Волоконно-оптический приемник градиента звукового давления

 

Изобретение относится к области гидроакустики и может быть использовано в лабораторных и натурных условиях для измерения параметров звуковых волн в жидкости. Существо изобретения заключается в том, что однолучевой волоконный интерферометр Цендера-Маха, имеющий в качестве датчика две волоконные катушки, расположенные на известном расстоянии друг от друга, дополняется многолучевым двухкольцевым интерферометром, имеющим три оптически связанные волоконные катушки. Причем две катушки обоих интерферометров являются общими. Развязка интерферометров осуществляется за счет использования различных длин волн, генерируемых двумя лазерами. Однолучевой интерферометр имеет гармоническую выходную кривую, а многолучевой - обостренную в интерференционных полосах выходную кривую. Это позволяет при гомодинном преобразовании использовать многолучевой интерферометр для приема слабых акустических сигналов, а однолучевой - для приема более сильных акустических сигналов. Приемник имеет электронную схему автоматического выбора режима работы в зависимости от уровня акустического сигнала. 1 з.п. ф-лы, 3 ил.

Изобретение относится к области гидроакустики и может быть использовано в лабораторных и натурных условиях для измерений параметров звуковых волн в жидкости.

Известны волоконно-оптические приемники (ВОП) градиента звукового давления [1, 2] применяемые как в лабораторных, так и в натурных условиях. Любой из известных ВОП может быть принят за прототип.

Известны ВОП, например, [2] содержит лазер и фотоприемник, оптически согласованные через две волоконные катушки, расположенные на определенном расстоянии друг от друга, в однолучевой интерферометр Цендера-Маха, а также фильтр высоких частот, усилитель и многоканальный регистратор, причем выход фотоприемника через фильтр высоких часто соединен со входом усилителя, подключенного выходом к многоканальному регистратору.

Недостатком известных устройств [1 и 2] является недостаточно высокая чувствительность ВОП в режиме гомодинного преобразования, ограниченной предельной крутизной синусоиды, по которой изменяется выходная кривая известного градиентного приемника [2] Техническим результатом, получаемым при реализации изобретения, является повышение чувствительности волоконно-оптического интерференционного приемника градиента звукового давления за счет повышения крутизны выходной кривой интерферометра в режиме гомодинного преобразования.

Данный технический результат получается за счет того, что известный ВОП градиента звукового давления, содержащий лазер и фотоприемник, оптически согласованные через две волоконные катушки, расположенные на определенном расстоянии друг от друга, в однолучевой интерферометр Цендера-Маха, а также фильтр высоких частот, усилитель и многоканальный регистратор, причем выход фотоприемника через фильтр высоких частот соединен со входом усилителя, подключенного выходом к многоканальному регистратору, дополнительно содержит третью волоконную катушку, защищенную от звукового давления, второй лазер, второй фотоприемник, второй фильтр высоких частот и второй усилитель при этом лазеры выполнены на различные длины волн, волокна первой и второй катушек выполнены из материала, пропускающего обе длины волны лазеров, а волокно третьей катушки из материала, пропускающего длину волны второго лазера, но не пропускающего длину волны первого лазера, второй лазер и второй фотоприемник оптически согласованы с первой, второй и третьей волоконными катушками в многолучевой двухкольцевой интерферометр, при этом перед первым фотоприемником установлен интерференционный светофильтр на длину волны первого лазера, а перед вторым фотоприемником установлен интерференционный светофильтр на длину волны второго лазера, причем выход второго фотоприемника через второй фильтр высоких частот соединен со входом второго усилителя, подключенного выходом к многоканальному регистратору.

Первая и вторая волоконные катушки выполнены из кварцевого волокна, а третья из полимерного волокна, при этом первый лазер выполнен на длину волны 6900А, а второй на длину волны 6328А.

ВОП может дополнительно содержать два интегратора, два компаратора, два блока опорных напряжений и два электронных ключа, при этом первый интегратор подключен своим входом к выходу первого усилителя, а выходом к первому входу первого компаратора, второй вход которого соединен с первым блоком опорного напряжения, а выход с управляемым входом первого электронного ключа, второй интегратор подключен своим входом к выходу второго усилителя, а выходом к первому входу второго компаратора, второй вход которого соединен со вторым блоком опорного напряжения, а выход с управляемым входом второго электронного ключа, причем выходы первого и второго усилителей соединены со входами многоканального регистратора соответственно через первый и второй электронные ключи.

ВОП дополнительно содержит масштабирующее устройство, установленное на выходе первого или второго электронных ключей.

ВОП может дополнительно содержать два фазосдвигающих устройства, одно из которых установлено в первой или второй волоконных катушках, а другое в третьей волоконной катушке.

Изобретение поясняется чертежами.

На фиг. 1 представлена оптическая схема ВОП; на фиг. 2 электронная схема ВОП; на фиг. 3 диаграммы, поясняющие работу ВОП.

Волоконно-оптический приемник градиента звукового давления (фиг. 1) содержит лазер 1, работающий на длине волны λ₁, лазер 2, работающий на длине волны λ₂ и три волоконные катушки 3, 4 и 5 (катушка 5 условно показана в виде одного витка спирали). Имеются также два фотоприемника 6 и 7, перед которыми установлены интерференционные светофильтры 8 и 9, один 8 на длину λ₂, а другой 9 на длину λ₁.

Лазер 1 и фотоприемник 7 оптически согласован с волоконными катушками 3 и 4 в однолучевой интерферометр Цендера-Маха. Согласование происходит с помощью вводного оптического устройства 10, волоконных ответвителей 11, 12 и выводного оптического устройства 13.

Лазер 2 и фотоприемник 6 оптически согласованы в многолучевой двухкольцевой интерферометр через волоконные катушки 3, 4, 5.

Согласование осуществляется через вводное оптическое устройство 14, волоконные ответвители 11, 12 и оптическое выводное устройство 15.

Способы согласования оптических элементов в однолучевые в многолучевые волоконные интерферометры представлены в работах [1, 2] Для спектральной развязки однолучевого и многолучевого интерферометров волокна волоконных катушек 3 и 4 выполняют из материала, пропускающего длины λ₁ и λ₂ волн обоих лазеров 1 и 2, а волокно катушки 5 выполняют из материала, пропускающего длину волны λ₂ лазера 2, но не пропускающего длину волны лазера 1. Кроме того, перед фотоприемником 7 устанавливают интерференционный светофильтр 9 на длину волны λ₁, а перед фотоприемником 6 - светофильтр 8 на длину волны λ₂.

В частном случае волоконные катушки 3 и 4 изготовляются из кварцевого волокна, а волоконная катушка 5 из полимерного волокна, при этом в качестве лазера 2 используют рубиновый лазер с длиной волны 6900А, а в качестве лазера 1 гелий-неоновый лазер с длиной волны 6328А. Оптические потери кварцем излучения на первой и второй длинах волн соответственно равен (5) 6 и 10 дБ/км, а у полимерного волокна 60 и 7 дБ/км. То есть кварцевое волокно пропускает выбранные длины волн практически одинаково, а полимерные - пропускает лишь одну длину волны.

Оптическая схема ВОП также включает в себя два фазосдвигающих устройства 16 и 17. Фазосдвигающее устройство 16 установлено в волоконной катушке 4, а фазосдвигающее устройство 17 в волоконной катушке 5.

Чувствительным элементом ВОП являются волоконные катушки 3 и 4, расположенные на расстоянии Δx друг от друга. Волоконная катушка 5 защищена от воздействия звукового давления. Она может быть расположена вне исследуемой области и быть выполненной в виде несвернутого отрезка волокна (т.е. прямолинейного отрезка волокна).

Электронная схема ВОП (фиг. 2) включает в себя фильтр 18 и 19 высоких частот, усилители 20 и 21, интеграторы 22 и 23, компараторы 24 и 25, компараторы 26 и 27, электронные ключи 28 и 29, масштабирующее устройство 30 и многоканальный регистратор 31.

Схема соединений представлена на чертеже.

Волоконно-оптический приемник градиента звукового давления работает следующим образом.

Устанавливают чувствительный элемент ВОП в исследуемой среде так, чтобы волоконные катушки 3 и 4 располагались одна за другой по отношению к звуковой волне 32 (фиг. 1).

Допустим, что входной сигнал ВОП имеет вид, представленный на фиг. 3, под позицией 33 (здесь же под позициями 34 и 35 представлены выходные кривые соответственно однолучевого и многолучевого интерферометров).

Если предварительно с помощью фазосдвигающих устройств 16 и 17 начальные разности фаз установить в точку А (точка наибольшей кривизны и линейности выходных кривых 34 и 35), то приемник можно считать готовым к работе.

Предположим, что сначала работает менее чувствительный однолучевой интерферометр.

Звуковая волна 32 (фиг. 1) вызывает появление на воде интерферометра сигнала 33 (фиг. 3). Однолучевой интерферометр преобразует появившиеся фазовые изменения оптического сигнала в амплитудные. Интерференционный фильтр 9 пропускает полезный оптический сигнал на фотоприемник 7, на выходе которого выделяется сигнал 36 (фиг. 3). Переменная составляющая, пропорциональная градиенту звукового давления акустической волны 32 (фиг. 1), усиливается усилителем 30 и регистрируется на многоканальном регистраторе 31 (фиг. 2).

На этом же регистраторе одновременно можно регистрировать и выходной сигнал с более чувствительного многолучевого интерферометра. А последующий анализ позволяет выбрать тот или другой из записанных выходных сигналов, в зависимости от величины входного сигнала.

Выбор режимов работы ВОП может осуществляться автоматически.

Для этого интегратор 22 направляет проинтегрированный выходной сигнал на компаратор 24 для сравнения уровня выходного сигнала с опорным напряжением блока 26 опорных напряжений, характеризующего предельную чувствительность однолучевого интерферометра и максимальный линейный диапазон многолучевого интерферометра. Если выходной сигнал однолучевого интерферометра больше опорного, то выходной сигнал пропускается электронным ключом 28 на многоканальный регистратор 31, если меньше то, сигнал задерживается и информацию о параметрах звуковой волны поставляет многолучевой интерферометр.

Выходной сигнал 37 (фиг. 3) многолучевого интерферометра с фотоприемника 7 через фильтр 19 высоких частот и усилитель 20 поступает на интегратор 22, после которого в компараторе 25 сравнивается со значением другого опорного напряжения (блока 27 опорных напряжений). Значение второго опорного напряжения выбирается из условия линейности участка выходной кривой 35 многолучевого интерферометра для данного уровня сигнала. Если проинтегрированное значение выходного сигнала многолучевого интерферометра не превышает опорного, то сигнал проходит через электронный ключ 29 на многоканальный регистратор 31. Если превышает, то сигнал задерживается электронным ключом 25 и начинает работать однолучевой интерферометр.

Масштабирующее устройство 30 позволяет регистрировать выходные сигналы различных интерферометров в одном масштабе.

Таким образом, ВОП позволяет увеличить чувствительность прибора без уменьшения его рабочего диапазона.

Источники информации: 1. G. B. Mills, S.L. Garrett, E.F. Carome. Fiber optic gradient Hydrophone "Proc. Soc. Photo-Opt. Instrum. Eng.", 1984, Fiber Opt. and Laser Sinsors II, Proc. Conf. Arlengton, Va, Tay 1-2, 1984, 98-103. (Р.Д. МИТ, 1985, N 10.32.420).

2. Патент США N 4799752, кл. 350-9615 (C 02 B 6/26), 1989.

Формула изобретения

1. Волоконно-оптический приемник градиента звукового давления, содержащий лазер и фотоприемник, оптически согласованные через две волоконные катушки, расположенные на известном расстоянии друг от друга с образованием однолучевого интерферометра Цендера Маха, а также фильтр высоких частот, усилитель и многоканальный регистратор, причем выход фотоприемника через фильтр высоких частот соединен с входом усилителя, подключенного выходом к многоканальному регистратору, отличающийся тем, что дополнительно содержат третью волоконную катушку, защищенную от звукового давления, второй лазер, второй фотоприемник, второй фильтр высоких частот и второй усилитель, а также два фазосдвигающих устройства, одно из которых установлено в первой или второй волоконных катушках, а другое в третьей волоконной катушке, при этом лазеры выполнены на различные длины волн, волокна первой и второй катушек выполнены из материала, пропускающего излучение обоих лазеров, а волокно третьей катушки из материала, пропускающего излучение второго лазера, второй лазер и второй фотоприемник оптически согласованы с первой, второй и третьей волоконными катушками с образованием многолучевого двухкольцевого интерферометра, при этом перед первым фотоприемником установлен интерференционный светофильтр на длину волны первого лазера, а перед вторым фотоприемником установлен интерференционный светофильтр на длину волны второго лазера, причем выход второго фотоприемника через второй фильтр высоких частот соединен с входом второго усилителя, подключенного выходом к многоканальному регистратору.

2. Приемник по п. 1, отличающийся тем, что первая и вторая волоконные катушки выполнены из кварцевого волокна, а третья из полимерного волокна, при этом первый лазер выполнен на длину волны а второй на длину волны N

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3