CN102023050B - 激光干涉式水听器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种激光干涉式水听器，包括基于迈克尔逊干涉原理的光路系统、控制系统和供电系统；在所述光路系统中包括激光器、半透射半反射的分光镜、平面反射镜和振动片；其中，所述平面反射镜和激光器分设在分光镜的上下两侧，所述振动片竖直设置，且在其朝向分光镜的内表面上镀有一层反射膜，振动片的外表面贴附有压电复合材料；在所述控制系统中包含有用于接收通过所述分光镜反射和透射出的两束光线的光电二极管以及用于接收所述压电复合材料输出电流的电荷放大电路，通过所述光电二极管和电荷放大电路输出的电信号传送至控制器，通过控制器计算被测声信号的振幅。本发明的水听器精度高、造价低、续航时间长。

Description

激光干涉式水听器

技术领域

本发明属于水听器技术领域，具体地说，是涉及一种基于激光干涉原理的水听器。

背景技术

水听器是用于把水下的声音信号转换为电信号的换能装置。水听器可以检测潜艇、鱼类等目标所辐射的噪声，也可以直接检测声源，比如装载在鱼体上的小型声源、声信标、爆炸声等，并实施定向跟踪。

目前的水听器一般由接收换能器、接收机和终端装置等主要部分组成。其中，接收换能器用于采集水下声信号，并将声信号变换为电信号传输至接收机进行放大处理，而后传送至终端装置，通过终端装置显示、存储被测信号，以提供给监测人员进行分析。

传统的水听器采用压电陶瓷作为传感器件，利用材料的逆压电效应来实现从声信号到电信号的转换。即当压电陶瓷材料受到外力作用而产生机械变形时，材料表面会产生电荷，电场发生变化，通过电路进行处理得到测量信号。但是这种方式受材料性能的限制，形变量与产生的电场存在明显的非线性，信号处理较为复杂；且材料受温度等因素影响大，精度较低。

发明内容

本发明的目的在于提供一种基于激光干涉原理的水听器，以提高水下声信号的检测精度。

为了解决上述技术问题，本发明采用以下技术方案予以实现：

一种激光干涉式水听器，包括基于迈克尔逊干涉原理的光路系统、控制系统以及为所述光路系统和控制系统提供工作电源的供电系统；在所述光路系统中包括激光器、半透射半反射的分光镜、平面反射镜和振动片；其中，所述平面反射镜和激光器分设在分光镜的上下两侧，所述振动片竖直设置，且在其朝向分光镜的内表面上镀有一层反射膜，振动片的外表面贴附有压电复合材料；在所述控制系统中包含有用于接收通过所述分光镜反射和透射出的两束光线的光电二极管以及用于接收所述压电复合材料输出电流的电荷放大电路，通过所述光电二极管和电荷放大电路输出的电信号传送至控制器，通过控制器计算被测声信号的振幅。

进一步的，所述控制器根据电荷放大电路输出的电流信号的变化趋势判断振动片的振动方向，并同时对所述光电二极管的导通次数进行计数，且记正向振动的计数值为k₊，负向振动的计数值为k_-，代入公式

计算出检测信号的振幅Δ1；其中，λ为激光波长。

为了便于干涉图样的采集，在所述激光器与分光镜之间设置有一扩束器，通过所述扩束器对激光器发出的光束的直径进行扩大。

优选的，所述激光器优选采用激光二极管、以降低系统成本；所述反射膜优选位于振动片的中心位置。

进一步的，在所述控制器中包括A/D转换器和CPU，所述电荷放大电路输出的电流信号经A/D转换器变换为数字信号后传输至所述的CPU；所述光电二极管连接所述的CPU或者通过A/D转换器连接所述的CPU。

又进一步的，在所述水听器中还设置有通信系统，连接所述的控制器，将控制器计算生成的被测声信号的振幅传送给终端装置进行显示和存储。

再进一步的，所述光路系统、控制系统、供电系统和通信系统设置于一壳体中，所述壳体的左端或者右端开口，所述振动片安装于所述开口处，进而与所述壳体形成一个密闭的腔室，且所述振动片的内表面朝向腔室内。

更进一步的，所述壳体呈横向放置的圆筒状；所述振动片为圆形的不锈钢板。

优选的，贴附在所述振动片外表面的压电复合材料呈条形，且平行排列设置有多条；或者可以将其设计成环形，且圆心与振动片的圆心重合。

与现有技术相比，本发明的优点和积极效果是：本发明的水听器利用迈克尔逊干涉原理，仿照迈克尔逊干涉仪的结构设计方式进行水听器中光路系统的结构设计，通过振动片感应被检测声源的振动，进而使作为测量臂的光束长度发生变化，由此来改变通过分光镜反射和透射出的两束光线所形成的干涉条纹，进而通过检测干涉条纹的变化间接地计算出被检测声源的振幅。由此设计的水听器具有精度高、续航时间长、造价低等显著优点，可以广泛应用于石油勘探、海洋调查等领域。

结合附图阅读本发明实施方式的详细描述后，本发明的其他特点和优点将变得更加清楚。

附图说明

图1是现有迈克尔逊干涉仪的结构示意图；

图2是中心为亮斑的干涉条纹图样；

图3是中心为暗斑的干涉条纹图样；

图4是本发明所提出的激光干涉式水听器的整体结构示意图；

图5是图4中光路系统和控制系统的组建结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步详细地说明。

本发明的水听器基于迈克尔逊干涉原理设计而成，下面首先对迈克尔逊干涉原理进行简要介绍。

图1为迈克尔逊干涉仪的结构示意图，包括两块平面反射镜M₁和M₂、半反射半透射的分光镜G₁以及光束接收屏E。其中，分光镜G₁倾斜设置，且与水平方向所成的锐角为45°；定义分光镜G₁上镀有反射膜的一面为反射面，与反射面相对的一面为透射面，则将分光镜G₁的透射面朝向光源S和平面反射镜M₂，反射面朝向平面反射镜M₁和屏E；两块平面反射镜M₁、M₂相邻，且一块水平设置，另一块垂直设置。

当光源S发出的光线射入到分光镜G₁上时，光经过分光镜G₁后分为测量臂S1和参考臂S2两路。其中，测量臂S1为光线经分光镜G₁透射到达平面反射镜M₁的光束，经反射后返回，再经分光镜G₁的反射面反射后，形成光束S1′到达屏E；参考臂S2为光线经分光镜G₁反射后，射向平面反射镜M₂的光束，经反射镜M₂反射后，再次射入分光镜G₁，再经分光镜G₁透射后，形成光束S2′到达屏E。两束光S1′、S2′在屏E处相遇，发生干涉，形成圆环状的干涉条纹，如图2、图3所示。

如果移动平面反射镜M₁或者M₂，两束光S1、S2的光程差将发生变化，从而使干涉条纹发生相应的变化，表现为从干涉图样的中心“冒出”(即中心亮斑的直径逐渐变大)或者向中心“缩进”(即中心亮斑的直径逐渐变小)。图3为图2所示干涉图样经过变化后，中心亮斑变成中心暗斑的干涉图样。假设Δd为平面反射镜M₁移动的距离，“冒出”为正方向，正向移动时最亮条纹计数为k₊；“缩进”为负方向，负向移动时最亮条纹计数为k_-，由迈克尔逊干涉原理可知：

$\mathrm{\Δd}(k_{+}-k_{-})\frac{\mathrm{\λ}}{2}---\left(1\right)$

其中，λ为光束S的波长。由此便可计算出平面反射镜M₁的移动距离Δd。

基于上述迈克尔逊干涉原理，本发明设计了一种激光干涉式水听器，参见图5所示，利用激光器1作为光源S，发射光线，同时仿照迈克尔逊干涉仪的结构布局方式设置分光镜3和平面反射镜4、6。其中，平面反射镜6可以采用一层反射膜镀膜在振动片7上实现，以用于反射通过分光镜3反射出的光束S6。通过振动片7感应被测声信号的振动，进而利用振动片7的振动改变测量臂的距离，使通过分光镜3反射和透射出的两束光线所产生的干涉图样发生变化。然后，利用光电二极管Phd代替迈克尔逊干涉仪中的屏E来检测干涉图样，具体可以检测干涉图样中心的亮斑。当干涉图样的中心为亮斑时，光电二极管Phd导通；中心为暗斑时，光电二极管Phd截止，通过对光电二极管Phd的导通次数进行计数，即可获得最亮条纹的计数值。对于被测声信号的振动方向，可以通过在振动片7的外表面(即与镀有反射膜6的内表面相反的一侧)贴附压电复合材料，通过对压电复合材料输出电流的变化趋势进行检测，来间接地判断出被测声信号的振动方向。由此便可以得到k₊、k_-的具体值，进而利用迈克尔逊干涉原理公式(1)即可计算出被测声信号的振幅。

下面通过一个具体的实施例，来详细阐述所述激光干涉式水听器的具体组建结构及其工作原理。

实施例一，参见图4所示，本实施例的水听器主要由壳体8、光路系统、控制系统、供电系统和通信系统等部分组成，其中，光路系统和控制系统的具体组建结构参见图5所示。

在光路系统中，分光镜3可以选用半透射半反射的分光镜片，且反射面朝上，并按照与水平面所成锐角为45°的关系倾斜设置。在分光镜3的上下两侧对应设置平面反射镜4和激光器1，如图5所示，所述平面反射镜4即相当于图1中的M₁，朝向分光镜3的反射面，但需要将其水平放置。在振动片7的内表面镀有一层反射膜6，以形成平面反射镜，代替图1中的M₂，与接收干涉条纹的光电二极管Phd分别设置在分光镜3的左右两侧。所述振动片7应竖直放置，镀有反射膜6的内表面朝向分光镜3的透射面；振动片7的外表面贴附压电复合材料5，比如压电陶瓷-高聚物复合材料等，使压电复合材料5随振动片7同时形变。由于压电效应，变形后产生电荷的变化，进而利用电荷的变化趋势来判断被测声信号的振动方向。

在本实施例中，所述激光器1可以采用激光二极管实现，作为光源S发出激光。为了便于干涉图样的采样，在所述激光器1与分光镜3之间优选再进一步安装一个扩束器2，如图5所示。激光器1发出的激光经过扩束器2后，光束的直径扩大，扩束后的激光在分光镜3处分为两路：射向平面反射镜4的光束S4定义为参考臂，射向振动片7的光束S6定义为测量臂。在本实施例中，优选采用放大倍数为10倍的扩束器2进行系统设计，扩束后的激光光束的直径可以达到5.4mm。

在本实施例的控制系统中主要包括光电二极管Phd、电荷放大电路QA和控制器等部分，参见图5所示。其中，电荷放大电路QA可以采用一颗电流放大芯片实现，通过导线连接压电复合材料5，接收压电复合材料5输出的电流信号，并进行放大处理后，输出至控制器。所述控制器根据电荷放大电路QA输出的电流信号的变化趋势判断当前被测声信号的振动方向。与此同时，将控制器与光电二极管Phd连接，通过对光电二极管Phd的导通次数进行计数，来确定参数值k₊、k_-。

在本实施例中，所述控制器可以采用一颗CPU芯片配合一颗A/D转换器实现。通过电荷放大电路QA输出的模拟电流信号经A/D转换器进行模数转换后，输出数字信号至CPU，以方便CPU对电流变换趋势的判断。通过光电二极管Phd输出的电流信号可以直接传输至CPU的其中一路I/O口，当CPU检测到有电流输入时，认为光电二极管Phd导通，进行计数；反之，认为光电二极管Phd截止，停止计数。当然，所述光电二极管Phd也可以通过A/D转换器连接CPU，当光电二极管Phd导通时，通过A/D转换器输出数字信号1，以改变CPU中的计数值；而当光电二极管Phd截止时，输出数字信号0，此时CPU不进行累加计数。

下面对本实施例的激光干涉式水听器的具体工作原理进行详细阐述。

启动激光器1发射激光，经扩束器2扩束后，射入到分光镜3以分射出两路光束：(1)参考臂S4：激光到达分光镜3后，经过折射到达平面反射镜4，再经平面反射镜4反射后回到分光镜3，经分光镜3的反射面反射后，形成光束S4′射向光电二极管Phd；(2)测量臂S6：激光到达分光镜3后，经反射面反射到达振动片7的内表面的反射膜6，经反射膜6反射回到分光镜3，然后经分光镜3透射出光束S6′。两路光束S4′和S6′在光电二极管Phd处相遇，发生干涉，形成同心圆环状的干涉图样。系统初始化时，通过对光路系统进行预调节，使光电二极管Phd检测到干涉图样中心的最亮斑。

将水听器放入水下，当被检测的水域有声音信号时，当声波到达振动片7时，便引起振动片7的振动，从而改变测量臂S6的距离，使干涉条纹产生相应的变化，由此引发光电二极管Phd通断，并利用CPU不断对光电二极管Phd的导通次数进行计数。由于在振动片7的外表面贴附有压电复合材料5，二者振动方向一致，到达水听器的声波作用于压电复合材料5，使其产生形变，输出电荷经电荷放大电路QA进行放大处理后，输出电流信号经A/D转换器变换为数字信号后，输出至CPU。CPU根据接收到的电流信号的变化趋势判断当前声波的振动方向，比如在电流信号不断增大时，认定为正方向，此期间记录的光电二极管Phd的导通次数累计到参数k₊中；在电流信号不断减小时，认定为负方向，此期间记录的光电二极管Phd的导通次数累计到参数k_-中。将参数k₊、k_-代入迈克尔逊干涉原理的计算公式：

$\mathrm{\Δ}1=(k_{+}-k_{-})\frac{\mathrm{\λ}}{2}---\left(2\right)$

即可计算出当前被测声信号的振动幅度Δ1。在这里，所述λ代表激光的波长。

在光电二极管Phd的通断状态不再发生改变，并保持最终状态到达设定时间后，认为声波消失，此时可以对CPU中的计数器进行清零操作，以备后续检测使用。当然，监测人员也可以通过水面上的终端装置向CPU发出复位指令，以清空CPU中计数器的计数值，重新对声波进行检测。

为了使本实施例的水听器能够适应水下环境，将图5所示的光路系统和控制系统设置于一壳体8中，参见图4所示。所述壳体8可以设计成水平放置的圆筒状，且在左端或者右端开口，图4是将开口设置在左端的结构示意图。将振动片7安装在所述开口处，边缘与壳体8固定，与壳体8形成一个密闭的腔室。为了准确地感应水中的声信号，在安装所述振动片7时，应将其外表面朝外，即压电复合材料5朝外；内表面朝内，即反射膜6朝向所述的腔室内。光路系统的其他部分、控制系统、通信系统和供电系统均内置于所述的腔室中，以避免水的侵蚀。

针对圆筒状壳体的水听器，所述振动片7可以设计成圆形，以与圆筒状壳体8的端口相适配。所述振动片7优选采用刚性较大的材料制成，以使水听器能够承受压力较大的深海环境。在本实施例中，可以采用不锈钢板来制造所述的振动片7，由此形成的水听器即使置于500米的深海环境中也能正常工作。当然，本实施例并不仅限于以上举例。

为了提高被测声信号检测的灵敏度，所述压电复合材料5优选设计成条形或者环形。若选用条形压电复合材料5，则应同时在振动片7的外表面平行贴附多条，且避开振动片7的中心位置，使振动片7的中心能够直接感受到声波。若选用环形压电复合材料5，则应使所述环形压电复合材料5的圆心与振动片7的圆心重合，由此可以使振动片7的中心外露，以直接感受声音信号的波动。与此同时，振动片7内表面的反射膜6也应设置在振动片7的中心位置，并尽量使作为测量臂的光束S6刚好射向位于振动片7中心位置的反射膜6上，以使振动片6的形变能够真实地反映在测量臂的变化上。

通过控制系统计算生成的被测声信号的振幅Δ1可以通过通信系统以有线或者无线的方式上传至终端设备，以进行显示并存储，进而提供给位于水上或者地面上的监测人员进行水下声源的监测和分析。同时，监控人员的控制指令也可以通过终端设备下传至水下的水听器，以控制水听器的工作状态。

水听器根据用途需要，可以单独布放，也可以多个水听器组成拖曳阵列，共同检测声音信号。采用本实施例的水听器，相比传统水听器具有以下显著优势：

(1)检测精度高；本实施例采用振动片与压电复合材料贴合的双层结构来判断声波的振动方向，从而避免了传统辨向方法造成的累积误差；选用的激光器1的稳定性为10^-4、光波长635nm，从而使干涉检测精度能够达到10^-4m的级别。

(2)功耗低；由于本实施例的激光器1选用功耗较低的激光二极管进行设计，整个系统的功耗可以低至5W；供电系统可以采用电池为光路系统、控制系统和通信系统提供电力供应，续航时间长，适合长期置于水下作业。

(3)密封性好；本实施例的水听器承压能力强，能够在500米甚至更深的水下环境正常作业。

当然，上述说明并非是对本发明的限制，本发明也并不仅限于上述举例，本技术领域的普通技术人员在本发明的实质范围内所做出的变化、改型、添加或替换，也应属于本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种激光干涉式水听器，其特征在于：包括基于迈克尔逊干涉原理的光路系统、控制系统以及为所述光路系统和控制系统提供工作电源的供电系统；在所述光路系统中包括激光器、半透射半反射的分光镜、平面反射镜和振动片；其中，所述平面反射镜和激光器分设在分光镜的上下两侧，所述振动片竖直设置，且在其朝向分光镜的内表面上镀有一层反射膜，振动片的外表面贴附有压电复合材料；在所述控制系统中包含有用于接收通过所述分光镜反射和透射出的两束光线的光电二极管以及用于接收所述压电复合材料输出电流的电荷放大电路，通过所述光电二极管和电荷放大电路输出的电信号传送至控制器，通过控制器计算被测声信号的振幅；所述光路系统、控制系统和供电系统设置于一壳体中，所述壳体的左端或者右端开口，所述振动片安装于所述开口处，进而与所述壳体形成一个密闭的腔室，且所述振动片的内表面朝向腔室内。

2.根据权利要求1所述的激光干涉式水听器，其特征在于：所述控制器根据电荷放大电路输出的电流信号的变化趋势判断振动片的振动方向，并同时对所述光电二极管的导通次数进行计数，且记正向振动的计数值为k₊，负向振动的计数值为k_-，代入公式

计算出检测信号的振幅Δ1；其中，λ为激光波长。

3.根据权利要求1所述的激光干涉式水听器，其特征在于：在所述激光器与分光镜之间设置有一扩束器，通过所述扩束器对激光器发出的光束的直径进行扩大。

4.根据权利要求3所述的激光干涉式水听器，其特征在于：所述激光器为激光二极管；所述反射膜位于振动片的中心位置。

5.根据权利要求1至4中任一项所述的激光干涉式水听器，其特征在于：在所述控制器中包括A/D转换器和CPU，所述电荷放大电路输出的电流信号经A/D转换器变换为数字信号后传输至所述的CPU；所述光电二极管连接所述的CPU或者通过A/D转换器连接所述的CPU。

6.根据权利要求1至4中任一项所述的激光干涉式水听器，其特征在于：在所述水听器中还设置有通信系统，连接所述的控制器，将控制器计算生成的被测声信号的振幅传送给终端装置进行显示和存储。

7.根据权利要求6所述的激光干涉式水听器，其特征在于：所述通信系统设置于所述振动片与壳体形成的密闭的腔室内。

8.根据权利要求7所述的激光干涉式水听器，其特征在于：所述壳体呈横向放置的圆筒状；所述振动片为圆形的不锈钢板。

9.根据权利要求8所述的激光干涉式水听器，其特征在于：贴附在所述振动片外表面的压电复合材料呈条形，且平行排列设置有多条。

10.根据权利要求8所述的激光干涉式水听器，其特征在于：贴附在所述振动片外表面的压电复合材料呈环形，且圆心与振动片的圆心重合。

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