RU2047279C1

RU2047279C1 - Fiber-optical transducer of hydrophysic parameters of sea water

Info

Publication number: RU2047279C1
Application number: RU93041429A
Authority: RU
Inventors: Ю.Н. Власов; В.К. Маслов; С.В. Сильвестров
Priority date: 1993-08-18
Filing date: 1993-08-18
Publication date: 1995-10-27

Abstract

FIELD: hydroacoustics. SUBSTANCE: device has two fiber coil which are optically connected to interferometer, coherent light source, ultrasound transmitter, photodetector, amplifier, low-pass filter, high-pass filter, band-pass filter, microprocessor, sensors of temperature, saltiness and sound force gradient. One fiber coil is made from metallized fiber. EFFECT: increased functional capabilities. 3 cl, 3 dwg

Description

Изобретение относится к технической физике и может быть использовано в гидроакустике для измерений солености, температуры, скорости звука и градиента звукового давления в морской среде. The invention relates to technical physics and can be used in sonar to measure salinity, temperature, speed of sound and the gradient of sound pressure in the marine environment.

Известен волоконно-оптический преобразователь температуры или давления [1] выполненный в виде двух одномодовых волокон, соединенных в поляризационный интерферометр. Волокна в паре подбираются таким образом, чтобы интерферометр реагировал либо на изменение температуры, либо на изменение давления. Known fiber-optic temperature or pressure transducer [1] made in the form of two single-mode fibers connected to a polarizing interferometer. The fibers in the pair are selected so that the interferometer reacts either to a change in temperature or to a change in pressure.

Недостатком такого преобразователя является невозможность с его помощью измерять одновременно несколько гидрофизических параметров. The disadvantage of such a converter is the inability to measure several hydrophysical parameters with it.

Известен волоконно-оптический преобразователь гидрофизических параметров морской среды, содержащий интерферометр в виде двух волоконных катушек, расположенных на известном расстоянии друг от друга с возможностью контактирования с морской средой, источник когерентного света и фотоприемник, подключенный к усилителю, связанному с микропроцессором и регистратором градиента звукового давления [2] Данный градиентный гидрофон принят за прототип. Known fiber-optic transducer of hydrophysical parameters of the marine environment, containing an interferometer in the form of two fiber coils located at a known distance from each other with the possibility of contacting with the marine environment, a coherent light source and a photodetector connected to an amplifier connected to a microprocessor and a sound pressure gradient recorder [2] This gradient hydrophone is adopted as a prototype.

Недостатком этого преобразователя является невозможность с его помощью измерять несколько гидрофизических параметров, например дополнительно измерять соленость, температуру и скорость звука морской среды. The disadvantage of this Converter is the inability to use it to measure several hydrophysical parameters, for example, to additionally measure the salinity, temperature and sound speed of the marine environment.

Техническим результатом, получаемым от применения изобретения, является возможность измерения одновременно нескольких параметров морской среды, таких как соленость, температура, скорость звука и, как в прототипе, градиента звукового давления. The technical result obtained from the application of the invention is the ability to simultaneously measure several parameters of the marine environment, such as salinity, temperature, speed of sound and, as in the prototype, the gradient of sound pressure.

Данный технический результат получается за счет того, что волоконно-оптический преобразователь (ВОП) гидрофизических параметров морской среды, содержащий интерферометр в виде двух волоконных катушек, расположенных на известном расстоянии друг от друга с возможностью контактирования с морской средой, источник когерентного света и фотоприемник, подключенный к усилителю, связанному с микропроцессором и регистратором градиента звукового давления, дополнительно содержит ультразвуковой излучатель, установленный напротив волоконных катушек, одна из которых выполнена из металлизированного волокна, фильтр низких частот, фильтр высоких частот, полосовой фильтр, регистратор температуры и регистратор солености, при этом усилитель связан с микропроцессором через параллельно соединенные фильтр низких частот и полосовой фильтр, с регистратором градиента звукового давления через фильтр высоких частот, а с регистратором температуры через фильтр низких частот, причем выход микропроцессора подключен к выходу регистратора солености. This technical result is obtained due to the fact that the fiber-optic transducer (FOP) of the hydrophysical parameters of the marine environment, containing an interferometer in the form of two fiber coils located at a known distance from each other with the possibility of contacting with the marine environment, a coherent light source and a photodetector connected to the amplifier associated with the microprocessor and the recorder of the gradient of sound pressure, additionally contains an ultrasonic emitter mounted opposite the fiber Nylon, one of which is made of metallized fiber, a low-pass filter, a high-pass filter, a band-pass filter, a temperature recorder and a salinity recorder, while the amplifier is connected to the microprocessor through a parallel-connected low-pass filter and a band-pass filter, with a sound pressure gradient recorder through a filter high frequencies, and with a temperature recorder through a low-pass filter, and the microprocessor output is connected to the output of the salinity recorder.

Кроме того, предлагаемый ВОП может дополнительно содержать волоконно-оптический преобразователь гидростатического давления, соединенный с входом микропроцессора, а также регистратор скорости звука, подключенный к выходу полосового фильтра. In addition, the proposed GP can optionally contain a fiber-optic hydrostatic pressure transducer connected to the input of the microprocessor, as well as a sound velocity recorder connected to the output of the bandpass filter.

На фиг. 1 представлена оптико-электронная схема ВОП; на фиг. 2 блоки электронной аппаратуры ВОП; на фиг. 3 спектрограмма, поясняющая работу преобразователя. In FIG. 1 shows the optical electronic circuit of the GP; in FIG. 2 blocks of electronic equipment; in FIG. 3 spectrogram explaining the operation of the converter.

ВОП содержит (фиг. 1) интерферометр, выполненный в виде двух волоконных катушек 1 и 2, расположенных с возможностью контактирования с морской средой за водонепроницаемой стенкой 3. Катушки 1 и 2 расположены на известном расстоянии Δ х друг от друга. The FOP contains (Fig. 1) an interferometer made in the form of two fiber coils 1 and 2, arranged to contact the marine environment behind a waterproof wall 3. Coils 1 and 2 are located at a known distance Δ x from each other.

Имеется также источник 4 когерентного света (например, лазерный диод) и фотоприемник 5 (например, фотодиод), оптически согласованные через оптические вводные и выводные устройства 6 и 7 с волоконными катушками 1 и 2 интерферометра. There is also a coherent light source 4 (for example, a laser diode) and a photodetector 5 (for example, a photodiode) optically matched through optical input and output devices 6 and 7 with fiber coils 1 and 2 of the interferometer.

Напротив волоконных катушек 1 и 2 установлен ультразвуковой излучатель 8 на частоту ω₁, подключенный к генератору электрических колебаний (не показан). Частота ω₁, ультразвуковой волны выбирается исходя из того, чтобы расстояние Δ х было меньше четверти длины волны.Opposite the fiber coils 1 and 2, an ultrasonic emitter 8 is mounted at a frequency ω ₁ connected to an electric oscillation generator (not shown). The frequency ω _{1 of the} ultrasonic wave is selected based on the fact that the distance Δ x was less than a quarter of the wavelength.

Фотоприемник 5 подключен к усилителю 9 (фиг. 2), выход которого связан через параллельно соединенные полосовой фильтр 10 и фильтр 11 низких частот с входами микропроцессора 12, работающему по алгоритму, приведенному выше. Один из выходов микропроцессора 12 подключен к волоконно-оптическому преобразователю 13 гидростатического давления. The photodetector 5 is connected to an amplifier 9 (Fig. 2), the output of which is connected through a parallel-connected band-pass filter 10 and a low-pass filter 11 with the inputs of the microprocessor 12, operating according to the algorithm described above. One of the outputs of the microprocessor 12 is connected to a fiber-optic transducer 13 hydrostatic pressure.

Имеется также фильтр 14 высоких частот, через который усилитель 9 соединен выходом с регистратором 15 градиента звукового давления. Через фильтр 11 низких частот усилитель 9 соединен выходом с регистратором 16 температуры. There is also a high-pass filter 14 through which an amplifier 9 is connected by an output to a sound pressure gradient recorder 15. Through a low-pass filter 11, an amplifier 9 is connected by an output to a temperature recorder 16.

Регистраторы 17 и 18 соответственно солености и гидростатического давления подключены к выходам микропроцессора 12 и преобразователя 13 гидростатического давления. Регистратор 19 скорости звука подключен к выходу полосового фильтра 10. The registrars 17 and 18, respectively, of salinity and hydrostatic pressure are connected to the outputs of the microprocessor 12 and the hydrostatic pressure transducer 13. The sound velocity recorder 19 is connected to the output of the bandpass filter 10.

Одна из волоконных катушек, например катушка 1, выполнена из металлизированного волокна, а другим из обычного кварцевого или полимерного волокна в оболочке. Волокно, покрытое тонким слоем металла, например алюминия, становится нечувствительным к температуре, а чувствительно только к давлению, в том числе звуковому. Обычное же волокно чувствительно как к температуре, так и в давлению. One of the fiber coils, for example, coil 1, is made of metallized fiber, and the other of ordinary quartz or polymer fiber in the shell. A fiber coated with a thin layer of metal, such as aluminum, becomes insensitive to temperature, and is sensitive only to pressure, including sound. Ordinary fiber is sensitive to both temperature and pressure.

Для удобства первоначальной настройки рабочей точки волоконного интерферометра на разность фаз, равную 90^о, т.е. вместо наибольшей крутизны и линейности выходной кривой интерферометра в одно из плеч ВОП устанавливают фазосдвигающее устройство (не показано).For convenience, the initial adjustment of the operating point of the fiber interferometer for a phase difference of 90 ^° , i.e. instead of the greatest steepness and linearity of the output curve of the interferometer, a phase-shifting device (not shown) is installed in one of the arms of the FOP.

Оптико-электронные блоки особенностей не имеют. Их описание представлено в специальной научно-технической литературе по волоконным датчикам. Ультразвуковой излучатель также особенностей не имеет. Optoelectronic units have no features. Their description is presented in special scientific and technical literature on fiber sensors. The ultrasonic emitter also has no features.

Перед началом работы ВОП проходит градуировку по температуре и градиенту звукового давления. Before starting work, the GP is calibrated by temperature and sound pressure gradient.

ВОП работает следующим образом. GP works as follows.

Устанавливают первичный преобразователь ВОП (элементы 1, 2 и 8) в исследуемой морской среде. Включают когерентный источник 4 света, фотоприемник 5, ультразвуковой излучатель 8 (фиг. 1), а также все блоки электронной аппаратуры (фиг. 2). The GP primary transducer (elements 1, 2, and 8) is installed in the studied marine environment. Include a coherent light source 4, a photodetector 5, an ultrasonic emitter 8 (Fig. 1), as well as all blocks of electronic equipment (Fig. 2).

На волоконные катушки 2 и 1 будут воздействовать пульсации звукового давления и пульсации температуры. Поскольку волоконная катушка металлизирована и нечувствительная к изменениям температуры Т, то на выходе волокнистого интерферометра появится два сигнала (фиг. 3): низкочастотный Т( ω ), где ω круговая частота, и высокочастотный Δ p/ Δ x(ω ), пропорциональный градиенту звукового давления. Эти сигналы разделяются фильтрами 11 и 14 низких и высоких частот и регистрируются регистраторами 16 и 15. Fiber coils 2 and 1 will be affected by sound pressure pulsations and temperature pulsations. Since the fiber coil is metallized and insensitive to temperature changes T, two signals will appear at the output of the fiber interferometer (Fig. 3): low-frequency T (ω), where ω is the circular frequency, and high-frequency Δ p / Δ x (ω), proportional to the gradient of the sound pressure. These signals are separated by low and high frequency filters 11 and 14 and recorded by recorders 16 and 15.

Для определения солености S на вход ВОП подается ультразвуковая волна с частотой ω₁ и фазовым способом определяется скорость С ультразвука в морской среде, связанной как известно с гидрофизическими параметрами среды следующим соотношением: С 1492,9 + 3 (Т 10) 0,006 (Т 10)² 0,04 (Т 18)² + + 1,2 (S 35) 0,01 (Т 18) (S 35) + 0,0164 Z (1) где Т температура, ^оС, S соленость, Z глубина, м, С скорость ультразвука, м/с.To determine the salinity S, an ultrasonic wave with a frequency of ω ₁ is supplied to the VOP input and the ultrasound velocity C in the marine environment is determined by the phase method, which is associated with the hydrophysical parameters of the medium as follows: C 1492.9 + 3 (T 10) 0.006 (T 10) ² 0.04 (T 18) ² + + 1.2 (S 35) 0.01 (T 18) (S 35) + 0.0164 Z (1) where T is temperature, ^о С, S salinity, Z depth, m, C speed of ultrasound, m / s.

Поскольку любой интерферометр преобразует фазовые изменения в амплитудные, то амплитуда сигнала на частоте ω₁ будет характеризовать скорость звука в морской среде. В связи с изменениями скорости звука при наличии пульсаций температуры и солености среды спектр в окрестности частоты ω₁ уширяется (фиг. 3).Since any interferometer converts phase changes into amplitude changes, the signal amplitude at frequency ω ₁ will characterize the speed of sound in the marine environment. Due to changes in the speed of sound in the presence of fluctuations in temperature and salinity of the medium, the spectrum broadens in the vicinity of frequency ω ₁ (Fig. 3).

Скорость звука С может определяться абсолютным способом или путем предварительной градуировки ВОП по скорости звука. Величина скорости звука регистрируется регистратором 19. The speed of sound C can be determined in an absolute way or by pre-grading the GP in the speed of sound. The value of the speed of sound is recorded by the recorder 19.

На вход микропроцессора 12 поступает информация о скорости звука и температуре, а если изменяется глубина Z, то и о гидростатическом давлении с датчика 13. Последний целесообразно выбрать также волоконно-оптическим, чтобы блоки преобразования (не показаны) выходных сигналов были однотипными. В микропроцессоре 12 происходит преобразования поступивших на него сигналов и расчет по алгоритму (1) солености морской среды. The microprocessor 12 receives information on the speed of sound and temperature, and if the depth Z changes, then on the hydrostatic pressure from the sensor 13. The latter is also advisable to choose fiber optic so that the conversion blocks (not shown) of the output signals are of the same type. In the microprocessor 12, the signals received on it are converted and the salinity of the marine environment is calculated according to algorithm (1).

Claims

1. FIBER-OPTICAL CONVERTER OF HYDROPHYSICAL PARAMETERS OF THE MARINE ENVIRONMENT, containing an interferometer in the form of two fiber coils located at a known distance from each other with the possibility of contacting with the marine environment, a coherent light source and a photodetector connected to an amplifier connected to a microprocessor and a recorder pressure, characterized in that it further comprises an ultrasonic emitter mounted opposite to the fiber coils, one of which is made of metal fiber, low-pass filter, high-pass filter, band-pass filter, temperature recorder and salinity recorder, while the amplifier is connected to the microprocessor through a parallel-connected low-pass filter and band-pass filter, with a sound pressure gradient recorder through a high-pass filter, a temperature recorder through a filter low frequencies, and the microprocessor output is connected to the output of the salinity recorder.

2. The Converter according to claim 1, characterized in that it further comprises a fiber optic hydrostatic pressure transducer connected to the input of the microprocessor.

3. The Converter according to claim 1, characterized in that it further comprises a sound velocity recorder connected to the output of the bandpass filter.