Волоконно-оптический измеритель полей скоростей морских течений

 

Использование: в измерительной технике, в гидроакустике и гидрофизике для контроля профиля скорости морского течения. Сущность изобретения заключается в том, что в исследуемой области океана располагают волоконно-оптический измеритель (ВОИ), выполненный в виде интерферометра. Части волокна чувствительной катушки закрепляют на внутренней поверхности полых пьезоэлектрических цилиндров, на которые подают различные несущие частоты от генераторов электрических колебаний. Опорную катушку располагают внутри обычного цилиндра, который может быть размещен вне потока. Пьезоэлектрические цилиндры фиксируют на известном расстоянии друг от друга в исследуемом потоке жидкости. На выходе фотоприемника ВОИ появляются модулированные сигналы на различных несущих частотах, которые усиливаются и отфильтровываются серией полосовых фильтров. Затем сигналы детектируются, обрабатываются и подаются в регистратор, производящий построение поля скоростей потока жидкости. 3 ил.

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано в гидроакустике и гидрофизике для контроля профиля скоростей морских течений.

Известно устройство аналогичного назначения, содержащее вихреобразователь в виде плохо-обтекаемого тела, расположенного в потоке жидкости, и волоконно-оптический преобразователь параметров вихрей жидкости, расположенный за плохо-обтекаемым телом.

Недостатком известного устройства является низкое пространственное разрешение при измерении значений скорости в различных точках потока, поскольку вихреобразователь и измеритель параметров вихрей жидкости расположены в различных областях потока.

Известен измеритель аналогичного назначения, принятый за прототип, содержащий расположенные внутри полого цилиндра предметную и опорную волоконные катушки, оптически связанные с когерентным источником света и фотоприемником в интерферометр Цендера-Маха, усилитель, подключенный к выходу фотоприемника, частотометр, выход которого соединен с блоком обработки и регистрации.

В данном измерителе вихреобразователем является цилиндр, на внутренней поверхности которого располагается опорная катушка интерферометра, реагирующая на срыв вихрей с внешней поверхности цилиндра. То есть в прототипе вихреобразователь пространственно совмещен с измерителем параметров вихрей жидкости, несущих, как и в аналоге, информацию о скорости потока в отдельной точке.

Перемещением измерителя в различные точки потока или путем использования нескольких измерителей, расположенных в потоке, можно измерять профиль скорости течения жидкости в морских условиях.

Недостатком прототипа являются или его сложность (при использовании нескольких измерителей в потоке), или необходимость длительного времени измерения параметров поля скоростей (при перемещении измерителя в различные точки потока).

Техническим результатом, получаемым от внедрения изобретения, является возможность измерения полей скоростей морских течений с помощью одного волоконно-оптического интерферометра одновременно во всей исследуемой области.

Данный технический результат достигают за счет того, что известный волоконно-оптический измеритель (ВОИ) полей скоростей, содержащий расположенные внутри полого цилиндра предметную и опорную волоконные катушки, оптически связанные с когерентным источником света и фотоприемником в интерферометр Цендера-Маха, усилитель, подключенный к выходу фотоприемника, частотометр, выход которого соединен с блоком обработки и регистрации, дополнительно содержит N полосовых фильтров, N демодуляторов, N генераторов электрических колебаний, N полых цилиндров, расположенных на известных расстояниях друг от друга и выполненных из пьезоэлектрического материала, причем частотомер выполнен многоканальным, а на внутренней поверхности дополнительных полых цилиндров закреплены N отдельных частей предметной волоконной катушки, а сами цилиндры подключены к N генераторам электрических колебаний, выход усилителя через N параллельно соединенных полосовых фильтров подключен к N параллельно соединенным демодуляторам, выходы которых подключены к N входам многоканального частотомера.

ВОИ может дополнительно содержать датчик глубины погружения измерителя, подключенный выходом к блоку обработки и регистрации.

На фиг. 1 представлена принципиальная опто-электронная схема измерителя; на фиг. 2 общий вид измерителя, установленного на носителе; на фиг. 3 - временные диаграммы, поясняющие принцип действия измерителя.

ВОИ содержит (фиг. 1) опорную волоконную катушку 1, расположенную внутри полого цилиндра 2, предметную волоконную катушку 3, отдельные части которой закреплены на внутренней поверхности пьезоэлектрических цилиндров 4₁, 4₂, 4_N, расположенных на известном расстоянии друг от друга (фиг. 2). Пьезоэлектрические цилиндры 4 подключены к генераторам 5₁, 5₂, 5_N электрических колебаний. Опорная и предметная волоконные катушки 1, 3 оптически связаны с когерентным источником 6 света и фотоприемником 7 в интерферометр Цендера-Маха.

Электронная часть ВОИ содержит усилитель 8, полосовые фильтры 9₁, 9₂, 9_N, демодуляторы 10₁, 10₂, 10_N, многоканальный частотомер 11, блок 12 обработки и регистрации. Имеется также датчик 13 глубины погружения ВОИ. Последний может располагаться на носителе 14 (фиг. 2) и включать в себя средства развертывания и установки измерителя в нужной области океана (на чертеже не показаны). Причем опорная волоконная катушка 1 может быть расположена в той же среде в отдельном полом контейнере.

ВОИ работает следующим образом.

Развертывают ВОИ в исследуемой области океана. Измеряют с помощью датчика 13 глубины пространственные координаты расположения пьезоэлектрических цилиндров 4₁, 4₂, 4_N. Подают на пьезоэлектрические цилиндры 4 с генераторов 5 электрические колебания различных несущих частот f₁, f₂, f_N.

В связи с тем что за каждым из полых пьезоэлектрических цилиндров 4₁, 4₂, 4_N в потоке 15 жидкости (фиг. 2) будет образовываться кармановская дорожка, участки предметной волоконной катушки 3, намотанные на внутреннюю боковую поверхность полых цилиндров, будут испытывать дополнительное воздействие частот ω₁, ω₂,..., ω_N модулирующих несущие частоты (фиг. 3). Причем частоты вихреобразования будут пропорциональны скоростям потока в месте расположения цилиндров 4₁, 4₂, 4_N.

На выходе фотоприемника 7 появляется серия сигналов (фиг.3) на различных несущих частотах f₁, f₂, f_N, которые усиливаются усилителем 8, отфильтровываются полосовыми фильтрами 9, детектируются детекторами 10. Затем модулирующие частоты сигналов измеряются многоканальным частотомером 11. Блок 12 обработки и регистрации позволяет получить сигнал в единицах скорости и нанести его величину, например, на графопостроитель, используя показание датчика 13 глубины.

Таким образом, с помощью одного интерференционного ВОИ измеряется все поле скоростей морского излучения в заданной области океана.

Формула изобретения

Измеритель полей скоростей морских течений, содержащий датчик глубины погружения, генератор электрических колебаний, демодулятор, отличающийся тем, что введены когерентный источник света, фотоприемник, расположенная внутри полого цилиндра опорная волоконная катушка, N полых пьезоцилиндров, расположенных на известных расстояниях друг от друга, чувствительная волоконная катушка, выполненная в виде N частей, каждая из которых закреплена на внутренней поверхности соответствующего пьезоцилиндра, N 1 генераторов электрических колебаний, каждый из которых соединен с соответствующим пьезоцилиндром, N полосовых фильтров, N 1 демодуляторов, N-канальный частотомер, усилитель и блок обработки и регистрации, при этом чувствительная и опорная волоконные катушки оптически связаны с когерентным источником света и фотоприемником в интерферометр Маха-Цендера, выход фотоприемника через усилитель соединен с входами параллельно соединенных полосовых фильтров, выход каждого полосового фильтра соединен с входом соответствующего демодулятора, выходы N демодуляторов подключены к входам N-канального частотомера, выход датчика глубины погружения и выход N-канального частотомера соединены с входом блока обработки и регистрации.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3