NO339593B1 - 3-aksial høyfrekvens fiberoptisk akustisk sensor - Google Patents

Description

BAKGRUNN FOR OPPFINNELSEN

1. OPPFINNELSENS OMRÅDE

[0001]Oppfinnelsen vedrører generelt akustiske sensorer. Mer bestemt vedrører oppfinnelsen akustiske sensorer som har som særtrekk optisk fiber som er viklet rundt en ettergivende struktur.

2. BESKRIVELSE AV DEN BESLEKTEDE TEKNIKK

[0002]US 5,825,489 omhandler kjernebasert innebygd fiberoptiske interferometrisk akustisk sensor i ett plan. Konvensjonelle fiberoptiske akustiske sensorer har ofte som særtrekk en sansingsarm og en referansearm som avsluttes ved en optisk kopler. Sansingsarmen består av en første optisk fiber som er viklet tett rundt en ettergivende stamme/kjerne. Referansearm en består av en annen optisk fiber av fast lengde som er anordnet i et miljø hvor belastninger er minimale. Under hviletilstander (ingen akustisk bølge) beveger lys som innføres både i sansingsarmen og referansearmen seg gjennom de respektive fibere og ankommer ved kopleren. Veilengden i sansingsarmen og referansearm en er fast, og lys fra hver arm vil således ankomme ved kopleren med en tidsmessig uforanderlig fasedifferanse. Under disse betingelser vil utgangen fra kopleren (blandet lys) være en lysbølge med konstant amplitude.

[0003]Hvis en akustisk bølge innføres i miljøet i sansingsarmen, vil den ettergivende kjerne respondere på den akustiske bølge ved utvidelse og sammentrekking, hvilket belaster sansingsfiberen. Belastningen på sansingsfiberen forandrer veilengden til lys som beveger seg gjennom fiberen, hvilket modulerer lyset i henhold til dette. Samtidig forblir referansearmens veilengde uforandret som respons på den akustiske bølge. Når lys fra begge armer blandes vil lysets amplitude variere proporsjonalt med den innfallende akustiske bølge.

[0004]Ett av problemene med konvensjonelle fiberoptiske akustiske sensorer er at sensitiviteten og direktiviteten til den akustiske måling er avhengig av størrelsen og orienteringen av den ettergivende kjerne. Når den akustiske bølgelengde nærmer seg lengden av kjernen, blir sensorens sensitivitet raskt redusert. For å opprettholde en konstant frekvensrespons over hele båndet av frekvenser av interesse, begrenser hydrofondesignere generelt lengden (og diameteren) av kjerner til halvparten av bølgelengden av den høyeste frekvens av interesse.

[0005]Størrelsesbegrensningen på lengden av kjernen påtvinger en praktisk grense på det operasjonelle bånd til fiberoptiske akustiske sensorer. Når frekvensen av interesse øker, reduseres bølgelengden av interesse, hvilket krever bruk av svært små kjerner. Med svært små kjerner reduseres antallet av fiberoptiske viklinger som kan dannes rundt kjernen, hvilket resulterer i mindre sensitivitet. I praksis, gjør dette problem fiberoptiske akustiske sensorer basert på fiber som er viklet rundt kjerner til et dårlig valg for sansingsfrekvenser over 50 kHz.

[0006]Et annet problem med konvensjonelle fiberoptiske akustiske sensorer er at frekvensresponsen er avhengig av retningen for ankomsten av den akustiske bølge. Ettergivende kjerner er ofte mer responsive overfor akustiske bølger som treffer kjernens bredside (radial retning av kjernen) og mindre responsive overfor akustiske bølger som treffer frontflaten (lengderetningen av kjernen). Dette er fordi kjernens dia-meter vanligvis er mindre enn dens lengde.

[0007]Det er for det inneværende et behov for fiberoptiske akustiske sensorer som kan detektere frekvenser opp til 100 kHz med en konstant sensitivitet over hele fre-kvensbåndet. Det er også et behov for en fiberoptisk akustisk sensor som er i stand til å detektere akustiske bølger som ankommer ved sensoren fra en hvilken som helst romlig retning.

SAMMENFATNING AV OPPFINNELSEN

[0008]Oppfinnelsen oppnår disse mål ved bruk av flere kjerner som er orientert langs tre ortogonale akser. Hovedtrekkene ved oppfinnelsen fremgår av det selvstendige krav. Ytterligere trekk ved oppfinnelsen er angitt i de uselvstendige krav. En enkelt optisk fiber er tett viklet rundt alle kjernene for å danne en sansingsarm. Lys innføres i sansingsarmen og faseskiftet måles ved utgangen av sansingsarmen for å be-stemme tøyning i fiberen. Akustiske bølger som faller inn på én av kjernesegmentene vil fremkalle en tøyning i fiberen, hvilket resulterer i et proporsjonalt faseskift i lyset ved utgangen fra sansingsarmen. Det ortogonale arrangement sørger for at en signifikant komponent av enhver akustisk bølge som faller inn på sansingsarmen vil være innfallende på bredsiden av i det minste én av kjernene. Dette gjør oppfinnelsen mindre sårbar for frekvensresponsfrafall som er karakteristisk for konvensjonelle sensorer ved bølgelengder som er kortere enn halvparten av kjernens lengde. Det ortogonale arrangement ifølge den foreliggende oppfinnelse øker også sensitiviteten til sensoren. Flere kjerner tillater flere optiske fiberviklinger over mer ettergivende strukturoverflateareal. Topologien til kjernens lay-out gjør den også iboende følsom i alle retninger. Den foreliggende oppfinnelses frekvensrespons er overveiende uavhengig av retningen av den akustiske bølge, idet sensitiviteten er relativt konstant over hele sensorens båndbredde. Lengden av de ettergivende kjerner kan økes til i det minste bølgelengden av den høyeste frekvens av interesse uten å oppleve det sensitivitetsfrafall som vanligvis påtreffes ved halvparten av bølgelengden. Utvidelse av sensitivitetsrammen som oppnås med den foreliggende oppfinnelse gjør fiberoptiske akustiske sensorer et egnet valg for sansing av akustiske frekvenser opp til minst 100 kHz.

KORT BESKRIVELSE AV TEGNINGENE

[0009]Den eksakte karakter av denne oppfinnelse så vel som dens hensikter og fordeler vil med letthet forstås ved betraktning av det følgende patentskrift slik dette er relatert til de ledsagende tegninger, hvor like henvisningstall gjennomgående på tegningene angir like deler, og hvor:

[0010]Fig. 1 er et perspektivriss av en foretrukket utførelse av den foreliggende oppfinnelse.

[0011]Fig. 2 er et perspektivriss av en alternativ utførelse av den foreliggende oppfinnelse.

[0012]Fig. 3 er et perspektivriss av midtpunktsensoren i den foretrukne utførelse på fig. 1.

[0013]Fig. 4 er et sideplanriss av en kjerne.

[0014]Fig. 5 er planriss nedenfra av en kjerne.

[0015]Fig. 6 er et tverrsnitt på fig. 5 lagt langs linje A-A.

[0016]Fig. 7 er et perspektivriss av en endepunktsensor, en alternativ foretrukket ut-førelse av sensoren ifølge den foreliggende oppfinnelse.

[0017]Fig. 8 er et perspektivriss av den foretrukne utførelse av en basis for montering av kjernene.

[0018]Fig. 9 er et skjematisk diagram som viklinger av den optiske fiber rundt kjernene av en midtpunktsensor.

[0019]Fig. 10 er et planformdiagram som viklinger av den optiske fiber rundt kjernene av en midtpunktsensor.

[0020]Fig. 11 er et skjematisk diagram som viklinger av den optiske fiber rundt kjernene av endepunktsensoren.

[0021]Fig. 12 er et planformdiagram av de optiske fiber-viklinger rundt kjernene av endepunktsensoren.

[0022]Fig. 13 er et skjematisk diagram av sansings- og referansearm ene i den foretrukne utførelse.

[0023]Fig. 14 er et skjematisk diagram av sansingsarmen i en annen utførelse av den foreliggende oppfinnelse.

BESKRIVELSE AV DE FORETRUKNE UTFØRELSER

[0024]I denne beskrivelse inkluderer "optisk fiber" alle fleksible optiske bølgeledere. En "optisk kopler" inkluderer optiske stråledelere, kombinatorer og Bragg-gitre. En "akustisk bølge" betyr alle trykkbølger. En "akustisk sensor" inkluderer hydrofoner og trykktransdusere.

[0025]Fig. 1 viser den foretrukne utførelse av den foreliggende oppfinnelse. Et hus 102 holder en referansearm 104 og tilknyttede optiske kopiere og skjøter (ikke vist). Huset 102 er innfestet til en midtpunktsensor 106. Husenheten 102 utgjøres av et holdbart ikke-ettergivende materiale, så som rustfritt stål, for å minimere belastninger på referansearmen 104.

[0026]Fig. 2 viser en alternativ utførelse av oppfinnelsen. Et hus 102 holder en referansearm 104 og tilknyttede optiske kopiere og skjøter (ikke vist). Huset 102 er festet til en endepunktsensor 206.

[0027]Fig. 3 viser midtpunktsensoren 106. Den første kjerne 302, den annen kjerne 304 og den tredje kjerne 306 er tilnærmet sylindrisk formet med lengdeaksen i hver kjerne ortogonal til de andre kjernene. Forlengelser av lengdeaksene møtes i senteret for basisen 312. Den fjerde kjerne 308, den femte kjerne 310 og den sjette kjerne 314 er sylindrisk formet og montert motsatt den første kjerne 302, den annen kjerne 304 og den tredje kjerne 206, med reflekterende symmetri. Alle seks kjerner er montert på basisen 312, slik at lengdeaksene i kjerneparene ligger på koordinat-aksene i et kartesisk koordinatsystem med sitt senter ved senteret i basisen 312.

[0028]Fordelen med sensoren 106 kan klarest ses for det tilfelle når en akustisk bølge, med en bølgelengde som er lik kjernens lengde, treffer langstråleretningen for en enkelt kjerne. I en konvensjonell sensor blir mesteparten av den akustiske energi dempet idet sensoren er ufølsom ved denne frekvensen og ovenfor. Ved bruk av den foreliggende oppfinnelse må en akustisk bølge av den frekvens som faller inn på frontflaten av en enkelt kjerne også falle inn på bredsiden av de andre to kjerner. Responsen til frontflaten vil bli dempet, men de andre to kjerner vil rette seg etter bølgen som fremkaller tøyning i den optiske fiber, hvilket gjør sensoren sensitiv ved denne frekvens.

[0029]Fig. 4 viser et sideriss av kjernen 302, som er den samme som de andre kjerner 304, 306, 308, 312, 314 av midtpunktsensoren 106. Et deksel 402 av sylindrisk form avgrenser toppen av kjernen. Bunnen 404 er sylindrisk. Lengdeaksen for dekselet 402 og bunnen 404 er sammenfallende.

[0030]Alle kjernene 302, 304, 306, 308, 312, 314, utgjøres av et hvilket som helst ettergivende materiale som tillater at kjernene utvides og trekker seg sammen sympatetisk med innfallende akustiske bølger. Kjernene kan være massive, luft-støttede eller fluidfylte. Kjernene kan være sylindrisk spoleformet eller ha en hvilken som helst annen form som tar i mot viklingene av en optisk fiber.

[0031]Kjernene kan være større enn halvparten av bølgelengden for maksimum-designfrekvensen. For eksempel kan en sensor med en maksimum-designfrekvens på 75 kHz (2,0 cm bølgelengde) ha som særtrekk kjerner med lengder på 2,0 cm.

[0032]Fig. 5 viser et riss nedenfra av kjernen 302. Dekslet 402 har en litt større omkrets enn bunnen 404 med sammenfallende senterpunkter.

[0033]Fig. 6 viser et tverrsnitt av kjernen 302. Dekslet 402 og bunnen 404 avgrenser et indre sylindrisk hulrom.

[0034]Fig. 7 viser endepunktsensoren 206. Det første kjernesegment 502, det annet kjernesegment 504 og et tredje kjernesegment 506 er tilnærmet sylindrisk formet og montert på en basis 508 med lengdeaksen i hver av kjernene ortogonale i forhold til hverandre. Forlengelser av lengdeaksene møtes i senteret for basisen 508.

[0035]Kjernesegmentene 502, 504 og 506 er fortrinnsvis to sylindriske kjerner av

den første utførelse, sammenføyd med en binding 510. Bindingen kan utgjøres av et hvilket som helst materiale som sammenføyer kjernene. Andre utførelser kan ha som særtrekk kjernesegmenter 502, 504 og 506 som består av en enkelt kjerne, men som er dobbelt så lange som de seks kjerner.

[0036]I midtpunktsensoren 106, (fig. 3) er kjernene 302, 304, 306, 308, 312 og 314 montert langs ortogonale akser for å minimere den romlige sensitivitetsvariasjon som er vanlig i mange konvensjonelle sensorer. Akustiske bølger som er innfallende på den mindre sensitive langstråleretningen (lengdeaksen) for en kjerne treffer den mer sensitive bredside (radial akse) av de fire andre kjerner. Akustiske bølger som ankommer fra en hvilken som helst retning vil ha en signifikant bredsidekomponent på minst to av kjernene, hvilket gjør midtpunktsensoren 106 sensitiv for akustiske bølger som ankommer fra en hvilken som helst retning.

[0037]Fig. 3 viser en midtpunktsensor 106. Fig. 7 viser en endepunktsensor 206. Andre utførelser kan inneholde sensorer med et hvilket som helst antall av kjerner anordnet i et mangfold av topologier. Selv om fig. 3 og 7 viser kjerner som er montert slik at lengdeaksene i kjernen danner en treaksial ortogonal topologi, kan andre ut-førelser ha som særtrekk kjerner som er montert på ikke-ortogonale akser. Utførelser som har særtrekk kun to kjernesensorer i skrå vinkler gir betydelig fordel over konvensjonelle sensorer. Kjernene kan være utformet i et mangfold av former. Alternative ut-førelser har som særtrekk kjerner som er sylindriske, spoleformede, koniske, timeglassformede, avsmalnende med en varierende omkretslengde, eller en hvilken som helst annen form som er reaktiv overfor akustiske bølger er tenkelig.

[0038]Fig. 8 illustrerer basisen 212 av midtpunktsensoren 106. Basisen 212 er utformet til å ha overflater som tar i mot seks kjerner. Den første kjerne 302 settes sammen med en første overfate 602, den annen kjerne 304 med en annen overflate (ikke vist), den tredje kjerne 306 med den tredje overflate 604, den fjerde kjerne 308 med en fjerde overflate (ikke vist), den femte kjerne 310 med en femte overflate 606 og den sjette kjerne 314 med en sjette overflate (ikke vist). Rekkefølgen av kjernene er ikke viktig.

[0039]Fig. 9 viser den fiberoptiske vikling av midtpunksensoren 106. En enkelt sansingsfiber 702 (fiberoptisk) er tett viklet rundt den første kjerne 302, den fjerde kjerne 308, den tredje kjerne 306, den sjette kjerne 314, den femte kjerne 310 og den annen kjerne 304.

[0040]Med en konvensjonell sensor er fiberoptiske viklinger begrenset til en enkelt struktur med en lengde som er mindre enn halvparten av maksimum sansings-frekvens. Med den foreliggende oppfinnelse kan ikke bare kjernens lengde økes, slik at man kan ta imot flere viklinger pr. kjerne, men antallet av sansingskjerner økes også. En akustisk bølge som har en signifikant komponent som faller inn på bredsiden av en enkelt kjerne vil også ha en signifikant komponent som faller inn på minst én annen kjerne. Hvis en akustisk bølge faller inn på frontflaten av en enkelt kjerne, vil den også falle inn på bredsiden av de andre to kjerner. Begge ettergivende kjerner vil reagere på bredsidebølgen som fremkaller tøyning i de respektive segmenter av den optiske fiber. I dette tilfelle vil sensitiviteten ved den foreliggende oppfinnelse være det dobbelte av den som er for en konvensjonell sensor.

[0041]Fig. 10 viser topologien for viklingene rundt midtpunktsensoren 106. Sansingsfiberen 702 er viklet omkring tre ortogonale akser. Den første kjerne 302 og den fjerde kjerne 308 er montert på motsatte sider av basisen 212 og danner den første akse. Den sjette kjerne 314 og den tredje kjerne 306 er montert på motsatte sider av basisen 312 og danner den annen akse. Den femte kjerne 310 og den annen kjerne 304 (ikke vist) er montert på motsatte sider av basisen 212 og danner den tredje akse.

[0042]Det er fortrinnsvis flere viklinger rundt hver av kjernene, med viklingene tett nok til svakt å tøye det bølgeledende parti (fiberen) av sansingsfiberen 702 ved hver av kjernene. Hver av viklingene øker sensitiviteten til sensoren. Viklingsstrekket og antallet av viklinger av sansingsfiberen 702 ved hver av kjernene er fortrinnsvis identisk, hvilket gjør sensitiviteten til de akustiske målinger lik for akustiske bølger som ankommer fra en hvilken som helst retning.

[0043]Sansingsfiberen 702 kan variere i sammensetning i forskjellige utførelser. En optisk fiber består generelt av en optisk fiber som er omgitt av en kappe. Et seigt bufferlag kan være tilføyd med en plastmantel for å tilføre styrke til fiberen. Alternative utførelser kan ha som særtrekk vanntette tildekninger, hylstre eller skall som omgir sansingsfiberen 702, samtidig som dette tillater at kjernene deformeres med den påførte akustiske bølge. En sekundær elastisk tildekning kan være påført over midtpunktsensoren 106 eller sansingsfiberens 702 viklinger.

[0044]Fig. 11 viser de fiberoptiske viklinger rundt kjernene av en endepunktsensor 206, en enkelt sansingsfiber 902 (fiberoptisk) er tett viklet rundt det første kjernesegment 502 som er vist som to sammenføyde kjerner, det annet kjernesegment 504 som er vist som to sammenføyde kjerner og det tredje kjernesegment 506 som er vist som to sammenføyde kjerner. Det er fortrinnsvis flere viklinger hver av kjernesegmentene med viklingene tett nok til svakt å tøye det bølgeledende parti (fiberen) av sansingsfiberen 902 ved hver av kjernene.

[0045]Fig. 12 viser topologien til viklingene rundt endepunktsensoren 206. Sansingsfiberen 902 er viklet omkring tre ortogonale akser som er avgrenset av det første kjernesegment 502, det annet kjernesegment 504 og det tredje kjernesegment som er montert på basisen 508.

[0046]Fig. 13 viser sansingsarmen 702 og referansearmen 104 i den foretrukne utførelse i en konfigurasjon med et Michelson interferometer. Sansingsfiberen 702 er viklet rundt hver av kjernene med en ende som avsluttes ved et første speil 1102 og den andre ende som avsluttes ved en optisk kopler 1104. Referansefiberen 1106 er også en optisk fiber av fast lengde, fortrinnsvis isolert i et hus 102 for å minimere tøyning av det lysledende parti (fiber) av referansefiberen 1106. En ende av referansefiberen 1106 avsluttes ved et annet nettspeil 1108 og den andre enden avsluttes ved den optiske kopler 1104.

[0047]Komponenter i huset 102 kan være innkapslet i en hard harpiksepoksy og hele oppfinnelsen kan være overstøpt med et vannbestandig materiale så som polyuretan.

[0048]Et kollimert lys eller laserlys 1110 innføres i kopleren 1104. Lys som beveger seg gjennom sansingsarmen vil bevege seg gjennom sansingsfiberen 702 til det første speil 1104 og vil bli reflektert tilbake gjennom sansingsfiberen 702 til kopleren 1104. Lys som beveger seg i sansingsfiberen 702 vil bli modulert av tøyninger i fiberen forårsaket av deformasjon eller bøyning av en hvilken som helst av kjernene. Lys fa referansearmen vil bevege seg gjennom referansefiberen 1106 til det annet speil 1108 og bli reflektert tilbake til kopleren 1104. Ved kopleren 1104, vil lys som er modulert fra sansingsfiberen 702 blandes med referanselys fra referansefiberen 1106, hvilket produserer et interferensmønster. Det blandede lys 1112 sin intensitet er proporsjonal med tøyningen av sansingsfiberen 702 og de akustiske krefter som virker på kjernene.

[0049]Fig. 14 viser den foreliggende oppfinnelse uten et hus eller en referanseenhet. Den optiske fiber 702 inneholder et første Bragg-gitter 1202 ved én ende av sansingsarmen og et annet Bragg-gitter 1204 ved den andre enden av sansingsarmen. Laserlys eller kollimert lys som beveger seg gjennom den optiske fiber 702 innføres i det første Bragg-gitter 1202. Noe av lyset reflekteres. Resten av lyset beveger seg gjennom det gjenværende av den optiske fiber 702 og reflekteres ved det annet Bragg-gitter 1204 og returnerer gjennom sansingsarmen til det første Bragg-gitter 1202 hvor det blandes med det reflekterte lys. Det blandede lys sin intensitet er proporsjonal med tøyningen av sansingsfiberen 702 og de akustiske krefter som virker på kjernene.

[0050]Oppfinnelsen utvider således den operasjonelle båndbredde for fiberoptiske akustiske sensorer. Den unike topologi til kjernene tillater flere viklinger og en flatere frekvensrespons over sansingsområdet. Oppfinnelsen er mer sensitiv for akustiske bølger og tilveiebringer sansingsevne som er følsom i alle retninger.

Claims (17)

1. Akustisk sensorkarakterisert ved: en basis (508) som har et flertall av kjernepassende overflater (602, 604, 606); et flertall av ettergivende kjerner (502, 504, 506), hvor hver kjerne er festet til en kjernepassende overflate på basisen (508) med tre av de ettergivende kjerner orientert hovedsakelig ortogonalt til hverandre; et ikke-ettergivende hus (102) som inneholder en optisk kopler (1104) festet til basisen (508); en optisk fiber (702) som er viklet rundt hver av flertallet av ettergivende kjerner, som avsluttes ved den optiske kopleren; og en referansesensor (1106) som er inneholdt inne i det ikke-ettergivende huset (102).

2. Akustisk sensor i henhold til krav 1, hvor basisen har seks kjernepassende overflater.

3. Akustisk sensor i henhold til krav 1, hvor kjernene er massive.

4. Akustisk sensor i henhold til krav 1, hvor kjernene er luftstøttede.

5. Akustisk sensor i henhold til krav 1, hvor kjernene er fluidfylte.

6. Akustisk sensor i henhold til krav 1, hvor kjernene er sylindriske, spoleformede, koniske, timeglassformede, eller avsmalnende med en varierende omkretslengde.

7. Akustisk sensor i henhold til krav 1, hvor kjernene er sylindriske.

8. Akustisk sensor i henhold til krav 1, hvor kjernene er spoleformede.

9. Akustisk sensor i henhold til krav 1, hvor kjernene er timeglassformede med en varierende omkretslengde.

10. Akustisk sensor i henhold til krav 1, hvor kjernene er avsmalnende med en varierende omkretslengde.

11. Akustisk sensor i henhold til krav 1, hvor dimensjonen av den akustiske sensoren langs lengdeaksen i én av de flere ettergivende kjerner er større enn halvparten av bølgelengden av en frekvens av interesse.

12. Akustisk sensor i henhold til krav 1, hvor den optiske fiber har et Bragg-gitter.

13. Akustisk sensor i henhold til krav 1, videre omfattende et Michelson-interferometer eller Mach-Zehnder-interferometer som har den optiske fiber som i det minste en del av den optiske vei eller bane.

14. Akustisk sensor i henhold til krav 1, hvor lengden av den akustiske sensor som er målt i minst én retning, er i det minste halvparten av bølgelengden av en design-maksimumfrekvens og reagerer med et tap på mindre enn halvparten av sensitiviteten ved én halvpart av design-maksimumfrekvensen.

15. Sensor i henhold til krav 2, hvor, når den er konfigurert som en midtpunktsensor, vil en ettergivende kjerne være festet til hver av de seks kjernepassende overflater for å danne tre innbyrdes ortogonale par av ettergivende kjerner.

16. Sensor i henhold til krav 15, hvor hver innbyrdes ortogonale par av ettergivende kjerner har en lengdeakse som ligger i en koordinatakse i et kartesisk koordinatsystem som har et utgangs- eller startpunkt ved senteret til basisen.

17. Akustisk sensor i henhold til krav 10, hvor omkretsen er større enn 3,175 mm, og frittfelt-sensitiviteten ved en design-maksimumfrekvens ikke er mindre enn halvparten av sensitiviteten ved én halvpart av design-maksimumfrekvensen.