ОПТИЧЕСКИЙ ДОПЛЕРОВСКИЙ ГИДРОФОН Российский патент 2002 года по МПК H04R1/44 G01S17/06 

Изобретение относится к области гидроакустики и может быть использовано в качестве бесконтактного средства обнаружения источника гидроакустических сигналов.

Известно устройство аналогичного назначения [1], реализованное в способе измерения уровней звукового давления источников шумоизлучения подводного объекта. Известное устройство под названием оптический гидрофон денситометрическим корреляционным способом позволяет обнаружить источники гидроакустических сигналов и оценить уровень их звукового давления.

Недостатком известного оптического гидрофона [1] является сложность его практической реализации, а также сложность выделения последнего сигнала на фоне гидрофизических помех.

Известно лазерное доплеровское устройство для обнаружения акустических сигналов, которое можно использовать в качестве гидрофона [2], принятое за прототип.

В прототипе используется хорошо разработанный анемометрический способ измерения колебательной скорости звуковой волны, в связи с чем, он свободен от недостатков аналога [1].

В известном оптическом доплеровском гидрофоне используется схема с опорным пучком, содержащая лазер и оптически согласованные с ним в лазерный доплеровский измеритель скорости (ЛДИС) первый светоделитель, передающий объектив, приемный объектив, второй светоделитель, приемную диафрагму и фотоприемник, а также блок обработки доплеровской частоты и программный блок, при этом приемная диафрагма установлена перед фотоприемником, подключенным выходом к блоку обработки доплеровской частоты, управляемый вход которого соединен с одним из выходов программного блока.

Недостатком известного гидрофона является ограниченность его применения случаями измерения амплитуды колебательной скорости и связанного с ней градиента давления в звуковой волне.

Техническим результатом, получаемым от внедрения изобретения, является расширение числа измеряемых параметров звуковой волны, а именно получение дополнительной возможности измерения биградиентов скорости и градиентов более высоких порядков звуковой волны, а также оценка пространственных разностных характеристик гидроакустического поля.

Данный технический результат достигается за счет того, что в известный оптический доплеровский гидрофон, выполненный по схеме ЛДИС с опорным пучком, содержащей лазер и оптически согласованные с ним в схему ЛДИС первый светоделитель, передающий объектив, приемный объектив, второй светоделитель, приемную диафрагму и фотоприемник, а также блок обработки доплеровской частоты и программный блок, при этом приемная диафрагма установлена перед фотоприемником, подключенным выходом к блоку обработки доплеровской частоты, управляемый вход которого соединен с одним из выходов программного блока, дополнительно введены третий светоделитель, установленный параллельно первому светоделителю и оптически связанные с ним во второй ЛДИС, аналогичный первому, второй передающий и второй приемный объективы, а также четвертый светоделитель, установленный параллельно второму светоделителю, и пять управляемых оптических затворов, установленных соответственно между первым светоделителем и первым передающим объективом, между третьим светоделителем и вторым передающим объективом, между третьим и четвертым светоделителями, между приемным объективом и вторым светоделителем и между вторым приемным объективом и четвертым светоделителем, при этом управляемые входы пяти оптических затворов подключены к соответствующим пяти выходам программного блока.

Оптический доплеровский гидрофон может дополнительно содержать генератор светорассеивающих частиц и устройство их впрыскивания в исследуемую среду.

Оптический доплеровский гидрофон может также содержать оптическое устройство сдвига частоты световой волны, установленное между третьим светоделителем и вторым передающим объективом или между первым светоделителем и первым передающим объективом.

При этом первый светоделитель может быть выполнен с возможностью взаимного смещения относительно третьего светоделителя.

Изобретение поясняется чертежами: на фиг.1 представлена оптико-электронная схема гидрофона, на фиг.2 - временные диаграммы для пояснения принципа его работы.

Оптический гидрофон, содержащий (фиг. 1) лазер 1 и оптически согласованные с ним в схему лазерного доплеровского измерителя скорости с опорным пучком светоделители 2, 3, 4, 5, приемная диафрагма 6 и фотоприемник 7.

Оптические элементы 2, 3, 4, 5 формируют опорный пучок 8 ЛДИС.

Имеются также формирователи зондирующих лазерных пучков 9, 10, выполненные в виде передающих длиннофокусных объективов 11, 12, и формирователи светорассеянных лазерных пучков 13, 14, выполненные в виде аналогичных длиннофокусных приемных объективов 15, 16.

Передающие и приемные объективы формируют в исследуемой жидкой среде с распространяющейся в ней акустической волной 17 четыре измерительных объема 18, 19, 20 и 21, расположенные в вершинах ромба на известном расстоянии вдоль распространения акустической волны, как показано на фиг.1.

С помощью светоделителя 4, 5 рассеянные на частицах световые пучки 13, 14 смешиваются с опорным пучком 8 на приемной диафрагме 6.

На пути одного из зондирующих 9 или 10 и опорного 8 пучков могут быть установлены устройства сдвига частоты (на чертеже на показаны) для определения знака колебательной скорости.

Электронная схема ЛДИС включает в себя традиционные для него блоки программного управления (программный блок 29) и блок 23 обработки доплеровского сигнала, в который как обычно входит процессор и регистратор [3].

Шесть выходов программного блока 22 подключены к пяти электрооптическим затворам 24, 25, 26, 27, 28, установленных соответственно на путях опорного пучка 8, зондирующих (или передающих) пучков 9, 10 и рассеянных пучков 13, 14. Шестой выход программного блока 22 подключен к управляющему входу блока 23 обработки доплеровского сигнала.

Все оптические и электронные блоки ЛДИС хорошо известны из специальной литературы [3] и не нуждаются в пояснениях.

Программный блок 23 может быть выполнен в виде генератора импульсов, управляемой длительности τ₁ и скважности τ₂ (фиг.2) или по любой другой известной схеме [4].

ЛДИС может быть снабжен генератором светорассеивающих частиц, впрыскиваемых с помощью дозатора в исследуемую среду (на чертеже не показан). Данные устройства также хорошо известны в технике построения ЛДИС [3].

Нетрудно заметить, что изображенная на фиг.1 схема гидрофона представляет из себя хорошо известные (в том числе и из прототипа [2]) схемы ЛДИС с опорным пучком с рассеянием света назад. То есть данная схема односторонняя. Все элементы гидрофона и его электронные блоки могут быть расположены вне исследуемой среды, например, внутри подводного объекта, шум которого требуется проконтролировать с помощью данного гидрофона.

На фиг.1 под позицией 29 представлена обшивка корпуса подводного объекта.

В данном случае измерительные объемы 18, 19, 20, 21 в исследуемой среде формируются с помощью передающих и приемных объективов 11, 12, 15, 16 через оптические окна 30, 31.

Возможны и другие варианты формирования измерительных объемов в исследуемой среде, например, с использованием волоконной оптики.

Лазерный доплеровский гидрофон работает следующим образом.

Предварительно для данной исследуемой среды, например морской, подбирают оптимальные значения длительностей τ₁ импульсов 32 (фиг.2) и их скважности τ₂, также расстояние Δx между измерительными объемами 18, 19, 20, 21 (фиг. 1).

В рабочем состоянии лазерный доплеровский гидрофон работает в семи различных режимах в зависимости от того, какая последовательность импульсов i₁, i₂, i₃, i₄, i₅ (фиг.2) подается от программного блока 22 на электрооптические затворы 24, 25, 26, 27 и 28. Для периода времени t₁ (фиг.2) электрооптические затворы 24, 25, 28 открыты, а остальные электрооптические затворы закрыты. Для этого времени с помощью ЛДИС происходит измерение колебательной скорости рассеивающих частиц в рабочем объеме 19. А также определение соответствующего этой колебательной скорости градиента звукового давления dp/dx. Последнее происходит в компьютере блока 23 обработки доплеровской частоты. До этого времени работа лазерного гидрофона не отличается от работы прототипа.

В период времени t₂ (см. временную диаграмму на фиг.2) электрооптические затворы 25, 28 закрываются, а электрооптические затворы 26, 27 открываются. И второй аналогичный ЛДИС гидрофона измеряет колебательную скорость V светорассеивающих частиц, но уже в измерительном объеме 18. При этом период времени τ₂ предварительно подбирается вручную или автоматически оптимальным для обработки доплеровских сигналов.

В этот период времени вновь рассчитывается градиент звукового давления dp/dx. Кроме того, проводится сравнение этого значения градиента с ранее измеренным его значением в другой точке (измерительном объеме 19 в период времени t₁).

По результатам сравнения измеренных в различных точках гидроакустических величин проводят оценки пространственных разностных характеристик (ПРХ) звукового поля (центральные моменты различных порядков, корреляционные характеристики и т.п.).

В период времени t₃, когда открыты только затворы 25 и 28, происходит измерение величин dv/dx и ∂²p/dx², т.е. градиента колебательной скорости и биградиента звукового давления в измерительном объеме 19.

А в период времени t₄, когда открыты только затворы 26, 27, происходит повторное измерение градиента колебательной скорости и биградиента звукового давления в измерительном объеме 18.

Последующее сравнение измеренных значений также позволяет произвести оценку пространственных разностных значений (ПРХ)2 пространственных производных более высокого порядка.

В период времени t₅ открыты затворы 25, 26, 28 и гидрофон измеряет биградиенты колебательной скорости d²v/dx², по которым рассчитываются производные d⁴p/dx⁴ в измерительных объемах 19, 20 на расстоянии Δx в направлении распространения звуковой волны 17.

В период времени t₆, когда открыты затворы 25, 26, 27 подобные измерения повторяются для измерительных объемов 18, 21. В результате этих измерений получают не только пространственные градиенты гидроакустических величин более высоких порядков на пути Δx, но и их пространственно-разностные характеристики (ПРХ)₄.

Наконец в период времени t₇, когда открыты затворы 25, 26, 27, 28, измеряются пространственные градиенты d⁴v/dx⁴ и d⁸v/dx⁸ на расстояниях Δx.
Путем сдвига светоделителя 2 вправо или влево относительно светоделителя 3 изменяют расстояние между параллельными пучками 9, 10. Это приводит к смещению измерительных объемов 18, 20 относительно измерительных объемов 19, 21 и измерению расстояния Δx.
Получается возможность измерения РПХ в других точках акустического поля. (Светоделитель 3 можно сделать также подвижным относительно светоделителя 2 для смещения измерительных объемов 19, 21).

Если в исследуемой среде наблюдается нехватка светорассеивающих частиц, включают генератор рассеивающих частиц (на чертеже не показан) для увеличения концентрации последних в рабочих объемах 18, 19, 20, 21 и измерения вновь повторяются.

Таким образом, оптический доплеровский гидрофон позволяет измерить более десятка векторных и скалярных характеристик гидроакустического поля, что позволяет, например, более точно определить местонахождение источника гидроакустического сигнала, расположенного за обшивкой корпуса 29 внутри обследуемого плавсредства. Или более точно настроится на направление источника шумоизлучения, располагаемого вне корпуса плавсредства. Этим достигается поставленный технический результат.

Источники информации
1. Патент РФ 2092802, кл. G 01 L 11/00, G 01 S 7/52, 1997.

2. Патент Великобритании 2334171, кл. G 01 S 17/50, 1999 - прототип.

3. Клыков В.П. и др. Лазерная анемометрия, дистанционная спектроскопия и интерферометрия/ Под ред. М.С. Соекина. Киев: Наукова думка, 1985, 160 с.

4. Шполянский В. А., Курицкий А.М. Программно-временные задатчики. М.: Машиностроение, 1984, 448 с.

Изобретение относится к области гидроакустики и может быть использовано в качестве бесконтактного средства обнаружения источника гидроакустических сигналов. Оптический доплеровский гидрофон содержит лазер и оптически согласованные с ним первый светоделитель, первый передающий объектив, первый приемный объектив, второй светоделитель, приемную диафрагму и фотоприемник, блок обработки доплеровской частоты и программный блок, при этом приемная диафрагма установлена перед фотоприемником, подключенным выходом к блоку обработки доплеровской частоты, управляемый вход которого соединен с одним из выходов программного блока, а также третий светоделитель, установленный параллельно первому светоделителю, и оптически связанные с ним второй передающий и второй приемный объективы, четвертый светоделитель, установленный параллельно второму светоделителю, и пять управляемых оптических затвора, установленных соответственно между первым светоделителем и первым передающим объективом, между третьим светоделителем и вторым передающим объективом, между третьим и четвертым светоделителями, между первым приемным объективом и вторым светоделителем и между вторым приемным объективом и четвертым светоделителем, при этом управляемые входы пяти оптических затворов подключены к соответствующим пяти выходам программного блока. Также дополнительно содержит генератор светорассеивающих частиц, устройство впрыскивания их в исследуемую среду, оптическое устройство сдвига частоты световой волны, установленное между первым светоделителем и первым передающим объективом или между третьим светоделителем и вторым передающим объективом. Первый светоделитель выполнен с возможностью взаимного смещения относительно третьего светоделителя. Технический результат заключается в расширении числа измеряемых параметров звуковой волны, а именно получение дополнительной возможности измерения биградиентов скорости и градиентов более высоких порядков звуковой волны, а также оценка пространственных разностных характеристик гидроакустического поля. 3 з.п.ф-лы, 2 ил.

1. Оптический доплеровский гидрофон, содержащий лазер и оптически согласованные с ним первый светоделитель, первый передающий объектив, первый приемный объектив, второй светоделитель, приемную диафрагму и фотоприемник, а также блок обработки доплеровской частоты и программный блок, при этом приемная диафрагма установлена перед фотоприемником, подключенным выходом к блоку обработки доплеровской частоты, управляемый вход которого соединен с одним из выходов программного блока, отличающийся тем, что дополнительно содержит третий светоделитель, установленный параллельно первому светоделителю, и оптически связанные с ним второй передающий и второй приемный объективы, а также четвертый светоделитель, установленный параллельно второму светоделителю, и пять управляемых оптических затвора, установленных соответственно между первым светоделителем и первым передающим объективом, между третьим светоделителем и вторым передающим объективом, между третьим и четвертым светоделителями, между первым приемным объективом и вторым светоделителем и между вторым приемным объективом и четвертым светоделителем, при этом управляемые входы пяти оптических затворов подключены к соответствующим пяти выходам программного блока. 2. Оптический доплеровский гидрофон по п. 1, отличающийся тем, что дополнительно содержит генератор светорассеивающих частиц и устройство впрыскивания их в исследуемую среду. 3. Оптический доплеровский гидрофон по п. 1, отличающийся тем, что между первым светоделителем и первым передающим объективом или между третьим светоделителем и вторым передающим объективом установлено оптическое устройство сдвига частоты световой волны. 4. Оптический доплеровский гидрофон по п. 1, отличающийся тем, что первый светоделитель выполнен с возможностью взаимного смещения относительно третьего светоделителя.