RU2091984C1

RU2091984C1 - Fiber-optic sound pressure gradient detector

Info

Publication number: RU2091984C1
Application number: RU94022687A
Authority: RU
Inventors: Ю.Н. Власов; В.К. Маслов; С.В. Сильвестров; А.Д. Толстоухов
Priority date: 1994-06-10
Filing date: 1994-06-10
Publication date: 1997-09-27
Also published as: RU94022687A

Abstract

FIELD: underwater acoustics, applicable in laboratory and natural conditions for measurement of parameters of sound waves in liquid. SUBSTANCE: single- beam fiber Zender-Mach interferometer, having two fiber coils positioned at a definite distance from each other, is supplemented with a multiple- beam double-ring interferometer, having three optically integrated fiber coils. Two coils of both interferometers are common ones. Decoupling of the interferometers is effected due to the use of different lengths of waves generated by two lasers. The single-beam interferometer has a harmonic outlet curve, and the multiple-beam interferometer has a peaked outlet curve in the interference bands. At homodyne transformation it allows the multiple- beam interferometer to be used for reception of weak acoustic signals, and the single-beam interferometer- for reception of stronger acoustic signals. The detector has an electronic circuit of automatic selection of operating mode, depending on the level of acoustic signal. EFFECT: enhanced accuracy. 2 cl, 3 dwg

Description

Изобретение относится к области гидроакустики и может быть использовано в лабораторных и натурных условиях для измерений параметров звуковых волн в жидкости. The invention relates to the field of hydroacoustics and can be used in laboratory and field conditions for measuring the parameters of sound waves in a liquid.

Известны волоконно-оптические приемники (ВОП) градиента звукового давления [1, 2] применяемые как в лабораторных, так и в натурных условиях. Любой из известных ВОП может быть принят за прототип. Known fiber-optic receivers (FOP) of the gradient of sound pressure [1, 2] used both in laboratory and in-situ conditions. Any of the known GPs can be taken as a prototype.

Известны ВОП, например, [2] содержит лазер и фотоприемник, оптически согласованные через две волоконные катушки, расположенные на определенном расстоянии друг от друга, в однолучевой интерферометр Цендера-Маха, а также фильтр высоких частот, усилитель и многоканальный регистратор, причем выход фотоприемника через фильтр высоких часто соединен со входом усилителя, подключенного выходом к многоканальному регистратору. VOPs are known, for example, [2] contains a laser and a photodetector, optically matched through two fiber coils located at a certain distance from each other, into a single-beam Zehnder-Mach interferometer, as well as a high-pass filter, an amplifier, and a multi-channel recorder, the photodetector output through a high-pass filter is often connected to the input of an amplifier connected to the output of a multi-channel recorder.

Недостатком известных устройств [1 и 2] является недостаточно высокая чувствительность ВОП в режиме гомодинного преобразования, ограниченной предельной крутизной синусоиды, по которой изменяется выходная кривая известного градиентного приемника [2]
Техническим результатом, получаемым при реализации изобретения, является повышение чувствительности волоконно-оптического интерференционного приемника градиента звукового давления за счет повышения крутизны выходной кривой интерферометра в режиме гомодинного преобразования.A disadvantage of the known devices [1 and 2] is the insufficiently high sensitivity of the VOP in the mode of homodyne conversion, limited by the limiting slope of the sinusoid, along which the output curve of the known gradient receiver changes [2]
The technical result obtained by the implementation of the invention is to increase the sensitivity of the fiber-optic interference receiver of the sound pressure gradient by increasing the steepness of the output curve of the interferometer in the homodyne conversion mode.

Данный технический результат получается за счет того, что известный ВОП градиента звукового давления, содержащий лазер и фотоприемник, оптически согласованные через две волоконные катушки, расположенные на определенном расстоянии друг от друга, в однолучевой интерферометр Цендера-Маха, а также фильтр высоких частот, усилитель и многоканальный регистратор, причем выход фотоприемника через фильтр высоких частот соединен со входом усилителя, подключенного выходом к многоканальному регистратору, дополнительно содержит третью волоконную катушку, защищенную от звукового давления, второй лазер, второй фотоприемник, второй фильтр высоких частот и второй усилитель при этом лазеры выполнены на различные длины волн, волокна первой и второй катушек выполнены из материала, пропускающего обе длины волны лазеров, а волокно третьей катушки из материала, пропускающего длину волны второго лазера, но не пропускающего длину волны первого лазера, второй лазер и второй фотоприемник оптически согласованы с первой, второй и третьей волоконными катушками в многолучевой двухкольцевой интерферометр, при этом перед первым фотоприемником установлен интерференционный светофильтр на длину волны первого лазера, а перед вторым фотоприемником установлен интерференционный светофильтр на длину волны второго лазера, причем выход второго фотоприемника через второй фильтр высоких частот соединен со входом второго усилителя, подключенного выходом к многоканальному регистратору. This technical result is obtained due to the fact that the well-known FOP of the sound pressure gradient, containing a laser and a photodetector, optically matched through two fiber coils located at a certain distance from each other, into a Zeder-Mach single-beam interferometer, as well as a high-pass filter, an amplifier a multichannel recorder, the output of the photodetector through a high-pass filter connected to the input of the amplifier connected to the output of a multichannel recorder, additionally contains a third fiber the sound pressure-protected coil, the second laser, the second photodetector, the second high-pass filter and the second amplifier, the lasers being made at different wavelengths, the fibers of the first and second coils are made of material that transmits both laser wavelengths, and the fiber of the third coil is made of transmitting the wavelength of the second laser, but not transmitting the wavelength of the first laser, the second laser and the second photodetector are optically matched with the first, second, and third fiber coils in a multipath double-ring int rferometr, wherein before the first photodetector mounted interference filter on the length of the first laser wavelength, and upstream of the second photodetector mounted interference filter on the length of the second laser wave, the output of the second photodetector through a second high pass filter connected to the input of the second amplifier connected output to a multichannel recorder.

Первая и вторая волоконные катушки выполнены из кварцевого волокна, а третья из полимерного волокна, при этом первый лазер выполнен на длину волны 6900А, а второй на длину волны 6328А. The first and second fiber coils are made of quartz fiber, and the third of polymer fiber, with the first laser at a wavelength of 6900A, and the second at a wavelength of 6328A.

ВОП может дополнительно содержать два интегратора, два компаратора, два блока опорных напряжений и два электронных ключа, при этом первый интегратор подключен своим входом к выходу первого усилителя, а выходом к первому входу первого компаратора, второй вход которого соединен с первым блоком опорного напряжения, а выход с управляемым входом первого электронного ключа, второй интегратор подключен своим входом к выходу второго усилителя, а выходом к первому входу второго компаратора, второй вход которого соединен со вторым блоком опорного напряжения, а выход с управляемым входом второго электронного ключа, причем выходы первого и второго усилителей соединены со входами многоканального регистратора соответственно через первый и второй электронные ключи. VOP can additionally contain two integrators, two comparators, two blocks of the reference voltage and two electronic keys, while the first integrator is connected by its input to the output of the first amplifier, and by the output to the first input of the first comparator, the second input of which is connected to the first block of the voltage reference, and an output with a controlled input of the first electronic key, the second integrator is connected by its input to the output of the second amplifier, and by the output to the first input of the second comparator, the second input of which is connected to the second reference block voltage, and an output to a control input of the second electronic key, and outputs the first and second amplifiers are connected to the inputs of a multichannel recorder respectively through first and second electronic switches.

ВОП дополнительно содержит масштабирующее устройство, установленное на выходе первого или второго электронных ключей. VOP additionally contains a scaling device installed at the output of the first or second electronic keys.

ВОП может дополнительно содержать два фазосдвигающих устройства, одно из которых установлено в первой или второй волоконных катушках, а другое в третьей волоконной катушке. FOP can additionally contain two phase-shifting devices, one of which is installed in the first or second fiber coils, and the other in the third fiber coil.

Изобретение поясняется чертежами. The invention is illustrated by drawings.

На фиг. 1 представлена оптическая схема ВОП; на фиг. 2 электронная схема ВОП; на фиг. 3 диаграммы, поясняющие работу ВОП. In FIG. 1 shows the optical scheme of the GP; in FIG. 2 electronic circuit of the GP; in FIG. 3 diagrams explaining the work of GPs.

Волоконно-оптический приемник градиента звукового давления (фиг. 1) содержит лазер 1, работающий на длине волны λ₁, лазер 2, работающий на длине волны λ₂ и три волоконные катушки 3, 4 и 5 (катушка 5 условно показана в виде одного витка спирали). Имеются также два фотоприемника 6 и 7, перед которыми установлены интерференционные светофильтры 8 и 9, один 8 на длину λ₂, а другой 9 на длину λ₁.The fiber-optic receiver of sound pressure gradient (Fig. 1) contains a laser 1 operating at a wavelength of λ ₁ , a laser 2 operating at a wavelength of λ ₂ and three fiber coils 3, 4 and 5 (coil 5 is conventionally shown as one turn spirals). There are also two photodetectors 6 and 7, in front of which interference filters 8 and 9 are installed, one 8 for the length λ ₂ , and the other 9 for the length λ ₁ .

Лазер 1 и фотоприемник 7 оптически согласован с волоконными катушками 3 и 4 в однолучевой интерферометр Цендера-Маха. Согласование происходит с помощью вводного оптического устройства 10, волоконных ответвителей 11, 12 и выводного оптического устройства 13. Laser 1 and photodetector 7 are optically matched with fiber coils 3 and 4 in a single-beam Zehnder-Mach interferometer. Coordination occurs using an input optical device 10, fiber couplers 11, 12 and output optical device 13.

Лазер 2 и фотоприемник 6 оптически согласованы в многолучевой двухкольцевой интерферометр через волоконные катушки 3, 4, 5. The laser 2 and the photodetector 6 are optically matched to a multi-beam double-ring interferometer through fiber coils 3, 4, 5.

Согласование осуществляется через вводное оптическое устройство 14, волоконные ответвители 11, 12 и оптическое выводное устройство 15. Coordination is carried out through the input optical device 14, fiber couplers 11, 12 and the optical output device 15.

Способы согласования оптических элементов в однолучевые в многолучевые волоконные интерферометры представлены в работах [1, 2]
Для спектральной развязки однолучевого и многолучевого интерферометров волокна волоконных катушек 3 и 4 выполняют из материала, пропускающего длины λ₁ и λ₂ волн обоих лазеров 1 и 2, а волокно катушки 5 выполняют из материала, пропускающего длину волны λ₂ лазера 2, но не пропускающего длину волны лазера 1. Кроме того, перед фотоприемником 7 устанавливают интерференционный светофильтр 9 на длину волны λ₁, а перед фотоприемником 6 - светофильтр 8 на длину волны λ₂.Methods of matching optical elements into single-beam to multi-beam fiber interferometers are presented in [1, 2]
For spectral isolation of single-beam and multi-beam interferometers, the fibers of fiber coils 3 and 4 are made of a material that transmits wavelengths λ ₁ and λ _{2 of the} waves of both lasers 1 and 2, and the fiber of the coil 5 is made of material that transmits the wavelength of λ _{2 of} laser 2, but does not transmit laser wavelength 1. In addition, in front of the photodetector 7, an interference filter 9 is installed at a wavelength λ ₁ , and in front of the photodetector 6, a filter 8 at a wavelength λ ₂ .

В частном случае волоконные катушки 3 и 4 изготовляются из кварцевого волокна, а волоконная катушка 5 из полимерного волокна, при этом в качестве лазера 2 используют рубиновый лазер с длиной волны 6900А, а в качестве лазера 1 гелий-неоновый лазер с длиной волны 6328А. Оптические потери кварцем излучения на первой и второй длинах волн соответственно равен (5) 6 и 10 дБ/км, а у полимерного волокна 60 и 7 дБ/км. То есть кварцевое волокно пропускает выбранные длины волн практически одинаково, а полимерные - пропускает лишь одну длину волны. In a particular case, fiber coils 3 and 4 are made of quartz fiber, and fiber coil 5 is made of polymer fiber, with a ruby laser with a wavelength of 6900A and a helium-neon laser with a wavelength of 6328A as laser 1. The optical loss of radiation by quartz at the first and second wavelengths is respectively (5) 6 and 10 dB / km, and for a polymer fiber 60 and 7 dB / km. That is, quartz fiber transmits the selected wavelengths almost identically, while polymer fiber transmits only one wavelength.

Оптическая схема ВОП также включает в себя два фазосдвигающих устройства 16 и 17. Фазосдвигающее устройство 16 установлено в волоконной катушке 4, а фазосдвигающее устройство 17 в волоконной катушке 5. The optical fiber optic circuit also includes two phase-shifting devices 16 and 17. A phase-shifting device 16 is installed in the fiber spool 4, and a phase-shifting device 17 in the fiber spool 5.

Чувствительным элементом ВОП являются волоконные катушки 3 и 4, расположенные на расстоянии Δx друг от друга. Волоконная катушка 5 защищена от воздействия звукового давления. Она может быть расположена вне исследуемой области и быть выполненной в виде несвернутого отрезка волокна (т.е. прямолинейного отрезка волокна). The sensing element of the FOP are fiber coils 3 and 4 located at a distance Δx from each other. The fiber spool 5 is protected from sound pressure. It can be located outside the study area and be made in the form of an unfolded fiber segment (i.e., a straight fiber segment).

Электронная схема ВОП (фиг. 2) включает в себя фильтр 18 и 19 высоких частот, усилители 20 и 21, интеграторы 22 и 23, компараторы 24 и 25, компараторы 26 и 27, электронные ключи 28 и 29, масштабирующее устройство 30 и многоканальный регистратор 31. The VOP electronic circuit (Fig. 2) includes a high-pass filter 18 and 19, amplifiers 20 and 21, integrators 22 and 23, comparators 24 and 25, comparators 26 and 27, electronic keys 28 and 29, a scaling device 30 and a multi-channel recorder 31.

Схема соединений представлена на чертеже. The connection diagram is shown in the drawing.

Волоконно-оптический приемник градиента звукового давления работает следующим образом. The fiber optic receiver of the sound pressure gradient works as follows.

Устанавливают чувствительный элемент ВОП в исследуемой среде так, чтобы волоконные катушки 3 и 4 располагались одна за другой по отношению к звуковой волне 32 (фиг. 1). Set the sensitive element of the GP in the test medium so that the fiber coils 3 and 4 are located one after the other with respect to the sound wave 32 (Fig. 1).

Допустим, что входной сигнал ВОП имеет вид, представленный на фиг. 3, под позицией 33 (здесь же под позициями 34 и 35 представлены выходные кривые соответственно однолучевого и многолучевого интерферометров). Assume that the VOP input signal has the form shown in FIG. 3, under the position 33 (here, under the positions 34 and 35, the output curves of the single-beam and multi-beam interferometers, respectively, are presented).

Если предварительно с помощью фазосдвигающих устройств 16 и 17 начальные разности фаз установить в точку А (точка наибольшей кривизны и линейности выходных кривых 34 и 35), то приемник можно считать готовым к работе. If you first set the phase differences using phase shifting devices 16 and 17 to point A (the point of greatest curvature and linearity of the output curves 34 and 35), then the receiver can be considered ready for use.

Предположим, что сначала работает менее чувствительный однолучевой интерферометр. Assume that a less sensitive single-beam interferometer operates first.

Звуковая волна 32 (фиг. 1) вызывает появление на воде интерферометра сигнала 33 (фиг. 3). Однолучевой интерферометр преобразует появившиеся фазовые изменения оптического сигнала в амплитудные. Интерференционный фильтр 9 пропускает полезный оптический сигнал на фотоприемник 7, на выходе которого выделяется сигнал 36 (фиг. 3). Переменная составляющая, пропорциональная градиенту звукового давления акустической волны 32 (фиг. 1), усиливается усилителем 30 и регистрируется на многоканальном регистраторе 31 (фиг. 2). The sound wave 32 (Fig. 1) causes the appearance on the water of the interferometer signal 33 (Fig. 3). A single-beam interferometer converts the appearing phase changes in the optical signal into amplitude ones. An interference filter 9 passes a useful optical signal to a photodetector 7, at the output of which a signal 36 is emitted (Fig. 3). A variable component proportional to the acoustic pressure gradient of the acoustic wave 32 (FIG. 1) is amplified by an amplifier 30 and is recorded on a multi-channel recorder 31 (FIG. 2).

На этом же регистраторе одновременно можно регистрировать и выходной сигнал с более чувствительного многолучевого интерферометра. А последующий анализ позволяет выбрать тот или другой из записанных выходных сигналов, в зависимости от величины входного сигнала. At the same recorder, you can simultaneously register the output signal from a more sensitive multipath interferometer. A subsequent analysis allows you to select one or the other of the recorded output signals, depending on the size of the input signal.

Выбор режимов работы ВОП может осуществляться автоматически. The selection of the operating modes of the GP can be carried out automatically.

Для этого интегратор 22 направляет проинтегрированный выходной сигнал на компаратор 24 для сравнения уровня выходного сигнала с опорным напряжением блока 26 опорных напряжений, характеризующего предельную чувствительность однолучевого интерферометра и максимальный линейный диапазон многолучевого интерферометра. Если выходной сигнал однолучевого интерферометра больше опорного, то выходной сигнал пропускается электронным ключом 28 на многоканальный регистратор 31, если меньше то, сигнал задерживается и информацию о параметрах звуковой волны поставляет многолучевой интерферометр. For this, the integrator 22 sends the integrated output signal to the comparator 24 to compare the level of the output signal with the reference voltage of the reference voltage block 26, which characterizes the ultimate sensitivity of the single-beam interferometer and the maximum linear range of the multi-beam interferometer. If the output signal of the single-beam interferometer is larger than the reference, then the output signal is transmitted by electronic key 28 to the multi-channel recorder 31, if less then the signal is delayed and the information about the sound wave parameters is supplied by the multi-beam interferometer.

Выходной сигнал 37 (фиг. 3) многолучевого интерферометра с фотоприемника 7 через фильтр 19 высоких частот и усилитель 20 поступает на интегратор 22, после которого в компараторе 25 сравнивается со значением другого опорного напряжения (блока 27 опорных напряжений). Значение второго опорного напряжения выбирается из условия линейности участка выходной кривой 35 многолучевого интерферометра для данного уровня сигнала. Если проинтегрированное значение выходного сигнала многолучевого интерферометра не превышает опорного, то сигнал проходит через электронный ключ 29 на многоканальный регистратор 31. Если превышает, то сигнал задерживается электронным ключом 25 и начинает работать однолучевой интерферометр. The output signal 37 (Fig. 3) of the multipath interferometer from the photodetector 7 through a high-pass filter 19 and an amplifier 20 is fed to an integrator 22, after which it is compared with the value of another reference voltage (reference voltage block 27) in the comparator 25. The value of the second reference voltage is selected from the linearity condition of the portion of the output curve 35 of the multipath interferometer for a given signal level. If the integrated value of the output signal of the multipath interferometer does not exceed the reference, then the signal passes through the electronic key 29 to the multi-channel recorder 31. If it exceeds, then the signal is delayed by the electronic key 25 and the single-beam interferometer begins to work.

Масштабирующее устройство 30 позволяет регистрировать выходные сигналы различных интерферометров в одном масштабе. The scaling device 30 allows you to register the output signals of various interferometers in one scale.

Таким образом, ВОП позволяет увеличить чувствительность прибора без уменьшения его рабочего диапазона. Thus, VOP allows you to increase the sensitivity of the device without reducing its operating range.

Источники информации:
1. G. B. Mills, S.L. Garrett, E.F. Carome. Fiber optic gradient Hydrophone "Proc. Soc. Photo-Opt. Instrum. Eng.", 1984, Fiber Opt. and Laser Sinsors II, Proc. Conf. Arlengton, Va, Tay 1-2, 1984, 98-103. (Р.Д. МИТ, 1985, N 10.32.420).Information sources:
1. GB Mills, SL Garrett, EF Carome. Fiber optic gradient Hydrophone "Proc. Soc. Photo-Opt. Instrum. Eng.", 1984, Fiber Opt. and Laser Sinsors II, Proc. Conf. Arlengton, Va, Tay 1-2, 1984, 98-103. (R.D. MIT, 1985, N 10.32.420).

2. Патент США N 4799752, кл. 350-9615 (C 02 B 6/26), 1989. 2. US patent N 4799752, CL. 350-9615 (C 02 B 6/26), 1989.

Claims

1. Fiber optic receiver of sound pressure gradient, containing a laser and a photodetector, optically matched through two fiber coils located at a known distance from each other with the formation of a single-beam Zehnder Mach interferometer, as well as a high-pass filter, amplifier and multi-channel recorder, and the output of the photodetector through a high-pass filter connected to the input of the amplifier connected to the output of a multi-channel recorder, characterized in that it further comprises a third fiber coil protected from sound pressure, a second laser, a second photodetector, a second high-pass filter and a second amplifier, as well as two phase-shifting devices, one of which is installed in the first or second fiber coils, and the other in the third fiber coil, while the lasers are made on different wavelengths, the fibers of the first and second coils are made of a material transmitting radiation from both lasers, and the fiber of the third coil from a material transmitting radiation from a second laser, the second laser and the second photodetector are optically They are connected with the first, second, and third fiber coils with the formation of a multi-beam double-ring interferometer, with an interference filter at the wavelength of the first laser installed in front of the first photodetector and an interference filter at the wavelength of the second laser in front of the second photodetector, with the second photodetector output through the second high-pass filter frequency is connected to the input of the second amplifier connected to the output of a multi-channel recorder.

2. The receiver according to claim 1, characterized in that the first and second fiber coils are made of quartz fiber, and the third is made of polymer fiber, while the first laser is made at a wavelength

and the second at wavelength

N