CN107884063B - 一种组合式光纤矢量水听器 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种组合式光纤矢量水听器，包括二维同振式光纤矢量水听器，一维压差式光纤矢量水听器及固定支撑架；一维压差式光纤矢量水听器由两个低加速度灵敏度光纤水听器构成。以二维同振式光纤矢量水听器的两个方向分别作为组合式光纤矢量水听器的x轴和y轴，可获取目标x、y方向的矢量信息。以一维压差式光纤矢量水听器为z轴，并以z轴作为拖曳方向，低加速度灵敏度光纤水听器可直接获取目标的声压信息，同时通过两者声压求声压梯度又可获得目标z方向的矢量信息。本发明能实现对目标声场信息的完全探测，具有高的空间信噪比增益，避免了船舰变速等因素对拖曳阵轴向矢量信息探测的影响。

Description

一种组合式光纤矢量水听器
技术领域
本发明属于光纤传感技术领域，涉及一种组合式光纤矢量水听器，具体地说，涉及一种用于拖曳阵列的组合式光纤矢量水听器。
背景技术
在水声探测中，拖曳线列阵声纳是当前最为有效的机动探测手段，其探测端远离舰船等拖曳平台，能够显著减小平台的噪声，提高信噪比，且拖曳阵声纳较舷侧阵的优势在于其不受舰船尺寸的限制，能做到较大的规模，可以利用在海洋中传播损失小但却是水面和水下目标辐射噪声中重要成分的低频信号进行检测。又有研究表明，矢量水听器成阵具有独特的抗混响能力，较高的空间滤波能力和阵列增益，可解决左右舷模糊问题，能有效地提高方位探测能力，极大地提高阵列的指向性和信噪比。但目前光纤矢量水听器成阵技术的研究较多集中在岸基阵上。而对于拖曳阵应用，缆的抖动和船舰变速等因素对光纤矢量水听器提出了降低拖曳阵轴向加速度灵敏度等特殊要求。因此，开展可用于拖曳阵的光纤矢量水听器研究具有重要的意义。
发明内容
本发明的目的在于，提供一种组合式光纤矢量水听器，旨在解决缆的抖动和船舰变速等因素对拖曳阵轴向矢量信息探测的影响。
所述组合式光纤矢量水听器包括二维同振式光纤矢量水听器，一维压差式光纤矢量水听器及固定支撑架，其中一维压差式光纤矢量水听器由两个低加速度灵敏度光纤水听器构成。以二维同振式光纤矢量水听器的两个方向分别作为组合式光纤矢量水听器的x轴和y轴，可获取目标x、y方向的矢量信息。以一维压差式光纤矢量水听器为z轴，并以z轴作为拖曳方向，两个低加速度灵敏度光纤水听器可直接获取目标的声压信息，同时通过两者声压求声压梯度又可获得目标z方向的矢量信息。所述组合式光纤矢量水听器可实现对目标声场信息的完全探测。
其技术方案具体如下：
一种组合式光纤矢量水听器，包括二维同振式光纤矢量水听器5、一维压差式光纤矢量水听器和固定支撑架，所述二维同振式光纤矢量水听器5包括：质量块13、刚性球壳12、四个弹性圆筒11、四个刚性支撑件10、四个尖端机米螺丝9、光纤干涉仪21；
质量块13与四个弹性圆筒11构成两组推挽结构，受声压影响，质量块13由于惯性作用对同一轴的两个弹性圆筒11分别进行拉伸和压缩，使弹性圆筒11及缠绕在壳上的光纤产生形变，即构成测量质点振动加速度的传感装置。
刚性支撑件10使之弹性圆筒11轴向截面受力均匀。
四个尖端机米螺丝9将刚性支撑件10固定在刚性球壳12上，使弹性圆筒11的方位保持精准固定。
刚性球壳12用于保护探头的内部结构保护并感受声波，刚性球壳12上开七个小孔，一个作为光纤接口，四个用来安装尖端机米螺丝9，两个用来安装固定螺钉7。
整个矢量球，即包括球壳和内部结构，其平均密度约等于水的密度。
所述一维压差式光纤矢量水听器由两个低加速度灵敏度光纤水听器6构成，即采用双干涉仪结构，两个光纤干涉仪分别传感两个点的声压信号，将两个光纤干涉仪解调的结果相减即为声压差，相加取平均即为矢量水听器中心点的声压。其中每个低加速度灵敏度光纤水听器6都包括内弹性圆筒15、外弹性圆筒16，光纤干涉仪21。
内弹性圆筒15和外弹性圆筒16之间留有空气腔作为增敏结构。在声压作用下，内弹性圆筒15和外弹性圆筒16产生相反形变，形成推挽结构。同时以外弹性圆筒16中间肋骨作为支撑，在轴向加速度作用下，肋骨两端光纤又形成推挽结构，可抵消加速度影响。
进一步，所述固定支撑架包括：四根支撑圆柱2，两块支撑圆环1，四根弹簧3，两块矢量球固定片4，两块标量筒固定片8，十个固定螺钉7；
支撑圆柱2上开两个小孔，用于勾挂弹簧3。
支撑圆环1中心有凹槽，凹槽中心开孔，其中凹槽外径稍大于低加速度灵敏度光纤水听器中间肋骨，凹槽中心孔外径小于低加速度灵敏度光纤水听器中间肋骨，使低加速度灵敏度光纤水听器中间肋骨刚好能放入凹槽。
标量筒固定片8把低加速度灵敏度光纤水听器6固定在支撑圆环1上。
矢量球固定片4开有四个小孔，用于勾挂弹簧3，并按开孔方位用固定螺钉7将其固定在刚性球壳12的上下两端，并用弹簧3将矢量球固定片4与四根支撑圆柱2的四根柱子相连接，确保刚性球壳12的方位。
进一步，所述光纤干涉仪21为Michelson光纤干涉仪，由光纤耦合器18、光纤19和法拉第旋光镜20组成。
本发明的有益效果：
本发明能实现对目标声场信息的完全探测，具有高灵敏度、高的空间信噪比增益。同时，以拖曳行进方向用两个低加速度灵敏度光纤水听器构成一维压差式光纤矢量水听器，其在拖曳成阵应用中从探测机制上避免了缆绳抖动和船舰变速等因素对拖曳阵轴向矢量信息探测的影响，又利用低加速度灵敏度光纤水听器结构对称性降低了加速度对探头本身的影响。
附图说明
图1为本发明组合式光纤矢量水听器结构示意图；
图2为二维同振式光纤矢量水听器剖面示意图；
图3为低加速度灵敏度光纤水听器剖面示意图；
图4为组合式光纤矢量水听器光学原理图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明的技术方案作进一步详细地说明。
参照图1，一种组合式光纤矢量水听器，包括二维同振式光纤矢量水听器，一维压差式光纤矢量水听器，固定支撑架。其中支撑圆柱2与支撑圆环1一起构成固定支撑架，矢量球固定片4通过固定螺钉7固定在二维同振式光纤矢量水听器5的z轴上下两端，再通过弹簧3将二维同振式光纤矢量水听器5悬挂在支撑圆柱2上，所述低加速度灵敏度光纤水听器6安放在支撑圆环1的中心凹槽处，并通过标量筒固定片8将低加速度灵敏度光纤水听器6固定。
二维同振式光纤矢量水听器剖面图，参见图2。
质量块13和弹性圆筒11安放在刚性球壳12的xy平面，并通过刚性支撑件10和尖端机米螺丝9进行位置调整和固定，即构成测量质点振动加速度的传感装置。传感系统受声压作用，产生一个平行于柱体轴向的微小加速度，质量块13由于惯性作用对同一轴的两个弹性圆筒11分别进行拉伸和压缩，使弹性圆筒11及缠绕在弹性圆筒11上的光纤14产生微小形变，由于光程差导致两路光在光纤耦合器中发生干涉。干涉信号经光电探测转化为电信号，再通过信号解调还原出声信号。
低加速度灵敏度光纤水听器剖面图，参见图3。
将内弹性圆筒15和外弹性圆筒16分别缠上光纤17，构成声压传感装置。两个弹性圆筒中间留有空气腔作为曾敏结构。在声压作用下，内弹性圆筒15和外弹性圆筒16产生相反形变，形成推挽结构，使缠绕在内弹性圆筒15和外弹性圆筒16上的光纤产生微小形变。由于光程差导致两路光在光纤耦合器中发生干涉。干涉信号经光电探测转化为电信号，再通过信号解调还原出声信号。
如图4所示，本发明具体实现的原理可表述如下：
激光器发出的光信号经一个光纤耦合器分成两路，一路光信号进入二维同振式光纤矢量水听器，由一个光纤耦合器将激光分到二维同振式光纤矢量水听器的两个轴，每个轴再由一个光纤耦合器将激光分到两个传感臂，经目标声压信号调制后产生光程差，通过光纤端头的法拉第旋光镜，原路返回，接受目标声压信号第二次调制，在光纤耦合器中形成干涉信号；另一路光信号分到一维压差式光纤矢量水听器，由一个光纤耦合器将激光分到两个低加速度灵敏度光纤水听器，每个低加速度灵敏度光纤水听器再由一个光纤耦合器将激光分到两个传感臂，经目标声压信号调制后产生相位差，通过光纤端头的法拉第旋光镜，原路返回，接受目标声压信号第二次调制，在光纤耦合器中形成干涉信号。四路干涉信号经光电解调转换为电信号，再通过信号解调还原出声信号。
在远场平面波作用下，一维压差式光纤矢量水听器获得的声中心声压为：
一维压差式光纤矢量水听器测得的声压梯度为：
其中Mp1和Mp2为两个低加速度灵敏度光纤水听器的声压灵敏度，p1和p2为两低加速度灵敏度光纤水听器分别测得的声压，φ1和φ2为两低加速度灵敏度光纤水听器所测得的声信号，θ为声波入射方位角，D为两低加速度灵敏度光纤水听器各自声中心之间的距离。
压差式声压相位灵敏度定义为:
po为一维压差式光纤矢量水听器实际声中心声压。
假设两个低加速度灵敏度光纤水听器具有相同的声压灵敏度Mi，一维压差式光纤矢量水听器的声压相位灵敏度Mp压差可以表示为：
Mp压差＝2Misin(kD/2)≈ωDMi/c
特别地，组合式光纤矢量水听器要求一维压差式光纤矢量水听器的声压相位灵敏度等于二维同振式光纤矢量水听器的声压相位灵敏度，即Mp压差＝Mp同振。
设二维同振式光纤矢量水听器的加速度灵敏度为Ma，则其声压灵敏度为：
由此确定两低加速度灵敏度光纤水听器各自声中心之间的距离D的大小为：
ρ为水的密度，c为水中声速。
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，本发明的保护范围不限于此，如将一维压差式光纤矢量水听器的双干涉仪结构改成单干涉仪结构，或把构成一维压差式光纤矢量水听器的两个低加速度灵敏度光纤水听器换成其它增敏结构的光纤水听器等。任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明披露的技术范围内，可显而易见地得到的技术方案的简单变化或等效替换均落入本发明的保护范围内。

Claims (4)

1.一种组合式光纤矢量水听器，其特征在于：包括二维同振式光纤矢量水听器（5）、一维压差式光纤矢量水听器和固定支撑架；其中支撑圆柱（2）与支撑圆环（1）一起构成固定支撑架，矢量球固定片（4）通过固定螺钉（7）固定在二维同振式光纤矢量水听器（5）的z轴上下两端，再通过弹簧（3）将二维同振式光纤矢量水听器（5）悬挂在支撑圆柱（2）上，低加速度灵敏度光纤水听器（6）安放在支撑圆环（1）的中心凹槽处，并通过标量筒固定片（8）将低加速度灵敏度光纤水听器（6）固定；
所述二维同振式光纤矢量水听器（5）包括：两个光纤干涉仪、质量块（13）、刚性球壳（12）、四个弹性圆筒（11）、四个刚性支撑件（10）、四个尖端机米螺丝（9）；
四个尖端机米螺丝（9）将刚性支撑件（10）固定在刚性球壳（12）上；所述一维压差式光纤矢量水听器由两个低加速度灵敏度光纤水听器（6）构成，其中每个低加速度灵敏度光纤水听器（6）都包括内弹性圆筒（15）、外弹性圆筒（16）、光纤干涉仪；
所述光纤干涉仪为Michelson光纤干涉仪，由光纤耦合器（18）、光纤（19）和法拉第旋光镜（20）组成。
2.根据权利要求1所述的组合式光纤矢量水听器，其特征在于：内弹性圆筒（15）和外弹性圆筒（16）中间留有空气腔作为增敏结构，光纤耦合器（18）嵌在内弹性圆筒（15）内侧。
3.根据权利要求1所述的组合式光纤矢量水听器，其特征在于：刚性球壳（12）上开七个小孔，一个作为光纤接口，四个用来安装尖端机米螺丝（9），两个用来安装固定螺钉（7）。
4.根据权利要求1所述的组合式光纤矢量水听器，其特征在于：所述固定支撑架包括：四根支撑圆柱（2），两块支撑圆环（1），四根弹簧（3），两块矢量球固定片（4），两块标量筒固定片（8），十个固定螺钉（7）；
支撑圆柱（2）上开两个小孔，用于勾挂弹簧（3）；
支撑圆环（1）中心有凹槽，凹槽中心开孔，其中凹槽外径稍大于标量水听器中间肋骨，凹槽中心孔外径小于标量水听器中间肋骨，使标量水听器中间肋骨刚好能放入凹槽；
标量筒固定片（8）把低加速度灵敏度光纤水听器（6）固定在支撑圆环（1）上；
矢量球固定片（4）开有四个小孔，用于勾挂弹簧（3），并按开孔方位用固定螺钉（7）将其固定在刚性球壳（12）的上下两端，并用弹簧（3）将矢量球固定片（4）与四根支撑圆柱（2）的四根柱子相连接，确保刚性球壳（12）的方位。
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