RU2107282C1 - Fiber-optic interferometer for underwater investigations - Google Patents
Fiber-optic interferometer for underwater investigations Download PDFInfo
- Publication number
- RU2107282C1 RU2107282C1 RU94040286A RU94040286A RU2107282C1 RU 2107282 C1 RU2107282 C1 RU 2107282C1 RU 94040286 A RU94040286 A RU 94040286A RU 94040286 A RU94040286 A RU 94040286A RU 2107282 C1 RU2107282 C1 RU 2107282C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- interferometer
- fiber
- output
- recorder
- analog
- Prior art date
Links
Images
Landscapes
- Measurement Of Mechanical Vibrations Or Ultrasonic Waves (AREA)
- Measuring Temperature Or Quantity Of Heat (AREA)
- Investigating Or Analyzing Materials By The Use Of Ultrasonic Waves (AREA)
Abstract
Description
Изобретение относится к технической физике и может быть использовано в гидрофизике для измерения гидроакустических и гидрологических параметров в натурном водоеме. The invention relates to technical physics and can be used in hydrophysics to measure hydroacoustic and hydrological parameters in a natural reservoir.
В настоящее время в гидроакустике нашел применение волоконно- оптический интерферометр Саньяка (ВОИС), применяемый ранее лишь в качестве детектора угловой скорости в инерциальном пространстве [1]. At present, the Sagnac fiber-optic interferometer (WIPO), previously used only as a detector of angular velocity in inertial space, has found application in hydroacoustics [1].
Применение ВОИС в качестве преобразователя гидроакустических параметров возможно при выполнении двух условий: 1) возмущение воздействует на волоконное кольцо интерферометра ассимметрично относительно его середины и 2) возмущение изменяется во времени. При этом в отличии от традиционно применяемых интерферометров, ВОИС проявляет увеличение чувствительности с ростом частоты изменения амплитуды возмущения. The use of WIPO as a transducer of hydroacoustic parameters is possible under two conditions: 1) the disturbance acts on the fiber ring of the interferometer asymmetrically relative to its middle and 2) the disturbance changes over time. Moreover, in contrast to the traditionally used interferometers, WIPO exhibits an increase in sensitivity with an increase in the frequency of change in the amplitude of the disturbance.
Известен ВОИС, выполненный в виде оптически согласованных источника когерентного света, волоконного кольца, фазового модулятора (фазосдвигающего устройства) и фотодетектора [2]. Часть волоконного кольца известного ВОИС свернута в опорную волоконную катушку, а другая часть - в предметную катушку. При этом с одной из частей волокна снимают акустически чувствительную оболочку и делают его нечувствительным к воздействию акустических волн. Known WIPO, made in the form of an optically matched source of coherent light, a fiber ring, a phase modulator (phase shifting device) and a photodetector [2]. A part of the fiber ring of the known WIPO is folded into a support fiber coil, and the other part into an object coil. In this case, an acoustically sensitive sheath is removed from one of the fiber parts and makes it insensitive to the effects of acoustic waves.
Недостатком аналога [2] является его недостаточно высокая чувствительность к полезному сигналу из-за большого влияния посторонних помех. The disadvantage of the analogue [2] is its insufficiently high sensitivity to the useful signal due to the large influence of extraneous interference.
Большей чувствительностью обладает ВОИС для морских исследований дифференциального типа, выполненный на основе линейного 3х3 ответвителя [3], принятый за прототип. WIPO has greater sensitivity for marine research of a differential type, made on the basis of a linear 3x3 coupler [3], adopted as a prototype.
Прототип содержит оптически согласованные в однокольцевой интерферометр источник когерентного света, линейный 3х3 ответвитель, опорную и предметную волоконные катушки и два фотоприемника, подключенные выходами к входам дифференциального усилителя, а также регистрирующую систему. The prototype contains a coherent light source optically matched into a single-ring interferometer, a linear 3x3 coupler, a reference and object fiber coils, and two photodetectors connected by outputs to the inputs of a differential amplifier, as well as a recording system.
На выходе дифференциального усилителя известного ВОИС шумы вычитаются, а полезные сигналы складываются, что повышает чувствительность прибора. At the output of the differential amplifier of the well-known WIPO, the noise is subtracted, and the useful signals are added, which increases the sensitivity of the device.
Недостатком прототипа является невозможность с его помощью измерять такие параметры морской среды как пульсации температуры, пульсации солености и градиента звукового давления. The disadvantage of the prototype is the inability to use it to measure such parameters of the marine environment as temperature pulsations, salinity pulsations and sound pressure gradients.
Техническим результатом, получаемым от реализации изобретения, является расширение эксплуатационных возможностей ВОИС за счет измерения дополнительных гидроакустических и гидрологических параметров морской среды: пульсаций температуры, пульсаций солености и градиента звукового давления. The technical result obtained from the implementation of the invention is the expansion of the operational capabilities of WIPO by measuring additional hydroacoustic and hydrological parameters of the marine environment: temperature pulsations, ripples in salinity and sound pressure gradient.
Данный технический результат получают за счет того, что в известном ВОИС, содержащем оптически согласованные в однокольцевой интерферометр источник когерентного света, линейный 3х3 ответвитель, опорную и предметную волоконные катушки и два фотоприемника, подключенные выходами к входам дифференциального усилителя, а также регистрирующую систему, включающую регистратор уровня звукового давления, дополнительно содержит два аналого-цифровых преобразователя, коррелятор, масштабирующее устройство и вычитающее устройство, а в регистрирующую систему дополнительно введен регистратор пульсаций температуры, при этом выход дифференциального усилителя через последовательно соединенные первый аналого-цифровой преобразователь и масштабирующее устройство подключен к первому входу вычитающего устройства, а через последовательно соединенные коррелятор и второй аналого-цифровой преобразователь - ко второму входу вычитающего устройства, выход которого соединен с регистратором уровня звукового давления, а выход второго аналого-цифрового преобразователя подключен к регистратору пульсаций температуры, причем предметная волоконная катушка выполнена из волокна со снятой акустически чувствительной оболочкой в виде двух одинаковых пространственно разнесенных участков. This technical result is obtained due to the fact that in the well-known WIPO, which contains a coherent light source optically matched into a single-ring interferometer, a linear 3x3 coupler, support and object fiber coils and two photodetectors connected to the inputs of the differential amplifier, as well as a recording system including a recorder sound pressure level, additionally contains two analog-to-digital converters, a correlator, a scaling device and a subtracting device, and register The system also introduced a temperature pulsation recorder, while the output of the differential amplifier is connected through a series-connected first analog-to-digital converter and a scaling device to the first input of the subtractor, and through the series-connected correlator and the second analog-to-digital converter to the second input of the subtractor, the output which is connected to the sound pressure level recorder, and the output of the second analog-to-digital converter is connected to the register an array of temperature pulsations, the object fiber coil being made of fiber with an acoustically sensitive shell removed in the form of two identical spatially separated sections.
Кроме того, ВОИС может содержать второй волоконно-оптический интерферометр, предметная и опорная волоконные катушки которого расположены соосно вдоль подложки, обладающей в потоке градиентом давления, при этом дополнительно введены усилитель напряжения, третий аналого-цифровой преобразователь, второе и третье вычитающие устройства, дифференцирующее устройство и второе множительное устройство, а в регистрирующую систему дополнительно введены регистратор градиента скорости звука и регистратор пульсаций солености, причем выход фотоприемника дополнительного волоконно- оптического интерферометра через последовательно соединенные усилитель напряжения и третий аналого-цифровой преобразователь подключен к первому входу второго вычитающего устройства, второй вход которого соединен с выходом второго аналого-цифрового преобразователя, а выход - с первым входом третьего вычитающего устройства, выход которого подключен к регистратору пульсаций солености. In addition, WIPO may contain a second fiber-optic interferometer, the subject and support fiber coils of which are located coaxially along a substrate having a pressure gradient in the stream, with a voltage amplifier, a third analog-to-digital converter, a second and third subtracting devices, and a differentiating device and a second multiplying device, and a sound velocity gradient recorder and a salinity ripple recorder are additionally introduced into the recording system, and the photopilot output the receiver of the additional fiber-optic interferometer through a series-connected voltage amplifier and a third analog-to-digital converter is connected to the first input of the second subtractor, the second input of which is connected to the output of the second analog-to-digital converter, and the output to the first input of the third subtractor, the output of which is connected to the salinity ripple recorder.
Подложка ВОИС может быть выполнена цилиндрической формы с плохообтекаемой носовой частью, при этом обе волоконные катушки основного интерферометра расположены от носовой части подложки на расстоянии, превышающем восемь ее диаметров. The WIPO substrate can be made cylindrical in shape with a poorly streamlined nose, with both fiber coils of the main interferometer located at a distance of more than eight diameters from the nose of the substrate.
Волоконные катушки интерферометров могут быть расположены заподлицо с поверхностью подложки. The interferometer fiber coils may be flush with the surface of the substrate.
ВОИС в опорной или предметной катушке может содержать фазосдвигающее устройство. WIPO in a support or subject coil may comprise a phase shifting device.
ВОИС в опорной катушке может содержать частотосдвигающее устройство. WIPO in the support coil may include a frequency-shifting device.
На фиг. 1 представлена оптическая схема ВОИС; на фиг.2 - конструктивная часть оптической части прибора; на фиг.3 - электронно- функциональная схема прибора. In FIG. 1 is an optical diagram of WIPO; figure 2 - the structural part of the optical part of the device; figure 3 is an electronic functional diagram of the device.
ВОИС для подводных исследований содержит (фиг. 1) оптически согласованные в однокольцевой интерферометр источник 1 когерентного света, линейный 3х3 ответвитель 2, опорную и предметную волоконные катушки 3 и 4. Причем предметная волоконная катушка 4 выполнена из волокна со снятой акустически чувствительной оболочкой (как в аналоге [2]) в виде двух одинаковых пространственно разнесенных участков 5 и 6. Имеются также два фотоприемника 7 и 8, расположенные на выходе ВОИС. WIPO for underwater research contains (Fig. 1) a coherent light source 1 optically matched into a single-ring interferometer, a
В одном из плеч интерферометра (например, в предметной волоконной катушке 4) может быть установлено фазосдвигающее устройство 9. В альтернативном варианте исполнения в опорном плече интерферометра (опорной волоконной катушке 3) может быть установлено частотосдвигающее устройство (на чертеже не показано). В первом случае ВОИС работает на гомодинном принципе, во-втором - на гетеродинном. In one of the arms of the interferometer (for example, in the object fiber coil 4), a phase-shifting
Волоконные катушки 3,..., 6 могут быть установлены соосно вдоль подложки 10 (фиг. 2) цилиндрической формы с плохообтекаемой носовой частью 11.
На носовой части 11 подложки 10 установлены опорная и предметная волоконные катушки 12 и 13 второго интерферометра, собранного по любой известной схеме [1]. При этом волоконные катушки 3,..., 6 основного интерферометра располагаются на той части подложки 10, у которой отсутствует градиент скорости в потоке вдоль подложки. Все волоконные катушки располагаются заподлицо с поверхностью подложки. On the
На фиг. 2 представлен вариант исполнения прибора, у которого все волоконные катушки выполнены соосными и расположенными вдоль подложки заподлицо с ее поверхностью. Причем части 5 и 6 предметной волоконной катушки 4 первого интерферометра расположены на расстоянии ΔX1 а волоконные катушки 12 и 13 второго интерферометра на расстоянии ΔX2 вдоль подложки.In FIG. Figure 2 shows an embodiment of the device in which all fiber coils are coaxial and flush with the surface of the substrate. Moreover,
Подложка 10 крепится к носителю (на чертеже не показан). The
Электронная схема ВОИС (фиг.3) включает в себя дифференциальный усилитель 14, входы которого подключены к выходам фотоприемников 7 и 8 (фиг. 1) и усилитель 15 напряжения, подключенный входом к выходу фотоприемника второго интерферометра (данный фотоприемник на чертеже не показан). Имеются также аналого-цифровые преобразователи (АЦП) 16-18, коррелятор 19, два множительных устройства 20 и 21, три вычитающих устройства 22-24, дифференцирующее устройство 25 и регистрирующая система 26, включающая в себя регистраторы 27-30, соответственно пульсаций температуры, уровня звукового давления, пульсаций солености и градиента звукового давления. The WIPO electronic circuit (Fig. 3) includes a
Схема электрических соединений представлена на фиг. 3 и описана в разделе описания "Существо изобретения". Все электрические блоки располагают внутри или на борту носителя. The electrical connection diagram is shown in FIG. 3 and is described in the description of the invention. All electrical units are located inside or on board the carrier.
ВОИС работает следующим образом. WIPO works as follows.
Располагают подводную часть прибора (фиг. 2) на заданной глубине натурного водоема. Place the underwater part of the device (Fig. 2) at a given depth of the natural reservoir.
Включают источник 1 когерентного света (а также источник света второго интерферометра, на чертеже не показанный). Настраивают начальную разность фаз интерферирующих лучей с помощью фазосдвигающего устройства 9 на величину равную π /2. Аналогичную подготовку к измерениям проводят с вспомогательным интерферометром. The source of coherent light 1 (as well as the light source of the second interferometer, not shown in the drawing) is turned on. The initial phase difference of the interfering rays is adjusted using the
Проводят буксировку прибора с известной скоростью с помощью носителя (на чертеже не показан) заданным курсом. Поскольку опорная волоконная катушка 3 чувствительна одновременно к пульсациям температуры и звуковому давлению, а предметная 4 - только к пульсациям температуры, то на выходе фотоприемников 7 и 8 будут присутствовать сигналы, пропорциональные уровню звукового давления ΔP и амплитуде пульсаций температуры ΔT . Причем последние появляются на выходах фотоприемников 7 и 8 через время t= ΔX1 где ΔX1 - расстояние между пространственно разнесенными участками 5 и 6 предметной волоконной катушки. Это дает возможность в дальнейшем с помощью коррелятора отфильтровать данный сигнал. На выходе дифференциального усилителя 14 присутствует сигнал, отфильтрованный от помех. Этот сигнал подается на коррелятор 19, настроенный на время задержки t, для выделения на его выходе сигнала, пропорционального ΔT. . Тот же сигнал направляется также на АЦП 16, затем корректируется в масштабирующем устройстве 20 до необходимой величины. После чего подается на первый вход вычитающего устройства 22, на второй вход которого направляется после АЦП 18 сигнал, пропорциональный пульсациям температуры ΔT. . Этот же сигнал регистрируется регистратором 27 пульсаций температуры.The device is towed at a known speed using a carrier (not shown in the drawing) at a given course. Since the
На выходе вычитающего устройства 22 выделяется сигнал, пропорциональный уровню звукового давления ΔP , регистрируемый регистратором 28. The output of the
Реализация второго пункта формулы изобретения позволяет измерить еще два гидрофизических параметра морской среды: пульсации солености и градиент звукового давления. The implementation of the second claim makes it possible to measure two more hydrophysical parameters of the marine environment: ripples of salinity and the gradient of sound pressure.
При этом поскольку волоконные катушки 12 и 13 вспомогательного интерферометра расположены вдоль поверхности подложки 10, обладающей в потоке градиентом скорости, то на выходе интерферометра будет присутствовать сигнал, пропорциональный пульсациям скоростного напора Δρv где Δρ - амплитуда пульсаций плотности морской среды. А величина последних пропорциональна амплитуде пульсаций температуры ΔT и солености ΔS . Moreover, since the
Кроме того, волоконные катушки вспомогательного интерферометра чувствительны к градиенту звукового давления ΔP/ΔX2 .In addition, the fiber coils of the auxiliary interferometer are sensitive to the sound pressure gradient ΔP / ΔX 2 .
С выхода фотоприемника вспомогательного интерферометра сигнал направляется через усилитель напряжения 15 и АЦП 18 на первый вход вычитающего устройства 23, на второй вход которого поступает сигнал с АЦП 17, пропорциональный ΔT . From the output of the photodetector of the auxiliary interferometer, the signal is directed through the
Сигнал с выхода вычитающего устройства 22, пропорциональный ΔP направляется на дифференцирующее устройство 25, а затем - на множительное устройство 21, где производная уровня звукового давления корректируется (с учетом скорости звука и скорости буксировки) до значения градиента звукового давления, регистрируемого регистратором 30. Кроме того, величина градиента звукового давления направляется на второй вход вычитающего устройства 24, на первый вход которого с вычитающего устройства 23 подается сигнал, пропорциональный амплитуде пульсаций солености ΔS и градиенту звукового давления. На выходе вычитающего устройства 24 выделяется сигнал, пропорциональный ΔS, , регистрируемый регистратором 29. The signal from the output of the
Таким образом, предлагаемый интерферометр позволяет одновременно измерять четыре гидрофизических параметра морской среды: пульсации, температуры, пульсаций солености, уровень звукового давления и градиент звукового давления. Что подтверждает достижение поставленного технического результата. Thus, the proposed interferometer allows you to simultaneously measure four hydrophysical parameters of the marine environment: ripple, temperature, ripple salinity, sound pressure level and gradient of sound pressure. What confirms the achievement of the technical result.
Claims (6)
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU94040286A RU2107282C1 (en) | 1994-11-01 | 1994-11-01 | Fiber-optic interferometer for underwater investigations |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU94040286A RU2107282C1 (en) | 1994-11-01 | 1994-11-01 | Fiber-optic interferometer for underwater investigations |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| RU94040286A RU94040286A (en) | 1996-09-20 |
| RU2107282C1 true RU2107282C1 (en) | 1998-03-20 |
Family
ID=20162183
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| RU94040286A RU2107282C1 (en) | 1994-11-01 | 1994-11-01 | Fiber-optic interferometer for underwater investigations |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| RU (1) | RU2107282C1 (en) |
Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2236690C1 (en) * | 2003-04-01 | 2004-09-20 | Федеральное государственное унитарное предприятие "Всероссийский научно-исследовательский институт физико-технических и радиотехнических измерений" | Sonar navigational system |
| RU2239175C1 (en) * | 2003-04-18 | 2004-10-27 | Федеральное государственное унитарное предприятие "Всероссийский научно-исследовательский институт физико-технических и радиотехнических измерений" | Hydrological device for definition of depth of occurrence of a jump in a full-scale reservoir |
-
1994
- 1994-11-01 RU RU94040286A patent/RU2107282C1/en active
Non-Patent Citations (1)
| Title |
|---|
| 1. Т.Окоси и др. Волоконно-оптические датчики. -Л.: Энергоатомиздат, 1991, с.217 - 255. 2. E.Udd. Fiber - Optic acoustic sensor based on the Sagnac interferometer. Proc. Soc. Photo-Opt. Instrum. Eng., 1983, 425, p.90 - 95. 3. K. Kravenes, K.Blotekjaer. Sagnac interferometer for underwater saund detection : noise properties. Optics. Lett. 1989, 14, N 2, p.1152 - 1154. * |
Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2236690C1 (en) * | 2003-04-01 | 2004-09-20 | Федеральное государственное унитарное предприятие "Всероссийский научно-исследовательский институт физико-технических и радиотехнических измерений" | Sonar navigational system |
| RU2239175C1 (en) * | 2003-04-18 | 2004-10-27 | Федеральное государственное унитарное предприятие "Всероссийский научно-исследовательский институт физико-технических и радиотехнических измерений" | Hydrological device for definition of depth of occurrence of a jump in a full-scale reservoir |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| RU94040286A (en) | 1996-09-20 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| US5345522A (en) | Reduced noise fiber optic towed array and method of using same | |
| US5155548A (en) | Passive fiber optic sensor with omnidirectional acoustic sensor and accelerometer | |
| CN100420960C (en) | Marine Seismic Data Acquisition System | |
| US4313192A (en) | Optical transducer array system | |
| CN106052843A (en) | Heterodyne-interference-type optical fiber hydrophone time division multiplexing array and demodulation method | |
| Lim et al. | Fiber optic acoustic hydrophone with double Mach–Zehnder interferometers for optical path length compensation | |
| JP2010533292A (en) | Phase-based sensing | |
| US20110305108A1 (en) | Deghosting using measurement data from seismic sensors | |
| CA2387944A1 (en) | Optical method for the transmission of signals from remote arrays of electrical sensors | |
| US4881813A (en) | Passive stabilization of a fiber optic nonlinear interferometric sensor | |
| US5532979A (en) | Towed array strain-sensing noise canceller | |
| EP0241530A1 (en) | Sensing system using fibre optic sensors. | |
| RU2107282C1 (en) | Fiber-optic interferometer for underwater investigations | |
| Bucaro et al. | Fiber-optic air-backed hydrophone transduction mechanisms | |
| RU2060505C1 (en) | Fiber-optic sensor of liquid current velocity head | |
| Gardner et al. | Fiber optic seismic sensor | |
| Udd et al. | Single-mode fiber-optic vibration sensor | |
| CN106500741A (en) | Phase generation carrier demodulation device and method based on lithium niobate phase modulator | |
| RU2061226C1 (en) | Fiber-optic device for measuring hydro-physical parameters of sea medium | |
| RU2047279C1 (en) | Fiber-optical transducer of hydrophysic parameters of sea water | |
| RU2105986C1 (en) | Fiber-optical meter of sea current velocity fields | |
| RU2060597C1 (en) | Fiber-optical submarine detector | |
| RU2112248C1 (en) | Fiber-optic hydroacoustic pickup antenna | |
| Layton et al. | A practical fiber optic accelerometer | |
| RU2105992C1 (en) | Fiber-optical underwater listening device |