АКУСТИЧЕСКАЯ ВОЛОКОННО-ОПТИЧЕСКАЯ АНТЕННА Российский патент 2004 года по МПК G01S3/80 G01H9/00 G01J1/04 

Изобретение относится к волоконно-оптическим сенсорным системам и может использоваться в системах дистанционного измерения статического и акустического давления, приема и пеленгации шумовых и эхолокационных сигналов звуковых и инфразвуковых частот в гидроакустических системах и сейсморазведке, в системах охраны объектов на суше и в водной среде, например нефте - и газопроводов.

Известны гидроакустические системы с гибкими протяженными антеннами с равномерно установленными по длине антенны пьезокерамическими или волоконно-оптическими гидрофонами или группами гидрофонов для пеленгации шумящих объектов, например подводных лодок (А.А. Гуревич и др. Гидроакустические системы с гибкими протяженными буксируемыми антеннами. - Судостроение за рубежом. № 10, 1984 г., стр.34-55).

Известен волоконно-оптический датчик микроизгибного типа, в котором многомодовый волоконный световод располагается между парой гребенчатых пластинок, и при приложении акустического давления в волоконном световоде (ВС) образуются микроизгибы с периодом гребней пластинок (Appl. Opt., 1980, v.19, N 19, рр.3265-3267). Из-за изгибов возникают потери интенсивности света в ВС, а величина модуляции интенсивности света ставится в соответствие с приложенным давлением.

Наиболее близким техническим решением и принятым за прототип к предлагаемому устройству является волоконно-оптический датчик, в котором на цилиндрический сердечник с продольными гребнями навит многомодовый ВС, причем между гребнями расстояние может быть как равным, так и изменяющимся вдоль длины датчика (US Patent N 4524436, 18.06.1985).

Недостатками прототипа, а также аналогов являются необоснованная для френелевской зоны дифракции сложность обработки информационных сигналов методами корреляционного анализа с целью обнаружения местоположения источника акустических сигналов, а также малая величина динамического диапазона волоконно-оптических датчиков акустической антенны.

Задачей, на решение которой направлено данное изобретение, является упрощение системы обработки принимаемых информационных сигналов для френелевской зоны дифракции при пеленгации источников акустических сигналов, расширение динамического диапазона и увеличение чувствительности акустической антенны.

Данная задача решается за счет достижения технического результата, заключающегося в использовании дополнительного второго канала измерения с функцией уменьшения оптических потерь с ростом интенсивности акустического сигнала, а также в обеспечении суммирования выходных сигналов двух каналов измерения.

Сущность предлагаемого изобретения заключается в том, что указанный технический результат достигается благодаря тому, что для френелевской зоны дифракции в акустической волоконно-оптической антенне (АВОА), размещаемой в газообразной или жидкой среде, расстояние между равноудаленными волоконно-оптическими датчиками (ВОД) выбирается равным половине длины волны акустического сигнала на низшей частоте рабочего диапазона с одновременным условием целочисленной кратности длине затухания звука в данной среде, а акустический датчик представляет собою парный ВОД с предварительно созданными в одном из них микроизгибами обращением кинематической схемы известных ВОД микроизгибного типа, соответствующих максимуму динамического диапазона другого. Входные ВС каждого датчика пары подключены к направленному ответвителю, их выходные ВС подключены к отдельным фотоприемникам, выходы которых соединены с входами дифференциального усилителя, причем в обоих каналах антенны дополнительно могут быть установлены один или несколько волоконно-оптических усилителей в соответствии с рабочей длиной волны и требуемыми коэффициентами усиления.

На чертеже изображена принципиальная схема предлагаемого устройства. Оно состоит из направленного ответвителя 1, предназначенного для разделения входного излучения на два оптических канала. В каждом из каналов расположены на равном расстоянии друг от друга оптически соединенные ВОД давления микроизгибного типа. Число датчиков в обоих каналах одинаково. Причем в первом канале размещены ВОД 2 без микроизгибов, а во втором канале - ВОД 3 с предварительно созданными в них микроизгибами. Тем самым акустические датчики 2 и 3 представляют собой фактически парный датчик давления, и стрела прогиба ВС в микроизгибе во втором канале при отсутствии акустического давления равна стреле прогиба ВС в микроизгибе первого канала при наличии акустического давления величиной, соответствующей максимальному значению на краю динамического диапазона. Выходы последних ВОД каждого канала оптически сопряжены с оптическими входами фотоприемников 4 и 5. Подключение направленного ответвителя 1, ВОД 2 и 3 к оптическому кабелю и фотоприемникам 4 и 5 осуществлено посредством, например, оптических разъемов или сварочных стыков. Электрические выходы фотоприемников соединены с входами дифференциального усилителя 6.

Устройство работает следующим образом. Световой сигнал интенсивностью J₀ поступает в направленный ответвитель 1, после которого интенсивностью J_вx=0,5J₀ без учета потерь в ответвителе 1 и отрезках ВС поступает через входные отрезки ВС в оба канала АВОА, соответственно. Далее, пройдя М штук парных акустических ВОД 2 и 3, через выходные отрезки ВС 7 и 8 интенсивностями J₁ и J₂ поступают на два фотоприемника 4 и 5 соответственно. С фотоприемников электрические сигналы I₁ и I₂ поступают на вход дифференциального усилителя 6, разностный выходной сигнал которого величиной Δ I=I₂-I₁ пропорционален величине акустического сигнала, причем величина Δ J_м с каждого датчика нормируется из-за потерь в ВС на величину β =α (L_вод+L) дБ, где L_вод - длина ВС, намотанного на датчик, L - расстояние между датчиками, а α - коэффициент общих потерь в ВС, т.е. Δ I1м

=Δ J_м β ^(M-1), где Δ I1м и Δ J_м - нормированный разностный электрический сигнал и фактический сигнал с М-го парного датчика соответственно. При отсутствии акустического сигнала Δ I=0.

Будем считать также, что спектральная плотность акустического сигнала в диапазоне рабочих частот антенны f=50-1500 Гц, ρ f=const. Длительность зондирующих световых импульсов Δ τ со средней мощностью выбираем из условия Δ τ ≤ Ln_c/c=1/2V_AKn_с/f_Hc, где V_AK - скорость акустического сигнала в данной среде, f_H - низшая частота рабочего диапазона антенны, n_c - показатель преломления сердцевины ВС, с - скорость света в вакууме. Тогда пространственная протяженность зондирующего светового импульса в АВОА будет равна Δ LΔ τ =Δ τ с/n_с и будет выполнено необходимое условие Δ LΔ τ ≤ L. Таким образом, выбор Δ τ лимитирует расстояние между датчиками и наоборот. При этом зондирующий импульс опрашивает только один парный датчик.

Местоположение центра источника акустического сигнала определяется точкой пересечения перпендикуляра к середине отрезка линии антенны, датчики которой фиксируют Δ I_мах, с окружностью радиусом, равным расстоянию затухания d_a акустического сигнала в е раз с центром на датчике, отклик которого I1м

=(1/e)I1max. Для этого начало временной развертки последующего такта прохождения зондирующего импульса при фиксации Δ I запускается синхроимпульсом, который отводится с I₁ и/или I₂ предыдущего такта, причем длительность развертки τ должна быть равной времени прохождения зондирующего импульса всей длины антенны L_вс, т.е. τ =L_всn_c/с.

Вследствие того, что расстояние затухания d_a акустического сигнала зависит от температуры среды, воздуха и от влажности, необходимо периодически определять его с помощью данной антенны, располагая тестирующий источник акустического сигнала вблизи первого парного ВОД.

Известно, что градиентный ВС наиболее пригоден для создания микроизгибных ВОД (см. Волоконная оптика и приборостроение. - Под общ. ред. М.М. Бутусова, Л.: Машиностроение, 1987 г., стр.101-110). Поэтому для данной антенны выбираем микроизгибные ВОД давления на основе градиентного ВС, имеющего ориентировочно следующие параметры: диаметр сердцевины d_с=2а=50 мкм, диаметр оптической оболочки d₀=125 мкм, диаметр защитной оболочки, включая влаго-водонепроницаемый и демпфирующий слои d₃=0,4 мм.

Известно также, что основным недостатком ВОД давления микроизгибного типа является малая величина динамического диапазона, равная 34 дБ. Предлагаемая нами двухканальная схема АВОА со встречным включением и регистрацией сигнала с помощью дифференциального усилителя лишена этого недостатка, т.к. в два раза увеличивается не только динамический диапазон, но и чувствительность устройства. В отсутствие акустического сигнала оба канала антенны сбалансированы, т.е. Δ I=0. При наличии акустического сигнала потери света на возникающих микроизгибах ВС в ВОД первого канала вызывают уменьшение интенсивности света J₁ и, соответственно, тока I₁, в то время как в ВОД второго канала, из-за распрямления предварительно созданных микроизгибов, потери света уменьшаются и, соответственно, возрастает интенсивность света J₂ и ток I₂, так что одинаковые по величине и противоположные по знаку изменения интенсивности света в обоих каналах вызывают удвоение выходного сигнала Δ I.

Предварительное создание микроизгибов ВС и ВОД второго канала осуществляется обращением кинематических схем известных ВОД микроизгибного типа или иным способом так, чтобы динамические диапазоны ВОД обоих каналов были равны по абсолютной величине |D₁|=|D₂|≤ 34 дБ и противоположны по знаку. Таким образом, динамический диапазон предлагаемой антенны в целом будет равен D_A≤68 дБ, т.е. такая система превосходит по этому параметру и по чувствительности все известные акустические ВОД с модуляцией интенсивности и становится сравнима с пьезоэлектрическими датчиками.

Пример 1

Отсутствие адекватного теоретического расчета микроизгибного ВОД заставляет при разработке конкретного устройства опираться на немногочисленные эмпирические данные при выборе основных параметров, таких как тип ВС - градиентный ВС с вышеприведенными геометрическими параметрами. Дополнительно выбираем период микроизгибов Λ =1,1 мм; число микроизгибов на одном витке намотки ВС на цилиндрический сердечник-катушку 50 мкизг/виток; длину намотки ВС по образующей цилиндра l_ц=50 мм; зазор между витками ВС - δ =0,1 мм. Тогда относительная разница показателей преломления в ВС - Δ n=2π²a²/Λ²≈ 0,01, что соответствует слабонаправляющему ВС, длина витка - l_в=mΛ =55 мм. Диаметр сердечника-катушки d_CK=l_в/π ≈ 17,5 мм, число микроизгибов ВОД mΣ =ml_ц/(d₃+δ )=5000 мкизг, длина ВС намотанного на ВОД - L_вод=2l_в l_ц=5,5 м.

а). Рассмотрим АВОА, которая размещена в воздушной среде. Расстояние между ВОД L=0,5V_АК/f_н≈_{3,3 м равно половине величины спектральной области дисперсии антенны в первом порядке дифракции и определяет (характеризует) минимальную разрешаемую способность ее. Выберем рабочую длину волны АВОА λ =0,85 мкм и коэффициент потерь ВС α 0,85=3 дБ/км, среднюю мощность входного лазерного сигнала Рвх=10^-3 Вт. Тогда при отношении сигнал/шум, равном 10, средняя выходная мощность =10^-8 Вт и суммарный динамический диапазон антенны DΣ =10lg =50 дБ. Выделяя 10 дБ на потери в разъемах и/или стыках, получаем, что динамический диапазон антенны Da=DΣ -10=40 дБ, который разбиваем на два слагаемых Dтрассы=21 дБ и Dмкизг=19 дБ. Тогда полная длина ВС антенны LBC=DTP/α =7 км, что хорошо согласуется с длиной между ретрансляторами в ВОЛС. Количество ВОД антенны определяется из уравнения МLВОД+L(М-1)=LBC, и для данного случая M0,85≈796 датчиков. Длина антенны равна LA=L(M-1) и для данного случая соответствует 2623 м. Длина ВС, намотанного на все M датчиков одного канала, равна L¹=MLВОД, и для данного случая L¹≈^{4378 м. Длительность такта τ для nс=1,5 равна 35 мксек. При выбранной длительности зондирующего импульса Δ τ =10-8 сек определяем пространственную протяженность зондирующего светового импульса Δ LΔ τ =2,0 м, что меньше расстояния между ВОД L=3,3 м.}}

При этом мощность в зондирующем импульсе будет равна Р_вх=τ /Δ τ и для данного случая составляет 3,5 Вт. При потерях на сварочном стыке порядка 0,05 дБ возможна сборка антенны из секций по четыре парных ВОД, а при потерях в разъемах порядка 0,5 дБ из - секций по 40 парных ВОД.

В вышеприведенном примере длина АВОА оптимизирована, в то время как динамический диапазон ВОД меньше оптимального – 34 дБ на 15 дБ.

б). Рассмотрим случай, в котором оптимизируем основной параметр ВОД -динамический диапазон, т.е. выбираем D_мкизг=34 дБ. Тогда получаем D_TP=6 дБ. Аналогичным расчетом для той же длины волны получаем, что L_BC=2 км, M_0,85=228, L_A=750 м, L1вод

=1250 м, τ =10 мкс, Р_вх=1,0 Вт.

Для того чтобы АВОА была оптимизирована как по длине, так и по динамическому диапазону, необходимо в схему АВОА включить волоконно-оптический усилитель с общим коэффициентом усиления G_0,85≤ 15 дБ, который может быть реализован на активном волокне с примесью Nd³⁺ в сердцевине (см. X. Гаприндашвили, Ш. Гватуа и др. Исследование свойства активного стекловолокна в режиме усиления. ЖПС, 1972 г., т.17, №24, стр.715-718).

Пример 2

а). При λ =1,3 мкм и α =1 дБ/км и тех же исходных данных из примера 1 следует увеличить величину суммарных потерь на разъемах и/или стыках до 15 дБ из-за увеличения длины ВС антенны и количества ВОД. Тогда получаем, что D_A=35 дБ, а выбирая D_TP=19 дБ и D_мкизг=16 дБ, определяем: L_BC=19 км, M=2160, L_A=7120 м, L_вод=11880 м, τ =95 мкс, Р_вх=9,5 Вт. При тех же значениях потерь на сварочном стыке или разъеме возможна сборка антенны из секций по 7 и 72 ВОД соответственно. Для оптимального варианта данного случая необходимо включить в схему АВОА волоконно-оптический усилитель на активном волокне с примесью Nd³⁺ в сердцевине и общим коэффициентом усиления G_1,3≤_{18 дБ.}

б). При λ =1,55 мкм и α =0,2 дБ/км и тех же исходных данных следует увеличить величину суммарных потерь на разъемах и/или на стыках до 20дБ из-за увеличения длины ВС антенны и количества парных ВОД. Тогда получаем, что D_A=30 дБ, а выбирая D_TP=16 дБ и D_мкизг=14 дБ, определяем L_BC=80 км, M=9091, L_A=30 км, L_вод=50 км, τ =400 мкс, Р_вх=40 Вт.

При тех же значениях потерь на сварочном стыке или разъеме возможна сборка антенны из секций 23 и 230 ВОД соответственно. Следует отметить, что количество ВОД в отдельной секции можно оптимизировать, применяя как сварочные стыки, так и разъемы в обратно пропорциональном соотношении. Для оптимального варианта в данном случае необходимо включить в схему АВОА волоконно-оптический усилитель на активном волокне с примесью Еr³⁺ в сердцевине и общим коэффициентом усиления G_1,55≤_{20 дБ. При разработке конкретной АВОА возможны корректировка и оптимизация отдельных параметров компонент и антенны в целом при условии ввода и обработки всех данных в ЭВМ по специальной программе с возможностями моделирования экстремальных ситуаций.}

Изобретение относится к системам дистанционного измерения статического и акустического давления, приема и пеленгации шумовых и эхолокационных сигналов звуковых, низких звуковых и инфразвуковых частот в гидроакустических системах и сейсмической разведке, в системах охраны объектов на суше и в водной среде. Техническим результатом является использование дополнительного второго канала измерения с функцией уменьшения оптических потерь с ростом интенсивности акустического сигнала, а также обеспечение суммирования выходных сигналов двух каналов измерения. Акустическая волоконно-оптическая антенна (АВОА) для френелевской зоны дифракции, размещенная в газообразной или жидкой среде, содержащая оптический канал, состоящий из входных и выходных многомодовых ВС и соединенных с ними аналогичными световодами распределенными вдоль них ВОД микроизгибного типа, причем используется второй дополнительный оптический канал, в первом канале размещены ВОД без микроизгибов, а во втором канале - ВОД с предварительно созданными в них микроизгибами, входные ВС первых датчиков каждого канала подключены к направленному ответвителю, а выходные ВС последних ВОД каждого канала подключены к отдельным фотоприемникам, выходы которых соединены с входами дифференциального усилителя. 2 з.п.ф-лы, 1 ил.

1. Акустическая волоконно-оптическая антенна (АВОА) для френелевской зоны дифракции, размещенная в газообразной или жидкой среде, содержащая оптический канал, состоящий из входных и выходных многомодовых волоконных световодов (ВС) и соединенных с ними аналогичными световодами, распределенными вдоль них волоконно-оптических датчиков (ВОД) микроизгибного типа, отличающаяся тем, что расстояния между равноудаленными ВОД выбраны равными половине длины волны акустического сигнала на низшей частоте рабочего диапазона с одновременным удовлетворением условию целочисленной кратности длине затухания звука в данной среде, используется второй дополнительный оптический канал, причем в первом канале размещены ВОД без микроизгибов, а во втором канале - ВОД с предварительно созданными в них микроизгибами, причем динамические диапазоны ВОД обоих каналов равны по абсолютной величине и противоположны по знаку, причем входные ВС первых датчиков каждого канала подключены к направленному ответвителю, а выходные ВС последних ВОД каждого канала подключены к отдельным фотоприемникам, выходы которых соединены с входами дифференциального усилителя.2. Акустическая волоконно-оптическая антенна по п.1, отличающаяся тем, что предварительно созданные микроизгибы в одном из ВОД пары осуществлены обращением кинематической схемы известных ВОД микроизгибного типа.3. Акустическая волоконно-оптическая антенна по п.1, отличающаяся тем, что в обоих каналах антенны дополнительно установлены один или несколько волоконно-оптических усилителей в соответствии с рабочей длиной волны и требуемыми коэффициентами усиления.