RU2234105C2 - Акустическая волоконно-оптическая антенна - Google Patents
Акустическая волоконно-оптическая антенна Download PDFInfo
- Publication number
- RU2234105C2 RU2234105C2 RU2002122461/09A RU2002122461A RU2234105C2 RU 2234105 C2 RU2234105 C2 RU 2234105C2 RU 2002122461/09 A RU2002122461/09 A RU 2002122461/09A RU 2002122461 A RU2002122461 A RU 2002122461A RU 2234105 C2 RU2234105 C2 RU 2234105C2
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- channel
- fiber
- acoustic
- microbends
- antenna
- Prior art date
Links
Landscapes
- Geophysics And Detection Of Objects (AREA)
- Measurement Of Mechanical Vibrations Or Ultrasonic Waves (AREA)
Abstract
Изобретение относится к системам дистанционного измерения статического и акустического давления, приема и пеленгации шумовых и эхолокационных сигналов звуковых, низких звуковых и инфразвуковых частот в гидроакустических системах и сейсмической разведке, в системах охраны объектов на суше и в водной среде. Техническим результатом является использование дополнительного второго канала измерения с функцией уменьшения оптических потерь с ростом интенсивности акустического сигнала, а также обеспечение суммирования выходных сигналов двух каналов измерения. Акустическая волоконно-оптическая антенна (АВОА) для френелевской зоны дифракции, размещенная в газообразной или жидкой среде, содержащая оптический канал, состоящий из входных и выходных многомодовых ВС и соединенных с ними аналогичными световодами распределенными вдоль них ВОД микроизгибного типа, причем используется второй дополнительный оптический канал, в первом канале размещены ВОД без микроизгибов, а во втором канале - ВОД с предварительно созданными в них микроизгибами, входные ВС первых датчиков каждого канала подключены к направленному ответвителю, а выходные ВС последних ВОД каждого канала подключены к отдельным фотоприемникам, выходы которых соединены с входами дифференциального усилителя. 2 з.п.ф-лы, 1 ил.
Description
Изобретение относится к волоконно-оптическим сенсорным системам и может использоваться в системах дистанционного измерения статического и акустического давления, приема и пеленгации шумовых и эхолокационных сигналов звуковых и инфразвуковых частот в гидроакустических системах и сейсморазведке, в системах охраны объектов на суше и в водной среде, например нефте - и газопроводов.
Известны гидроакустические системы с гибкими протяженными антеннами с равномерно установленными по длине антенны пьезокерамическими или волоконно-оптическими гидрофонами или группами гидрофонов для пеленгации шумящих объектов, например подводных лодок (А.А. Гуревич и др. Гидроакустические системы с гибкими протяженными буксируемыми антеннами. - Судостроение за рубежом. № 10, 1984 г., стр.34-55).
Известен волоконно-оптический датчик микроизгибного типа, в котором многомодовый волоконный световод располагается между парой гребенчатых пластинок, и при приложении акустического давления в волоконном световоде (ВС) образуются микроизгибы с периодом гребней пластинок (Appl. Opt., 1980, v.19, N 19, рр.3265-3267). Из-за изгибов возникают потери интенсивности света в ВС, а величина модуляции интенсивности света ставится в соответствие с приложенным давлением.
Наиболее близким техническим решением и принятым за прототип к предлагаемому устройству является волоконно-оптический датчик, в котором на цилиндрический сердечник с продольными гребнями навит многомодовый ВС, причем между гребнями расстояние может быть как равным, так и изменяющимся вдоль длины датчика (US Patent N 4524436, 18.06.1985).
Недостатками прототипа, а также аналогов являются необоснованная для френелевской зоны дифракции сложность обработки информационных сигналов методами корреляционного анализа с целью обнаружения местоположения источника акустических сигналов, а также малая величина динамического диапазона волоконно-оптических датчиков акустической антенны.
Задачей, на решение которой направлено данное изобретение, является упрощение системы обработки принимаемых информационных сигналов для френелевской зоны дифракции при пеленгации источников акустических сигналов, расширение динамического диапазона и увеличение чувствительности акустической антенны.
Данная задача решается за счет достижения технического результата, заключающегося в использовании дополнительного второго канала измерения с функцией уменьшения оптических потерь с ростом интенсивности акустического сигнала, а также в обеспечении суммирования выходных сигналов двух каналов измерения.
Сущность предлагаемого изобретения заключается в том, что указанный технический результат достигается благодаря тому, что для френелевской зоны дифракции в акустической волоконно-оптической антенне (АВОА), размещаемой в газообразной или жидкой среде, расстояние между равноудаленными волоконно-оптическими датчиками (ВОД) выбирается равным половине длины волны акустического сигнала на низшей частоте рабочего диапазона с одновременным условием целочисленной кратности длине затухания звука в данной среде, а акустический датчик представляет собою парный ВОД с предварительно созданными в одном из них микроизгибами обращением кинематической схемы известных ВОД микроизгибного типа, соответствующих максимуму динамического диапазона другого. Входные ВС каждого датчика пары подключены к направленному ответвителю, их выходные ВС подключены к отдельным фотоприемникам, выходы которых соединены с входами дифференциального усилителя, причем в обоих каналах антенны дополнительно могут быть установлены один или несколько волоконно-оптических усилителей в соответствии с рабочей длиной волны и требуемыми коэффициентами усиления.
На чертеже изображена принципиальная схема предлагаемого устройства. Оно состоит из направленного ответвителя 1, предназначенного для разделения входного излучения на два оптических канала. В каждом из каналов расположены на равном расстоянии друг от друга оптически соединенные ВОД давления микроизгибного типа. Число датчиков в обоих каналах одинаково. Причем в первом канале размещены ВОД 2 без микроизгибов, а во втором канале - ВОД 3 с предварительно созданными в них микроизгибами. Тем самым акустические датчики 2 и 3 представляют собой фактически парный датчик давления, и стрела прогиба ВС в микроизгибе во втором канале при отсутствии акустического давления равна стреле прогиба ВС в микроизгибе первого канала при наличии акустического давления величиной, соответствующей максимальному значению на краю динамического диапазона. Выходы последних ВОД каждого канала оптически сопряжены с оптическими входами фотоприемников 4 и 5. Подключение направленного ответвителя 1, ВОД 2 и 3 к оптическому кабелю и фотоприемникам 4 и 5 осуществлено посредством, например, оптических разъемов или сварочных стыков. Электрические выходы фотоприемников соединены с входами дифференциального усилителя 6.
Устройство работает следующим образом. Световой сигнал интенсивностью J0 поступает в направленный ответвитель 1, после которого интенсивностью Jвx=0,5J0 без учета потерь в ответвителе 1 и отрезках ВС поступает через входные отрезки ВС в оба канала АВОА, соответственно. Далее, пройдя М штук парных акустических ВОД 2 и 3, через выходные отрезки ВС 7 и 8 интенсивностями J1 и J2 поступают на два фотоприемника 4 и 5 соответственно. С фотоприемников электрические сигналы I1 и I2 поступают на вход дифференциального усилителя 6, разностный выходной сигнал которого величиной Δ I=I2-I1 пропорционален величине акустического сигнала, причем величина Δ Jм с каждого датчика нормируется из-за потерь в ВС на величину β =α (Lвод+L) дБ, где Lвод - длина ВС, намотанного на датчик, L - расстояние между датчиками, а α - коэффициент общих потерь в ВС, т.е. Δ I =Δ Jм β (M-1), где Δ I и Δ Jм - нормированный разностный электрический сигнал и фактический сигнал с М-го парного датчика соответственно. При отсутствии акустического сигнала Δ I=0.
Будем считать также, что спектральная плотность акустического сигнала в диапазоне рабочих частот антенны f=50-1500 Гц, ρ f=const. Длительность зондирующих световых импульсов Δ τ со средней мощностью выбираем из условия Δ τ ≤ Lnc/c=1/2VAKnс/fHc, где VAK - скорость акустического сигнала в данной среде, fH - низшая частота рабочего диапазона антенны, nc - показатель преломления сердцевины ВС, с - скорость света в вакууме. Тогда пространственная протяженность зондирующего светового импульса в АВОА будет равна Δ LΔ τ =Δ τ с/nс и будет выполнено необходимое условие Δ LΔ τ ≤ L. Таким образом, выбор Δ τ лимитирует расстояние между датчиками и наоборот. При этом зондирующий импульс опрашивает только один парный датчик.
Местоположение центра источника акустического сигнала определяется точкой пересечения перпендикуляра к середине отрезка линии антенны, датчики которой фиксируют Δ Iмах, с окружностью радиусом, равным расстоянию затухания da акустического сигнала в е раз с центром на датчике, отклик которого I =(1/e)I . Для этого начало временной развертки последующего такта прохождения зондирующего импульса при фиксации Δ I запускается синхроимпульсом, который отводится с I1 и/или I2 предыдущего такта, причем длительность развертки τ должна быть равной времени прохождения зондирующего импульса всей длины антенны Lвс, т.е. τ =Lвсnc/с.
Вследствие того, что расстояние затухания da акустического сигнала зависит от температуры среды, воздуха и от влажности, необходимо периодически определять его с помощью данной антенны, располагая тестирующий источник акустического сигнала вблизи первого парного ВОД.
Известно, что градиентный ВС наиболее пригоден для создания микроизгибных ВОД (см. Волоконная оптика и приборостроение. - Под общ. ред. М.М. Бутусова, Л.: Машиностроение, 1987 г., стр.101-110). Поэтому для данной антенны выбираем микроизгибные ВОД давления на основе градиентного ВС, имеющего ориентировочно следующие параметры: диаметр сердцевины dс=2а=50 мкм, диаметр оптической оболочки d0=125 мкм, диаметр защитной оболочки, включая влаго-водонепроницаемый и демпфирующий слои d3=0,4 мм.
Известно также, что основным недостатком ВОД давления микроизгибного типа является малая величина динамического диапазона, равная 34 дБ. Предлагаемая нами двухканальная схема АВОА со встречным включением и регистрацией сигнала с помощью дифференциального усилителя лишена этого недостатка, т.к. в два раза увеличивается не только динамический диапазон, но и чувствительность устройства. В отсутствие акустического сигнала оба канала антенны сбалансированы, т.е. Δ I=0. При наличии акустического сигнала потери света на возникающих микроизгибах ВС в ВОД первого канала вызывают уменьшение интенсивности света J1 и, соответственно, тока I1, в то время как в ВОД второго канала, из-за распрямления предварительно созданных микроизгибов, потери света уменьшаются и, соответственно, возрастает интенсивность света J2 и ток I2, так что одинаковые по величине и противоположные по знаку изменения интенсивности света в обоих каналах вызывают удвоение выходного сигнала Δ I.
Предварительное создание микроизгибов ВС и ВОД второго канала осуществляется обращением кинематических схем известных ВОД микроизгибного типа или иным способом так, чтобы динамические диапазоны ВОД обоих каналов были равны по абсолютной величине |D1|=|D2|≤ 34 дБ и противоположны по знаку. Таким образом, динамический диапазон предлагаемой антенны в целом будет равен DA≤68 дБ, т.е. такая система превосходит по этому параметру и по чувствительности все известные акустические ВОД с модуляцией интенсивности и становится сравнима с пьезоэлектрическими датчиками.
Пример 1
Отсутствие адекватного теоретического расчета микроизгибного ВОД заставляет при разработке конкретного устройства опираться на немногочисленные эмпирические данные при выборе основных параметров, таких как тип ВС - градиентный ВС с вышеприведенными геометрическими параметрами. Дополнительно выбираем период микроизгибов Λ =1,1 мм; число микроизгибов на одном витке намотки ВС на цилиндрический сердечник-катушку 50 мкизг/виток; длину намотки ВС по образующей цилиндра lц=50 мм; зазор между витками ВС - δ =0,1 мм. Тогда относительная разница показателей преломления в ВС - Δ n=2π2a2/Λ2≈ 0,01, что соответствует слабонаправляющему ВС, длина витка - lв=mΛ =55 мм. Диаметр сердечника-катушки dCK=lв/π ≈ 17,5 мм, число микроизгибов ВОД mΣ =mlц/(d3+δ )=5000 мкизг, длина ВС намотанного на ВОД - Lвод=2lв lц=5,5 м.
а). Рассмотрим АВОА, которая размещена в воздушной среде. Расстояние между ВОД L=0,5VАК/fн≈ 3,3 м равно половине величины спектральной области дисперсии антенны в первом порядке дифракции и определяет (характеризует) минимальную разрешаемую способность ее. Выберем рабочую длину волны АВОА λ =0,85 мкм и коэффициент потерь ВС α 0,85=3 дБ/км, среднюю мощность входного лазерного сигнала Рвх=10-3 Вт. Тогда при отношении сигнал/шум, равном 10, средняя выходная мощность =10-8 Вт и суммарный динамический диапазон антенны DΣ =10lg =50 дБ. Выделяя 10 дБ на потери в разъемах и/или стыках, получаем, что динамический диапазон антенны Da=DΣ -10=40 дБ, который разбиваем на два слагаемых Dтрассы=21 дБ и Dмкизг=19 дБ. Тогда полная длина ВС антенны LBC=DTP/α =7 км, что хорошо согласуется с длиной между ретрансляторами в ВОЛС. Количество ВОД антенны определяется из уравнения МLВОД+L(М-1)=LBC, и для данного случая M0,85≈ 796 датчиков. Длина антенны равна LA=L(M-1) и для данного случая соответствует 2623 м. Длина ВС, намотанного на все M датчиков одного канала, равна L1=MLВОД, и для данного случая L1≈ 4378 м. Длительность такта τ для nс=1,5 равна 35 мксек. При выбранной длительности зондирующего импульса Δ τ =10-8 сек определяем пространственную протяженность зондирующего светового импульса Δ LΔ τ =2,0 м, что меньше расстояния между ВОД L=3,3 м.
При этом мощность в зондирующем импульсе будет равна Рвх=τ /Δ τ и для данного случая составляет 3,5 Вт. При потерях на сварочном стыке порядка 0,05 дБ возможна сборка антенны из секций по четыре парных ВОД, а при потерях в разъемах порядка 0,5 дБ из - секций по 40 парных ВОД.
В вышеприведенном примере длина АВОА оптимизирована, в то время как динамический диапазон ВОД меньше оптимального – 34 дБ на 15 дБ.
б). Рассмотрим случай, в котором оптимизируем основной параметр ВОД -динамический диапазон, т.е. выбираем Dмкизг=34 дБ. Тогда получаем DTP=6 дБ. Аналогичным расчетом для той же длины волны получаем, что LBC=2 км, M0,85=228, LA=750 м, L =1250 м, τ =10 мкс, Рвх=1,0 Вт.
Для того чтобы АВОА была оптимизирована как по длине, так и по динамическому диапазону, необходимо в схему АВОА включить волоконно-оптический усилитель с общим коэффициентом усиления G0,85≤ 15 дБ, который может быть реализован на активном волокне с примесью Nd3+ в сердцевине (см. X. Гаприндашвили, Ш. Гватуа и др. Исследование свойства активного стекловолокна в режиме усиления. ЖПС, 1972 г., т.17, №24, стр.715-718).
Пример 2
а). При λ =1,3 мкм и α =1 дБ/км и тех же исходных данных из примера 1 следует увеличить величину суммарных потерь на разъемах и/или стыках до 15 дБ из-за увеличения длины ВС антенны и количества ВОД. Тогда получаем, что DA=35 дБ, а выбирая DTP=19 дБ и Dмкизг=16 дБ, определяем: LBC=19 км, M=2160, LA=7120 м, Lвод=11880 м, τ =95 мкс, Рвх=9,5 Вт. При тех же значениях потерь на сварочном стыке или разъеме возможна сборка антенны из секций по 7 и 72 ВОД соответственно. Для оптимального варианта данного случая необходимо включить в схему АВОА волоконно-оптический усилитель на активном волокне с примесью Nd3+ в сердцевине и общим коэффициентом усиления G1,3≤ 18 дБ.
б). При λ =1,55 мкм и α =0,2 дБ/км и тех же исходных данных следует увеличить величину суммарных потерь на разъемах и/или на стыках до 20дБ из-за увеличения длины ВС антенны и количества парных ВОД. Тогда получаем, что DA=30 дБ, а выбирая DTP=16 дБ и Dмкизг=14 дБ, определяем LBC=80 км, M=9091, LA=30 км, Lвод=50 км, τ =400 мкс, Рвх=40 Вт.
При тех же значениях потерь на сварочном стыке или разъеме возможна сборка антенны из секций 23 и 230 ВОД соответственно. Следует отметить, что количество ВОД в отдельной секции можно оптимизировать, применяя как сварочные стыки, так и разъемы в обратно пропорциональном соотношении. Для оптимального варианта в данном случае необходимо включить в схему АВОА волоконно-оптический усилитель на активном волокне с примесью Еr3+ в сердцевине и общим коэффициентом усиления G1,55≤ 20 дБ. При разработке конкретной АВОА возможны корректировка и оптимизация отдельных параметров компонент и антенны в целом при условии ввода и обработки всех данных в ЭВМ по специальной программе с возможностями моделирования экстремальных ситуаций.
Claims (3)
1. Акустическая волоконно-оптическая антенна (АВОА) для френелевской зоны дифракции, размещенная в газообразной или жидкой среде, содержащая оптический канал, состоящий из входных и выходных многомодовых волоконных световодов (ВС) и соединенных с ними аналогичными световодами, распределенными вдоль них волоконно-оптических датчиков (ВОД) микроизгибного типа, отличающаяся тем, что расстояния между равноудаленными ВОД выбраны равными половине длины волны акустического сигнала на низшей частоте рабочего диапазона с одновременным удовлетворением условию целочисленной кратности длине затухания звука в данной среде, используется второй дополнительный оптический канал, причем в первом канале размещены ВОД без микроизгибов, а во втором канале - ВОД с предварительно созданными в них микроизгибами, причем динамические диапазоны ВОД обоих каналов равны по абсолютной величине и противоположны по знаку, причем входные ВС первых датчиков каждого канала подключены к направленному ответвителю, а выходные ВС последних ВОД каждого канала подключены к отдельным фотоприемникам, выходы которых соединены с входами дифференциального усилителя.
2. Акустическая волоконно-оптическая антенна по п.1, отличающаяся тем, что предварительно созданные микроизгибы в одном из ВОД пары осуществлены обращением кинематической схемы известных ВОД микроизгибного типа.
3. Акустическая волоконно-оптическая антенна по п.1, отличающаяся тем, что в обоих каналах антенны дополнительно установлены один или несколько волоконно-оптических усилителей в соответствии с рабочей длиной волны и требуемыми коэффициентами усиления.
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2002122461/09A RU2234105C2 (ru) | 2002-08-19 | 2002-08-19 | Акустическая волоконно-оптическая антенна |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2002122461/09A RU2234105C2 (ru) | 2002-08-19 | 2002-08-19 | Акустическая волоконно-оптическая антенна |
Publications (2)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
RU2002122461A RU2002122461A (ru) | 2004-02-27 |
RU2234105C2 true RU2234105C2 (ru) | 2004-08-10 |
Family
ID=33412822
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
RU2002122461/09A RU2234105C2 (ru) | 2002-08-19 | 2002-08-19 | Акустическая волоконно-оптическая антенна |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
RU (1) | RU2234105C2 (ru) |
Cited By (2)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
RU2546853C1 (ru) * | 2013-12-03 | 2015-04-10 | Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Нижегородский государственный технический университет им. Р.Е. Алексеева", НГТУ | Устройство обнаружения объектов, излучающих акустические сигналы |
RU2587523C1 (ru) * | 2015-02-25 | 2016-06-20 | Акционерное общество "Научно-производственное объединение автоматики имени академика Н.А. Семихатова" | Система обнаружения и регистрации гидроакустических и гидродинамических воздействий |
-
2002
- 2002-08-19 RU RU2002122461/09A patent/RU2234105C2/ru not_active IP Right Cessation
Cited By (2)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
RU2546853C1 (ru) * | 2013-12-03 | 2015-04-10 | Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Нижегородский государственный технический университет им. Р.Е. Алексеева", НГТУ | Устройство обнаружения объектов, излучающих акустические сигналы |
RU2587523C1 (ru) * | 2015-02-25 | 2016-06-20 | Акционерное общество "Научно-производственное объединение автоматики имени академика Н.А. Семихатова" | Система обнаружения и регистрации гидроакустических и гидродинамических воздействий |
Also Published As
Publication number | Publication date |
---|---|
RU2002122461A (ru) | 2004-02-27 |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
US4238856A (en) | Fiber-optic acoustic sensor | |
US5345522A (en) | Reduced noise fiber optic towed array and method of using same | |
US4162397A (en) | Fiber optic acoustic sensor | |
EP0007312B1 (en) | Optical sensing apparatus | |
US4297887A (en) | High-sensitivity, low-noise, remote optical fiber | |
EP0977022B1 (en) | Optical waveguide vibration sensor system for remote detection | |
EP0165671B1 (en) | Passive sampling interferometric sensor arrays | |
US5475216A (en) | Fiber optic sensor having mandrel wound reference and sensing arms | |
US4313192A (en) | Optical transducer array system | |
EP0037668A1 (en) | Optical transducer means | |
US4363533A (en) | Concentric fiber optical transducer | |
US5734623A (en) | Fiber optic sound velocity profiler | |
EP0027540A2 (en) | Optical sensor and transducer array system | |
KR930016767A (ko) | 응력으로 유도된 단일모드-광전관의 복굴절에 의한 섬유광학적 힘 측정방법 | |
US20080291460A1 (en) | Opto-Electronic System and Method for Detecting Perturbations | |
US4778239A (en) | Feed-backward lattice architecture and method | |
RU2234105C2 (ru) | Акустическая волоконно-оптическая антенна | |
US5028801A (en) | Apparatus and method for multiplexing fiber optic sensors | |
Chen et al. | Fully distributed hydroacoustic sensing based on lightweight optical cable assisted with scattering enhanced fiber | |
Bucaro et al. | Fiber-optic air-backed hydrophone transduction mechanisms | |
US20040247223A1 (en) | System and method for multiplexing optical sensor array signals | |
US20220244096A1 (en) | Fibre-optic acoustic sensor and associated measurement system, vehicle and measurement method | |
CA1212754A (en) | Marine seismic sensor | |
WO2001096821A3 (en) | Microchip laser vibration sensor | |
Nakamura et al. | Optical fiber coupler array for multi-point sound field measurements |
Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
MM4A | The patent is invalid due to non-payment of fees |
Effective date: 20060820 |