Особый интерес в гидроакустике представляют двухкольцевые волоконно-оптические интерферометры, которые по сравнению с традиционно применяемыми интерферометрами Цендера-Маха [1] дают возможность увеличить чувствительность гидрофона за счет многократного прохождения излучения в сигнальном кольце.

Хотя подобные многолучевые волоконно-оптические интерферометры также известны [2] (интерферометры Фабри-Перо), двухкольцевые многолучевые интерферометры позволяют регистрировать сигналы по двухлучевой схеме, наблюдая интерференцию волн, прошедших одинаковый оптический путь через первые и вторые кольца. И, кроме того, позволяют использовать источники излучения с малой длиной когерентности.

В качестве прототипа принят двухкольцевой волоконно-оптический интерферометр (резонатор), который может быть использован в качестве гидрофона [3]
Прототип содержит источник когерентного света и фотоприемник, оптически согласованные через отрезок одномодового волоконного световода, а также сигнальную и опорную кольцевые волоконные катушки, которые оптически связаны через 3х3 линейный ответвитель с одномодовым световодом, и последовательно соединенные фильтр высоких частот, усилитель и регистратор.

Недостатком прототипа является узкий рабочий диапазон гидрофона, реализуемого на основе многолучевого интерферометра, который, как известно, не превышает λ /300, где l / длина волны источника когерентного излучения [4]
Прототип может измерять или высокие уровни звукового давления, если длины оптических волокон в волоконных катушках небольшие, или низкие, если длины волокон в них значительные.

Техническим эффектом, получаемым от реализации изобретения, является создание гидрофона переменной чувствительности за счет возможности изменения длины волокна в сигнальной волоконной катушке, взаимодействующего с регистрируемой акустической волной.

Данный технический результат достигается за счет того, что известный двухкольцевой волоконно-оптический гидрофон (ДВОГ), содержащий источник когерентного света и фотоприемник, оптически согласованные через отрезок одномодового волоконного световода, а также сигнальную и опорную кольцевые волоконные катушки, которые оптически связаны через 3х3 линейный ответвитель с одномодовым световодом и последовательно соединенные фильтр высоких частот, усилитель и регистратор, подключенные к выходу фотоприемника, дополнительно содержит акустический экран, выполненный с возможностью смещения относительно сигнальной волоконной катушки, датчик положения экрана, блок автоматической регулировки чувствительности, блок формирования управляющего напряжения, усилитель мощности, исполнительный механизм и масштабирующий усилитель, при этом вход блока автоматической регулировки чувствительности подключен к выходу усилителя, а выход к входу блока формирования управляющего напряжения, выход которого через усилитель мощности соединен с исполнительным механизмом, связанным с акустическим экраном, причем выход усилителя соединен с регистратором через масштабирующий усилитель, управляющий вход которого подключен к выходу датчика положения экрана.

Блок автоматической регулировки чувствительности может быть выполнен в виде интегратора, двух компараторов и двух блоков опорных напряжений, при этом вход интегратора соединен с выходом усилителя, а выход подключен параллельно к первым входам компараторов, вторые входы которых соединены с различными источниками опорных напряжений, а выходы с входами блока формирования управляющего напряжения.

ДВОГ может также содержать два фазосдвигающих устройства, преимущественно установленных в опорной волоконной катушке, электронный ключ и блок автоматической настройки начальной разности фаз, выполненный в виде генератора гармонических колебаний, генератора пилообразных импульсов и экстрематора, при этом генератор гармонических колебаний подсоединен к первому фазосдвигающему устройству, а генератор пилообразных импульсов подключен выходом ко второму фазосдвигающему устройству, а своим управляющим входом к выходу экстрематора, соединенного входом с выходом усилителя, причем управляющий вход электронного ключа соединен с выходом датчика положения, а выход с питающими цепями блока автоматической регулировки чувствительности и блока автоматической настройки начальной разности фаз.

Сигнальная волоконная катушка и подвижный акустический экран могут быть выполнены в виде концентрических цилиндрических поверхностей, причем акустический экран может быть выполнен в виде внешней цилиндрической поверхности с возможностью смещения вдоль оси.

ДВОГ может дополнительно содержать неподвижный акустический экран, за которым располагают опорную волоконную катушку.

При этом неподвижный акустический экран может быть выполнен в виде цилиндрической поверхности, соосной цилиндрической поверхности подвижного акустического экрана.

Исполнительный механизм гидрофона целесообразно выполнить в виде шагового двигателя.

На фиг. 1 представлена оптическая схема гидрофона; на фиг.2 - конструктивная схема ДВОГ; на фиг. 3 электронная схема прибора; на фиг. 4,5 временные диаграммы, поясняющие принцип работы гидрофона.

Двухкольцевой волоконно-оптический гидрофон содержит (фиг.1) источник 1 когерентного света и фотоприемник 2, оптически согласованные через отрезок одномодового волоконного световода 3. Имеются также сигнальная и опорная кольцевые волоконные катушки 4, 5, которые оптически связаны через 3х3 линейный ответвитель 6 с одномодовым световодом 3.

Элементы 1-6 оптически согласованы в двухкольцевой волоконно-оптический интерферометр. Причем в одном варианте сигнальная волоконная катушка 5 располагается за бортом 7 носителя (не показано), а остальные элементы интерферометра располагаются внутри носителя (фиг. 1).

Оптическая схема ДВОГ также включает в себя два фазосдвигающих устройства 8, 9, установленных, например, в опорной волоконной катушке 4. Сигнальная волоконная катушка 5 намотана вдоль цилиндрической поверхности и частично перекрывается подвижным акустическим экраном 10, положение которого относительно сигнальной катушки 5 контролируется датчиком 11 положения (фиг. 2). Опорная волоконная катушка 4 во втором варианте исполнения может располагаться как и сигнальная катушка 5 в исследуемой среде, но при этом полностью перекрывается неподвижным акустическим экраном 12, (например, цилиндрической формы) от воздействия звуковых сигналов (на фиг. 2 опорная волоконная катушка не показана).

Подвижный и неподвижный экраны могут быть выполнены соосными. При этом неподвижный акустический экран 10 соединен с валом управляемого исполнительного механизма 13 (фиг. 3), выполненного, например, в виде шагового двигателя.

Электронная схема ДВОГ (фиг. 3) включает в себя фильтр 14 высоких частот, усилитель 15, блок 16 автоматической регулировки чувствительности гидрофона, масштабирующий усилитель 17 и регистратор 18, а также блок 19 формирования управляющего напряжения и усилитель 20 мощности. Схема также содержит блок 21 автоматической настройки начальной разности фаз и электронный ключ 22. При этом блок 16 автоматической регулировки чувствительности выполнен в виде интегратора 23, компараторов 24, 25 и блоков 26, 27 опорных напряжений. Блок 21 автоматической настройки начальной разности фаз выполнен в виде генератора 28 гармонических колебаний, генератора 29 пилообразных импульсов и экстрематора 30.

Схема электрических соединений всех блоков представлена на фиг.3.

Оптические элементы и электронные блоки особенностей не имеют. Оптический элемент 6 как в иностранной литературе [3] так и в отечественной [1] литературе вошел под названием "3х3 линейный ответвитель", в связи с чем заявитель вынужден его использовать в формуле изобретения и описании.

Блоки 13, 19, 20, 24-27, 30 представлены в литературе по автоматическому регулированию.

Двухкольцевой волоконно-оптический гидрофон работает следующим образом.

Перед началом работы, а также в перерывах между измерениями проводят настройку многолучевого интерферометра непосредственно в рабочей среде. Для этого с помощью ручной регулировки положения подвижного акустического экрана 10 сдвигают последний до предела влево, полностью перекрывая сигнальную катушку 5 от воздействия акустических волн. При таком положении подвижного акустического экрана с датчика 11 положения на электронный ключ 22 поступает командный сигнал, отключающий блок 16 автоматической регулировки чувствительности и включающий блок 21 автоматической настройки начальной разности фаз.

Выходная кривая многолучевого интерферометра представлена на фиг. 4 под позицией 31. Она представляет собой предельно обостренные интерференционные полосы, следующие через расстояние, равное l /2. Как уже отмечалось, рабочий диапазон гидрофона не превышат величины l /300. При этом рабочая точка A на выходной кривой 31 должна располагаться на склоне интерференционной полосы посередине линейного участка. Для этого с генератора 28 гармонических колебаний на фазосдвигающее устройство 8 подается синусоидальный сигнал. Обозначим его на фиг. 4 под позицией 32. Данный сигнал вызывает появление пульсаций фототока на выходе фотоприемника 2, которые, проходя через фильтр 14 высоких частот, усиливаются усилителем 15 и поступают на экстрематор 30. Одновременно генератор 29 пилообразных импульсов достаточно длительного периода заставляет второе фазосдвигающее устройство 9 последовательно смещать рабочую точку A вдоль выходной кривой 31 интерферометра. Когда точка A окажется посередине склона интерференционной полосы, гармонический выходной сигнал (позиция 33) будет максимальным. В этот момент экстрематор 30 подает на управляющий вход генератора 29 командный сигнал на его включение.

С помощью ручной регулировки открывают сигнальную волоконную катушку 5 и подвергают ее воздействию акустических волн (направление, перпендикулярное оси OO'). При этом электронный ключ 22 отключает блок 21 автоматической настройки начальной разности фаз и включает блок 16 автоматической регулировки чувствительности. Пусть теперь условно над позицией 32 (фиг. 3) обозначен входной сигнал ДВОГ. Временное изменение акустического входного сигнала может быть самым различным. На выходе фотоприемника 2 появляется сигнал 34 фототока (фиг. 5), отображающий акустическое входное воздействие. Сигнал 34 присутствует на фоне постоянной составляющей, которая отфильтровывается фильтром 14 высоких частот. После усиления в усилителе 15 сигнал поступает на масштабирующий усилитель 17, коэффициент усиления которого задается выходным сигналом датчика 11 положения акустического экрана 10. Это позволяет регистратору 18 отображать входное акустическое воздействие в одном масштабе, независимо от чувствительности ДВОГ, т.е. независимо от положения подвижного экрана 10. Одновременно сигнал 34 с усилителя 15 направляется также на интегратор 23, в котором сигнал сглаживается до уровня 35 и затем направляется на первые входы компараторов 24 и 25. На вторые входы компараторов 24 и 25 поступают опорные сигналы 36 и 37 соответственно с блоков 26 и 27 опорных напряжений. Величины опорных сигналов выбираются исходя из величины линейного участка на выходной кривой 31 в окрестности точки A (фиг. 4).

Если сигнал 35 будет лежать в диапазоне i_оп2 i_оп1 опорных напряжений, то на выходе компараторов 24, 25 будут присутствовать разнополярные сигналы, которые не вызывают появление в блоке 19 формирования управляющего напряжения командного сигнала на исполнительный механизм 13, и акустический экран 10 остается в прежнем положении. Но если сигнал 35 будет меньше или больше соответственно сигналов i_оп1, i_оп2, то на выходах компараторов 24 и 25 будут присутствовать однополярные сигналы и блок 19 формирует сигнал 38 положительного напряжения, если оба сигнала - "плюсовые" и отрицательного (39), если сигналы "минусовые". При этом исполнительный механизм 13 будет сдвигать акустический экран в зависимости от полярности сигнала вправо или влево, изменяя чувствительность прибора в соответствии с величиной входного сигнала.

Датчик 11 положения экрана 10 все время отслеживает величину чувствительности ДВОГ, соответствующим образом изменяя коэффициент усиления масштабирующего усилителя 17.

Усилитель 20 мощности усиливает управляющее напряжение до величины, необходимой для работы исполнительного механизма 13. При выполнении исполнительного механизма 13 в виде шагового двигателя чувствительность прибора меняется дискретно. При расположении опорной волоконной катушки в неподвижном экране 12 (фиг. 2) гидрофизические факторы исследуемой среды (температура, гидростатическое давление) не оказывают влияние на работу ДВОГ. То есть второй вариант исполнения гидрофона является предпочтительным для работы в натурном водоеме.

Таким образом, предложенный гидрофон позволяет автоматически изменять свою чувствительность в зависимости от величины входного воздействия.

Источники информации, принятые во внимание при составлении описания заявки
1. А. Г. Булушев, А.В.Кузнецов, О. Г. Охотников, В.А.Царев. Волоконно- оптические интерферометры. Труды института общей физики, 1990, т. 23, 159- 172.

2. F.Farahi, l.D.C.Jones, D.A.Jackson. High speed thermometry utilising multiplexed fibre Fabry-Perot interferometers. SPIE Vol. 838. Fiber Optic and Laser Sensors V, 1987, 216-222.

3. G.Abd-el-Hamid, P. A. Devies. Fibre-optic double ring resonator. Electronics Letters, 1989, 25, N 3, 224-225 прототип.

4. Ю. Н. Власов, В.К.Маслов, С.В.Сильвестров. Принципы построения измерителей параметров гидроакустических и гидрофизических полей, основанные на оптических методах преобразования. Промежуточный научно- технический отчет по НИР "Метрология-7", 3 этап, Менделеево, 1993.

Изобретение относится к области гидроакустики и может быть использовано для измерения параметров шумоизлучения подводных и надводных источников звука в натурных водоемах и гидроакустических бассейнах. Существо изобретения заключается в том, что в известном двухкольцевом волоконно-оптическом гидрофоне (ДВОГ) сигнальную катушку частично перекрывают подвижным акустическим экраном, что позволяет изменять чувствительность прибора в зависимости от уровня звукового давления входного сигнала. Специальная электронная схема автоматически изменяет чувствительность ДВОГ таким образом, чтобы уровень входного воздействия всегда располагался в динамическом диапазоне гидрофона. 5 з.п.ф-лы, 5 ил.

1. Двухкольцевой волоконно-оптический гидрофон, содержащий источник когерентного света, оптически соединенный через отрезок одномодового волоконного световода с фотоприемником, а также сигнальную и опорную кольцевые волоконные катушки, которые оптически связаны через 3 • 3 линейный ответвитель с одномодовым световодом, и последовательно соединенные фильтры верхних частот, усилитель и регистратор, подключенные к выходу фотоприемника, отличающийся тем, что дополнительно содержит подвижный акустический экран, выполненный с возможностью смещения относительно сигнальной волоконной катушки, датчик положения экрана, блок автоматической регулировки чувствительности, блок формирования управляющего напряжения, усилитель мощности, исполнительный механизм, при этом вход блока автоматической регулировки чувствительности подключен к выходу усилителя, а выход к входу блока формирования управляющего напряжения, выход которого через усилитель мощности соединен с исполнительным механизмом, связанным с подвижным акустическим экраном, причем усилитель выполнен с управляемым входом, подключенным к выходу датчика положения подвижного акустического экрана. 2. Гидрофон по п.1, отличающийся тем, что блок автоматической регулировки чувствительности выполнен в виде интегратора, двух компараторов и двух блоков опорных напряжений, при этом выход интегратора подключен параллельно к первым входам компараторов, вторые входы которых соединены с различными источниками опорных напряжений. 3. Гидрофон по п.1, отличающийся тем, что дополнительно содержит два фазосдвигающих блока, установленных преимущественно в опорной волоконной катушке, электронный ключ и блок автоматической настройки начальной разности фаз, выполненный в виде генератора гармонических колебаний, генератора пилообразных импульсов и экстрематора, при этом генератор гармонических колебаний подсоединен к первому фазосдвигающему блоку, а генератор пилообразных импульсов подключен выходом к второму фазосдвигающему блоку, а своим управляющим входом к выходу экстрематора, соединенного входом с выходом усилителя, причем управляющий вход электронного ключа соединен с выходом датчика положения, а выход с питающими цепями блока автоматической регулировки чувствительности и блока автоматической настройки начальной разности фаз. 4. Гидрофон по п.1, отличающийся тем, что сигнальная волоконная катушка и подвижный акустический экран выполнены в виде концентрических цилиндрических поверхностей, причем акустический экран выполнен в виде внешней цилиндрической поверхности с возможностью смещения вдоль оси. 5. Гидрофон по п.1, отличающийся тем, что дополнительно содержит неподвижный акустический экран, за которым располагают опорную волоконную катушку. 6. Гидрофон по пп.1, 4 и 5, отличающийся тем, что неподвижный акустический экран выполнен в виде цилиндрической поверхности, соосной цилиндрической поверхности неподвижного акустического экрана.