CN1197202A - 扩展的、柔性的、空间加权的光纤干涉水听器 - Google Patents

Abstract

一种光纤水听器,形成在广范围内以每对光纤形成分离的干涉计段的单个干涉计。第一光纤形成多个空间上分离的外线圈。第二光纤形成多个与外线圈对应的内线圈。内外线圈较佳地以同心对设置形成多个传感器段。设置多个分隔器,每个位于连续的传感器段之间。分隔器引导连续的传感器段之间的外、内光纤,故传感器段之间的物理参数的变化不会在外和内光纤引导的光信号之间产生相位差。

Description

扩展的、柔性的、空间加权的光纤干涉水听器

本发明一般涉及声传感器，尤其涉及水听器声传感器。本发明还涉及一种光纤水听器，它包括跨越一个距离范围的分段的干涉计，它足以允许对局部噪声源的影响进行平衡，并提高信噪比。

现有技术解决向光纤水听器发展的问题，采用刚性的圆筒体，内部水管卷绕得相当弯。

以前，从离开几英寸以上的地方采集干涉计的声数据需要配置多个单独的光纤干涉计。这种策略存在一些不尽人意的特征。它需要大量的遥测线路在终端与接收站之间传送数据，无疑增加了传感器的成本和体积。接收和调节各别干涉计的信号并进行任何后继的平均和噪声降低操作，需要大量信号处理。由于需要大量的硬件(即光纤耦合器)建立这种传感器而引起额外的开支和复杂性。

本发明通过广泛提供空间上分隔的干涉计段对现有技术的光纤水听器进行了改进。每个干涉计段包括在每一对光纤中所形成的线圈。该干涉计段设计成在一个宽范围内允许对局部噪声源(例如加速度、湍流噪声)的影响进行平均，以提高声信噪比。该干涉计段还允许在急弯附近配置水听器。

根据本发明的水听器包括单光纤干涉计。每个干涉计段包括绕在柔性机械支承件上的一长段光纤，该支承件确定了传感器的形状和声灵敏度。该光纤以一种方式加到机械支承件上，它设计成沿着传感器在一个特定的位置上提供一特定的声灵敏度，使沿着传感器相对噪声源的干涉灵敏度减至最小。

根据本发明的空间加权、扩展的光纤传感器用以测量物理参数，诸如声压的变化，它包括形成多个空间上分离的内部线圈的第一光纤。第二光纤形成多个空间上分离的内部线圈。外部和内部线圈较佳地安排成同心的一对，以形成多个传感器段。设置多个分隔器，使分隔器位于连续的传感器段之间。分隔器这样形成，它引导位于连续传感器段之间的外部和内部光纤，使传感器段之间的物理参数的改变在由外部和内部光纤引导的光信号之间不产生相位差。第一光耦合器将光信号提供给外部和内部光纤。外部和内部线圈较佳地设置以暴露于参数，这样，每个传感器段参数的变化在外线圈和相应外线圈的光信号之间产生相应的相位变化。在传感器段暴露于参数之后，第二光耦合器组合了外部和内部光纤的信号。

传感器机械支承件可以是连续的柔性材料(例如尼龙、聚碳酸酯塑料)的棒，它成型以提供所需的支承件和声灵敏度的空间分布。传感器机械支承件可以是链型结构，其中，弯曲局限于柔性接头，接头连接提供特定声灵敏度的刚性部分。

声灵敏度可对传感器上的某个位置作修正，即控制该位置绕在传感器上的光纤量，和/或通过形成较大或较小地响应于声信号的机械支承件。

通过参照附图探讨以下对较佳实施例的描述，可以对本发明的目的及其结构和操作方法有更多更完整的了解。

图1表示根据本发明的光纤水听器；

图2表示一对水听器段，它可以包括在由分隔器连接的图1所示的光纤水听器内；

图3是一个截面图，它表示绕在内外心轴上的光纤，心轴可以包括在图1所示的水听器段内，并表示用光纤形成干涉计；

图4是表示光纤干涉计基本结构的示意图，干涉计可以包括在根据本发明的光纤水听器内；

图5是外心轴的仰视图，它可以包括在图1-3所示的水听器段内；

图6是一个放大的截面图，它表示图5所示外心轴的一个端部；

图7是图3所示内心轴的截面图；

图8是图7所示内心轴的仰视图；

图9是分隔器的侧仰视图，它可以包括在图1和图2所示的装置内；

图10是一个透视图，它表示沿着分隔器在连续的段之间形成通路的光纤；

图11是图10所示装置的展开图，它表示光纤穿过心轴上一个凸缘内所形成的狭缝；

图12是一个透视图，它表示光纤在连续的段之间形成通路的另一种设置；以及

图13是图12所示装置一个部分的展开图，它表示内外光纤穿过一对同心心轴上形成的端缘内的狭缝。

本发明涉及一种延伸的光纤水听器，它包括空间上分布的干涉计。其中所述的特定实施例作为如何可以实现本发明的实例。本发明的范围不应理解为局限于其中所述的特定结构和方法。

如图1所示，根据本发明的光纤水听器30包括多个光纤水听器段32-35。光纤水听器段32-35最好基本上相同。因此，对任何一个光纤水听器段32-35所述的任何结构特征，均包含在所有的光纤水听器段32-35内。

光纤水听器段32和33分隔开通过分隔器40连接。分隔器41连接在光纤水听器段33与34之间，分隔器43连接在光纤水听器段34与35之间。光纤水听器30可以包括另外的光纤水听器段(未图示)，基本上与光纤水听器段32-35相同。任何另外的水听器段都可以由分隔器(未图示)串联连接，这些分隔器基本上与分隔器40-42相同。橡胶弯头43和卷曲套管44可以安装在分隔器40-42的端部，在光纤水听器30内形成柔性接头。与现有技术的自由移动光纤路径相比，橡胶弯头允许各段之间有弯曲，同时为横穿柔性连接的光纤提供相对硬性的通路。

如图2和3所示，按展开形式显示光纤水听器段32和33以及分隔器40的部分，以说明光纤水听器30的结构特征。如图2-6所示，光纤水听器段32包括外心轴50，它最好形成圆筒状。外心轴50具有一对靠近其两相对端形成的凸缘52和54以及中心凸缘53。光纤56绕在外心轴50上形成干涉计60的第一外(或敏感)线圈58。

进一步如图2和3所示，内心轴62安装在外心轴50内部。内心轴62最好形成一个中空的圆柱体，收容一个腔体64。耦合室66最好也形成一个中空的圆柱体，它安装在腔体64的内部。

光纤70绕在内心轴62上形成干涉计60的第一内线圈72。在本发明的某些实施例中，内线圈72同被测参数隔离，并作为一个基准线圈，其中，光信号不会发生相移。光纤56和70分别具有端部，它们分别扩展到耦合室66至接头74和76。光纤78和80分别连接在接头74和76与光耦合器82之间。光信号从光信号源71至光纤85输入到光纤水听器30，光纤85引导光信号至光耦合器82。光耦合器82将输入光信号分为两个信号输入到光纤56和70。

耦合室66设置成具有开口端部87，光纤56、70和85可以从外部穿过腔体64分别至接头74和76以及耦合器82。耦合室的另一端88封闭，它由端盖89维持内心轴62位置上，而端盖89通过任何合适的装置诸如螺钉或胶合剂连接到内心轴62的端部。端盖89(连接适配器)可以形成为或者允许流体涌进内心轴62的内腔体64，或者封闭内腔体64，防止腔体64内部的光纤受到声压的影响。光纤水听器30的较佳实施例允许内心轴62内部的流体达到增高的响应。当声波作用于外心轴58和内心轴62时，传感器工作于推挽方式，当腔体64封闭时可以获得两次响应。

如图3所示，耦合室66的开口端部87由端盖91维持就位，端盖91包括开口95，允许光纤56、70和85通过。

图4简单表示光纤干涉计60的基本结构，它可以包括在光纤水听器30内。图4仅示出形成光纤干涉计60所用的心轴、光纤光耦合器、光信号源以及信号处理装置。光纤水听器30的其余较佳结构在其它附图中示出。

来自光信号源71的光信号耦合到光纤56和70，然后在光纤56和70内传播至于涉计60的外线圈58和内线圈72。外线圈58暴露于参数，通常为待测声场的。入射声场与外线圈58产生交互，改变由外线圈58引导的光信号的相位。内线圈72可以与参数隔离，或者可以以与响应外线圈58相反的方向响应参数，这样，外线圈58与内线圈72内光信号的相位差为入射声场强度变化的度量。

然后，光纤56和70引导光信号至第二个水听器段33。段33包括外心轴50A和内心轴62A。光纤56和70可以以图3、5-8所示的方式穿过内外心轴50A和62A上凸缘内的开口。外线圈90和内线圈92分别在外、内心轴50A和62A上形成。外线圈90可暴露于声场，而外线圈92与声场隔离或设置成反向响应。声场中的变化引起外线圈90内光信号的相位差。

用光纤56和70分别按图4所示和以上所述的方式，在标号30所示的每个水听器的外和内心轴上形成外和内线圈。光纤水听器30可以包括大量外和内线圈，形式基本上与线圈58和72的相同。外线圈不必都拥有相同的匝数。内线圈的匝数也可以变化。改变匝数允许水听器段在最终的测量中有不同的权重。

光纤水听器30中的最后一个水听器段35基本上可以与第一水听器段32相同。该水听器35包括外线圈94和内线圈96。光纤耦合器98将由光纤56和70引导的光信号组合在一起，并在光纤100提供光纤水听器的输出。组合的光信号包含干涉条纹图形，它表示外部光信号通过每个线圈传播时的相移。然后由信号处理装置102处理该干涉条纹，从而确定声压在每个水听器段32-35各位置上的加权平均。可以理解，光纤水听器段30中的水听器段的数量可以与附图所示和以上所述的数量不同。选择4个水听器段32-35仅仅用以说明本发明的基本结构。

如图2、3、5和6所示，外心轴50的第一小端部104扩展到端部凸缘53那一边。外心轴50的第二小端部106扩展到端部凸缘54那一边。端部104和106基本上相同。因此，图6中所示和以上详细所述的仅仅是端部104。

如图5所示，凸缘52-54中可以分别设置呈一个角度的凹槽110-112。呈一个角度的凹槽110-112分别为光纤56形成通路通过凸缘52-54。图5示出几匝外线圈58以表示光纤56通过呈一个角度的凹槽110-112的通路。

如图3和5所示，光纤56可以被引导通过凸缘52中的凹槽110，并绕在外心轴50的左侧118，形成第一外线圈部分120。然后，光纤56通过中心凸缘56的凹槽111并绕在外心轴50的右侧119，形成第二外线圈122。然后，光纤56通过端部凸缘53中的凹槽112，直达分隔器40。

如图2、3和6所示，在端部104中，通路116在外心轴50的圆筒型璧内形成。通路116的尺寸适合用作导管通过外心轴50的圆筒型外璧，光纤70(见图3)绕在内心轴62上。

如图3、7和8所示，内心轴62具有基本上相同的端部凸缘130和132。端部凸缘130上具有圆周凹槽134，它设置成形成两个凸缘部分136和138。第二圆周凹槽140在端部凸缘132上形成以形成凸缘部分142和144。凸缘部分136和138的直径基本上与中空圆柱形外心轴50的内径相同，故端部凸缘136和138紧贴在外心轴50内。呈一角度的凹槽146在端部凸缘130的凸缘部分138内形成，类似的呈一角度的凹槽148在端部凸缘132的凸缘部分142内形成。光纤70绕在端部凸缘130与132之间的内心轴62的外侧。光纤70经过角度凹槽148至圆周凹槽140。圆周凹槽134与外心轴50内的通路116对直。光纤70从通路116通入圆周凹槽134，光纤56由此被引入内心轴62。通路116A在内心轴62的另一端形成，这样，光纤70可以通过通路116A直达分隔器40。

图9详细示出分隔器40。分隔器40的两端包括接头150和152，用以使分隔器40安装到水听器段32和33的端帽89和155。分隔器40用以构成非感应“未加权”的水听器段。分隔器40包括螺旋形凹槽156，它沿着棒157的长度为光纤56和70提供了路径。棒157是硬性的，能将声场对光纤56和70的任何影响减至最小。光纤56和70沿着分隔器40的长度置于声场内，进一步使将光纤绕在分隔器棒上的区域内的光纤56和70所引导的信号之间的任何相移减至最小。螺旋形凹槽156为一对光纤56和70提供了路径，此方式使该区域内的任何声相应减至最小。

通过在分隔器40上为光纤56和70提供并排的路径而形成声减弱区域，分隔器40可以是铝棒。光纤56和70用一种合适的黏合剂粘合到分隔器40上。因光纤56和70穿过柔性橡胶接头43的运动仍可能提高加速度灵敏度。通过将两根光纤彼此粘合在一起并沿一或两条环形螺线穿过分隔器40，使加速度灵敏度减至最小。光纤可以粘合到泡沫材料或某些容易压缩的支承件上，支承件可以置于橡胶接头上，当接头弯曲时使光纤上的张力减至最小。

图10至13表示本发明的第二个实施例，它采用另一种技术为光纤水听器30的连续部分之间的内部光纤提供路径。如图10和11所示，通过将第一外线圈168绕在内心轴170上而组装光纤水听器30。内心轴170有端部凸缘172和174，分别设置径向狭槽176和178。光纤180通过槽176，然后绕在内心轴170上。在第一外线圈形成后，光纤180然后经过槽178并通过端盖182。光纤180的几匝置于分隔器184上。第二内心轴190连接到分隔器184上。心轴190具有凸缘192，它包括狭槽194。光纤180经过狭槽194，然后绕在第二内心轴190上形成第二外线圈196。

如图12和13所示，外心轴200设置在内心轴170上。外心轴200具有端部凸缘202和204，它们分别具有槽206和208，从边缘向内径向展开。光纤210经过槽206，然后绕在外心轴200上形成第一外线圈212。然后，光纤210经过槽208并通过端盖182。光纤210绕在分隔器184上，然后到达光纤水听器30的下一个外心轴(未画出)。如图13所示，在外心轴200安装在内心轴后，光纤180穿过一个小开口214。最好用一种合适的埋嵌材料形成一个插塞216，它可以封闭开口214，以封闭内心轴170与外心轴200之间包含的空间。然后，光纤210进入下一个外心轴218，它安装在内心轴190上。

以上概述的光纤水听器结构的方式允许单一的干涉计横跨许多公尺，还可以置于软管内。这样，可以在传感器信号以外对具有较低空间相干性(例如，因拖曳阵列周围的湍流而产生的噪声)的宽带噪声进行平均。可以对展开的传感器的声灵敏度进行空间加权，以消除更多的相干噪声源，诸如硬件中的机械波动。

通过控制线圈中光纤匝的分布，可以在一个较广的范围内连续改变空间加权轮廓和声灵敏度，它允许在实施这些噪声抑制技术中有许多选择。注意，为对声场部分实现负加权，传感器中可以在特定位置互换外部和内部光纤的路径。这些传感器的声灵敏度覆盖了约40dB的范围。

与现有技术相比，所述光纤水听器的结构提供了改进的加速度灵敏度。本发明着重于简单化和低成本，它允许分段的水听器比以前更经济。

所述结构和方法说明本发明的原理。在不脱离其精神或基本特征的情况下，还可以以其他的特定形式实施本发明。所述的各个实施例仅作为举例和说明而非用于限制。因此，本发明的范围由所附权利要求书而不是前面的描述所限定。在本发明的范围内包含了对所述实施例的所有变换，它们均在与权利要求书等效的范围和意义内。

Claims (8)

1.一种测量物理参数变化的空间加权的、扩展的光纤传感器，该光纤传感器包括其中形成多个空间上分隔的外线圈的第一光纤，以及其中形成多个空间上分隔的内线圈的第二光纤，内线圈和外线圈按同心对设置，以形成多个空间上连接的传感器段，为此有第一传感器段和最后传感器段，其特征在于还包括：

多个分隔器，该多个分隔器之一设置在连续的传感器段之间，该分隔器引导连续传感器段之间的第一和第二光纤，使传感器段之间的物理参数的变化不在由第一和第二光纤所引导的光信号之间产生相位差；

第一光耦合装置，将光信号耦合到第一和第二光纤，内线圈和外线圈置成暴露了参数，使每个传感器段的参数变化在外线圈与相应内线圈光信号之间产生相应的相位改变，以及

第二光耦合装置，用以在传感器段暴露于参数之后组合第一和第二光纤内的信号。

2.如权利要求1所述的光纤传感器，其特征在于，每个内线圈位于其相应的外线圈内，其间有封闭的空间。

3.如权利要求1所述的光纤传感器，其特征在于，每个分隔器包括沿其长度方向具有螺旋凹槽的棒体，在螺旋凹槽内装有第一与第二光纤。

4.如权利要求3所述的光纤传感器，其特征在于进一步包括安装在每个分隔器与邻近的传感器段之间的柔性接头。

5.如权利要求1所述的光纤传感器，其特征在于，每个传感器段进一步包括：

形成薄璧中空圆筒体的内心轴；

在内心轴上形成的第一对端部凸缘，每个端部凸缘其中具有一个槽沟，内部光纤设置成通过该槽沟并绕在内心轴上，在第一对端部凸缘之间形成外线圈；以及

形成中空圆筒体并设置成与内心轴同心的外心轴，外线圈在外心轴上形成，内心轴和外心轴包围一个其间形成外线圈的空间。

6.如权利要求5所述的光纤传感器，其特征在于进一步包括在外心轴上形成的第二对端部凸缘，外线圈在第二对端部凸缘之间形成。

7.如权利要求6所述的光纤传感器，其特征在于进一步包括在外心轴内形成的径向通路，允许第二光纤通过外心轴的璧。

8.如权利要求6所述的光纤传感器，其特征在于，第一光耦合装置位于第一传感器段的内心轴内部，第二光耦合装置位于最后传感器段的内心轴内部。

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