RU2060597C1

RU2060597C1 - Fiber-optical submarine detector

Info

Publication number: RU2060597C1
Application number: RU93029514A
Authority: RU
Inventors: Ю.Н. Власов; В.К. Маслов; С.В. Сильвестров
Priority date: 1993-03-24
Filing date: 1993-03-24
Publication date: 1996-05-20

Abstract

FIELD: hydroacoustics. SUBSTANCE: device has coherent light source, locating and reference coils of first and second interferometers, two phase shifters, one of which is located in an optical arm of corresponding interferometer, two photodetectors, which are matched against fiber coils of corresponding interferometers. One correlator, which output is connected to recorder, first input is connected to first photodetector through delay line and is connected to second photodetector directly. Locating coils of interferometers are mounted coaxial and are spaced from one another by given distance. EFFECT: increased functional capabilities. 2 cl, 3 dwg

Description

Изобретение относится к гидроакустике и может быть использовано для измерений уровней звукового давления различных гидроакустических сигналов в натурных водоемах и лабораторных гидроакустических бассейнах. The invention relates to sonar and can be used to measure sound pressure levels of various sonar signals in natural reservoirs and laboratory hydroacoustic pools.

Известен оптико-волоконный гидрофон [1] работа которого основана на изменении коэффициента отражения света на границе оптический волновод жидкая среда под действием акустической волны. Known optical fiber hydrophone [1] whose work is based on a change in the light reflection coefficient at the interface of an optical waveguide liquid medium under the influence of an acoustic wave.

Недостатком известного гидрофона является влияние на его работу изменений физических параметров жидкой среды: температуры, солености, давления. A disadvantage of the known hydrophone is the effect on its operation of changes in the physical parameters of the liquid medium: temperature, salinity, pressure.

Известен оптико-волоконный гидрофон, содержащий когерентный источник света, первый и второй фотоприемники, предметную и опорную волоконные катушки первого интерферометра, первое фазосдвигающее устройство, установленное в одном из оптических плеч первого интерферометра, и регистратор [2]
Данный оптико-волоконный гидрофон интерференционного типа принят за прототип. Расположив предметную и опорную катушки интерференционного гидрофона в жидкой среде и воздействуя акустическими волнами только на предметную катушку волоконного интерферометра, можно избавиться от недостатка аналогов [1] заключающегося во влиянии на результаты измерений гидрофизических параметров жидкой среды.Known optical fiber hydrophone containing a coherent light source, the first and second photodetectors, subject and reference fiber coils of the first interferometer, the first phase shifter installed in one of the optical arms of the first interferometer, and a recorder [2]
This optical fiber interference-type hydrophone is adopted as a prototype. By positioning the object and reference coils of the interference hydrophone in a liquid medium and acting on the object coil of the fiber interferometer with acoustic waves, one can get rid of the lack of analogues [1], which consists in influencing the measurement results of the hydrophysical parameters of the liquid medium.

Однако прототипу [2] (также как и аналогу) присущи недостатки, заключающиеся во влиянии на результаты измерений мелкомасштабных пульсаций гидрофизических параметров среды, например пульсаций плотности, температуры, солености. However, the prototype [2] (as well as the analogue) has inherent disadvantages in that it affects the measurement results of small-scale pulsations of the hydrophysical parameters of the medium, for example, pulsations of density, temperature, salinity.

Техническим результатом, который может быть получен при реализации изобретения, является устранение влияния на результаты измерений гидрофизических помех, пульсационного характера. The technical result that can be obtained by implementing the invention is to eliminate the influence on the measurement results of hydrophysical interference, pulsating nature.

Данный технический результат достигается тем, что в известный оптико-волоконный гидрофон, содержащий когерентный источник света, первый и второй фотоприемники, предметную и опорную волоконные катушки первого интерферометра, первое фазосдвигающее устройство, установленное в одном из оптических плеч первого интерферометра, и регистратор, введены линия задержки, коррелятор, предметная и опорная волоконные катушки второго интерферометра, второе фазосдвигающее устройство, установленное в одном из плеч второго интерферометра, причем когерентный источник света оптически согласован с предметными и опорными волоконными катушками обоих интерферометров, предметная катушка первого интерферометра расположена на заданном расстоянии от предметной волоконной катушки второго интерферометра соосно ей, первый фотоприемник оптически согласован с волоконными катушками первого волоконного интерферометра и подключен через линию задержки к первому входу коррелятора, второй фотоприемник оптически согласован с волоконными катушками второго интерферометра и подключен к второму входу коррелятора, выход которого соединен с регистратором. This technical result is achieved by the fact that in the known optical fiber hydrophone containing a coherent light source, the first and second photodetectors, the subject and reference fiber coils of the first interferometer, the first phase shifter installed in one of the optical arms of the first interferometer, and the recorder, a line is introduced delays, correlator, subject and reference fiber coils of the second interferometer, a second phase-shifting device installed in one of the arms of the second interferometer, where the rental light source is optically matched with the subject and reference fiber coils of both interferometers, the subject coil of the first interferometer is coaxial with the subject fiber coil of the second interferometer, the first photodetector is optically aligned with the fiber coils of the first fiber interferometer and connected through the delay line to the first input of the correlator , the second photodetector is optically matched to the fiber coils of the second interferometer and connected to the second input an ode to the correlator whose output is connected to the recorder.

Предметные волоконные катушки обоих интерферометров могут быть закреплены на внешней поверхности введенной полой конусной подложки, а опорные волоконные катушки на ее внутренней поверхности. Subject fiber coils of both interferometers can be mounted on the outer surface of the inserted hollow conical substrate, and the support fiber coils on its inner surface.

На фиг.1 представлена принципиальная схема оптико-волоконного гидрофона; на фиг. 2 вариант выполнения монтажной схемы гидрофона; на фиг.3 временная диаграмма, поясняющая работу гидрофона. Figure 1 presents a schematic diagram of an optical fiber hydrophone; in FIG. 2 embodiment of a wiring diagram of a hydrophone; figure 3 is a timing chart explaining the operation of the hydrophone.

Оптико-волоконный гидрофон содержит два волоконных интерферометра, каждый из которых включает предметные волоконные катушки 1, 2 и опорные волоконные катушки 3, 4, оптически связанные с когерентным источником света 5 (например, полупроводниковым лазером) через выходные оптические устройства 6, 7. Длина волокон в предметных и опорных катушках по возможности выбирается одинаковой. An optical fiber hydrophone contains two fiber interferometers, each of which includes object fiber coils 1, 2 and reference fiber coils 3, 4, optically coupled to a coherent light source 5 (for example, a semiconductor laser) through output optical devices 6, 7. Fiber length in subject and support coils, if possible, the same is selected.

Каждый из интерферометров включает также фотоприемники 8, 9 (например, фотодиоды), оптически связанные с волоконными катушками 1, 2, 3, 4 через выводные оптические устройства 10, 11. Опорные волоконные катушки содержат фазосдвигающие устройства 12, 13, выполненные, например, в виде пьезоцилиндров, на боковую поверхность которых с натягом намотана часть волокна опорной катушки. Each of the interferometers also includes photodetectors 8, 9 (for example, photodiodes) optically coupled to the fiber coils 1, 2, 3, 4 through the output optical devices 10, 11. The reference fiber coils contain phase-shifting devices 12, 13, made, for example, in in the form of piezocylinders, on the lateral surface of which a portion of the support coil fiber is wound tightly.

Предметные волоконные катушки 1, 2 расположены соосно (фиг.2) и на известном расстоянии l друг от друга. Опорные волоконные катушки 3, 4, располагающиеся в исследуемой среде, защищены звуконепрозрачным экраном 14. Subject fiber coils 1, 2 are located coaxially (figure 2) and at a known distance l from each other. Support fiber coils 3, 4 located in the test medium are protected by a soundproof screen 14.

Выходы фотоприемников 8, 9 подключены к двум входам коррелятора 15, причем выход фотоприемника 9 подключен к входу коррелятора 15 через линию 16 задержки. Выход коррелятора 15 соединен с входом регистратора 17. The outputs of the photodetectors 8, 9 are connected to two inputs of the correlator 15, and the output of the photodetector 9 is connected to the input of the correlator 15 through the delay line 16. The output of the correlator 15 is connected to the input of the registrar 17.

Оптические элементы 1, 3, 5, 7, 9, 11, 13 образуют первый волоконный интерферометр с предметным (1) и опорным (3) оптическими плечами. Оптические элементы 2, 4, 5, 6, 8, 10, 12 образуют второй волоконный интерферометр с аналогичными оптическими плечами (2, 4). Фазосдвигающие устройства 12, 13 располагаются вне исследуемой среды. The optical elements 1, 3, 5, 7, 9, 11, 13 form the first fiber interferometer with a subject (1) and a reference (3) optical arms. Optical elements 2, 4, 5, 6, 8, 10, 12 form a second fiber interferometer with similar optical arms (2, 4). Phase shifting devices 12, 13 are located outside the medium under study.

В частном случае предметные волоконные катушки 1, 2 интерферометров располагают на внешней поверхности полого конуса 18 (фиг.2), а опорные 3, 4 на внутренней поверхности этого же полого конуса 18. В этом случае первая катушка 1 не экранирует от акустических волн вторую катушка 2, а опорные катушки 3, 4 полностью экранируются от акустических волн, но при этом находятся в той же среде, что и предметные катушки 1, 2. In the particular case, the object fiber coils 1, 2 of the interferometers are located on the outer surface of the hollow cone 18 (Fig. 2), and the reference 3, 4 on the inner surface of the same hollow cone 18. In this case, the first coil 1 does not shield the second coil from acoustic waves 2, and the support coils 3, 4 are completely shielded from acoustic waves, but are in the same environment as the object coils 1, 2.

Длина волокна в предметных катушках выбирается одинаковой. The length of the fiber in the subject coils is chosen the same.

Оптико-волоконный гидрофон работает следующим образом. Ориентируют гидрофон в жидкой среде таким образом, чтобы предметная катушка 1 располагалась первой по отношению к распространяющимся вдоль оси ОО' (фиг.2) звуковым волнам. С помощью фазосдвигающих устройства 12, 13 устанавливают начальную разность фаз между интерферирующими лучами в каждом из интерферометров такой, чтобы рабочая точка А (фиг.3) на выходных кривых 19 интерферометров устанавливалась в месте наибольшей кривизны и линейности. Optical fiber hydrophone works as follows. The hydrophone is oriented in a liquid medium so that the object coil 1 is located first with respect to the sound waves propagating along the axis OO '(FIG. 2). Using phase shifting devices 12, 13, the initial phase difference between the interfering rays in each of the interferometers is set so that the operating point A (Fig. 3) on the output curves 19 of the interferometers is set in the place of greatest curvature and linearity.

Устанавливают время задержки линии 16 задержки равной t l/c, где с скорость звука. Set the delay time of the delay line 16 equal to t l / c, where c is the speed of sound.

Звуковая волна 20, воздействуя поочередно на предметные волоконные катушки 1, 2, вызывает сжатие волокон катушки и изменение их показателя преломления и длины. При этом начальная разность фаз между интерферирующими лучами изменяется и на выходах интерферометров через время t l/с появляются сигналы 21 и 22 (фиг.3). The sound wave 20, acting alternately on the subject fiber coils 1, 2, causes the compression of the coil fibers and a change in their refractive index and length. In this case, the initial phase difference between the interfering rays changes and the signals 21 and 22 appear at the outputs of the interferometers after a time t l / s (Fig. 3).

Одновременно с полезным сигналом 20 на вход оптико-волоконного гидрофона поступают многочисленные пульсационные гидрофизические помехи, также вызывающие на выходах интерферометров сигналы. Однако появление гидрофизических помех на входах интерферометров носит случайный характер. Так если гирофон расположен в потоке жидкости или перемещается относительно ее со скоростью v, то сигнал, относящийся к помехе, появится на выходе второго интерферометра через время t₁l/v после его появления на выходе первого интерферометра. Исходя из этого полезный сигнал 20 можно легко выделить из помех с помощью коррелятора 15 и линии 16 задержки и зарегистрировать регистратором 17.Simultaneously with the useful signal 20, numerous pulsating hydrophysical disturbances are received at the input of the fiber-optic hydrophone, which also cause signals at the outputs of the interferometers. However, the appearance of hydrophysical interference at the inputs of interferometers is random. So if the gyrophone is located in the fluid flow or moves relative to it at a speed v, then the signal related to the interference will appear at the output of the second interferometer after a time t ₁ l / v after it appears at the output of the first interferometer. Based on this, the useful signal 20 can be easily extracted from the interference using the correlator 15 and the delay line 16 and registered with the registrar 17.

Гидрофизические помехи стационарного характерна (или крупномасштабные пульсации гидрофизических параметров) не будут оказывать влияния на результаты измерений гидрофона, поскольку предметные 1, 2 и опорные 3, 4 волоконные катушки интерферометров находятся в одной и той же жидкой среде. The hydrophysical disturbances of a stationary characteristic (or large-scale pulsations of hydrophysical parameters) will not affect the hydrophone measurement results, since the object 1, 2 and reference 3, 4 fiber coils of the interferometers are in the same liquid medium.

Таким образом, оптико-волоконный гидрофон позволяет измерять уровень давления гидроакустических волн не только в лабораторных, но и в натурных условиях в присутствии многочисленных гидрофизических помех. Thus, the fiber-optic hydrophone allows you to measure the pressure level of hydroacoustic waves, not only in laboratory but also in natural conditions in the presence of numerous hydrophysical interference.

Claims

An optical fiber hydrophone containing a coherent light source, first and second photodetectors, object and reference fiber coils of the first interferometer, a first phase shifter installed in one of the optical arms of the first interferometer, a recorder, characterized in that a delay line is introduced into it, a correlator, the subject and reference fiber coils of the second interferometer, the second phase shifter installed in one of the optical arms of the second interferometer, the coherent light source being optically aligned with the subject and reference fiber coils of both interferometers, the subject fiber coil of the first interferometer is located at a predetermined distance from the subject fiber coil of the second interferometer coaxially with it, the first photodetector is optically aligned with the fiber coils of the first fiber interferometer and connected through the delay line to the first input of the correlator, the second photodetector is optically matched to the fiber coils of the second interferometer and is connected to the second input of the correl a torch whose output is connected to the recorder.

2. The hydrophone according to claim 1, characterized in that the subject fiber coils of both interferometers are mounted on the outer surface of the inserted hollow conical substrate, and the reference fiber coils on its inner surface.