FR2490912A1

FR2490912A1 - Hydrophone a fibre optique

Info

Publication number: FR2490912A1
Application number: FR8018656A
Authority: FR
Inventors: Christian Duchet; Jean-Paul Pocholle
Original assignee: Compagnie Generale dElectricite SA
Current assignee: Alcatel Lucent SAS
Priority date: 1980-08-28
Filing date: 1980-08-28
Publication date: 1982-03-26
Also published as: FR2490912B1

Abstract

HYDROPHONE A FIBRE OPTIQUE. LE CAPTEUR 8 COMPORTE UNE BOBINE 10 FORMEE PAR DES SPIRES D'UNE FIBRE OPTIQUE UNIMODALE INCLUSE DANS UN MONTAGE INTERFERROMETRIQUE. CETTE BOBINE EST MOULEE DANS UN ANNEAU MONOLITHIQUE 12, CONSTITUE D'UN MATERIAU A MODULE D'ELASTICITE BEAUCOUP PLUS FAIBLE QUE CELUI DE LA FIBRE POUR ACCROITRE LES CONTRAINTES ACOUSTIQUES SUR CELLE-CI, CE MATERIAU CONSTITUANT DE PLUS UN ISOLANT PROTEGEANT LA BOBINE DES PETITES VARIATIONS RAPIDES DE LA TEMPERATURE DE L'EAU. APPLICATION A LA DETECTION SOUS-MARINE.

Description

Hydrophone à fibre optique
L'invention concerne un hydrophone à fibre optique.

Un tel hydrophone est classiquement constitué, - d'une source de lumière présentant un caractère cohérent spatialement et temporellement, - de deux bras interferomètriques recevant la lumière de cette source et constitués de deux fibres optiques, un bras "capteur" étant soumis au champ de pression acoustique étudié, l'autre bras étant un bras "de référence", - d'un montage optique de recombinaison des faisceaux issus des fibres, - d'une chaine de détection et de traitement du signal.

Un tel hydrophone est décrit par exemple dans l'article :
J. Acoust. Soc. Am vol 62 n 5 nov.77 p.1302 "Fiber optic hydrophone"
J.A. Bucaro, H.Dardy, EF Carome.

Diverses dispositions ont été décrites pour améliorer la sensibilité d'un tel hydrophone. Cette sensibilité est mesurée par le rapport entre d'une part la variation de phase induite dans le bras de mesure par la pression acoustique, et d'autre part la valeur de cette pression.

Elle dépend notamment de la fréquence acoustique et du mode d'interaction entre les ondes acoustiques et la fibre de mesure. On distingue trois modes correspondant, - à une pression transverse engendrant seulement des forces perpendiculaires aux parois de la fibre, - à une pression longitudinale engendrant seulement des forces parallèles à l'axe de la fibre, - et à une pression uniforme.

Avec des fibres unimodales classiques guidant une lumière de longueur d'onde 0,63 micromètre, cette sensibilité est un peu plus forte pour une pression longitudinale que pour une pression transverse, et elle est beaucoup plus faible si la pression est uniforme.

C'est pourquoi, dans le but d'augmenter la sensibilité la disposition suivante a été proposée pour un premier hydrophone connu
La fibre de mesure est enroulée en bobine sur un manchon cylindrique qui est immergé dans l'eau et constitue un transducteur transformant les pressions acoustiques en contraintes longitudinales appliquées à la fibre.

Ce premier hydrophone connu à sensibilité accrue a été décrit par GW Mc Malson et PG Ciels "Fiber optic hydrophone sensitivity for différent sensor configurations" Applied optics vol 18 nO 22 (nov.1979) p.3720. Les performances obtenues n'ont cependant pas été indiquées.

Un deuxième hydrophone connu à sensibilité accrue comporte une fibre optique de mesure enrobée dans une gaine dont les caractéristiques élastiques permettent d'augmenter les contraintes appliquées à la fibre optique en présence d'une pression du milieu liquide ambiant.

Ce deuxième hydrophone a été décrit par GB Hocker "Fiber optic acoustic sensors with composite structure : an analysis" Applied
Optics vol 18 nO 21 ( nov. 1979) p.3679. Une forte augmentation de la sensibilité du capteur a été ainsi obtenue pour des pressions statiques importantes.

Ce deuxième hydrophone présente deux inconvénients
Un premier inconvénient est que les dimensions du capteur deviennent rapidement trop importantes si on veut utiliser une grande longueur de fibre de mesure enroulée en bobine cylindrique. En effet la gaine enrobant chaque spire occupe alors beancoup d'espace. Cet inconvénient est important en raison de deux faits : a) la sensibilité est en principe proportionnelle à la longueur de la fibre soumise à l'onde acoustique, cette longueur devant donc être choisie grande, b) au moins une dimension extérieure du capteur doit être inférieure à la demie longueur de l'onde acoustique mesurée.

Un deuxième inconvénient est que le capteur est fortement affecté par les variations de température de l'eau. Cet inconvénient est important lorsqu'en raison de leur rapidité, l'effet de ces variations peut être confondu avec celui de l'onde acoustique détectée, ce qui interdit toute compensation automatique de ces variations rapides par action sur le bras de référence. Il convient de rappeler à ce propos qu'une variation de température de 4.10-7C crée une variation de phase un peu supérieure à celle créée par une pression statique de un pascal, alors qu'il faut souvent mesurer moins de 10 3 pascal de pression acoustique.En pratique, compte tenu des petites variations rapides de température locale inévitables dans l'eau en mouvement turbulent, un tel capteur semble incapable de détecter des fréquences acoustiques basses, telles que 100 Hz. Une telle détection serait cependant rendue possible, selon les présents inventeurs, en accroissant fortement la section des gaines de la fibre optique, pour constituer un isolant et un intégrateur thermique. Les dimensions de la bobine ne permettraient alors plus à l'hydrophone de détecter les ondes de fréquences plus hautes telles que 1 KHz venant d'une direction quelconque.

La présente invention a pour but de permettre la réalisation d'un hydrophone à fibre optique présentant un encombrement réduit, et une grande sensibilité pour des ondes venant de toutes directions avec des fréquences allant de quelques dizaines de hertz à plusieurs dizaines de kilohertz.

Elle a pour objet un hydrophone à fibre optique comportant - une source de lumière émettant un faisceau lumineux initial présentant une cohérence spatiale et temporelle, - un séparateur séparant ce faisceau initial en un faisceau de mesure et un faisceau de référence, - une fibre optique unimodale de mesure recevant ce faisceau de mesure et le guidant, - un capteur incluant une bobine de mesure formée par cette fibre de mesure, ce capteur pouvant être immergé dans un milieu liquide pour y être soumis à des efforts mécaniques provoqués par le passage d'ondes acoustiques à détecter se propageant dans ce milieu, et pour que la fibre réponde à ces efforts mécaniques par des variations de la vitesse de phase de la lumière guidée, - un revêtement entourant la fibre de mesure dans le capteur de manière à protéger chimiquement et thermiquement cette fibre du milieu liquide tout en transmettant à cette fibre les efforts appliqués par les ondes acoustiques se propageant dans ce milieu, le module d'élasticité du revêtement étant inférieur à 14 de celui de la fibre de mesure, - un dispositif optique de recombinaison superposant le faisceau de mesure sortant de la fibre de mesure et le faisceau de référence pour former une figure d'interférence, - et un détecteur recevant ces deux faisceaux superposés et détectant les variations d'intensité lumineuse qui résultent des variations de phase relative, de manière que le signal de sortie de ce détecteur constitue une mesure de la pression acoustique reçue sur le capteur, - cet hydrophone étant caractérisé par le fait que ledit revêtement constitue un anneau monolithique enrobant dans sa masse toutes les spires de la bobine de mesure de manière que toute variation de pression du milieu liquide entrasse une variation du diamètre de l'anneau et de la longueur des spires, les spires étant groupées dans cet anneau de manière que én section droite de l'anneau, un polygone convexe entourant toutes les fibres présente des dimensions radiale et longitudinale inférieure à la moitié des dimensions correspondantes de l'anneau, et soit entouré de toute part par une épaisseur du matériau de l'anneau au moins égale au quart de la plus petite dimension de la section de l'anneau, le matériau de l'anneau étant choisi thermiquement isolant de manière à protéger les spires des variations rapides de la température de l'eau.

A l'aide des figures schématiques ci-jointes, on va décrire ci-après, à titre non limitatif, comment l'invention peut être mise én oeuvre. Il doit être compris que les éléments décrits et représentés peuvent, sans sortir du cadre de l'invention, être remplacés par d'autres éléments assurant les mêmes fonctions techniques. Lorsqu'un même élément est représenté sur plusieurs figures il y est désigné par le meme signe de référence.

La figure 1 représente une vue d'ensemble d'un hydrophone selon l'invention.

La figure 2 représente une vue en coupe diamétrale du capteur de oet hydrophone
La figure 3 représente une vue de face de ce même capteur.

L'hydrophone décrit comporte les éléments suivants représentés sur la figure 1 - Une source de lumière (2) émettant un faisceau lumineux initial présentant une cohérence spatiale et temporelle.

- Un séparateur (4) séparant ce faisceau initial en un faisceau de mesure et un faisceau de référence.

- Une fibre optique unimodale de mesure (6) recevant ce faisceau de mesure et le guidant.

- Un capteur (8) incluant une bobine de mesure (10) formée par cette fibre de mesure, ce capteur est immergé dans un milieu liquide et soumis à des efforts mécaniques provoqués par le passage d'ondes acoustiques se propageant dans ce milieu.

- Un revêtement (12) entourant la fibre de mesure dans le capteur et la protéger chimiquement et thermiquement du milieu liquide tout en lui transmettant les efforts appliqués par les ondes acoustiques se propageant dans ce milieu. Le module d'élasticité du revêtement est inférieur à 1% de celui de la fibre de mesure.

- Un dispositif optique de recombinaison (14) superposant le faisceau de mesure sortant de la fibre de mesure et le faisceau de référence pour former une figure d'interférence.

- Et un détecteur (16) recevant ces deux faisceaux superposés et détectant l'intensité lumineuse résultante. Cette intensité dépend de la phase relative des deux faisceaux et le signal de sortie de ce détecteur constitue donc une mesure de la pression acoustique reçue sur le capteur.

Plus particulièrement la source (2) est constituée par un laser hélium néon fournissant une lumière polarisée linéairement. Le séparateur (4) et le dispositif de recombinaison (14) sont constitués par des lames semitransparentes.

Le faisceau de référence est guidé par une fibre optique de référence (18). Le couplage entre faisceau libre et fibre optique se fait à chaque extrémité des fibres de mesure et de référence par une lentille convergente telle que (20)
Les fibres de mesure (6) et de référence (18) constituent les bras de mesure et de référence d'un dispositif interferométrique.

L'interférence entre les faisceaux de mesure et de référence se traduit, au niveau du détecteur (16), sur lequel ces faisceaux présentent des surfaces d'ondes planes et parallèles, par un éclairement qui varie en fonction de la pression appliquée à la fibre de mesure.

Pour cela il convient que les plans de polarisation des deux faisceaux soient parallèles. Or, en raison notamment des irrégularités des fibres, ces plans ne sont pas naturellement prallèles après superposition des faisceaux.

C'est pourquoi on prévoit sur la fibre de mesure 6, un dispositif de réglage 22 permettant de créer une microcourbure réglable de la fibre. Cette microcourbure engendre une birefringence localisée, qui fait tourner le plan de polarisation. Elle est réglée manuellement jusqu'à ce que, au niveau du détecteur 16 on constate, en présence de variations de pression sur le capteur 8, des variations d'éclairement aussi contrastées que possible. Il doit être compris que c'est pour faciliter l'exposé que l'on a considéré ci-dessus la lumière guidée comme polarisée linéairement, mais qu'en fait cette lumière est polarisée plus ou moins elliptiquement, le grand axe de l'ellipse définissant les plans de polarisation à considérer.

Conformément à la présente invention le revêtement précédemment mentionné constitué un anneau monolithique (12) enrobant dans sa masse toutes les spires de la bobine de mesure (10), de manière que toute variation de pression du milieu liquide entrain une variation du diamètre de l'anneau et de la longueur des spires. Les spires sont groupées dans cet anneau de manière que, en section droite de l'anneau, un polygone convexe entourant toutes les fibres présente des dimensions radiale et longitudinale inférieure à la moitié des dimensions correspondantes de l'anneau, et soit entouré de toute part par une épaisseur du matériau de l'anneau au moins égale au quart de la plus petite dimension de la section de l'anneau. Le matériau de l'anneau est choisi thermiquement isolant de manière à protéger les spires des variations rapides de la température de l'eau.

Le capteur détecte préférentiellement les ondes sonores qui se propagent parallèlement à l'axe (30) de l'anneau.

Il convient d'éviter que les variations locales de température n'affectent la propagation de la lumière entre le capteur 8 et le reste de l'appareil. C'est pourquoi les tronçons de fibre de raccordement (24, 26) raccordant la bobine de mesure (10) au séparateur (4) et au dispositif de recombinaison (14) sont entourés d'une meme gaine (28) d'un matériau thermiquement isolant.

A titre d'exemple l'anneau peut être constitué d'une matière plastique polyester ou d'un caoutchouc silicone.

Le capteur peut présenter les dimensions suivantes - épaisseur parallèlement à l'axe : 12mm - diamètre intérieur de l'anneau : 55mm - diamètre de la bobine de fibre : 65mm - diamètre extérieur de l'anneau : 70mm

Claims

e - cet hydrophone étant caractérisé par le fait que ledit revêtement constitue un anneau monolithique (12) enrobant dans sa masse toutes les spires de la bobine de mesure (10), de manière que toute variation de pression du milieu liquide entraine une variation du diamètre de l'anneau et de la longueur des spires, les spires étant groupées dans cet anneau de manière que en section droite de l'anneau, un polygone convexe entourant toutes les fibres présente des dimensions radiale et longitudinale inférieure à la moitié des dimensions correspondantes de l'anneau, et soit entouré de toute part par une épaisseur du matériau de l'anneau au moins égale au quart de la plus petite dimension de la section de l'anneau, le matériau de l'anneau étant choisi thermiquement isolant de manière à protéger les spires des variations rapides de la température de l'eau.

REVENDICATIONS 1/ Hydrophone à fibre optique comportant - une source de lumière (2) émettant un faisceau lumineux initial présentant une cohérence spatiale et temporelle, - un séparateur (4) séparant ce faisceau initial en un faisceau de mesure et un faisceau de référence, - une fibre optique unimodale de mesure (6) recevant ce faisceau de mesure et le guidant, - un capteur (8) incluant une bobine de mesure (10) formée par cette fibre de mesure, ce capteur pouvant être immergé dans un milieu liquide pour y être soumis à des efforts mécaniques provoqués par le passage d'ondes acoustiques à détecter se propageant dans ce milieu, et pour que la fibre réponde à ces efforts mécaniques par des variations de la vitesse de phase de la lumière guidée, - un revêtement (12) entourant la fibre de mesure dans le capteur de manière à protéger chimiquement et thermiquement cette fibre du milieu liquide tout en transmettant à cette fibre les efforts appliqués par les ondes acoustiques se propageant dans ce milieu, le module d'élasticité du revêtement étant inférieur à 1% de celui de la fibre de mesure, - un dispositif optique de recombinaison (14) superposant le faisceau de mesure sortant de la fibre de mesure et le faisceau de référence pour former une figure d'interférence, - et un détecteur (16) recevant ces deux faisceaux superposés et détectant les variations d'intensité lumineuse qui résultent des variations de phase relative, de manière que le signal de sortie de ce détecteur constitue une mesure de la pression acoustique reçue sur le capteur,
2/ Hydrophone selon la revendication 1, caractérisé par le fait que les tronçons de fibre de raccordement (24, 26) raccordant la bobine de mesure (10) au séparateur (4) et au dispositif de recombinaison (14) sont entourés d'une même gaine (28) d'un matériau thermiquement isolant.