Способ регистрации акустической волны Советский патент 1993 года по МПК G01S3/80 

00

ON

О

N

Изобретение относится к акустике. Цель изобретения - повышение быстродействия определения параметров акустического поля за счет выполнения пространственного преобразования Фурье в самих датчиках. Это достигается тем, что акустическим полем воздействуют на систему датчиков, выполненную в виде развернутого в прямую линию оптического кабеля, состоящего из волоконных световодов, каждый из которых имеет распределение по длине кабеля коэффициента чувствительности к акустическому давлению к, достигаемому оболочкой волоконного световода, апроксимируемое выражением к KO +кп cos (di z ) , где di - заданные параметры; лы , /CD , р - параметры апроксимации; z- текущая координата вдоль линии кабеля; i - порядковый индекс световода. В световоды подают когерентный свет от лазера и регистрируют изменение фазы измерителем фазы оптического сигнала, светового потока в каждом световоде, как функцию времени Аде (t). Осуществляют временный спектральный анализ полученных сигналов анализатором спектра. По величине СУ- гармоники сигнала, полученного из 1-го световода, определяют амплитуду плоской составляющей акустической волны с частотой (а и направлением распространения, составляющим угол в с линией кабеля, определяемый выражением в arccos (djv/ со), где v - скорость распределения акустической волны. 1 ил. ел с

Изобретение относится к акустике, а именно к способам регистрации и определения параметров акустического поля, излучаемого сторонними источниками.

Цель изобретения - повышение быстродействия определения параметров акустического поля за счет автоматического выполнения пространственного преобразования Фурье в самых датчиках.

Поставленная цель достигается тем, что в известном способе регистрации акустической волны путем воздействия акустическим полем на систему датчиков и определения амплитуд отдельных пространственно-частотных компонент акустической волны по результатам обработки регистрируемых с датчиков сигналов. В заявленном способе воздействия акустическим полем осуществляют на систему

датчиков, выполненную в виде развернутого в прямую линию оптического кабеля, состоящего из волоконных световодов, каждый из которых имеет распределение по длине кабеля коэффициента чувствительное и к акустическому давлению Л|, аппроксимируемое выражением к (z) /сы + н cos (di г + р), где di заданные параметры KO , кц , fl параметры аппроксимации, z - текущая координата вдоль линии кабеля, I - порядковый индекс световода, подают когерентный свет в упомянутые световоды и регистрируют изменение фазы светового потока в каждом световоде как функцию времени Дде(т), осуществляют временной спектральный анализ полученных сигналов, по величине (О- гармоники сигнала, полученного из I - того световода определяют амплитуду плоской составляющей акустической волны с частотой (О и направлением распространения, составляющим угол в с линией кабеля, определяемый выражением 0 arccos (div (ft))), где v - скорость распространения акустической волны.

Заявленный способ основан на особенностях воздействия акустического давления на механические и эластооптические свойства протяженных оптических световодов с распределенными параметрами. Эти особенности заключаются в том, что изменение оптической длины таких световодов под действием акустического давления происходит неодинаково по длине световода. На каждом бесконечно малом участке световода удельное изменение оптической длины определяется как мгновенным значением акустического поля в данной точке волокна р(г, т.), так и значением коэффициента чувствительности световода к акустическому давлению в этой точке кабеля к (z) и пропорциональное их произведению. Изменение оптической длины световода в целом под действием акустического поля в каждый момент времени определяется суммированием удельных изменений оптической длины во всех точках волокна и

пропорционально J p(ziz) к (z) dz, где L длина оптического кабеля. В заявленном способе изменение оптической длины световода в целом под действием акустического поля измеряется путем подачи в световод когерентного света и регистрацией изменения разности Фаз A(t) как функции времени. Поскольку распределение коэффициента чувствительности к акустическому давлению по длине кабеля в способе выбрано определенным ot3pa3OM. то регистрируемые со световодов сигналы А у (т) определяются

интегралами вида J p(r,t) хц cos (diz) dz, т.е.

представляют собой di компоненту пространственного преобразования Фурье акустического поля по координате, направленной вдоль линии оптического кабеля.

Таким образом, каждый световод в заявляемом способе обладает собственной диаграммой направленности при приеме

гармонических акустических волн. В общем случае временной спектральный анализ позволяет получить набор спектров сигналов из каждого канала. При этом (О- гармоника сигнала, полученного из I канала, оказывается пропорциональной амплитуде плоской составляющей воздействующего на систему акустического поля с собственной частотой а) и направлением распространения, составляющим угол в arccos (div (ш)) с линией оптического кабеля. Угол в данном случае может изменяться от 0 до я /2 рад.

Докажем существенность признаков. Воздействие акустическим полем на систему датчиков, выполненную в виде развернутого в прямую линию оптического кабеля, определяет необходимую геометрию взаимодействия акустического поля с системой датчиков. Выбор в кабеле таких оптических световодов, каждый из которых имеетсобственное распределение по длине кабеля коэффициента чувствительности к акустическому давлению к аппроксимируемое выражением ACI (t) к0 + KM cos (di z + f) , где di - за-данные параметры, АЫ . «Mi, рг параметры

аппроксимации, z - текущая координата вдоль линии кабеля, I - порядковый индекс световода, позволяет сформировать для каждого волокна свою диаграмму направленности для приема плоских компонент

акустического поля и автоматически разделить суммарное воздействие на независимых составляющих. Подача когерентного света в пучок световодов необходима для регистрации изменения оптических свойств

световодов под действием акустического поля, а также для интегрирования результатов этого воздействия в различных точках световода по всей длине световода. Регистрация изменения фазы светового потока как

функции времени позволяет выделить из оптического фазомодулированного сигнала полезный сигнал, содержащий-информацию о воздействии акустического поля на данный световод. Временной спектральный

анализ этих сигналов необходим для получения полного набора о- гармоник сигналов, каждая из которых пропорциональна амплитуде соответствующей плоской составляющей акустического поля.

Таким образом, каждый из признаков необходим, а все вместе они достаточны для достижения поставленной цели.

Только вся совокупность заявленных признаков в результате их взаимодействия позволила выявить новое свойство, состоящее в избирательности воздействия плоских составляющих акустического поля на суммарное изменение оптической длины оптического световода с коэффициентом чувствительности, распределенным подлине световода по гармоническому закону. Это, в свою очередь, привело к достижению нового положительного эффекта, изложенного в цели изобретения - экспрессности и упрощении способа регистрации акустической волны за счет автоматического выполнения пространственного преобразования Фурье в самих датчиках.

Пример. Предложенный способ мо- жет быть реализован для регистрации гидроакустической волны, создаваемой в точке наблюдения четырьмя независимыми излучателями, расположенными от нее на большом расстоянии (более 5 км).

На чертеже приведена блок-схема приспособления.

Приспособление содержит оптический кабель 1, волоконный световод 2, оболочка 3 волоконного световода, лазер 4, измери- тель 5 фазы оптического сигнала, анализатор 6 спектра.

Излучатели имеют следующие параметры vm (От/In- частота излучения, 0т - угол между направлением на излучатель и выбранной на поверхности бассейна осью

z):

Суммарное гидроакустическое поле от четырех источников имеет следующие распределения по оси в точке наблюдения:

P(Z-t)2) PmCOSt T,(),/

m

где v 1500 м/с - скорость звука в воде, Рт -амплитуда звуковой волны от m-того излучателя в точке наблюдения.

Этим полем воздействуют на систему трех датчиков, выполненных в виде вытянутых вдоль оси параллельных волоконных световодов 2, изготовленных специальным образом. Длина световодов 2-300 м. При производстве этих световодов 2 на них нанесена двуслойная защитная оболочка 3.

5 0 5

0 5

0

5

0

5

0

Толщина каждого слоя оболочки 3 неравномерна по длине светоЁода 2 и определена в каждой точке zl-того световода 2 по известной зависимости коэффициента чувствительности световода 2 к давлению А от толщины слоев оболочки 3, таким образом, чтобы этот коэффициент изменялся по длине световода 2 по гармоническому закону с пространственной частотой di, где di О, d2 0,3628, da 1,878 . Таким образом, получаются световоды 2 каждый из которых имеет распределение коэффициента чувствительности к акустическому давлению со следующими параметрами:

рад

к, 4 (1 +cos(diz+v i) -----

мкПа м

где z - координата вдоль линии световода (изменяется от 0 до 300 м), р - несущественный произвольный параметр.

В данные световоды 2 подают когерентный свет гелий-неонового лазера 4 ЛГН208Б мощностью 1 мВт в каждый световод. Воздействие акустического поля на волоконные световоды 2 приводит к тому, что фаза когерентного света лазера на выходе из каждого световода модулируется определенным образом.

Измерение модуляции фаз проводится в каждом световоде 2 измерителем фазы оптического сигнала 5 по известному способу преобразования оптического сигнала в электрический, основанному на эффекте нестационарной ЭДС в кристалле CaAs (полуизолированный). Этот способ позволяет преобразователь линейным образом фазо- модулированный оптический сигнал A(t) в амплитудный электрический U(t) с коэффициентом преобразования К 30 мВ/рад. Сигнал Ui(t), полученные с каждого канала, подают на многоканальный анализатор спектра 6 типа СК4-72 и восстанавливают составляющие временного спектра этих сигналов анализатором спектра 6.

Поскольку, как следует из вышеизложенного

и|(в)-(ЗОМ.)(4- )/f I +co(d,n-p)x х Р (i. i) dz ((УКЛэм)

то измеренные значения гармоник сигналов

Ui(t) пропорциональны соответствующим амплитудам плоских составляющих акустической волны. При этом по величине (о- гармоники сигнала, полученного из 1-того световода определя ют амплитуду плоской со- ставляющей акустической волны с частотой а) и направлением распространения, составляющим угол 0с линией кабеля, определяемый выражением 0 arc.cos (di, v /со), где v

- скорость распространения акустической волны. В нашем примере

мй

Ui(ft)i) 360 | Pr и2(й2)180 | Р2 и2( Рз

Ua(uM)186 | Р4

Таким образом, определены плоские составляющие акустического поля, создаваемого четырьмя независимыми источниками.

Из примера конкретной реализации хорошо видно, что при наличии оптического кабеля 1 с заданными свойствами, реализация способа не представляет особого труда. Этот способ более прост и отличается большим быстродействием по сравнению с известными.

Формула изобретения

Способ регистрации акустической волны путем воздействия акустическим полем на систему датчиков и определения амплитуд отдельных пространственно-частотных компонент акустической волны по результатам обработки регистрируемых с датчиков сигналов, отличающийся тем, что, с целью повышения быстродействия определения параметров акустического поля за

0

5

0

5

0

счет выполнения пространственного преобразования Фурье в самих датчиках, воздействие акустическим полем осуществляют на систему датчиков, выполненную в виде развернутого в прямую линию оптического кабеля, состоящего из волоконных световодов, каждый из которых имеет распределение по длине кабеля коэффициента чувствительности к акустическому давлению к, аппроксимируемое выражением

Я (z) лы + И cos (di г + р), где di - заданные параметры;

Ко, ян , р( - параметры аппроксимации;

г - текущая координата вдоль линии кабеля;

i - порядковый индекс световода, подают когерентный свет в упомянутые световоды и регистрируют изменение фазы светового потока в каждом световоде как функцию времени А (t), осуществляют временной спектральный анализ полученных сигналов, по величине со - гармоники сигнала, полученного из 1-го световода, определяют амплитуду плоской составляющей акустической волны с частотой о; и направлением распространения, составляющим угол с линией кабеля, определяемый выражением 0 arccos (di v(u)), где v - скорость распространения акустической волны.

F

ьо