NO322785B1 - Fiberoptisk hydrofon - Google Patents

Description

Oppfinnelsen angår generelt fiberoptiske hydrofoner og spesielt en fast interferometrisk fiberoptisk hydrofon. Enda mer spesielt angår oppfinnelsen en fast interferometrisk fiberoptisk hydrofon som er egnet til å arbeide ved høye trykk med høylineær akustisk følsomhet overfor lineær akselerasjon.

Hittil har fiberoptiske hydrofoner omfattet to konsentriske hule kjerner, hver omviklet med et stykke optisk fiber som danner en kurs i et optisk interferometer. Den ytre kjerne er typisk tynnvegget slik at dens radius forandrer seg som reaksjon på innfallende akustisk trykk. Et forseglet lufthulrom er dannet mellom de to kjerner. Den indre kjerne er typisk enten tynnvegget med sitt indre blottlagt overfor det omgivende trykk slik at dens radius vil endre seg i motsatt retning av den til den ytre kjerne under akustisk trykk ("mottakts"-konfigurasjon) eller relativt tykkvegget og muligvis fylt med et fast kapslingsmateriale for å tjene som en "referansearm" for interferometeret.

De tynne sensorskallene støttet av et lufthulrom er meget ettergivende og gir en følsom hydrofon. Den sylindriske form skaffer en lav nettoforandring i fiberlengden (dvs. lav følsomhet) på grunn av lineære akselerasjoner, noe som er ønskelig i en hydrofon. Evnen til å overleve neddykking til stor dybde må skaffes ved å sikre at det ytre skall er tykt nok til å motstå knusing på grunn av vanntrykket.

Kravet om dybdebestandighet begrenser ettergivenheten som kjernen kan vise som reaksjon på akustiske signaler. Med hydrofonteknologi i henhold til kjent teknikk er det følgelig vanskelig å plassere en følsom hydrofon i en gruppe som skal brukes på store dyp.

Fremstilling av disse hydrofoner er også tidkrevende og kostbar fordi lufthulrommet mellom de to kjerner må forsegles. Denne forseglingen må tillate passasje av fiberen gjennom seg og til utsiden av den indre kjerne. Dette er en fintfølende montasjeprosess og lekkasje og fiberbrudd ved denne forseglingen er ikke noen uvanlig feilmekanisme ved disse instrumenter.

Lufthulrommet kan også understøtte akustiske resonanser. Den relativt lave lydhastighet i luft og den høye demping av akustiske bølger i lufthulrommet kan samvirke for å danne disse resonanser innenfor den akustiske deteksjonsbåndbredde. Dette begrenser frekvensområdet for lineær drift av hydrofonen og kan være problematisk ved noen hydrofonkonstruksjoner.

Patentpublikasjonen US 5 367 376 viser en interferometrisk, fiberoptisk hydrofon med en hul kjerne med et sentralt hulrom som er fylt med et epoksyfyllstoff for å tilveiebringe stivhet.

Den foreliggende oppfinnelse benytter et interferometrisk arrangement som angitt i patentkrav 1.1 stedet for deteksjon med et luftstøttet ytre skall, som i kjent teknikk, påføres et fast lag av ettergivende materiale over referansefiberen. Sensorarmen til interferometeret vikles over lag av materialet som påføres referansefiberen. Det ytre materiale er tilstrekkelig ettergivende til å gi akustisk følsomhet sammenlignbar med den til luftstøttede hydrofoner. Den foreliggende oppfinnelse gir større følsomhet enn luftstøttede hydrofoner tiltenkt for bruk på stor dybde har. Den sylindriske form beholdes og således har den foreliggende oppfinnelse ypperlig motstand overfor akselerasjonsfølsomhet.

Til forskjell fra fiberoptiske hydrofoner i henhold til kjent teknikk gir den foreliggende oppfinnelse ikke opphav til bekymring for knusing under høyt trykk. Montasje av innretningen blir sterkt forenklet ved at det ikke er nødvendig å forsegle lufthulrommet med en fibergjennomføring. Kostnaden av innretningen blir også redusert ved å forenkle konstruksjonen av dens deler og øke utbyttet av montasjeprosessen. Påliteligheten bør øke med redusert sannsynlighet for at innretningene springer lekk ved bruk. Den faste sammensetning av innretningen er også ventet å forhindre en akustisk resonansaktivitet over et temmelig bredt akustisk frekvensområde.

Den foreliggende oppfinnelsen angår en interferometrisk fiberoptisk hydrofon omfattende en sensorarm (24) for optisk fiber, en referansearm (26) for optisk fiber og et apparat for prosessering av optiske signaler som indikerer interferens mellom optiske signaler inngitt til sensorarmen og referansearmen, for å måle akustisk trykk. Hydrofonen omfatter videre en fast kjerne (30). Referansearmen (26) omfatter en lengde optisk fiber viklet omkring den faste kjernen og innrettet til å ha en hovedsakelig konstant optisk veilengde når den fiberoptiske hydrofonen utsettes for et akustisk felt. Et elastisk materiale (42) anbrakt over referansearmen. Sensorarmen (24) omfatter en lengde optisk fiber dannet som en spole og innrettet til å undergå en optisk veilengdeforandring når den fiberoptiske hydrofonen utsettes for et akustisk felt, og sensorarmen (24) er spoleviklet over det elastiske materialet (42) slik at sensorarmen (24) og referansearmen (26) er konsentriske.

I en foretrukken utførelsesform omfatter det elastiske materialet (42) uretan.

En innsikt i hensiktene med den foreliggende oppfinnelse og en mer fullstendig forståelse av dens konstruksjon og virkemåte kan fås ved å studere den følgende beskrivelse av en foretrukket utførelse og ved henvisning til den ledsagende tegning. Fig. 1 viser en mach-zehnder-interferometerkonstruksjon som kan benyttes til å detektere forandring i akustisk trykk. Fig. 2 viser en første utførelse av oppfinnelsen hvor sensor- og referansefibrene er viklet på en fast kjerne. Fig. 3 viser et trinn i formingen av en fiberoptisk hydrofon i henhold til en annen utførelse av oppfinnelsen, med en referansearmspole dannet på en stiv kjerne og en sensorarmspole dannet på en kjerne som skal fjernes fra sensorarmspolen etter kapsling.

Fig. 4 viser en fiberoptisk hydrofon dannet i henhold til trinnene vist på fig. 3.

Fig. 5 viser en fiberoptisk hydrofon i henhold til oppfinnelsen dannet på en hul, stiv kjerne. Fig. 1 viser i grunnkonstruksjon for et fiberoptisk mach-zehnder interferometer 10 som kan benyttes ved dannelse av en fast fiberoptisk hydrofon i henhold til oppfinnelsen. Oppfinnelsen kan utøves med bruk av en hvilken som helst type fiberoptisk interferometer og er ikke begrenset til den spesielle konstruksjon som er vist på fig. 1.

En optisk signalkilde 12 skaffer et optisk inngangssignal til en optisk fiber 14 som fører det optiske signal til en fiberoptisk kobler 16. Den fiberoptiske kobler innbefatter den optiske fiber 14 og en annen optisk fiber 18 innrettet slik at en del av det optiske signal ført til den fiberoptiske kobler 16 via den optiske fiber 14 kobles inn i den optiske fiber 18. De optiske fibre 14 og 18 fører optiske signaler til en annen fiberoptisk kobler 20 hvor en del av det optiske signal som føres av den optiske fiber 18, kobles inn i den optiske fiber 14. Kombinasjonen av de optiske signaler som har forplantet seg langs de optiske fibre 14 og 18, frembringer et interferensmønster. De kombinerte optiske signaler føres til en fotodetektor 22 som frembringer de elektriske signaler som angir den optiske intensitet av interferensmønsteret.

I mach-zehnder-interferometeret 10 vil partiene av de optiske fibre 14 og 18 som ligger mellom de fiberoptiske koblere 16 og 20 betegnes som henholdsvis sensorarmen 24 og referansearmen 26. Når sensorarmen utsettes for et akustisk felt, vil forandringer i feltet frembringe forandringer i den optiske veilengde i sensorarmen 24. Enhver forandring i den optiske veilengde-forskjell mellom sensorarmen 24 og referansearmen 26 forandrer interferensmønsteret, hvilket forandrer de elektriske utgangssignaler fra fotodetektoren 22.1 en fiberoptisk hydrofon blir det elektriske utgangssignal fra fotodetektoren 22 kalibrert for å angi intensiteten av det akustiske felt.

I den foreliggende oppfinnelse vikles sensorarmen 24 og referansearmen 26 på en kjernekonstruksjon. Fig. 2 viser en fast kjerne 30 som kan innbefattes i en fiberoptisk hydrofon i henhold til oppfinnelsen. Det skal forstås at sensorarmen 24 og referansearmen 26 på fig. 2 er innrettet til å innbefattes i et optisk interferometer som eksemplifisert av mach-zehhder-interferometeret på fig. 1. Kjernen 30 blir foretrukket dannet som en fast stav 32 med endeflenser 34 og 36. Referansearmen 26 til det fiberoptiske interferometer blir foretrukket våtviklet direkte på staven 32 som kan være dannet av et passende metall eller et annet tilstrekkelig stivt materiale. Et kapslingsmateriale 40 blir deretter påført over referansearmen 26. Et elastisk lag 42 dannet av et materiale såsom uretan eller lignende påføres over referansearmen 26. Sensorarmen 24 vikles deretter over det elastiske lag 42 og dekkes deretter med et ytterligere elastisk lag 44.

Når kjernen 30 med sensorarmen 24 og referansearmen 26 festet til denne som beskrevet ovenfor, neddykkes i vann og utsettes for et akustisk felt, er lengden av referansearmen 26 stabil fordi den er viklet på den stive stav 32. Forandringer i det akustiske felt forårsaker forandringer i lengden av sensorarmen 24, hvilket forandrer den optiske veilengde til sensorarmen og skaffer et optisk signal som kan behandles for å måle forandringer i den akustiske feltintensitet som forklart ovenfor med henvisning til fig. 1.

Fig. 3 viser en utførelse av oppfinnelsen hvor sensor- og referansearmene er sideveis adskilt slik at de ikke er konsentriske som på fig. 2. Referansearmen 26 vikles og kapsles av et materiale 47 på en fast kjerne 50 som innbefatter en stiv stav 52 som har endeflenser 54 og 56. Sensorarmen 24 vikles på en sammenklappbar kjerne 58 og kapsles deretter med et materiale 60 såsom uretan slik at sensorarmen

24 beholder formen til kjernen 58.

Som vist på fig. 4, fjernes kjernen 58 fra sentrum av sensorspolen, hvilket etterlater et hulrom 62 innenfor sensorarmen 24. Hulrommet 62 er foretrukket fylt med uretan 64 eller annet lignende materiale slik at sensorarmen 24 er helt innkapslet. Fordi referansearmen 26 vikles og kapsles på den stive, faste kjerne 50, vil eksponering overfor et akustisk felt ikke ha noen virkning på den optiske veilengde i referansearmen. Sensorarmen 24 som er innkapslet i et fleksibelt materiale såsom uretan, undergår en forandring i den optiske veilengde som reaksjon på eksponering overfor et akustisk felt.

Fig. 5 viser en tykkvegget hul kjerne 70 som kan benyttes i stedet for den faste kjerne. Kjernen 70 har et sentralt hulrom 72 som kan benyttes til å lagre de fiberoptiske koblere 16 og 20. Den sylindriske vegg 74 i kjernen 70 bør være tilstrekkelig tykk slik at den ikke er ettergivende når den er neddykket i vann til en dybde hvor oppfinnelsen skal anvendes. De fiberoptiske koblere 16 og 20 kan lagres innenfor hulrommet 72. Hvis kjernen 70 ikke er tilstrekkelig stiv, så bør den fylles med et stivt kapslingsmateriale 74. Denne oppfinnelsen er spesielt egnet til bruk i en utstrakt, fleksibel, romlig vektet fiberoptisk interferometrisk hydrofon hvor det meste av de indre kjerner i ethvert tilfelle er faste og de fiberoptiske koblere lagres bare innenfor de to endekjerner eller i separate hus bortenfor kjernene.

Skalafaktoren til en fiberoptisk hydrofon blir typisk uttrykt som et forhold mellom radiansen av interferometerutgangssignalet og innfallende akustisk trykk. Ved et nominelt omgivende trykk på ca. 700 psi, hvilket svarer til en dybde på ca. 1500 fot, var skalafaktoren til en fiberoptisk hydrofon dannet i henhold til den foreliggende oppfinnelse 0,3 dB større enn skalafaktoren for en innretning med nesten samme størrelse konstruert med en luftstøttet kjerne og utført for å overleve under høyt trykk.

Konstruksjonene og fremgangsmåtene som er vist her, illustrerer prinsippene for den foreliggende oppfinnelse. Oppfinnelsen kan utføres med andre spesifikke former uten å avvike fra dens ånd eller vesentlige karakteristikker. De omtalte utførelser skal i alle henseender betraktes som eksemplifiserende og belysende fremfor begrensende. Følgelig er det de vedføyde krav fremfor den foregående beskrivelse som definerer oppfinnelsens ramme. Alle modifikasjoner av utførelsene som her er beskrevet, faller innenfor betydningen og ekvivalensområdet til kravene er omfattet av oppfinnelsens ramme.

Claims (2)

1, Interferometrisk fiberoptisk hydrofon omfattende en sensorarm (24) for optisk fiber, en referansearm (26) for optisk fiber og et apparat for prosessering av optiske signaler som indikerer interferens mellom optiske signaler inngitt til sensorarmen og referansearmen, for å måle akustisk trykk, karakterisert ved en fast kjerne (30); referansearmen (26) omfatter en lengde optisk fiber viklet omkring den faste kjernen og innrettet til å ha en hovedsakelig konstant optisk veilengde når den fiberoptiske hydrofonen utsettes for et akustisk felt; et elastisk materiale (42) anbrakt over referansearmen; sensorarmen (24) omfatter en lengde optisk fiber dannet som en spole og innrettet til å undergå en optisk veilengdeforandring når den fiberoptiske hydrofonen utsettes for et akustisk felt, og hvor sensorarmen (24) er spoleviklet over det elastiske materialet (42) slik at sensorarmen (24) og referansearmen (26) er konsentriske.

2. Interferometrisk fiberoptisk hydrofon i henhold til krav 2, karakterisert ved at det elastiske materialet (42) omfatter uretan.