ВОЛОКОННО-ОПТИЧЕСКИЙ ГИДРОФОН Российский патент 1998 года по МПК G01M11/02 

Изобретение относится к области гидроакустики и может быть использовано для измерения параметров шумоизлучения различных подводных и надводных объектов в натурных водоемах.

Известен волоконно-оптический гидрофон того же назначения, выполненный в виде двух волоконных катушек, объединенных с источником когерентного света и фотоприемником в интерферометр [1].

Недостатком известного гидрофона является узкий рабочий диапазон (20 Па) при высокой чувствительности устройства.

Известно устройство аналогичного назначения, которое может использоваться, в частности, в качестве волоконно-оптического гидрофона [2].

Данное устройство принято за прототип.

Прототип содержит корпус, приемную мембрану, волоконную катушку, расположенную в корпусе, на которую нагружена приемная мембрана, источник света, фотоприемник, усилитель, подключенный к выходу фотоприемника, и регистратор.

Недостатком прототипа является сравнительно узкий рабочий диапазон гидрофона при невысокой по сравнению с аналогом его чувствительности.

Техническим результатом, получаемым от внедрения изобретения, является расширение рабочего диапазона гидрофона и повышение чувствительности.

Данный технический результат достигается тем, что известный волоконно-оптический гидрофон, содержащий корпус, приемную мембрану, источник света, фотоприемник, усилитель, подключенный к выходу фотоприемника, и регистратор, дополнительно содержит 2N - 1 волоконных катушек, расположенных в корпусе, где N = 2, 3, 4,... - количество пар волоконных катушек, N - 1 источников света, фотоприемников и усилителей, а также N компараторов, источников опорных сигналов и масштабирующих устройств, при этом одна из каждой пары волоконных катушек нагружена на приемную мембрану, а остальные волоконные катушки расположены в корпусе ненагруженные на приемную мембрану, волоконные катушки выполнены оптически согласованными с соответствующими источниками света и фотоприемниками в N интерферометров, причем источники света выполнены когерентными, а длины волокон в разных парах волоконных катушек - различными, а в каждой паре - одинаковыми, дополнительные усилители подключены к выходам дополнительных фотоприемников, выходы усилителей соединены с первыми входами соответствующих компараторов, второй и третий коды которого подключены к выходам соответствующих источников опорных сигналов, выходы компараторов через соответствующие масштбирующие устройства соединены с регистратором.

Гидрофон может также содержать N фазосдвигающих устройств, расположенных в одной из волоконных катушек каждой пары.

Гидрофон может дополнительно содержать N упругих цилиндров, на боковые поверхности которых намотаны нагруженные на приемную мембрану волоконные катушки.

Гидрофон может дополнительно содержать N интеграторов, установленных между усилителями и компараторами (на чертеже не показаны).

Изобретение поясняется чертежами.

На фиг. 1 представлена конструктивная схема приемной части гидрофона, на фиг. 2 - оптическая схема одной из частей гидрофона, на фиг. 3 - электронно-функциональная схема гидрофона, на фиг. 4 -временная диаграмма для пояснения работы гидрофона.

Волоконно-оптический гидрофон (ВОГ) содержит корпус 1, приемную мембрану 2 и расположенные в корпусе 1 волоконные катушки 3₁, 3₂, 3₃, 3₄ (фиг. 1) с различной длиной волокон. На волоконные катушки 3 нагружена приемная мембрана 2.

Имеются также ненагруженные волоконные катушки, также расположенные в корпусе 1 (на фиг. 1 не показаны). Нагруженные и ненагруженные волоконные катушки образуют соответственно пары предметной и опорной катушек, объединенные в интерферометры с источником когерентного света и фотоприемником.

На фиг. 2 представлена оптическая схема одного из таких интерферометров, количество которых в общей сложности может быть N = 2, 3, 4,..., где N - количество пар волоконных катушек (на фиг. 1 представлен случай, когда N = 4). Под позицией 4 на фиг.2 обозначена опорная волоконная катушка, под позицией 5, 6 соответственно источник когерентного света и фотоприемник.

Длина волокон в каждой паре катушек выбраны одинаковыми.

Интерферометр может также содержать фазосдвигающее устройство 7, расположенное в одной из волоконных катушек.

Предметные волоконные катушки 3 могут быть намотаны на боковые поверхности упругих цилиндров (на чертеже не показаны).

Электронно-функциональная схема ВОГ (фиг. 3) включает в себя N усилителей 8₁, 8₂, ..., 8_N компараторов 9₁, 9₂, ..., 9_N, N источников опорных сигналов 10₁, 10₂, ..., 10_N, N масштабирующих устройств 11₁, 11₂, ..., 11_N и регистратор 12.

Схема соединений электронных блоков представлена на фиг.3. По зависимому пункту формулы изобретения между усилителями 8 и компараторами 9 могут быть установлены интеграторы.

Волоконно-оптический гидрофон работает следующим образом. На мембрану 2 воздействует акустический сигнал, изображенный на фиг. 4, например в виде отрезка синусоиды 13. Гидрофон, выходная кривая которого также синусоида 14, преобразует сигнал 13 в сигнал фототока 15, появляющегося на выходе фотоприемника 6.

При первоначальной настройке рабочей точки A на π/2 (например, с помощью фазосдвигающего устройства 7), рабочий диапазон каждого из N интерферометров будет простираться от i до i фототока (квазилинейный участок выходной кривой 14). При этом у каждого интерферометра одному и тому же значению фототока будет соответствовать свое значение звукового давления, поскольку чувствительность интерферометров будет различной из-за разной длины волокон в волоконных катушках 3. Источники 10 опорных сигналов подают на входы компараторов 9 величину токов i₁ и i₂ (с учетом усиления фототока усилителями 8). Длина же волокон в волоконных катушках 3 подбирается исходя из того, чтобы выходной сигнал только одного из интерферометров ВОГ попал в рабочий диапазон i₂ - i₁. При этом на выходах компараторов 9 появляется сигнал только в случае, если сигнал на его входе лежит в указанном рабочем диапазоне i₂ - i₁.

Для того чтобы регистрация выходных сигналов с различных интерферометров велась в одном масштабе, они проходят перед регистрацией соответствующее масштабирование в масштабирующих устройствах 11.

Если акустический сигнал имеет в своем составе резкие пики, то выходные сигналы интерферометров после усиления целесообразно проинтегрировать для более устойчивой работы электрической схемы ВОГ.

Таким образом, динамический диапазон ВОГ оказывается расширенным в N раз по сравнению с аналогом и прототипом и, кроме того, по сравнению с прототипом повышена чувствительность гидрофона за счет перехода с амплитудой на фазовую регистрацию модуляционных параметров света.

Волоконно-оптический гидрофон предназначен для измерения параметров щумоизлучения подводных и надводных объектов в натурных водоемах. Волоконно-оптический гидрофон содержит приемную мембрану, нагруженную на несколько волоконных катушек различной длины, которые составляют предметные плечи интерферометров, включающих когерентные источники света и фотоприемники. Электронная схема, содержащая усилители, компараторы, источники опорных сигналов и масштабирующие устройства, из всех значений выходных сигналов интерферометров выбирает тот, который лежит в рабочем диапазоне работы интерферометра, что увеличивает рабочий диапазон гидрофона при гомодинном режиме преобразования интерферометров. 3 з.п. ф-лы, 4 ил.

1. Волоконно-оптический гидрофон, содержащий приемную мембрану, волоконную катушку, расположенную в корпусе, на которую нагружена приемная мембрана, источник света, фотоприемник, усилитель, подключенный к выходу фотоприемника, и регистратор, отличающийся тем, что дополнительно содержит 2N - 1 волоконных катушек, расположенных в корпусе, N - 1 источников света, фотоприемников и усилителей, N компараторов, источников опорных сигналов и масштабирующих устройств, при этом одна из каждой пары волоконных катушек нагружена на приемную мембрану, волоконные катушки выполнены оптически согласованными с соответствующими источниками света и фотоприемниками в N интерферометров, причем источники света выполнены когерентными, длины волн в разных парах волоконных катушек - различными, а в каждой паре - одинаковыми, дополнительные усилители подключены к выходам дополнительных фотоприемников, выходы усилителей соединены с первыми входами соответствующих компараторов, вторые и третьи входы которых подключены к выходам соответствующих источников опорных сигналов, выходы компараторов через соответствующие масштабирующие устройства соединены с регистратором. 2. Гидрофон по п.1, отличающийся тем, что дополнительно содержит N фазосдвигающих устройств, расположенных в одной из волоконных катушек каждой пары. 3. Гидрофон по п.1, отличающийся тем, что дополнительно содержит N упругих цилиндров, на боковые поверхности которых намотаны нагруженные на приемную мембрану волоконные катушки. 4. Гидрофон по п.1, отличающийся тем, что каждый усилитель соединен с соответствующим компаратором через интегратор.