RU2106072C1 - Two-ring fiber-optical hydrophone - Google Patents
Two-ring fiber-optical hydrophone Download PDFInfo
- Publication number
- RU2106072C1 RU2106072C1 RU94024639A RU94024639A RU2106072C1 RU 2106072 C1 RU2106072 C1 RU 2106072C1 RU 94024639 A RU94024639 A RU 94024639A RU 94024639 A RU94024639 A RU 94024639A RU 2106072 C1 RU2106072 C1 RU 2106072C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- output
- hydrophone
- fiber
- amplifier
- acoustic screen
- Prior art date
Links
Images
Landscapes
- Measurement Of Mechanical Vibrations Or Ultrasonic Waves (AREA)
Abstract
Description
Изобретение относится к области гидроакустики и может быть использовано для измерения параметров шумоизлучения подводных и надводных источников звука в натурных водоемах и гидроакустических бассейнах. The invention relates to the field of hydroacoustics and can be used to measure noise parameters of underwater and surface sound sources in natural reservoirs and hydroacoustic pools.
В настоящее время на основе одномодовых кольцевых волоконно-оптических интерферометров реализованы схемы, которые могут быть использованы в волоконно-оптических датчиках, в частности в гидрофонах [1] Особый интерес в гидроакустике представляют двухкольцевые волоконно-оптические интерферометры, которые по сравнению с традиционно применяемыми интерферометрами Цендера-Маха [1] дают возможность увеличить чувствительность гидрофона за счет многократного прохождения излучения в сигнальном кольце. Currently, based on single-mode ring fiber-optic interferometers, schemes have been implemented that can be used in fiber-optic sensors, in particular in hydrophones [1]. Of particular interest in hydroacoustics are double-ring fiber-optic interferometers, which, in comparison with traditionally used Zender interferometers Mach [1] make it possible to increase the sensitivity of the hydrophone due to the multiple passage of radiation in the signal ring.
Хотя подобные многолучевые волоконно-оптические интерферометры также известны [2] (интерферометры Фабри-Перо), двухкольцевые многолучевые интерферометры позволяют регистрировать сигналы по двухлучевой схеме, наблюдая интерференцию волн, прошедших одинаковый оптический путь через первые и вторые кольца. И, кроме того, позволяют использовать источники излучения с малой длиной когерентности. Although such multi-beam fiber-optic interferometers are also known [2] (Fabry-Perot interferometers), double-ring multi-beam interferometers allow the detection of signals by a two-beam scheme, observing the interference of waves that have passed the same optical path through the first and second rings. And, in addition, they allow the use of radiation sources with a short coherence length.
В качестве прототипа принят двухкольцевой волоконно-оптический интерферометр (резонатор), который может быть использован в качестве гидрофона [3]
Прототип содержит источник когерентного света и фотоприемник, оптически согласованные через отрезок одномодового волоконного световода, а также сигнальную и опорную кольцевые волоконные катушки, которые оптически связаны через 3х3 линейный ответвитель с одномодовым световодом, и последовательно соединенные фильтр высоких частот, усилитель и регистратор.As a prototype adopted double-ring fiber-optic interferometer (resonator), which can be used as a hydrophone [3]
The prototype contains a coherent light source and a photodetector, optically matched through a segment of a single-mode fiber, as well as a signal and reference ring fiber coils that are optically coupled through a 3x3 line coupler with a single-mode fiber, and a high-pass filter, an amplifier, and a recorder connected in series.
Недостатком прототипа является узкий рабочий диапазон гидрофона, реализуемого на основе многолучевого интерферометра, который, как известно, не превышает λ /300, где l / длина волны источника когерентного излучения [4]
Прототип может измерять или высокие уровни звукового давления, если длины оптических волокон в волоконных катушках небольшие, или низкие, если длины волокон в них значительные.The disadvantage of the prototype is the narrow operating range of the hydrophone, implemented on the basis of a multipath interferometer, which, as you know, does not exceed λ / 300, where l / wavelength of the source of coherent radiation [4]
A prototype can measure either high levels of sound pressure if the lengths of the optical fibers in the fiber coils are small, or low if the lengths of the fibers in them are significant.
Техническим эффектом, получаемым от реализации изобретения, является создание гидрофона переменной чувствительности за счет возможности изменения длины волокна в сигнальной волоконной катушке, взаимодействующего с регистрируемой акустической волной. The technical effect obtained from the implementation of the invention is the creation of a hydrophone of variable sensitivity due to the possibility of changing the length of the fiber in the signal fiber coil, interacting with the recorded acoustic wave.
Данный технический результат достигается за счет того, что известный двухкольцевой волоконно-оптический гидрофон (ДВОГ), содержащий источник когерентного света и фотоприемник, оптически согласованные через отрезок одномодового волоконного световода, а также сигнальную и опорную кольцевые волоконные катушки, которые оптически связаны через 3х3 линейный ответвитель с одномодовым световодом и последовательно соединенные фильтр высоких частот, усилитель и регистратор, подключенные к выходу фотоприемника, дополнительно содержит акустический экран, выполненный с возможностью смещения относительно сигнальной волоконной катушки, датчик положения экрана, блок автоматической регулировки чувствительности, блок формирования управляющего напряжения, усилитель мощности, исполнительный механизм и масштабирующий усилитель, при этом вход блока автоматической регулировки чувствительности подключен к выходу усилителя, а выход к входу блока формирования управляющего напряжения, выход которого через усилитель мощности соединен с исполнительным механизмом, связанным с акустическим экраном, причем выход усилителя соединен с регистратором через масштабирующий усилитель, управляющий вход которого подключен к выходу датчика положения экрана. This technical result is achieved due to the fact that the known double-ring fiber-optic hydrophone (DVOG), containing a coherent light source and a photodetector, optically matched through a segment of a single-mode fiber, as well as signal and reference ring fiber coils, which are optically coupled through a 3x3 linear coupler with a single-mode fiber and a series-connected high-pass filter, an amplifier and a recorder connected to the output of the photodetector, further comprises an acoustic A screen configured to bias relative to the signal fiber coil, a screen position sensor, an automatic sensitivity adjustment unit, a control voltage generation unit, a power amplifier, an actuator and a scaling amplifier, while the input of the automatic sensitivity adjustment unit is connected to the amplifier output and the output to the input of the control voltage generating unit, the output of which through the power amplifier is connected to the actuator associated with the acoustic screen, and the output of the amplifier is connected to the recorder through a scaling amplifier, the control input of which is connected to the output of the screen position sensor.
Блок автоматической регулировки чувствительности может быть выполнен в виде интегратора, двух компараторов и двух блоков опорных напряжений, при этом вход интегратора соединен с выходом усилителя, а выход подключен параллельно к первым входам компараторов, вторые входы которых соединены с различными источниками опорных напряжений, а выходы с входами блока формирования управляющего напряжения. The automatic sensitivity adjustment unit can be made in the form of an integrator, two comparators and two blocks of reference voltages, with the integrator input connected to the amplifier output and the output connected in parallel to the first inputs of the comparators, the second inputs of which are connected to different voltage sources, and the outputs are the inputs of the control voltage generating unit.
ДВОГ может также содержать два фазосдвигающих устройства, преимущественно установленных в опорной волоконной катушке, электронный ключ и блок автоматической настройки начальной разности фаз, выполненный в виде генератора гармонических колебаний, генератора пилообразных импульсов и экстрематора, при этом генератор гармонических колебаний подсоединен к первому фазосдвигающему устройству, а генератор пилообразных импульсов подключен выходом ко второму фазосдвигающему устройству, а своим управляющим входом к выходу экстрематора, соединенного входом с выходом усилителя, причем управляющий вход электронного ключа соединен с выходом датчика положения, а выход с питающими цепями блока автоматической регулировки чувствительности и блока автоматической настройки начальной разности фаз. The ARG may also contain two phase-shifting devices, mainly installed in the reference fiber coil, an electronic key and an automatic phase difference initialization unit made in the form of a harmonic oscillation generator, a sawtooth pulse generator and an extremator, while the harmonic oscillation generator is connected to the first phase-shifting device, and the sawtooth pulse generator is connected by the output to the second phase-shifting device, and by its control input to the output of the extremator, soy dyno input with the output of the amplifier, and the control input of the electronic key is connected to the output of the position sensor, and the output with the supply circuits of the block automatically adjust the sensitivity and block automatically adjusts the initial phase difference.
Сигнальная волоконная катушка и подвижный акустический экран могут быть выполнены в виде концентрических цилиндрических поверхностей, причем акустический экран может быть выполнен в виде внешней цилиндрической поверхности с возможностью смещения вдоль оси. The signal fiber coil and the movable acoustic screen can be made in the form of concentric cylindrical surfaces, and the acoustic screen can be made in the form of an external cylindrical surface with the possibility of displacement along the axis.
ДВОГ может дополнительно содержать неподвижный акустический экран, за которым располагают опорную волоконную катушку. ARCA may further comprise a fixed acoustic screen, behind which a support fiber coil is arranged.
При этом неподвижный акустический экран может быть выполнен в виде цилиндрической поверхности, соосной цилиндрической поверхности подвижного акустического экрана. In this case, the stationary acoustic screen can be made in the form of a cylindrical surface, coaxial to the cylindrical surface of the movable acoustic screen.
Исполнительный механизм гидрофона целесообразно выполнить в виде шагового двигателя. The hydrophone actuator is expediently implemented as a stepper motor.
На фиг. 1 представлена оптическая схема гидрофона; на фиг.2 - конструктивная схема ДВОГ; на фиг. 3 электронная схема прибора; на фиг. 4,5 временные диаграммы, поясняющие принцип работы гидрофона. In FIG. 1 is an optical diagram of a hydrophone; figure 2 is a structural diagram of the DVOG; in FIG. 3 electronic circuit of the device; in FIG. 4,5 time diagrams explaining the principle of operation of the hydrophone.
Двухкольцевой волоконно-оптический гидрофон содержит (фиг.1) источник 1 когерентного света и фотоприемник 2, оптически согласованные через отрезок одномодового волоконного световода 3. Имеются также сигнальная и опорная кольцевые волоконные катушки 4, 5, которые оптически связаны через 3х3 линейный ответвитель 6 с одномодовым световодом 3. The double-ring fiber-optic hydrophone contains (Fig. 1) a
Элементы 1-6 оптически согласованы в двухкольцевой волоконно-оптический интерферометр. Причем в одном варианте сигнальная волоконная катушка 5 располагается за бортом 7 носителя (не показано), а остальные элементы интерферометра располагаются внутри носителя (фиг. 1). Elements 1-6 are optically matched to a double-ring fiber optic interferometer. Moreover, in one embodiment, the
Оптическая схема ДВОГ также включает в себя два фазосдвигающих устройства 8, 9, установленных, например, в опорной волоконной катушке 4. Сигнальная волоконная катушка 5 намотана вдоль цилиндрической поверхности и частично перекрывается подвижным акустическим экраном 10, положение которого относительно сигнальной катушки 5 контролируется датчиком 11 положения (фиг. 2). Опорная волоконная катушка 4 во втором варианте исполнения может располагаться как и сигнальная катушка 5 в исследуемой среде, но при этом полностью перекрывается неподвижным акустическим экраном 12, (например, цилиндрической формы) от воздействия звуковых сигналов (на фиг. 2 опорная волоконная катушка не показана). The optical system of the ADR also includes two phase-shifting devices 8, 9 installed, for example, in the reference fiber coil 4. The
Подвижный и неподвижный экраны могут быть выполнены соосными. При этом неподвижный акустический экран 10 соединен с валом управляемого исполнительного механизма 13 (фиг. 3), выполненного, например, в виде шагового двигателя. Movable and fixed screens can be made coaxial. In this case, the stationary
Электронная схема ДВОГ (фиг. 3) включает в себя фильтр 14 высоких частот, усилитель 15, блок 16 автоматической регулировки чувствительности гидрофона, масштабирующий усилитель 17 и регистратор 18, а также блок 19 формирования управляющего напряжения и усилитель 20 мощности. Схема также содержит блок 21 автоматической настройки начальной разности фаз и электронный ключ 22. При этом блок 16 автоматической регулировки чувствительности выполнен в виде интегратора 23, компараторов 24, 25 и блоков 26, 27 опорных напряжений. Блок 21 автоматической настройки начальной разности фаз выполнен в виде генератора 28 гармонических колебаний, генератора 29 пилообразных импульсов и экстрематора 30. The DVOG electronic circuit (Fig. 3) includes a high-
Схема электрических соединений всех блоков представлена на фиг.3. The electrical connection diagram of all blocks is presented in figure 3.
Оптические элементы и электронные блоки особенностей не имеют. Оптический элемент 6 как в иностранной литературе [3] так и в отечественной [1] литературе вошел под названием "3х3 линейный ответвитель", в связи с чем заявитель вынужден его использовать в формуле изобретения и описании. Optical elements and electronic components have no features. Optical element 6, both in foreign literature [3] and in domestic [1] literature, entered under the name "3x3 linear coupler", and therefore the applicant is forced to use it in the claims and description.
Блоки 13, 19, 20, 24-27, 30 представлены в литературе по автоматическому регулированию. Blocks 13, 19, 20, 24-27, 30 are presented in the literature on automatic regulation.
Двухкольцевой волоконно-оптический гидрофон работает следующим образом. Double-ring fiber optic hydrophone operates as follows.
Перед началом работы, а также в перерывах между измерениями проводят настройку многолучевого интерферометра непосредственно в рабочей среде. Для этого с помощью ручной регулировки положения подвижного акустического экрана 10 сдвигают последний до предела влево, полностью перекрывая сигнальную катушку 5 от воздействия акустических волн. При таком положении подвижного акустического экрана с датчика 11 положения на электронный ключ 22 поступает командный сигнал, отключающий блок 16 автоматической регулировки чувствительности и включающий блок 21 автоматической настройки начальной разности фаз. Before starting work, as well as in between measurements, a multibeam interferometer is tuned directly in the working environment. To do this, by manually adjusting the position of the movable
Выходная кривая многолучевого интерферометра представлена на фиг. 4 под позицией 31. Она представляет собой предельно обостренные интерференционные полосы, следующие через расстояние, равное l /2. Как уже отмечалось, рабочий диапазон гидрофона не превышат величины l /300. При этом рабочая точка A на выходной кривой 31 должна располагаться на склоне интерференционной полосы посередине линейного участка. Для этого с генератора 28 гармонических колебаний на фазосдвигающее устройство 8 подается синусоидальный сигнал. Обозначим его на фиг. 4 под позицией 32. Данный сигнал вызывает появление пульсаций фототока на выходе фотоприемника 2, которые, проходя через фильтр 14 высоких частот, усиливаются усилителем 15 и поступают на экстрематор 30. Одновременно генератор 29 пилообразных импульсов достаточно длительного периода заставляет второе фазосдвигающее устройство 9 последовательно смещать рабочую точку A вдоль выходной кривой 31 интерферометра. Когда точка A окажется посередине склона интерференционной полосы, гармонический выходной сигнал (позиция 33) будет максимальным. В этот момент экстрематор 30 подает на управляющий вход генератора 29 командный сигнал на его включение. The output curve of the multipath interferometer is shown in FIG. 4 under
С помощью ручной регулировки открывают сигнальную волоконную катушку 5 и подвергают ее воздействию акустических волн (направление, перпендикулярное оси OO'). При этом электронный ключ 22 отключает блок 21 автоматической настройки начальной разности фаз и включает блок 16 автоматической регулировки чувствительности. Пусть теперь условно над позицией 32 (фиг. 3) обозначен входной сигнал ДВОГ. Временное изменение акустического входного сигнала может быть самым различным. На выходе фотоприемника 2 появляется сигнал 34 фототока (фиг. 5), отображающий акустическое входное воздействие. Сигнал 34 присутствует на фоне постоянной составляющей, которая отфильтровывается фильтром 14 высоких частот. После усиления в усилителе 15 сигнал поступает на масштабирующий усилитель 17, коэффициент усиления которого задается выходным сигналом датчика 11 положения акустического экрана 10. Это позволяет регистратору 18 отображать входное акустическое воздействие в одном масштабе, независимо от чувствительности ДВОГ, т.е. независимо от положения подвижного экрана 10. Одновременно сигнал 34 с усилителя 15 направляется также на интегратор 23, в котором сигнал сглаживается до уровня 35 и затем направляется на первые входы компараторов 24 и 25. На вторые входы компараторов 24 и 25 поступают опорные сигналы 36 и 37 соответственно с блоков 26 и 27 опорных напряжений. Величины опорных сигналов выбираются исходя из величины линейного участка на выходной кривой 31 в окрестности точки A (фиг. 4). Using manual adjustment, the
Если сигнал 35 будет лежать в диапазоне iоп2 iоп1 опорных напряжений, то на выходе компараторов 24, 25 будут присутствовать разнополярные сигналы, которые не вызывают появление в блоке 19 формирования управляющего напряжения командного сигнала на исполнительный механизм 13, и акустический экран 10 остается в прежнем положении. Но если сигнал 35 будет меньше или больше соответственно сигналов iоп1, iоп2, то на выходах компараторов 24 и 25 будут присутствовать однополярные сигналы и блок 19 формирует сигнал 38 положительного напряжения, если оба сигнала - "плюсовые" и отрицательного (39), если сигналы "минусовые". При этом исполнительный механизм 13 будет сдвигать акустический экран в зависимости от полярности сигнала вправо или влево, изменяя чувствительность прибора в соответствии с величиной входного сигнала.If the
Датчик 11 положения экрана 10 все время отслеживает величину чувствительности ДВОГ, соответствующим образом изменяя коэффициент усиления масштабирующего усилителя 17. The
Усилитель 20 мощности усиливает управляющее напряжение до величины, необходимой для работы исполнительного механизма 13. При выполнении исполнительного механизма 13 в виде шагового двигателя чувствительность прибора меняется дискретно. При расположении опорной волоконной катушки в неподвижном экране 12 (фиг. 2) гидрофизические факторы исследуемой среды (температура, гидростатическое давление) не оказывают влияние на работу ДВОГ. То есть второй вариант исполнения гидрофона является предпочтительным для работы в натурном водоеме. The power amplifier 20 amplifies the control voltage to the value necessary for the operation of the actuator 13. When executing the actuator 13 in the form of a stepper motor, the sensitivity of the device changes discretely. With the location of the support fiber coil in a fixed screen 12 (Fig. 2), the hydrophysical factors of the test medium (temperature, hydrostatic pressure) do not affect the operation of the ADOG. That is, the second embodiment of the hydrophone is preferred for operation in a natural reservoir.
Таким образом, предложенный гидрофон позволяет автоматически изменять свою чувствительность в зависимости от величины входного воздействия. Thus, the proposed hydrophone allows you to automatically change its sensitivity depending on the magnitude of the input exposure.
Источники информации, принятые во внимание при составлении описания заявки
1. А. Г. Булушев, А.В.Кузнецов, О. Г. Охотников, В.А.Царев. Волоконно- оптические интерферометры. Труды института общей физики, 1990, т. 23, 159- 172.Sources of information taken into account when compiling a description of the application
1. A. G. Bulushev, A. V. Kuznetsov, O. G. Okhotnikov, V. A. Tsarev. Fiber optic interferometers. Proceedings of the Institute of General Physics, 1990, v. 23, 159-172.
2. F.Farahi, l.D.C.Jones, D.A.Jackson. High speed thermometry utilising multiplexed fibre Fabry-Perot interferometers. SPIE Vol. 838. Fiber Optic and Laser Sensors V, 1987, 216-222. 2. F. Farahi, l. D. C. Jones, D. A. Jackson. High speed thermometry utilizing multiplexed fiber Fabry-Perot interferometers. SPIE Vol. 838. Fiber Optic and Laser Sensors V, 1987, 216-222.
3. G.Abd-el-Hamid, P. A. Devies. Fibre-optic double ring resonator. Electronics Letters, 1989, 25, N 3, 224-225 прототип. 3. G. Abd-el-Hamid, P. A. Devies. Fiber-optic double ring resonator. Electronics Letters, 1989, 25, N 3, 224-225 prototype.
4. Ю. Н. Власов, В.К.Маслов, С.В.Сильвестров. Принципы построения измерителей параметров гидроакустических и гидрофизических полей, основанные на оптических методах преобразования. Промежуточный научно- технический отчет по НИР "Метрология-7", 3 этап, Менделеево, 1993. 4. Yu. N. Vlasov, V.K. Maslov, S.V. Silvestrov. The principles of constructing hydroacoustic and hydrophysical field parameter meters based on optical conversion methods. Intermediate scientific and technical report on research "Metrology-7", stage 3, Mendeleevo, 1993.
Claims (6)
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU94024639A RU2106072C1 (en) | 1994-06-30 | 1994-06-30 | Two-ring fiber-optical hydrophone |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU94024639A RU2106072C1 (en) | 1994-06-30 | 1994-06-30 | Two-ring fiber-optical hydrophone |
Publications (2)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
RU94024639A RU94024639A (en) | 1996-05-27 |
RU2106072C1 true RU2106072C1 (en) | 1998-02-27 |
Family
ID=20157931
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
RU94024639A RU2106072C1 (en) | 1994-06-30 | 1994-06-30 | Two-ring fiber-optical hydrophone |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
RU (1) | RU2106072C1 (en) |
-
1994
- 1994-06-30 RU RU94024639A patent/RU2106072C1/en active
Non-Patent Citations (1)
Title |
---|
Булушев А.Г. и др. Волоконно оптические интерферометры. Труды института общей физики. 1990, т. 23, с. 159 -172. F. Farchi, J.D.C.Jones, DA jachson High Speeal intermometry untilising multiplexed fibre Fabry Perot inter ferometers. SPIE vol 838. Fiber Opticand zaser Lensors v 1987 р.26 - 222. G.Ald-elo Hamid. P.A.Devies Fribreoptic doulbe ring resonator Electronics Letter. 1989, 25, N 3,с. 224 - 225. * |
Also Published As
Publication number | Publication date |
---|---|
RU94024639A (en) | 1996-05-27 |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
GB2146123A (en) | Apparatus for monitoring displacement | |
KR960043372A (en) | Second harmonic generation method and apparatus | |
Peng et al. | Optical fiber hydrophone systems | |
RU2106072C1 (en) | Two-ring fiber-optical hydrophone | |
Takeyama et al. | Underwater acoustic sensing by using cascaded-chirped long period fiber gratings | |
Fu et al. | Dual-channel fiber ultrasonic sensor system based on fiber Bragg grating in an erbium-doped fiber ring laser | |
Tanaka et al. | Fiber Bragg grating hydrophone array using multi-wavelength laser | |
Pua et al. | Direct airborne acoustic wave modulation of Fabry–Perot fiber laser (FPFL) over 100 kHz of operating bandwidth | |
RU2105961C1 (en) | Fiber-optical hydrophone with compensation of hydrophysical interference | |
RU2193166C2 (en) | Method of setting fixed amplitudes of vibrations | |
Tanaka et al. | Fiber bragg grating hydrophone array using multi-wavelength laser: simultaneous multipoint underwater acoustic detection | |
KR100362378B1 (en) | Apparatus and method for measuring chromatic dispersion based on interferometer | |
RU2091761C1 (en) | Fibre-optical interferometer | |
Soriano-Amat et al. | Sub-centimeter spatial resolution dynamic strain sensing using time-expanded 𝝓OTDR | |
SU1542202A1 (en) | Fabry-perot optical filter | |
SU1638580A1 (en) | Acoustic pressure gauge | |
RU2290615C1 (en) | Fiber-optic device for control of fluid temperature | |
Takahashi et al. | Thermally stabilized fiber-Bragg-grating vibration sensor using servo motor control | |
RU2105985C1 (en) | Undercurrent velocity meter | |
RU2100913C1 (en) | Fiber-optical vibration transducer | |
RU2157962C2 (en) | Method for supplementary phase modulation of ring interferometer of fiber-optical gyro | |
JPS6391525A (en) | Optical fiber hydrophone | |
RU2112229C1 (en) | Fibre-optical hydrophone | |
RU2047279C1 (en) | Fiber-optical transducer of hydrophysic parameters of sea water | |
SU629444A1 (en) | Arrangement for measuring displacement of monitored surface |