Устройство обнаружения и регистрации гидроакустических и гидродинамических воздействий Российский патент 2023 года по МПК G01S15/88 

Изобретение относится к области гидроакустики и гидродинамики в части обнаружения и регистрации естественного гидродинамического поля Мирового океана, гидроакустических и гидродинамических полей, создаваемых движением подводных и надводных объектов, в том числе в инфразвуковом диапазоне от нуля до 1 Гц, а также сейсмологии и гравитационных измерений.

Известна [1] система обнаружения и регистрации гидроакустических и гидродинамических воздействий состоящая из приемного модуля в котором размещены катушка с намотанным на нее изотропным одномодовым оптоволокном 1 (волоконно-оптическая катушка), два выхода которой поступают на ответвитель 2 (делитель на 2, X типа), расположенные в приемном модуле 3, оптоэлектронный модуль 4, состоящий из источника питания 5, лазерного источника света 6, фотоприемника (фотодетектора) 7, регистратора 8, преобразователя 9 и вычислителя 10 фиг. 1 (прототип).

Чувствительность прототипа определяется количеством витков оптоволокна N в катушке с намотанным на нее изотропным одномодовым оптоволокном 1, длина волокна исчисляется десятками километров, что требует повышения мощности лазера и увеличения габаритов самой оптической катушки, что затрудняет ее применение в устройствах с ограниченным запасом пространственного объема и источников питания, например торпеда.

Техническим результатом являются повышение чувствительности системы прототипа.

Технический результат обеспечиваются за счет применения акустической экранировки половины акустической катушки.

Система обнаружения и регистрации гидроакустических и гидродинамических воздействий представленная на фиг. 2 состоящая из приемного модуля в котором размещены катушка с намотанным на нее изотропным одномодовым оптоволокном 1, два выхода которой поступают на ответвитель 2 (делитель на 2, X типа), оптоэлектронный модуль 4, состоящий из источника питания 5, лазерного источника света 6, фотоприемника 7, регистратора 8, преобразователя 9 и вычислителя 10, отличающаяся тем что для повышения чувствительности, одна из сторон оптической катушки покрывается материалом 11, поглощающим энергию упругих волн, в результате ток фотодетектора приемника становится равным:

где S_i интегральная чувствительность фотодиода, N количество витков оптической катушки, Ф световой поток обратной волны из оптического кольца пропорциональный энергии смешанной волны, Е_СВ - энергия смешанной оптической волны, поступающей через оптический делитель на 2 «X типа» на фотодетектор и зависящей от диаметра катушки - Д и коэффициента качества экранирования упругих волн - К

Физика работы устройства

В случае отсутствия внешней упругой волны (УВ) сформированная в оптической кольцевой катушке стоячая световая волна не передает энергию назад в фотодетектор.

В случае присутствия УВ на фиг. 3 изображены 1 - волоконно-оптическая катушка как один виток, 12 - прямая оптическая волна (по часовой стрелке), 13 - обратная оптическая волна (против часовой стрелки), V_УВ - вектор скорости упругой волны, в каждой точке оптического волокна она может быть разложена на 2 ортогональные составляющие - продольную (вдоль оси OZ) со скоростью Vyвz, которая изменяет скорость прямой и обратной световой волны в противоположные стороны, и поперечную (вдоль оси ОХ) со скоростью Vувх которая изменяет шаг решетки в поперечном сечении оптоволокна и тем самым изменяя удельное сопротивление волокна, но одинаково по отношению как к прямой, так и обратной оптических волн, которые действуют на кристаллическую решетку кварцевого стекла оптоволокна, причем в соответствии с [2] «для акустических волн при их воздействии решетка колеблется как сплошная среда», а значит вектор скорости УВ в направлении оси OZ в левой половине витка, будет ускорять одну из световых волн (на фиг. 3 более толстая стрелка 12), а другую на столько же замедлять (на фиг. 3 более тонкая стрелка 13), следовательно результирующая световая волна становиться смешанной с вектором Есм, направленом вверх, причем в правой части витка ее энергия направлена противоположно левой - вниз, т.е. действие УВ на характер оптической волны в оптической катушке компенсируется, за исключением разности длин в витках катушки которая может быть представлена спиралью Архимеда, а разность в длине витков как Δl, а не скомпенсированная часть энергии смешанной волны поступает назад в делитель и с него на вход фото диода. Общий фототок на выходе фотодетектора вызываемый обратным световым потоком оптического кольца Ф(Е_СМ) будет равен:

где S_i интегральная чувствительность фотодиода, Ф световой поток обратной волны из оптического кольца пропорциональный энергии смешанной волны - Есв(Δl) которая пропорциональна разности хода в каждом витке катушки - Δl, N - количество витков оптической катушки.

На фиг. 4 представлено устройство оптической катушки, обеспечивающей повышенную чувствительность за счет покрытия одной (правой) из ее сторон материалом поглощающем упругие волны, при этом в левой стороне катушки формируется смешанная волна (Есв≠0), а справа нет воздействия УВ, а общий фототок на выходе фото детектора вызываемый обратным световым потоком оптического кольца Ф(Е_СМ) для оптической катушки с N витками будет равен:

где Д - диаметр оптической катушки, К - коэффициент качества поглощения упругих волн материала поглотителя.

Таким образом, чувствительность предлагаемого устройства по сравнению с прототипом будет тем больше, чем больше отношение диаметра оптической катушки к разности длин в спирали Архимеда прототипа (Д<<Δl), а также качеством применяемой технологии по экранировке от упругих волн.

В качестве примера на фиг. 5 дополнения к графическим материалам, представлен вариант недоработанного устройства, а на фиг. 6 - доработанное устройство, где в качестве поглощающего материала применен слоистый материал, состоящий из 3-х слоев резины, алюминиевой и свинцовой фольги. Результаты по изменению чувствительности устройства 14 - без покрытия, 15 - один слой покрытия и 16 - 3 слоя покрытия представлены на фиг. 7, представлены спектрограммами одного и того же музыкального произведения с выхода устройства. Повышение чувствительности прототипа до 40 дБ на частотах от 0 до 500 Гц, обеспечивается при сохранении практически прежних размеров в соответствии с фиг. 5 и 6.

Примечание - Чувствительность датчика измерялась с использованием программы Sound Forge Pro 11.0, датчик звука - сотовый телефон на фиксированной громкости (максимальной) проводилась запись звука (Creedence Keep on Chooglin) 10 мин., дальность до одного края датчика (не экранированного) 10 см.

Литература:

1. Патент РФ №2587523.

2. Е.В. Ушакова Введение в физику твердого тела: Конспект лекций. СПб. 2015 стр. 68.

Использование: изобретение относится к области гидроакустики и гидродинамики, а также сейсмологии и гравитационных измерений. Сущность: предлагается устройство системы обнаружения и регистрации гидроакустических и гидродинамических воздействий, состоящее из приемного модуля, в котором размещены катушка с намотанным на нее изотропным одномодовым оптоволокном, два выхода которой поступают на ответвитель (делитель на 2, X типа), расположенные в приемном модуле, оптоэлектронный модуль, состоящий из источника питания, лазерного источника света, фотоприемника, регистратора, преобразователя и вычислителя, отличающееся тем, что для повышения чувствительности одна из сторон оптической катушки покрывается материалом, поглощающим энергию упругих волн. Технический результат: повышение чувствительности устройства. 7 ил.

Устройство обнаружения и регистрации гидроакустических и гидродинамических воздействий, состоящее из приемного модуля, в котором размещены катушка с намотанным на нее изотропным одномодовым оптоволокном, два выхода которой поступают на ответвитель (делитель на 2, X типа), расположенные в приемном модуле, оптоэлектронный модуль, состоящий из источника питания, лазерного источника света, фотоприемника, регистратора, преобразователя и вычислителя, отличающееся тем, что для повышения чувствительности одна из сторон оптической катушки покрывается материалом, поглощающим энергию упругих волн, в результате ток фотодетектора приемника становится равным:

где S_i - интегральная чувствительность фотодиода, N - количество витков оптической катушки, Ф - световой поток обратной волны из оптического кольца, пропорциональный энергии смешанной волны, Е_СВ - энергия смешанной оптической волны, поступающей через оптический делитель на 2 X типа на фотодетектор и зависящей от диаметра катушки - Д и коэффициента качества экранирования упругих волн - К.