Лазерный векторный приемник для инфразвуковых полей

Изобретение относится к области гидроакустики и может быть использовано для контроля шумности подводных объектов на сверхнизких частотах. Внутри подводного объекта установлены источник когерентного света, передающая оптическая система, расщепитель, два оптических окна, приемная оптическая система, оптический пространственный модулятор, фотоприемная система, генератор светорассеивающих частиц с инжектором, блок управления, блок обработки, два оптических тубуса, два поворотных светоотражателя. Оптические тубусы установлены один за другим в направлении движения подводного объекта ортогонально обшивке корпуса. Светоотражатели установлены в каждом из тубусов. Оптические окна установлены в тубусах напротив друг друга. Оптическая система выполнена в виде пары коллиматорных цилиндрических линз. Расщепитель выполнен в виде формирователя двух плоских зондирующих лучей. Приемная оптическая система выполнена в виде двух непрозрачных экранов и фокусирующего объектива. Оптический пространственный модулятор выполнен в виде двух щелей. Технический результат - получение на выходе лазерного векторного приемника времяпролетного сигнала. 4 з.п. ф-лы, 1 ил.

 

Изобретение относится к области гидроакустики и может быть использовано для контроля шумности подводных объектов (ПО) на сверхнизких частотах.

Из всего спектра шумоизлучения ПО наибольшую опасность для снижения его скрытности представляет инфразвуковой диапазон, поскольку именно инфразвуковые волны могут распространяться в океане с незначительным затуханием на большие расстояния и демаскировать ПО.

Поэтому измерение и контроль шумности ПО на сверхнизких частотах (0,1-5,0 Гц) является весьма важной задачей для снижения уязвимости ПО. /В.Н.Пархоменко. Избранные статьи по вопросам скрытности и защиты кораблей по физическим полям. С.-П., "Моринтех", 2002, с.106/.

Известен лазерный векторный приемник аналогичного назначения, содержащий лазерный доплеровский измеритель колебательной скорости и генератор светорассеивающих частиц. /Патент США №5175713, кл. 367-151, 340-557 (H 04 R 23/00, Н 04 Р 13/00), 1992/.

Известен лазерный векторный приемник (ЛВП) аналогичного назначения, принятый за прототип, содержащий установленный внутри ПО оптически согласованные источник когерентного света, передающую оптическую систему, расщепитель, два оптических окна, приемную оптическую систему, оптический пространственный модулятор и фотоприемную систему, установленную перед оптическим пространственным модулятором, а также генератор светорассеивающих частиц с инжектором, блок управления и блок обработки, подключенный к выходу фотоприемной системы и включающий в себя процессор и регистратор /Патент РФ №2185709, кл. H 04 R 1/44, G 01 S 17/06, 2001/.

Недостатком аналога и прототипа является частотный характер выходного сигнала ЛВП.

Техническим результатом, получаемым от внедрения изобретения, является получение на выходе ЛВП не частотного, а времяпролетного сигнала.

Данный технический результат достигают за счет того, что известный ЛВП, содержащий установленные внутри ПО оптически согласованные источник когерентного света, передающую оптическую систему, расщепитель, два оптических окна, приемную оптическую систему, оптический пространственный модулятор и фотоприемную систему, установленную перед оптическим пространственным модулятором, а также генератор светорассеивающих частиц с инжектором, блок управления и блок обработки, подключенный к выходу фотоприемной системы и включающий в себя процессор и регистратор, дополнительно содержит передающий и приемный оптические тубусы, установленные один за другим в направлении движения ПО ортогонально обшивке его корпуса, и два поворотных светоотражателя, установленные в каждом из тубусов под углом ±45° к обшивке корпуса ПО, при этом оптические окна установлены в тубусах напротив друг друга, передающая оптическая система выполнена в виде пары коллиматорных цилиндрических линз, расщепитель установлен в передающем тубусе между первым поворотным светодержателем и первым оптическим окном и выполнен в виде формирователя двух плоских зондирующих лучей, параллельных обшивке корпуса ПО и отстоящих на различных расстояниях от нее, приемная оптическая система выполнена в виде двух непрозрачных экранов, установленных на пути зондирующих лучей за вторым оптическим окном, и фокусирующего объектива, установленного между непрозрачными экранами и вторым поворотным светоотражателем, а оптический пространственный модулятор выполнен в виде двух щелей.

В частном случае источник когерентного света выполнен импульсным и соединен своим запускающим входом с блоком управления, подключенным также к синхровходу блока обработки и управляющему входу генератора светорассеивающих частиц.

Фотоприемная система может быть выполнена в виде двух фотоприемников, каждый из которых установлен перед своей щелью оптического пространственного модулятора.

При этом блок обработки дополнительно включает в себя коррелятор, подключенный входами к выходам фотоприемников, а выходом - к входу процессора.

Инжектор генератора светорассеивающих частиц ориентирован ортогонально обшивке корпуса ПО.

Изобретение поясняется чертежом, на котором представлена схема ЛВП.

ЛВП содержит установленные внутри ПО 1 оптически согласованные источник когерентного света (лазер) 2 и передающую оптическую систему в виде пары коллиматорных линз 3 и 4, два оптических тубуса: передающий 5 и приемный 6.

В передающем оптическом тубусе 5 установлены поворотный светодержатель 7 и расщепитель 8, выполненный в виде формирователя двух плоских зондирующих лучей 9, параллельных обшивке корпуса ПО 1 и отстоящих на различных расстояниях от нее.

Расщепитель 8 может быть выполнен по любой из известных схем /В.П.Клочков и др. Лазерная анемометрия, дистанционная спектроскопия и интерферометрия. Киев. Наукова думка. 1985, стр.97, 98/.

Два плоских зондирующих луча 9 проходят через оптическое окно 10 и в зоне их перетяжки образуют базу измерений длиной d. Затем лучи 9 проходят сквозь оптическое окно 11 приемного тубуса 6 и попадают на непрозрачные экраны 12, за которыми установлен фокусирующий объектив 13 и поворотный светоотражатель 14.

Далее на пути рассеянного света установлены пространственный оптический модулятор 15 в виде двух щелей и фотоприемная система в виде двух фотоприемников 16, 17.

Фотоприемники 16, 17 подключены своими выходами к блоку 18 обработки, включающему в себя коррелятор, процессор и регистратор.

Имеется также генератор 19 светорассеивающих частиц 20, подаваемых в среду инжектором 21.

Если лазер 2 работает в импульсном режиме, то блок управления 22 соединяют с запускающим входом лазера 2, управляемым входом генератора 19 светорассеивающих частиц и синхровходом блока 18 обработки.

Расстояние между оптическими тубусами 5, 6 и параметры элементов передающей и приемной оптических систем выбирают такими, чтобы ширина зондирующих лучей в листах их перетяжки составляла доли мм, а расстояние d между зондирующими лучами не превышало 1 мм.

ЛВП работает следующим образом.

При включении лазера 2 первая цилиндрическая линза 3 расширяет световой пучок, а вторая (4) - фокусирует его в исследуемую область. Поскольку за второй цилиндрической линзой 4 установлен расщепитель 8 пучка, то в исследуемой области образуются два плоских зондирующих луча 9, отстоящих друг от друга на расстояние d. Эти два узких световых пучка отображаются на поверхности фотоприемников 16, 17 через фокусирующий объектив 13 и две щели оптического пространственного модулятора 15.

Поскольку перед фокусирующим объективом 13 установлены непрозрачные экраны 12, то прямые зондирующие лучи 9 гасятся. Поэтому через оптическое окно 11, фокусирующий объектив 13 и щели пространственного модулятора 15 на фотоприемники 16, 17 попадает в основном свет, рассеянный частицами 20 из областей перетяжки зондирующих лучей 9.

При этом светорассеивающие частицы 20 впрыскиваются в исследуемую среду инжектором 21 ортогонально зондирующим лучам 9 и сносятся в области их перетяжек потоком жидкости, образующимся при движении ПО 1.

Инфразвуковые волны 23, излучаемые корпусом ПО 1, приводят к смещению частиц среды, а значит, и светорассеивающих частиц 20 в направлении оси у с колебательной скоростью V [м/с].

В плоской бегущей звуковой волне колебательная скорость V связана со звуковым давлением р [Па] простым соотношением:

где ρ [кг/м³] - плотность среды; с [м/с] - скорость звука в среде.

Если гармоническая звуковая волна имеет частоту ƒ [Гц], то амплитуда колебательной скорости V₀ связана с амплитудой y₀ колебательного смещения частиц соотношением

Используя соотношения (1), (2), можно подсчитать, что для реальных значений уровней звукового давления порядка 10³-10⁴ Па смещение частиц в звуковом поле на сверхнизких частотах достигает нескольких мм.

В блоке 18 обработки с помощью коррелятора отфильтровываются сигналы, поступающие на фотоприемники 16, 17 от светорассеивающих частиц 20, прошедших в месте перетяжки сначала ближний к ПО 1 луч 9, а затем дальний. То есть выделяются импульсные сигналы, разделенные временным интервалом, близким к V₀/d. /А.М.Трохан. Гидроаэрофизические измерения. М. Изд-во стандартов, 1981, с.46-72/. Затем с помощью процессора рассчитываются параметры инфразвукового поля.

Для увеличения соотношения сигнал/шум лазер 2 может работать в режиме последовательности импульсов.

1. Лазерный векторный приемник для инфразвуковых полей, содержащий установленные внутри подводного объекта оптически согласованные источник когерентного света, передающую оптическую систему, расщепитель, два оптических окна, приемную оптическую систему, оптический пространственный модулятор и фотоприемную систему, установленную перед оптическим пространственным модулятором, а также генератор светорассеивающих частиц с инжектором, блок управления и блок обработки, подключенный к выходу фотоприемной системы и включающий в себя процессор и регистратор, отличающийся тем, что дополнительно содержит передающий и приемный оптические тубусы, установленные один за другим в направлении движения подводного объекта ортогонально обшивке его корпуса, и два поворотных светоотражателя, установленные в каждом из тубусов под углом ±45° к обшивке корпуса подводного объекта, при этом оптические окна установлены в тубусах напротив друг друга, передающая оптическая система выполнена в виде пары коллиматорных цилиндрических линз, расщепитель установлен в передающем тубусе между первым поворотным светоотражателем и первым оптическим окном и выполнен в виде формирователя двух плоских зондирующих лучей, параллельных обшивке корпуса подводного объекта и отстоящих на различных расстояниях от нее, приемная оптическая система выполнена в виде двух непрозрачных экранов, установленных на пути зондирующих лучей за вторым оптическим окном, и фокусирующего объектива, установленного между непрозрачными экранами и вторым поворотным светоотражателем, а оптический пространственный модулятор выполнен в виде двух щелей.

2. Лазерный векторный приемник по п.1, отличающийся тем, что источник когерентного света выполнен импульсным и соединен своим запускающим входом с блоком управления, подключенным также к синхровходу блока обработки и управляемому входу генератора светорассеивающих частиц.

3. Лазерный векторный приемник по п.1, отличающийся тем, что фотоприемная система выполнена в виде двух фотоприемников, каждый из которых установлен перед своей щелью оптического пространственного модулятора.

4. Лазерный векторный приемник по п.3, отличающийся тем, что блок обработки дополнительно включает в себя коррелятор, подключенный входами к выходам фотоприемников, а выходом - к входу процессора.

5. Лазерный векторный приемник по п.1, отличающийся тем, что инжектор генератора светорассеивающих частиц ориентирован ортогонально обшивке корпуса подводного объекта.