DE69721869T2

DE69721869T2 - Fiberoptisches Hydrophon mit starrem Dorn

Info

Publication number: DE69721869T2
Application number: DE69721869T
Authority: DE
Inventors: Donald A. Woodland Hills Frederick; John F. Reseda Cappi
Original assignee: Litton Systems Inc
Current assignee: Northrop Grumman Guidance and Electronics Co Inc
Priority date: 1996-03-06
Filing date: 1997-02-25
Publication date: 2004-02-19
Anticipated expiration: 2017-02-26
Also published as: JP3034816B2; AU720000B2; CA2199087A1; EP0794414B1; CA2199087C; AU1512197A; NO971036L; EP0794414A3; EP0794414A2; JPH1030955A; NO971036D0; DE69721869D1; KR970066607A; NO322785B1; US5625724A

Description

HINTERGRUND DER ERFINDUNG
Diese Erfindung betrifft allgemein faseroptische Hydrophone und insbesondere ein interferometrisches faseroptisches Festkörper-Hydrophon. Noch genauer bezieht sich diese Erfindung auf ein interferometrisches, faseroptisches Festkörper-Hydrophon, welches sich zum Betrieb bei hohen Drucken mit einer hohen linearen akustischen Empfindlichkeit und einer niedrigen Empfindlichkeit gegenüber einer linearen Beschleunigung eignet.
Bislang haben faseroptische Hydrophone zwei konzentrische hohle Dorne umfasst, um die jeweils eine Länge einer optischen Faser gewickelt ist, die einen Zweig eines optischen Interferometers bildet. Der äußere Dom ist typischer Weise mit einer dünnen Wand ausgeführt, so dass sich sein Radius im Ansprechen auf einen einfallenden akustischen Druck ändert. Ein abgedichteter Lufthohlraum ist zwischen den zwei Domen gebildet. Der innere Dom ist typischer Weise entweder als dünne Wand ausgeführt, wobei sein Innenraum dem Umgebungsdruck ausgesetzt ist, so dass sich sein Radius in dem entgegengesetzten Sinn zu demjenigen des äußeren Dorns unter einem akustischen Druck ("Gegentakt"-Konfiguration) ändern würde, oder mit einer relativen dicken Wand ausgeführt, und möglicherweise gefüllt mit einer Festkörper-Ausfüllverbindung, um als ein "Referenzzweig" für das Interferometer zu dienen.
Die dünnen Erfassungshüllen, die von einem Luftraum gestützt werden, sind sehr nachgiebig und stellen ein empfindliches Hydrophon bereit. Die zylindrische Form stellt eine geringe Nettoänderung in der Faserlänge (d. h. eine geringe Empfindlichkeit) als Folge von linearen Beschleunigungen dar, was in einem Hydrophon wünschenswert ist. Die Fähigkeit, ein Eintauchen in eine große Tiefe zu überleben, muss dadurch bereitgestellt werden, dass sichergestellt wird, dass die äußere Hülle ausreichend dick ist, um einem Zusammendrücken durch den Wasserdruck zu widerstehen.
Diese Tiefenüberlebensanforderung begrenzt die Nachgiebigkeit, die der Dorn im Ansprechen auf akustische Signale aufzeigen kann. Somit ist es bei der herkömmlichen Hydrophon-Technologie schwierig, eine empfindliches Hydrophon in einem Feld zu verwenden, das in der Tiefe überleben muss.
Die Herstellung von diesen Hydrophonen ist auch zeitaufwendig und kostenintensiv, weil der Lufthohlraum zwischen den zwei Dornen abgedichtet werden muss. Diese Abdichtung muss einen Durchgang einer Faser durch sie selbst zur Außenseite des inneren Dorns erlauben. Dies ist ein delikater Zusammenbauprozess und ein Leck und ein Faserbruch an dieser Abdichtung ist nicht ein ungewöhnlicher Fehlermechanismus von diesen Instrumenten.
Der Lufthohlraum kann auch akustische Resonanzen unterstützen. Die relativ geringe Geschwindigkeit von Schall in Luft und das hohe Dämpfen von akustischen Wellen in dem Lufthohlraum können zusammenwirken, um diese Resonanzen innerhalb der akustischen Erfassungsbandbreite einzurichten. Dies begrenzt den Frequenzbereich eines linearen Betriebs des Hydrophons und kann bei einigen Hydrophonkonstruktionen problematisch sein.
Die GB-A-22 784 39 beschreibt ein luftgestütztes Hydrophon mit einem mit Luft gefülltem Hohlraum. Die US-A-5,367,376 beschreibt ein faseroptisches Hydrophon mit einem hohlen Dom mit einem zentralen Hohlraum, der mit einer Epoxidfüllung gefüllt ist, um eine Steifigkeit bereitzustellen.
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
Die vorliegende Erfindung verwendet eine interferometrische Anordnung, wie im Anspruch 1 beansprucht, der hier angehängt ist. Anstelle einer Erfassung mit einer luftgestützten äußeren Hülle, wie in dem Stand der Technik, wird eine feste Schicht aus einem nachgiebigen Material über die Referenzfaser angebracht. Der Erfassungszweig des Interferometers wird über die Schicht des Materials, welches über die Referenzfaser angebracht wird, gewickelt. Das äußere Material ist ausreichend nachgiebig, um eine akustische Empfindlichkeit vergleichbar mit derjenigen von luftgestützten Hydrophonen bereitzustellen. Die vorliegende Erfindung stellt eine größere Empfindlichkeit als diejenige von luftgestützten Konstruktionen, beabsichtigt für einen Betrieb bei großer Tiefe, bereit. Die zylindrische Form wird beibehalten und somit weist die vorliegende Erfindung einen hervorragenden Widerstand gegenüber einer Beschleunigungsempfindlichkeit auf.
Im Gegensatz zu herkömmlichen faseroptischen Hydrophonen verursacht die vorliegende Erfindung keinerlei Probleme hinsichtlich der Tatsache, unter einem hohen Druck zusammengedrückt zu werden. Ein Zusammenbau der Einrichtung wird stark vereinfacht, indem ein Lufthohlraum mit einer Faserdurchführung nicht abgedichtet werden muss. Die Kosten der Einrichtung werden ebenfalls herabgesetzt, indem die Konstruktion von ihren. Teilen vereinfacht und der Wirkungsgrad des Zusammenbauprozesses erhöht wird. Eine Zuverlässigkeit sollte mit einer verringerten Wahrscheinlichkeit, das an den Einrichtungen Lecks bei der Verwendung aufspringen, ansteigen. Es wird auch erwartet, dass die Festkörperzusammensetzung der Einrichtung irgendeine akustische Resonanzaktivität über einen relativ breiten Bereich von akustischen Frequenzen verhindert.
Das Interferometer umfasst eine Vorrichtung zum Verarbeiten von optischen Signalen, die von dem faseroptischen Interferometer ausgegeben werden, um einen akustischen Druck zu messen. Der Referenzzweig umfasst eine Länge einer optischen Faser, die auf den Festkörperdorn gewickelt ist, angeordnet, um eine im wesentlichen konstante optische Faserlänge aufzuweisen, wenn das faseroptische Hydrophon einem akustischen Feld ausgesetzt wird. Der Erfassungszweig umfasst eine Länge einer optischen Faser, die als Spule gebildet und angeordnet ist, um eine optische Pfadlängenänderung zu durchlaufen, wenn das faseroptische Hydrophon einem akustischen Feld ausgesetzt wird. Das faseroptische Hydrophon in Übereinstimmung mit der Erfindung umfasst ein elastisches Material, das über dem Referenzzweig angeordnet ist, und der Erfassungszweig ist als Spule über das elastische Material gewickelt, so dass der Erfassungszweig und der Referenzzweig konzentrisch sind.
Das faseroptische Hydrophon in Übereinstimmung mit der Erfindung umfasst vorzugsweise Urethan für das elastische Material.
Eine Würdigung der Aufgaben der vorliegenden Erfindung und ein vollständigeres Verständnis von ihrem Aufbau und dem Betriebsverfahrens kann durch Studieren der folgenden Beschreibung der bevorzugten Ausführungsform und durch Bezugnahme auf die beiliegenden Zeichnungen erhalten werden.
KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
In den Zeichnungen zeigen:
1 einen Mach-Zehnder-Interferometeraufbau, der zum Erfassen von Änderungen in einem akustischen Druck verwendet werden kann;
2 eine erste Ausführungsform der Erfindung, bei der Erfassungs- und Referenzfasern auf einen Festkörperdorn gewickelt sind;
3 einen Schritt zum Bilden eines faseroptischen Hydrophons in Übereinstimmung mit einer zweiten Ausführungsform der Erfindung, mit einer Referenzzweigspule, die auf einem steifen Dorn gebildet ist, und einer Erfassungsarmspule, die auf einem Dorn gebildet ist, der von der Erfassungszweigspule nach einem Vergießen entfernt werden soll;
4 das faseroptische Hydrophon, gebildet in Übereinstimmung mit dem Schritt der 3; und
5 ein faseroptisches Hydrophon in Übereinstimmung mit der Erfindung, gebildet auf einem hohlen festen Dorn.
BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORMEN
1 zeigt einen grundlegenden Ausbau für ein faseroptisches Mach-Zehnder-Interferometer 10, welches zum Bilden eines faseroptischen Festkörper-Hydrophons in Übereinstimmung mit der Erfindung verwendet werden kann. Die Erfindung kann unter Verwendung von irgendeinem Typ von faseroptischem Interferometer umgesetzt werden und ist nicht auf die bestimmte, in 1 gezeigte Struktur beschränkt.
Eine optische Signalquelle 12 stellt einen optischen Signaleingang an einer optischen Faser 14 bereit, die dann das optische Signal an einen faseroptischen Koppler 16 führt: Der faseroptische Koppler umfasst die optische Faser 14 und eine zweite optische Faser 18, die so angeordnet ist, dass ein Abschnitt des optischen Signals, das an den faseroptischen Koppler 16 über die optische Faser 14 geführt wird, in die optische Faser 18 eingekoppelt wird. Die optischen Fasern 14 und 18 führen optische Signale an einen zweiten faseroptischen Koppler 20, wo ein Abschnitt des optischen Signals, welches von der optischen Faser 18 geführt wird, in die optische Faser 14 gekoppelt wird. Die Kombination der optischen Signale, die sich entlang der optischen Fasern 14 und 18 ausgebreitet haben, erzeugt ein Interferenzmuster. Die kombinierten optischen Signale werden an einen Fotodetektor 22 gerichtet, der elektrische Signale erzeugt, die die optische Intensität in dem Interferenzmuster anzeigt.
In dem Mach-Zehnder-Interferometer 10 werden die Abschnitte der optischen Fasern 14 und 18, die zwischen den faseroptischen Kopplern 16 und 20 sind, als der Erfassungszweig 24 bzw. der Referenzzweig 26 bezeichnet. Wenn der Erfassungszweig einem akustischen Feld ausgesetzt ist, erzeugen Änderungen in dem Feld Änderungen in der optischen Pfadlänge des Erfassungszweigs 24. Irgendeine Änderung in der optischen Pfaddifferenz zwischen dem Erfassungszweig 24 und dem Referenzzweig 26 ändert das Interferenzmuster, das die elektrischen Signale ändert, die von dem Fotodetektor 22 ausgegeben werden. In einem faseroptischen Hydrophon wird der elektrische Ausgang des Fotodetektors 22 kalibriert, um die Intensität des akustischen Felds anzuzeigen.
In der vorliegenden Erfindung ist der Erfassungszweig 24 und der Referenzzweig 26 auf einen Dornaufbau gewickelt. 2 zeigt einen Festkörperdorn 30, der in einem faseroptischen Hydrophon in Übereinstimmung mit der Erfindung enthalten sein kann. Es sei darauf hingewiesen, dass der Erfassungszweig 24 und der Referenzzweig 26 in 2 angeordnet sind, um in einem optischen Interferometer eingebaut zu sein, wie beispielsweise dem Mach-Zehnder-Interferometer der 1. Der Dorn 30 ist vorzugsweise als ein Festkörperstab 32 mit Endflanschen 34 und 36 gebildet. Der Referenzarm 26 des faseroptischen Interferometers ist vorzugsweise direkt auf den Stab 32 nass gewickelt, der aus irgendeinem geeigneten Metall oder einem anderen ausreichend steifen Material gebildet sein kann. Ein Vergießungsmaterial 40 wird dann über den Referenzzweig 26 angebracht. Eine elastische Schicht 42, die aus einem Material wie Urethan oder dergleichen gebildet ist, wird über den Referenzzweig 26 angebracht. Der Erfassungszweig 24 wird dann über die elastische Schicht 42 gewickelt und dann mit einer zusätzlichen elastischen Schicht 44 abgedeckt.
Wenn der Dom 30 mit dem Erfassungszweig 24 und dem Referenzzweig 26, die daran wie voranstehend beschrieben, befestigt sind, in Wasser eingetaucht wird und einem akustischen Feld ausgesetzt wird, dann ist die Länge des Referenzzweigs 26 stabil, weil er auf den festen Stab 32 gewickelt ist. Änderungen in dem akustischen Feld verursachen Änderungen in der Länge des Erfassungszweigs 24, was die optische Pfadlänge des Erfassungsarms ändert und ein optisches Signal erzeugt, welches verarbeitet werden kann, um die Änderungen in der akustischen Feldintensität zu messen, wie voranstehend unter Bezugnahme auf 1 erläutert.
3 zeigt eine Ausführungsform der Erfindung, bei der die Erfassungs- und Referenzzweige lateral getrennt sind, so dass sie nicht konzentrisch wie in 2 sind: Der Referenzzweig 26 ist gewickelt und mit einem Material 57 auf einem Festkörperdorn 50 vergossen, der einen steifen Stab 52 umfasst, der Endflansche 54 und 56 aufweist. Der Erfassungszweig 24 ist auf einem zusammenklappbaren Dom 58 gewickelt und dann mit einem Material 60 wie Urethan vergossen, so dass der Erfassungszweig 24 die Form des Dorns 58 beibehält.
Bezugnehmend auf 4 wird der Dom 58 von der Mitte der Erfassungsspule entfernt, was einen Hohlraum 62 innerhalb des Erfassungszweigs 24 belässt. Der Hohlraum 62 wird vorzugsweise mit Urethan 64 oder einem anderen ähnlichen Material gefüllt, so dass der Erfassungsarm 24 vollständig umschlossen ist. Weil der Referenzzweig 26 auf den steifen Festkörperdorn 50 aufgewickelt und vergossen ist, hat die Aussetzung zu einem akustischen Feld keinerlei Effekt auf die optische Pfadlänge des Referenzzweigs. Der Erfassungszweig 24, der in einem flexiblen Material wie Urethan eingeschlossen ist, durchläuft eine Änderung in der optischen Pfadlänge im Ansprechen auf eine Aussetzung zu dem akustischen Feld.
5 zeigt einen dickwandigen hohlen Dom 70, der anstelle des Festkörperdorns verwendet werden kann. Der Dom 70 weist einen zentralen Hohlraum 72 auf, der zum Speichern der faseroptischen Koppler 16 und 20 verwendet werden kann. Die zylindrische Wand 74 des Dorns 70 sollte ausreichend dick sein, dass sie nicht-nachgiebig ist, wenn sie in Wasser auf die Tiefe eingetaucht wird, wo die Erfindung verwendet werden soll. Die faseroptischen Koppler 16 und 20 können innerhalb des Hohlraums 72 gespeichert werden. Wenn der Dom 70 nicht ausreichend steif ist, dann sollte er mit einem festen Vergießungsmaterial 74 gefüllt werden. Diese Erfindung eignet sich insbesondere zur Verwendung in einem erweiterten, flexiblen, räumlich gewichteten faseroptischen interferometrischen Hydrophon, bei dem der Großteil der inneren Dome sowieso als Festkörper ausgeführt sind, und die faseroptischen Koppler nur innerhalb des Endes von zwei Dornen oder in getrennten Gehäusen über die Dome hinaus gespeichert sind.
Der Skalierungsfaktor des faseroptischen Hydrophons wird typischer Weise als das Verhältnis von Radians (Bogenmaß) des Interferometerausgangs zu dem einfallenden akustischen Druck ausgedrückt. Bei einem nominellen Umgebungsdruck von ungefähr 700 psi, was einer Tiefe von ungefähr 1500 Fuß entspricht, war der Skalierungsfaktor eines faseroptischen Hydrophons, das in Übereinstimmung mit der vorliegenden Erfindung gebildet wurde; 0,3 dB größer als der Skalierungsfaktor einer Einrichtung mit einer nahezu identischen Größe, die mit einem luftgestützten Dorn, ausgelegt für eine Hochdruck-Überlebensfähigkeit, konstruiert war.
Die Aufbauten und Verfahren, die hier offenbart sind, illustrieren die Prinzipien der vorliegenden Erfindung. Die Erfindung kann in anderen spezifischen Ausbildungen ohne Abweichen von ihrem Grundgedanken oder wesentlichen Charakteristiken verkörpert werden. Die bevorzugten Ausführungsformen werden in sämtlicher Hinsicht als beispielhaft und illustrativ und nicht als einschränkend angesehen. Deshalb definieren die beigefügten Ansprüche, und nicht die voranstehende Beschreibung, den Umfang der Erfindung. Sämtliche Modifikationen an den hier beschriebenen Ausführungsformen, die in den Wortsinn und Äquivalenzbereich der Ansprüche fallen, sind innerhalb des Umfangs der Erfindung eingeschlossen.

Claims

Interferometrisches faseroptisches Hydrophon mit einem Erfassungsarm (24) mit einer optischen Faser, einem Referenzarm (26) mit einer optischen Faser und einer Vorrichtung zum Verarbeiten von optischen Signalen, die eine Interferenz zwischen optischen Signalen, die dem Erfassungsarm und dem Referenzarm eingegeben werden, anzuzeigen, um einen akustischen Druck zu messen, gekennzeichnet durch: einen stauen Dom (30); wobei der Referenzarm (26) eine Länge einer optischen Faser aufweist, die um den stauen Dorn (30) herum gewickelt ist und angeordnet ist, um eine im wesentlichen konstante optische Pfadlänge aufzuweisen, wenn das faseroptische Hydrophon einem akustischen Feld ausgesetzt wird; ein elastisches Material (42), das über den Referenzarm gelegt ist; und wobei der Erfassungsarm (24) eine Länge einer optischen Faser umfasst, die als eine Spule gebildet und angeordnet ist, um eine Änderung der optischen Pfadlänge zu durchlaufen, wenn das faseroptische Hydrophon einem akustischen Feld ausgesetzt wird, und wobei der Erfassungsarm (24) als Spule über das elastische Material (42) derart gewickelt ist, dass der Erfassungsarm (24) und der Referenzarm (26) konzentrisch sind.
Faseroptisches Hydrophon nach Anspruch 1, wobei das elastische Material (42) Urethan umfasst.