DE3042794C2 - Lichtleiterhydrofon - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Lichtleiterhydrofon zur Schallquellenortung mit mindestens einem von kohärentem Licht durchstrahlten Lichtleiter in Form einer Flachspule bzw. -spirale und einer Einrichtung zur Messung der Phasenverschiebung des Lichtes nach dem Durchgang durch den Lichtleiter.

Es ist bekannt, daß Druckschwankungen, also beispielsweise Schallwellen, welche auf einen Lichtleiter einwirken, aufgrund des photoelastischen Effektes bei monochromatischem Licht meßbare Phasenverschiebungen verursachen. Die Messung der Phasenverschiebung kann beispielsweise durch die Überlagerung eines Meßstrahles mit einem Referenzstrahl auf einem optoelektrischen Detektor erfolgen, wobei das Interferenzbild bzw. -signal die Frequenz der Druckschwankungen wiedergibt. Dabei hat sich herausgestellt, daß die Phasenverschiebung proportional zum Produkt aus der verursachten Brechzahländerung und der wirksamen Weglänge (akustooptische Wechselwirkungslänge) ist. Seitdem Lichtleitfasern mit geringer Dämpfung zur Verfügung stehen, besteht die Möglichkeit, die akustooptische Wechselwirkurigslänge mit geringem Aufwand zu erhöhen. Bei Untersuchungen mit derartigen Lichtleiterhydrofonen wurde festgestellt, daß die durch den fotoelastischen Effekt — also durch Kompression und Dilatation der Faser verursachte Änderungen des Brechungsindex — bewirkten Phasenverschiebungen aufgrund der gleichfalls verursachten Längenänderungen der Faser weitgehend kompensiert werden. Die Empfindlichkeit der untersuchten Lichtleiterhydrofone lag also stark unter den erwarteten Werten. Andererseits. wurde festgestellt, daß der fotoelastische Effekt stark von der Orientierung der Lichtleitfaser zur Richtung der Druckwelle abhängig ist, so daß aus diesem Grund eine bevorzugte Anwendung des Effektes für Sonargerätc in Frage käme. Ein derartiges Gerät ist aus der US-PS 41 62 397 bekannt, wobei der Lichtleiter als Flachspule bzw. -spirale ausgebildet ist. Zur Richtungsdetektion von Schallwellen sind zwei parallele Spulen mit einem geringen gegenseitigen Abstand vorgesehen. Das optische Signal beider Spulen wird auf Phasenunterschiede überprüft, so daß akustische Druckunterschiede bzw. der Druckgradient ermittelt werden können. Eine Empfindlichkeitserhöhung durch eine Vergrößerung der Lichtleiteriänge und damit des Spulendurchmessers ist nur insoweit möglich, als keine Integration über verschiedene Phasenflächen einer akustischen Welle auftritt.

Es ist daher Aufgabe der Erfindung, einen Weg zu finden, mit dem sowohl die Empfindlichkeit als auch die Richtungsabhängigkeit eines Lichtleiterhydrofons gesteigert werden kann. Diese Aufgabe erfüllt ein nach einem der Patentansprüche ausgebildetes Lichtleiterhydrofon.

Durch die Anpassung der durch die Lichtleiterspule bzw. -spirale bestimmten Fläche an die Form der Wcllenfront kann einmal die Faserlänge und damit die Empfindlichkeit wesentlich erhöht werden, ohne daß der Lichtleiter mit seinem wirksamen Bereich über die Länge der für eine Sonaranwendung interessierenden, kürzesten Schallwellen hinausragt, wodurch sonst eine Integration über verschiedene Phasenflächen und damit eine Empfindlichkeitseinbuße zustande käme. Die optimale Anpassung wird durch eine maximale Modulation des Lichtes angezeigt. Aus der Krümmung der Spulen- bzw. Spiralenfläche bei maximalem Ausgangssignal kann weiterhin die Entfernung einer Schallquelle bestimmt werden.

Die Erfindung wird im weiteren anhand des in der Figur teilweise schematisch dargestellten Ausführungsbeispiels näher erläutert.

Die Figur zeigt eine Anordnung mit zwei als ringförmige Flachspulen ausgebildeten Lichtleiterhydrofonen 20 und 21, welche bezüglich einer Achse 22 konzentrisch angeordnet sind und einen sich deutlich voneinander unterscheidenden Durchmesser haben. Beide Lichtleiterspulen 20 und 21 sind auf einer gemeinsamen Plattform 23 angeordnet, welche über Stellglieder 24 und 25 kardanisch aufgehängt und bewegbar ist. Während die innere Spule 20 fest mit der Plattform 23 verbunden ist, ist die äußere Spule 21 gegenüber der Plattform 23 bzw. der Spule 20 über ein Stellglied 26 axial verschiebbar. Diese Anordnung entspricht derjenigen einer großen scheibenförmigen Flachspule, deren Fläche sphärisch krümmbar ist.

Unter der Annahme, daß von einer Schallquelle ausgehende Wellenfronten 27 in größerer Entfernung von der Schallquelle als kugelförmig angesehen werden können, besteht nun aufgrund der gezeigten Ausführung die Möglichkeit, Wellenfronten konstanter Phase großräumig zu erfassen, womit die Kugelförmige Wellenfront durch die Angabe zweier Kreise auf der Front eindeutig bestimmt ist. Dazu werden die Stellglieder 24, 25 und 26 so bewegt, daß auf beiden Lichtleiterspulen 20 und 21 ein maximales Signal anliegt. In diesem Fall wirkt der photoelastische Effekt kohärent auf die gesamte Faserlänge beider Spulen, so daß am Ausgang eines z. B. aus der obengenannten US-PS 41 62 397 bekannten und daher nicht weiter dargestellten, mit den Spulen 20 und 21 verbundenen Detektors ein maximaler Modulationshub nachweisbar ist. Durch Auslesung der momentanen Stellgliedkonfiguration lassen sich dann sowohl Richtung als auch Entfernung der Schallquelle nach den Regeln der Geometrie bestimmen.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims (1)

1. Patentansprüche:

   1. Lichtleiterhydrofon zur Schallquellenortung mit mindestens einem von kohärentem Licht durchstrahlten Lichtleiter in Form einer Flachspule bzw. -spirale und einer Einrichtung zur Messung der Phasenverschiebung des Lichtes nach dem Durchgang durch den Lichtleiter, dadurch gekennzeichnet, daß die Flachspule bzw. -spirale zur Anpassung an die Kontur der Schallwellen Stellglieder aufweist, mittels welcher die Krümmung der durch die Flachspule bzw. Spirale bestimmten Flächen veränderbar ist.

   2. Lichtleiterhydrofon nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch zwei koaxial angeordnete Flachspulen bzw. -spiralen (20, 22), deren Mittelpunkte durch Stellglieder (24, 25) längs de. gemeinsamen Achse (22) verschiebbar sind.

   21)