RU2602422C1 - Acousto-optical fibre cable and method of making same - Google Patents

Acousto-optical fibre cable and method of making same Download PDF

Info

Publication number
RU2602422C1
RU2602422C1 RU2015136607/28A RU2015136607A RU2602422C1 RU 2602422 C1 RU2602422 C1 RU 2602422C1 RU 2015136607/28 A RU2015136607/28 A RU 2015136607/28A RU 2015136607 A RU2015136607 A RU 2015136607A RU 2602422 C1 RU2602422 C1 RU 2602422C1
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
optical
fiber
cable
module
optic
Prior art date
Application number
RU2015136607/28A
Other languages
Russian (ru)
Inventor
Игорь Касьянович Мешковский
Андрей Владимирович Куликов
Игорь Александрович Соколов
Дмитрий Михайлович Инденбаум
Владимир Сергеевич Лавров
Original Assignee
федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Санкт-Петербургский национальный исследовательский университет информационных технологий, механики и оптики"
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Санкт-Петербургский национальный исследовательский университет информационных технологий, механики и оптики" filed Critical федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Санкт-Петербургский национальный исследовательский университет информационных технологий, механики и оптики"
Priority to RU2015136607/28A priority Critical patent/RU2602422C1/en
Application granted granted Critical
Publication of RU2602422C1 publication Critical patent/RU2602422C1/en

Links

Images

Classifications

    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01H—MEASUREMENT OF MECHANICAL VIBRATIONS OR ULTRASONIC, SONIC OR INFRASONIC WAVES
    • G01H9/00—Measuring mechanical vibrations or ultrasonic, sonic or infrasonic waves by using radiation-sensitive means, e.g. optical means
    • G01H9/004—Measuring mechanical vibrations or ultrasonic, sonic or infrasonic waves by using radiation-sensitive means, e.g. optical means using fibre optic sensors
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01S—RADIO DIRECTION-FINDING; RADIO NAVIGATION; DETERMINING DISTANCE OR VELOCITY BY USE OF RADIO WAVES; LOCATING OR PRESENCE-DETECTING BY USE OF THE REFLECTION OR RERADIATION OF RADIO WAVES; ANALOGOUS ARRANGEMENTS USING OTHER WAVES
    • G01S15/00—Systems using the reflection or reradiation of acoustic waves, e.g. sonar systems

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Radar, Positioning & Navigation (AREA)
  • Remote Sensing (AREA)
  • Physics & Mathematics (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Computer Networks & Wireless Communication (AREA)
  • Optical Modulation, Optical Deflection, Nonlinear Optics, Optical Demodulation, Optical Logic Elements (AREA)

Abstract

FIELD: acoustics; measurement equipment.
SUBSTANCE: invention relates to acoustic measurements and concerns acousto-optical cable. Cable comprises multiple sections of fibre-optic acousto-optical sensors. Sensors include an optical-electronic module, optically connected with located inside polymer base a sensitive element, optical communication line, electric power supply line module and module of power elements. Modules are arranged longitudinally in inner space of fibre-optic cable, wherein temporary filling is removed. Sensitive elements are composed of optical fibre with Bragg lattices and are made of birefringent optical fibres. Sensitive elements are coated with protective cladding with Poisson coefficient greater than 0.35.
EFFECT: technical result consists in improvement of sensitivity and reduced diameter of cable.
3 cl, 3 dwg

Description

Изобретения относятся к области техники, предназначенной для проведения квазираспределенных акустических измерений.The invention relates to the field of technology intended for quasi-distributed acoustic measurements.

Известно устройство гидроакустической буксируемой антенны для геофизических работ, которая является акустическим кабелем, в котором снижен диаметр, увеличена акустическая чувствительность и уменьшена зависимость от глубины погружения за счет того, что акустический кабель содержит внешнюю эластичную оболочку с размещенными внутри нее приемниками, состоящими из двух одинаковых чувствительных пьезоэлементов, выполненных из электрически поляризованной пьезоэлектрической пленки с нанесенными на ее поверхности и прочно сцепленными с ней электродами, герметичные корпусы с вмонтированными в них электронными платами с дифференциальными усилителями и аналого-цифровыми преобразователями, цифровую линию связи и линию питания (патент РФ №2511076, МПК G01S 7/52, 16.10.2012 г.).A device is known for a hydroacoustic towed antenna for geophysical work, which is an acoustic cable in which the diameter is reduced, the acoustic sensitivity is increased and the dependence on the depth of immersion is reduced due to the fact that the acoustic cable contains an external elastic sheath with receivers located inside it, consisting of two identical sensitive piezoelectric elements made of an electrically polarized piezoelectric film deposited on its surface and firmly adhered to her electrodes, sealed housing with built-in them electronic boards with differential amplifiers and analog-to-digital converters, digital link and power supply line (RF patent №2511076, IPC G01S 7/52, 16.10.2012 city).

Недостатком известного устройства является использование в качестве приемников акустического сигнала пьезоэлементов, что влечет нестойкость к ударным нагрузкам, проблематичность изготовления распределенного датчика и большой диаметр кабеля, а расположенный на периферии силовой элемент приводит к снижению чувствительности.A disadvantage of the known device is the use of piezoelectric elements as acoustic signal receivers, which entails instability to shock loads, the difficulty of manufacturing a distributed sensor and a large cable diameter, and a power element located on the periphery leads to a decrease in sensitivity.

Известен способ изготовления акустического кабеля, изложенный в описании гидроакустической антенны (патент РФ №2475774, МПК G01S 15/00, 06.10.2011 г.), заключающийся в изготовлении чувствительных элементов, кабелей питания и связи, корделей, скрутки их вокруг центрального силового элемента, встраивании гибких плат в центральную часть кабеля с осуществлением необходимых подсоединений чувствительных элементов и кабелей к элементарным блокам и наложении влагозащитной оболочки, причем операцию подсоединения чувствительных элементов, кабелей питания и связи, корделей, а также дополнительных силовых элементов к соединителям, размещенных на гибких платах электронных блоков, производят в горизонтальной плоскости с последующей намоткой изготовленного комбинированного устройства на барабан, на комбинированное устройство методом экструзии под давлением накладывают полимерную оболочку и получают плоский акустический кабель, который обмоткой по спирали накладывают на центральный силовой элемент и получают сердечник кабеля, а затем на сердечник кабеля экструзионным способом накладывают влагозащитную полимерную оболочку.A known method of manufacturing an acoustic cable, described in the description of a hydroacoustic antenna (RF patent No. 2475774, IPC G01S 15/00, 10/06/2011), which consists in the manufacture of sensitive elements, power and communication cables, cordels, twisting them around a central power element, embedding flexible boards in the central part of the cable with the necessary connections of sensitive elements and cables to elementary units and imposing a moisture-proof sheath, moreover, the operation of connecting sensitive elements, power cables and communications, cordels, as well as additional power elements to connectors placed on flexible boards of electronic blocks, are produced in a horizontal plane, followed by winding of the manufactured combined device onto a drum, a polymer sheath is applied to the combined device by extrusion under pressure and a flat acoustic cable is obtained, which the winding is applied in a spiral to the central power element and a cable core is obtained, and then by applying an extrusion method to the cable core They have a moisture-proof polymer shell.

Недостатком этого способа является то, что силовой элемент сформирован из отдельных фрагментов, присоединенных к гибким платам, что приведет к их растяжению под внешней растягивающей нагрузкой, также сложно получить однородную структуру при изготовлении и намотке плоского кабеля на центральный силовой элемент.The disadvantage of this method is that the power element is formed of individual fragments attached to flexible boards, which will lead to their tension under an external tensile load, it is also difficult to obtain a homogeneous structure in the manufacture and winding of a flat cable on the Central power element.

Известно устройство, выбранное в качестве прототипа к предлагаемому устройству (патент US 2012/0227504 A1, опубл. 13.09.2012, G01H 9/00, B29C 70/08), являющееся волоконно-оптическим акустическим массивом датчиков, которые представляют собой акустооптический волоконный кабель, содержащий под защитной оболочкой волоконно-оптический акустооптического сенсор, состоящий из оптико-электронного модуля, оптически соединенного с чувствительным элементом, представляющим собой оптическое волокно не менее чем с двумя решетками Брэгга, намотанное по спирали на первый полимерный слой и покрытое по всей длине вторым полимерным слоем, а также внутри вышеуказанной защитной оболочки находится оптическая линия связи, представляющая собой модуль оптических связных волокон, модуль изолированных электрических проводов, представляющих собой линии электрического питания и модуль силовых элементов.A device is known, selected as a prototype for the proposed device (patent US 2012/0227504 A1, publ. 09/13/2012, G01H 9/00, B29C 70/08), which is a fiber-optic acoustic array of sensors that are an acousto-optic fiber cable, containing, under the protective sheath, an optical-optical acousto-optical sensor, consisting of an optical-electronic module, optically connected to a sensing element, which is an optical fiber with at least two Bragg gratings, wound in a spiral on the first the polymer layer and the second polymer layer coated along the entire length, as well as inside the aforementioned protective shell, has an optical communication line, which is a module of optical connected fibers, a module of insulated electrical wires, which are electric power lines and a module of power elements.

Недостатками известного решения являются неудобства при операциях постановки и выборки антенны вследствие большого диаметра антенны из-за намотанного по спирали оптического волокна и защитных корпусов, диаметр которых превышает диаметр сформированного кабеля, покрытие волокна полимерным материалом, незначительно увеличивающим акустическую чувствительность, модульная система изготовления, требующая дополнительных механических соединителей.The disadvantages of this solution are the inconvenience of antenna installation and retrieval operations due to the large diameter of the antenna due to spiral-wound optical fiber and protective housings whose diameter exceeds the diameter of the formed cable, coating the fiber with a polymer material that slightly increases acoustic sensitivity, a modular manufacturing system that requires additional mechanical connectors.

Задачи, решаемые заявляемыми решениями, состоят в увеличении чувствительности в области низких частот от 0,1 до 500 Гц с одновременным снижением внешнего диаметра кабеля, который постоянен на протяжении всей длины кабеля.The problems solved by the claimed solutions are to increase the sensitivity in the low frequency range from 0.1 to 500 Hz while reducing the outer diameter of the cable, which is constant throughout the length of the cable.

Поставленная задача решается следующим образом.The problem is solved as follows.

В устройстве акустооптического волоконного кабеля, включающего более одной секции, каждая из которых сформирована из волоконно-оптического акустооптического сенсора, состоящего из оптико-электронного модуля, оптически соединенного с расположенным внутри полимерной основы, покрытой защитной оболочкой, чувствительным элементом, представляющим собой двулучепреломляющее оптическое волокно не менее чем с двумя волоконными решетками Брэгга, покрытое по всей длине полимерным материалом, а также расположенные внутри указанной полимерной основы оптическую линию связи, представляющую собой модуль оптических связных волокон, модуль изолированных электрических проводов, представляющий собой линии электрического питания, и модуль силовых элементов, полимерная основа представляет собой волоконно-оптический кабель с предварительно удаленным временным заполнением, а во внутреннем пространстве кабеля продольно по его длине размещены вышеупомянутые секции, причем чувствительные элементы размещены в освободившихся после удаления временного заполнения пространствах, оптико-электронные модули каждой секции последовательно оптически соединены между собой с помощью связных волокон оптической линии связи и подключены к линии электрического питания модуля изолированных электрических проводов, чувствительные элементы в каждой секции представляют собой двулучепреломляющее оптическое волокно не менее чем с двумя волоконными решетками Брэгга, значение коэффициента Пуассона силиконового полимерного материала покрытия более 0.35, а расстояние между решетками Брэгга не более длины полуволны акустического колебания на верхней границе измеряемого частотного диапазона.In an acousto-optic fiber cable device comprising more than one section, each of which is formed of a fiber-optic acousto-optic sensor, consisting of an optoelectronic module, optically coupled to a sensor located inside the polymer base, covered with a protective sheath, which is a birefringent optical fiber, not with less than two Bragg fiber gratings, coated along the entire length of the polymer material, as well as located inside the specified polymer basics an optical communication line, which is a module of optical connected fibers, a module of insulated electric wires, which is an electric power line, and a module of power elements, the polymer base is a fiber optic cable with a pre-removed temporary filling, and in the inner space of the cable is longitudinally along the aforementioned sections are placed in length, the sensing elements being placed in the spaces freed up after removal of the temporary filling, opti co-electronic modules of each section are optically connected in series with each other using connected fibers of the optical communication line and connected to the electrical power line of the module of insulated electric wires, the sensitive elements in each section are birefringent optical fiber with at least two Bragg fiber gratings, the coefficient value Poisson's silicone polymer coating material is more than 0.35, and the distance between the Bragg gratings is not more than the acoustic half-wavelength to oscillations are at the upper boundary of the measured frequency band.

В способе изготовления акустооптического волоконного кабеля поставленная задача решается путем размещения вышеперечисленных компонентов во внутреннем пространстве продольно по длине полимерной основы, представляющей собой волоконно-оптический кабель, включающий временное заполнение, модуль оптических связных волокон, модуль изолированных электрических проводов, модуль силовых элементов, для этого кабель вскрывают продольно и последовательно вырезают отдельными секциями части полимерной оболочки кабеля, удаляют временное заполнение и укладывают в освободившиеся пространства чувствительные элементы, выдерживая расстояния, необходимые для их размещения, а вместо вырезанных секций полимерной оболочки кабеля укладывают корпуса с оптико-электронными модулями, которые оптически соединяют с чувствительными элементами, оптико-электронные модули каждой секции между собой соединяют путем сварки оптических волокон со связными волокнами, также присоединяют их к линии электрического питания модуля изолированных электрических проводов, а затем осуществляют покрытие антенны защитной оболочкой.In the method of manufacturing an acousto-optic fiber cable, the problem is solved by placing the above components in the inner space longitudinally along the length of the polymer base, which is a fiber-optic cable, including temporary filling, a module of optical connected fibers, a module of insulated electrical wires, a module of power elements, for this cable open longitudinally and sequentially cut out sections of the polymer sheath of the cable in separate sections, remove the temporary fill they are placed in the vacant spaces, maintaining the distances necessary for their placement, and instead of cut sections of the polymer sheath of the cable, housings with optoelectronic modules are placed that are optically connected to sensitive elements, the optoelectronic modules of each section are connected by welding optical fibers with connected fibers, also connect them to the electrical power line of the module of insulated electrical wires, and then cover Antenna containment.

Сущность заявляемых изобретений поясняется следующим.The essence of the claimed invention is illustrated by the following.

В качестве основы акустооптического волоконного кабеля лежит волоконно-оптический кабель с модулем изолированных электрических проводов, модулем оптических связных волокон, модулем силовых элементов и временным заполнением, который в процессе установки и укладки в него оптико-электронных блоков и чувствительных элементов не разрывается, силовой элемент и линия электропитания остаются неразрывны, а из полимерной основы вырезается сегмент, что обеспечивает отсутствие дополнительных механических соединителей и стойкость кабеля к продольным растягивающим нагрузкам. Чувствительные элементы и малогабаритные оптико-электронные модули располагаются внутри кабельной полимерной основы продольно и не выходят за ее границы, т.е. максимальный размер ограничен диаметром волоконно-оптического кабеля, взятого за основу, что обеспечивает снижение диаметра акустооптического волоконного кабеля и его постоянство на всей длине кабеля. Двулучепреломляющее волокно не менее чем с двумя решетками Брэгга, записанными на расстоянии, не более длины полуволны акустического колебания на верхней границе измеряемого частотного диапазона, покрытое силиконовым полимерным материалом с коэффициентом Пуассона более 0,35, позволяет увеличить акустическую чувствительность в области низких частот от 0,1 до 500 Гц благодаря увеличению аксиальной нагрузки на чувствительное волокно при воздействии акустического поля.The basis of an acousto-optic fiber cable is a fiber-optic cable with a module of insulated electric wires, a module of optical connected fibers, a module of power elements and temporary filling, which does not break during installation and laying of optoelectronic units and sensitive elements, the power element and the power line remains inextricable, and a segment is cut from the polymer base, which ensures the absence of additional mechanical connectors and the cable is resistant to longitudinal tensile loads. Sensitive elements and small-sized optoelectronic modules are located longitudinally inside the cable polymer base and do not go beyond its boundaries, i.e. the maximum size is limited by the diameter of the fiber optic cable taken as a basis, which ensures a reduction in the diameter of the acousto-optic fiber cable and its constancy over the entire length of the cable. A birefringent fiber with at least two Bragg gratings recorded at a distance of no more than the half-wavelength of acoustic vibration at the upper boundary of the measured frequency range, coated with silicone polymer material with a Poisson's ratio of more than 0.35, allows you to increase the acoustic sensitivity in the low frequency region from 0, 1 to 500 Hz due to an increase in the axial load on the sensitive fiber when exposed to an acoustic field.

Сущность изобретений поясняется чертежами, где на фиг. 1 представлен акустооптический волоконный кабель. На фиг. 2 показана функциональная блок-схема оптико-электронного модуля. На фиг. 3 изображена функциональная блок-схема соединения оптико-электронных модулей с чувствительным элементом, между собой и с блоком обработки сигналов, размещаемого на борту.The invention is illustrated by drawings, where in FIG. 1 shows an acousto-optic fiber cable. In FIG. 2 shows a functional block diagram of an optoelectronic module. In FIG. 3 shows a functional block diagram of the connection of optoelectronic modules with a sensitive element, between themselves and with the signal processing unit, placed on board.

Акустооптический волоконный кабель (фиг. 1), состоит из оптико-электронного модуля 1, оптически соединенного с расположенным внутри полимерной основы 2, покрытой защитной оболочкой 3, чувствительным элементом 4, представляющим собой оптическое волокно не менее чем с двумя решетками Брэгга 5, покрытое по всей длине силиконовым полимерным материалом 6, а также расположенные внутри указанной полимерной основы 2 оптическую линию связи 7, оптически соединяющую оптико-электронные модули 1, модуль изолированных электрических проводов 8, подводящий электропитание к оптико-электронным модулям 1, и модуль силовых элементов 9.The acousto-optic fiber cable (Fig. 1) consists of an optoelectronic module 1, optically connected to a sensitive element 4 located inside the polymer base 2, covered with a protective sheath 3, which is an optical fiber with at least two Bragg gratings 5, coated with the entire length of the silicone polymer material 6, and also located inside the specified polymer base 2 optical communication line 7, optically connecting the optoelectronic modules 1, the module of insulated electrical wires 8, leading power supply to the optoelectronic modules 1, and the power element module 9.

Оптико-электронный модуль 1 (фиг. 2) состоит из оптико-электронной платы 10, соединенной с компенсационным волоконно-оптическим интерферометром Майкельсона 11. Оптико-электронная плата 10 состоит из программируемой логической интегральной схемы (ПЛИС) 12, запрограммированные входы и выходы которой соединены с источником оптического излучения с драйвером накачки и контроллером термостабилизации 13, с блоком приема-передачи информации 14, через который осуществляется связь с другими оптико-электронными блоками по оптической линии связи 7, с аналого-цифровым преобразователем 15, с подключенным к нему фотоприемным устройством 16, с блоком управления модулятором 17. В компенсационный волоконно-оптический интерферометр Майкельсона 11 оптический сигнал заводится от источника оптического излучения с драйвером накачки и контроллером термостабилизации 13 в первый порт волоконно-оптического циркулятора с сохранением поляризации 18, для этого его первый порт оптически соединен с выходом источника оптического излучения, второй порт которого служит для подсоединения к чувствительному элементу 4, а третий порт оптически соединен с входным портом волоконно-оптического разветвителя с сохранением поляризации 19, два противоположных порта которого подсоединены к двум плечам волоконно-оптического компенсационного интерферометра Майкельсона 11: к двулучепреломляющему волокну 20, на торце которого сформировано зеркало, и к интегрально-оптическому модулятору 21, на торце которого сформировано зеркало, к выходному порту волоконно-оптического разветвителя с сохранением поляризации 19 подсоединяется оптический вход фотоприемного устройства 16, к интегрально-оптическому модулятору 21 подключена плата термодатчика 22, соединяющаяся с блоком управления модулятором 17.Optoelectronic module 1 (Fig. 2) consists of an optoelectronic board 10 connected to a Michelson 11 compensation fiber optic interferometer. Optoelectronic board 10 consists of a programmable logic integrated circuit (FPGA) 12, the programmed inputs and outputs of which are connected with an optical radiation source with a pump driver and a thermal stabilization controller 13, with an information transmitting and receiving unit 14 through which communication with other optoelectronic units is carried out via an optical communication line 7, with logo-to-digital converter 15, with a photodetector 16 connected to it, with a modulator 17 control unit. In the Michelson 11 compensation fiber-optic interferometer, the optical signal is supplied from the optical radiation source with a pump driver and thermal stabilization controller 13 to the first port of the fiber-optic circulator with preservation of polarization 18, for this, its first port is optically connected to the output of the optical radiation source, the second port of which is used to connect to a sensitive elec 4, and the third port is optically connected to the input port of the fiber optic splitter with preservation of polarization 19, the two opposite ports of which are connected to the two shoulders of the Michelson 11 fiber-optic compensation interferometer: to the birefringent fiber 20, at the end of which a mirror is formed, and to the integrally an optical modulator 21, at the end of which a mirror is formed, connects the optical input of the photodetector to the output port of the fiber-optic splitter while maintaining polarization 19 stroystva 16, to integrated-optical modulator 21 is connected board temperature sensor 22 connects to the modulator 17 by the control unit.

На Фиг. 3 представлена оптическая схема соединения оптико-электронных модулей 11, 12 … 1m с чувствительными элементами 41, 42 ... 4m и блоком обработки сигналов 23, расположенным на борту. К входу/выходу, предназначенному для опроса чувствительного элемента каждого оптико-электронного модуля 11, 12 … 1m подсоединяется чувствительный элемент 41, 42 ... 4m, а оптико-электронные модули 11, 12 … 1m последовательно оптически соединены между собой, а именно оптический выход блока обработки сигналов 23 подсоединен к оптическому входу оптико-электронного модуля 11, оптический выход которого соединен с оптическим входом оптико-электронного модуля 12, и так до оптико-электронного модуля 1m, оптический выход которого подсоединен к оптическому входу блока обработки сигналов 23.In FIG. Figure 3 shows the optical connection diagram of the optoelectronic modules 1 1 , 1 2 ... 1 m with sensitive elements 4 1 , 4 2 ... 4 m and the signal processing unit 23 located on board. An input / output intended for interrogating the sensitive element of each optoelectronic module 1 1 , 1 2 ... 1 m is connected to the sensitive element 4 1 , 4 2 ... 4 m , and the optoelectronic modules 1 1 , 1 2 ... 1 m in series optically interconnected, namely, the optical output of the signal processing unit 23 is connected to the optical input of the optoelectronic module 1 1 , the optical output of which is connected to the optical input of the optoelectronic module 1 2 , and so on to the optoelectronic module 1 m , optical the output of which is connected to the optical Signal Processing Unit 23.

Устройство работает следующим образом.The device operates as follows.

Расположенный в оптико-электронном модуле 1 на оптико-электронной плате 10 источник оптического излучения с драйвером накачки и контроллером термостабилизации 13 испускает узкополосный линейно-поляризованный оптический импульс, который проходит через волоконно-оптический циркулятор с сохранением поляризации 18 и попадает в двулучепреломляющее волокно не менее чем с двумя решетками Брэгга 5, покрытое по всей длине силиконовым полимерным материалом 6, чувствительного элемента 4. Оптический импульс отражается от первой решетки Брэгга и проходит дальше по волокну, заключенному между двумя решетками Брэгга, где измеряемое акустическое поле создает на поверхности акустооптического волоконного кабеля акустическое давление, которое вследствие акустооптического эффекта изменяет показатель преломления чувствительного двулучепреломляющего оптического волокна 5 и вносит сдвиг фазы в распространяющийся оптический импульс. Анализируя сдвиг фазы, определяются параметры акустического поля. Расстояние между решетками Брэгга в чувствительном двулучепреломляющем оптическом волокне 5 равно длине полуволны акустического колебания на верхней границе измеряемого частотного диапазона, чтобы низкочастотные акустические колебания оказывали наибольшее воздействие на чувствительный элемент. Оптический импульс отражается от второй решетки Брэгга и оба оптических импульса, отраженные от первой и второй решеток Брэгга, попадают в компенсационный волоконно-оптический интерферометр Майкельсона 11, они проходят через волоконно-оптический циркулятор с сохранением поляризации 18 и, пройдя через волоконно-оптический разветвитель с сохранением поляризации 19, попадают в два плеча интерферометра: двулучепреломляющее волокно 20, на торце которого сформировано зеркало, и в интегрально-оптический модулятор 21, на торце которого сформировано зеркало, где длина двулучепреломляющего волокна 20 с зеркалом выбрана таким образом, чтобы устранить временную задержку между отраженными от первой и второй решеток Брэгга оптическими импульсами. Интегрально-оптический модулятор 21 с зеркалом, управляемый платой термодатчика 22, модулирует сигнал для стабилизации рабочей точки интерференции. Фотоприемное устройство 16 регистрирует интерференцию двух сведенных оптических импульсов. Схема обработки в виде программируемой логической интегральной схемы 12, принимающая сигналы от фотоприемного устройства 16 с аналого-цифрового преобразователя 15, формирует информационные пакеты об акустическом воздействии и с помощью блока приема-передачи информации 14 передает их по оптической линии связи 7 другим оптико-электронным модулям 1. Блок управления модулятором 17 производит управление модуляцией интегрально-оптического модулятора 21 через плату термодатчика 22. Электропитание оптико-электронных модулей 1 осуществляется с помощью модуля изолированных электрических проводов 8. Вышеописанный малогабаритный оптико-электронный модуль 1 и продольное расположение чувствительного элемента позволяют сделать акустооптический волоконный кабель малого диаметра.Located in the optoelectronic module 1 on the optoelectronic board 10, the optical radiation source with a pump driver and thermostabilization controller 13 emits a narrow-band linearly polarized optical pulse that passes through the fiber-optic circulator with preservation of polarization 18 and enters the birefringent fiber not less than with two Bragg gratings 5, coated along the entire length with silicone polymer material 6, of the sensing element 4. An optical pulse is reflected from the first Bragg grating, etc. He goes further along the fiber, made between two Bragg gratings, wherein the measured acoustic field generates on the surface of acousto-optical fiber cable acoustic pressure that result acoustooptic effect changes the refractive index of the birefringent optical fiber sensor 5 and introduces a phase shift in the propagating optical pulse. By analyzing the phase shift, the acoustic field parameters are determined. The distance between the Bragg gratings in the sensitive birefringent optical fiber 5 is equal to the half-wavelength of the acoustic wave at the upper boundary of the measured frequency range, so that low-frequency acoustic waves have the greatest effect on the sensitive element. The optical pulse is reflected from the second Bragg grating and both optical pulses reflected from the first and second Bragg gratings fall into the Michelson 11 compensation fiber-optic interferometer, they pass through the fiber-optic circulator with conservation of polarization 18 and, passing through the fiber-optic splitter with preserving the polarization 19, they fall into two arms of the interferometer: a birefringent fiber 20, at the end of which a mirror is formed, and into an integrated optical modulator 21, at the end of which but mirror, wherein the birefringent fiber length 20 of the mirror is selected so as to eliminate the time delay between reflected from the first and second Bragg grating optical pulses. The integrated optical modulator 21 with a mirror, controlled by the thermal sensor board 22, modulates the signal to stabilize the operating point of interference. The photodetector 16 senses the interference of two combined optical pulses. The processing circuit in the form of a programmable logic integrated circuit 12, which receives signals from the photodetector 16 from the analog-to-digital converter 15, generates information packets about the acoustic effect and, using the information reception and transmission unit 14, transmits them via the optical communication line 7 to other optoelectronic modules 1. The control unit of the modulator 17 controls the modulation of the integrated optical modulator 21 through the board of the temperature sensor 22. The power of the optoelectronic modules 1 is carried out with schyu module insulated electrical wires 8. The above-described small-sized electro-optical module 1 and a longitudinal arrangement of the sensor lead to the acousto-optical fiber cable of small diameter.

Способ изготовления акустооптического волоконного кабеля включает размещение в полимерной основе 2, содержащей временное заполнение, модуль оптических связных волокон 7, модуль изолированных электрических проводов 8, силовой элемент 9, оптико-электронных модулей 1 и чувствительных элементов 4, а также покрытие защитной оболочкой 3. Для этого полимерную основу 2 вскрывают продольно и последовательно вырезают отдельными секциями части этой полимерной оболочки 2, удаляют временное заполнение и укладывают в освободившееся пространство чувствительные элементы 4, а вместо вырезанных секций полимерной оболочки 2 укладывают корпуса с оптико-электронными модулями 1, которые оптически соединяют с чувствительными элементами 4, оптико-электронные модули 1 каждой секции между собой соединяют путем сварки оптических волокон со связными волокнами 7, а также присоединяют их к линии электрического питания модуля изолированных электрических проводов 8, а затем осуществляют покрытие антенны защитной оболочкой 3.A method of manufacturing an acousto-optic fiber cable includes placement in a polymer base 2 containing temporary filling, a module of optical connected fibers 7, a module of insulated electric wires 8, a power element 9, optoelectronic modules 1 and sensitive elements 4, and also a protective sheath coating 3. For of this, the polymer base 2 is opened longitudinally and successively cut into separate sections of a part of this polymer shell 2, the temporary filling is removed and placed in the freed space components 4, and instead of cut sections of the polymer shell 2, housings with optoelectronic modules 1 are stacked, which are optically connected to the sensing elements 4, the optoelectronic modules 1 of each section are interconnected by welding optical fibers with connected fibers 7, and also connected them to the electrical power line of the module of insulated electrical wires 8, and then cover the antenna with a protective sheath 3.

В качестве конкретного примера выполнения акустооптического волоконного кабеля и способа его изготовления предлагается следующее решение.As a specific example of the implementation of acousto-optic fiber cable and method of its manufacture, the following solution is proposed.

За основу акустооптического волоконного кабеля взят специальный волоконно-оптический кабель с модулем оптических волокон, модулем электрических проводом, силовым элементом и временным заполнением. Этот кабель представляет собой полимерную основу, выполненную из ПЭВП ПНД 271 - 274К, имеющую внешний диаметр 18 мм, внутри которой содержатся модуль оптических волокон, волокна в котором являются одномодовыми волоконными световодами SMF28, а сам модуль заполнен кремнийорганической жидкостью, модуль изолированных электрических проводов, который является стандартным трехжильным медным кабелем ПВС 3×0.75, силовой элемент, выполненный из восемнадцати арамидных нитей Kevlar®49 1420 д., временное заполнение, представляющее собой стандартный РИП-корд из арамидных нитей, после удаления которого в освободившееся пространство укладывается чувствительный элемент, состоящий из анизотропного одномодового волоконного световода с эллиптической напрягающей оболочкой с записанными в него пятью решетками Брэгга на длину волны 1546 нм с шириной спектра 0.5 нм, расстояние между решетками Брэгга 1.44 м, двулучепреломляющее волокно чувствительного элемента покрыто двухкомпонентным силиконовым полимером 6 RTV 655 с коэффициентом Пуассона ~0.5, диаметр покрытия равен 4 мм. Оптико-электронная плата включает программируемую логическую интегральную схему (ПЛИС) с количеством логических элементов 49000 и 3383 Кбит памяти, 16-битный аналого-цифровой преобразователь, блок приема-передачи информации выполнен из микросхемы драйвера лазера max3710, ограничивающего усилителя, модулирующего лазер на длину волны 1550 нм LDI-FP-1550 и фотоприемного устройства PMI-155, фотоприемное устройство 16 состоит из фотоприемника PDI-40p, трансимпедансного усилителя ADA4817 и 2-х операционных усилителей ADA4927, 18-битного цифроаналогового преобразователя, источник оптического излучения с драйвером накачки и контроллером термостабилизации состоит из полупроводникового лазера с длиной волны 1550 нм, драйвера лазера МАХ3869 и контроллера термостабилизации ADN8831. Волоконно-оптический компенсационный интерферометр Майкельсона состоит из волоконно-оптического циркулятора с сохранением поляризации с центральной длиной волны 1550 нм, прямыми потерями ≤1 дБ и обратными потерями ≥55 дБ, волоконно-оптический разветвитель с сохранением поляризации в конфигурации 2×2 с коэффициентом деления 50÷50, с центральной длиной волны 1550 нм, прямыми потерями ≤ 1 дБ, двулучепреломляющее волокно, являющееся компенсационным плечом интерферометра, выполнено из анизотропного одномодового волоконного световода с эллиптической напрягающей оболочкой длиной 1,478 м, на торце которого сформировано зеркало, интегрально оптический модулятор представляет собой кристалл ниобата лития с вытравленным волноводом и нанесенными электродами, на торце модулятора сформировано зеркало, оптические потери 3,3 дБ, полуволновое напряжение <10B, входной импеданс R>2 МОм, C=20 пФ, длина модулятора 25 мм. Оптико-электронные модули помещены в защитные корпуса из СТ 12Х18Н10Т. Акустооптический волоконный кабель покрыт защитной оболочкой из ПВХ O-65, Δ-2 мм.The basis of the acousto-optic fiber cable is a special fiber-optic cable with an optical fiber module, an electric wire module, a power element and temporary filling. This cable is a polymer base made of HDPE HDPE 271 - 274K, having an external diameter of 18 mm, inside which contains an optical fiber module, the fibers of which are single-mode fiber optic fibers SMF28, and the module itself is filled with organosilicon liquid, the module of insulated electrical wires, which is a standard 3 × 0.75 PVA three-wire copper cable, a power element made of eighteen Kevlar®49 14 aramid filaments of 1420 days, temporary filling, which is a standard RIP cord from a amide filaments, after the removal of which a sensitive element is placed in the freed space, consisting of an anisotropic single-mode fiber with an elliptical straining sheath with five Bragg gratings recorded in it at a wavelength of 1546 nm with a spectral width of 0.5 nm, the distance between Bragg gratings is 1.44 m, birefringent fiber the sensitive element is coated with two RTV 655 silicone polymer 6 with a Poisson's ratio of ~ 0.5, the coating diameter is 4 mm. The optoelectronic board includes a programmable logic integrated circuit (FPGA) with the number of logical elements 49000 and 3383 kbps of memory, a 16-bit analog-to-digital converter, an information transmitting and receiving unit made of a max3710 laser driver chip, a limiting amplifier modulating the laser at a wavelength 1550 nm LDI-FP-1550 and photodetector PMI-155, photodetector 16 consists of a PDI-40p photodetector, ADA4817 transimpedance amplifier and 2 ADA4927 operational amplifiers, an 18-bit digital-to-analog converter, Source of optical pumping radiation with thermal stabilization controller and driver consists of a semiconductor laser with a wavelength of 1550 nm, the laser driver controller MAH3869 and thermal stabilization ADN8831. A Michelson fiber-optic compensation interferometer consists of a fiber-optic circulator with polarization conservation with a central wavelength of 1550 nm, direct losses of ≤1 dB and reverse losses of ≥55 dB, fiber optic splitter with polarization conservation in a 2 × 2 configuration with a division ratio of 50 ÷ 50, with a central wavelength of 1550 nm, direct losses ≤ 1 dB, the birefringent fiber, which is the compensation arm of the interferometer, is made of an anisotropic single-mode fiber with an elliptical The integrally optical modulator is a lithium niobate crystal with an etched waveguide and deposited electrodes; a mirror is formed at the end of the modulator; optical losses of 3.3 dB; half-wave voltage <10 V; input impedance R> 2 MΩ, C = 20 pF, modulator length 25 mm. Optoelectronic modules are placed in protective housings made of ST 12X18H10T. The acousto-optic fiber cable is covered with a protective sheath of PVC O-65, Δ-2 mm.

Использование вышеперечисленных компонентов позволило изготовить и испытать макет акустооптического волоконного кабеля, обладающего высокой чувствительностью в области низких частот от 1 до 500 Гц и имеющего малый внешний диаметр. Макет основывается на двух оптико-электронных модулях, соединенных с пятью решетками Брэгга каждый, что дает восемь акустических датчиков. Макет позволяет добиться следующих значений акустической чувствительности в воде: на частоте 500 Гц - 0,002 рад/Па, на 300 Гц - 0,007 рад/Па, на 200 Гц - 0,012 рад/Па. Уровень шумов не превышает 600 мкрад

Figure 00000001
. Длина изготовленного макета акустооптического волоконного кабеля составляет 14 м, а диаметр 22 мм.The use of the above components made it possible to manufacture and test the layout of an acousto-optic fiber cable with high sensitivity in the low frequency range from 1 to 500 Hz and having a small external diameter. The layout is based on two optoelectronic modules connected to five Bragg gratings each, which gives eight acoustic sensors. The layout allows you to achieve the following values of acoustic sensitivity in water: at a frequency of 500 Hz - 0.002 rad / Pa, at 300 Hz - 0.007 rad / Pa, at 200 Hz - 0.012 rad / Pa. Noise level does not exceed 600 mrad
Figure 00000001
. The length of the fabricated acousto-optic fiber cable layout is 14 m and the diameter is 22 mm.

Таким образом, изготовленный акустооптический волоконный кабель обладает высокой чувствительностью в области низких частот от 0.1 Гц до 500 Гц и малым постоянным диаметром.Thus, the manufactured acousto-optic fiber cable has high sensitivity in the low-frequency range from 0.1 Hz to 500 Hz and a small constant diameter.

Claims (3)

1. Акустооптический волоконный кабель, включающий более одной секции, каждая из которых сформирована из волоконно-оптического акустооптического сенсора, состоящего из оптико-электронного модуля, оптически соединенного с расположенным внутри полимерной основы, покрытой защитной оболочкой, чувствительным элементом, представляющим собой оптическое волокно не менее чем с двумя решетками Брэгга, покрытое по всей длине полимерным материалом, а также расположенные внутри указанной полимерной основы оптическую линию связи, представляющую собой модуль оптических связных волокон, модуль изолированных электрических проводов, представляющий собой линии электрического питания, и модуль силовых элементов, отличающийся тем, что полимерная основа с расположенными внутри нее вышеперечисленными элементами представляет собой волоконно-оптический кабель с предварительно удаленным временным заполнением, а во внутреннем пространстве кабеля продольно по длине размещены вышеупомянутые секции, причем чувствительные элементы размещены в освободившихся после удаления временного заполнения пространствах, оптико-электронные модули каждой секции последовательно оптически соединены между собой с помощью связных волокон оптической линии связи и подключены к линии электрического питания модуля изолированных электрических проводов, чувствительные элементы в каждой секции представляют собой двулучепреломляющее оптическое волокно, значение коэффициента Пуассона силиконового полимерного материала покрытия более 0.35, а расстояние между решетками Брэгга не более длины полуволны акустического колебания на верхней границе измеряемого частотного диапазона.1. An acousto-optic fiber cable, including more than one section, each of which is formed of a fiber-optic acousto-optic sensor, consisting of an optoelectronic module, optically connected to a sensitive element, which is an optical fiber, not less than located inside the polymer base, covered with a protective sheath than with two Bragg gratings, coated along the entire length of the polymer material, as well as an optical communication line located inside the specified polymer base, representing both a module of optical connected fibers, a module of insulated electrical wires, which is an electric power line, and a module of power elements, characterized in that the polymer base with the above-mentioned elements inside it is a fiber-optic cable with a previously removed temporary filling, and in the inner space of the cable, the aforementioned sections are longitudinally arranged along the length of the cable, and the sensitive elements are placed in the freed ones after the temporary filling the spaces, the optoelectronic modules of each section are sequentially optically interconnected using the connected fibers of the optical communication line and connected to the electrical power line of the module of insulated electric wires, the sensitive elements in each section are birefringent optical fiber, the Poisson's ratio of the silicone polymer coating material more than 0.35, and the distance between the Bragg gratings is not more than the length of the half-wave of acoustic vibration on the upper gr Anice of the measured frequency range. 2. Акустооптический волоконный кабель по п. 1, отличающийся тем, что оптико-электронный модуль включает оптически и электрически соединенные между собой оптико-электронную плату и компенсационный волоконно-оптический интерферометр Майкельсона, оптико-электронная плата содержит расположенные на ней программируемую логическую интегральную схему, к которой подключены источник оптического излучения с драйвером накачки и контроллером термостабилизации, блок приема-передачи информации, аналого-цифровой преобразователь, вход которого соединен с выходом фотоприемного устройства, и блок управления модулятором, компенсационный волоконно-оптический интерферометр Майкельсона включает волоконно-оптический циркулятор с сохранением поляризации, первый порт которого оптически соединен с выходом источника оптического излучения, второй порт служит для подсоединения чувствительного элемента, а третий порт оптически соединен с входным портом волоконно-оптического разветвителя с сохранением поляризации, два противоположных порта которого подсоединены к двум плечам компенсационного волоконно-оптического интерферометра Майкельсона: к двулучепреломляющему волокну с сохранением поляризации, на торце которого сформировано зеркало, и интегрально-оптическому модулятору, на торце которого сформировано зеркало, с подключенной к нему платой термодатчика, к которой подключен блок управления модулятором, а выходной порт волоконно-оптического разветвителя с сохранением поляризации оптически соединен с входом фотоприемного устройства.2. The acousto-optic fiber cable according to claim 1, characterized in that the optoelectronic module includes optically and electrically interconnected optoelectronic circuit board and Michelson compensation fiber-optic interferometer, the optoelectronic circuit board contains a programmable logic integrated circuit located on it, to which an optical radiation source with a pump driver and a thermal stabilization controller, an information transmit-receive unit, an analog-to-digital converter, whose input is connected, are connected is dined with the output of the photodetector, and the modulator control unit, the Michelson compensation fiber-optic interferometer includes a polarized fiber optic circulator, the first port of which is optically connected to the output of the optical radiation source, the second port is used to connect the sensitive element, and the third port is optically connected with the input port of a fiber optic splitter with preservation of polarization, two opposite ports of which are connected to two shoulders of compensation Michelson’s ion fiber optic interferometer: to a birefringent fiber with polarization preserved, at the end of which a mirror is formed, and to an integrated optical modulator, at the end of which a mirror is formed, with a thermal sensor board connected to it, to which a modulator control unit is connected, and the output port is fiber an optical splitter with conservation of polarization is optically connected to the input of the photodetector. 3. Способ изготовления акустооптического волоконного кабеля, заключающийся в размещении компонентов по п. 1 во внутреннем пространстве, продольно по длине, полимерной основы, которая представляет собой волоконно-оптический кабель, включающий временное заполнение, модуль оптических связных волокон, модуль изолированных электрических проводов, модуль силовых элементов, для этого кабель вскрывают продольно и последовательно вырезают отдельными секциями части полимерной оболочки кабеля, выдерживая расстояние, необходимое для размещения чувствительного элемента, удаляют временное заполнение и укладывают в освободившиеся пространства чувствительные элементы, а вместо вырезанных секций полимерной оболочки кабеля укладывают корпуса с оптико-электронными модулями, которые оптически соединяют с чувствительными элементами, оптико-электронные модули каждой секции между собой соединяют путем сварки оптических волокон со связными волокнами, а также присоединяют их к линии электрического питания модуля изолированных электрических проводов, а затем осуществляют покрытие кабеля защитной оболочкой. 3. A method of manufacturing an acousto-optic fiber cable, which consists in placing the components according to claim 1 in the inner space, longitudinally along the length, of a polymer base, which is a fiber-optic cable, including temporary filling, a module of optical connected fibers, a module of insulated electrical wires, a module power elements, for this the cable is opened longitudinally and sequentially cut out in separate sections of the polymer sheath of the cable, maintaining the distance necessary for placement sensitive element, temporary filling is removed and sensitive elements are placed in the vacant spaces, and instead of cut sections of the polymer sheath of the cable, housings with optoelectronic modules are placed, which are optically connected to the sensitive elements, the optoelectronic modules of each section are interconnected by welding optical fibers with connected fibers, and also connect them to the electrical power line of the module of insulated electrical wires, and then carry out the coating Abel protective sheath.
RU2015136607/28A 2015-08-27 2015-08-27 Acousto-optical fibre cable and method of making same RU2602422C1 (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2015136607/28A RU2602422C1 (en) 2015-08-27 2015-08-27 Acousto-optical fibre cable and method of making same

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2015136607/28A RU2602422C1 (en) 2015-08-27 2015-08-27 Acousto-optical fibre cable and method of making same

Publications (1)

Publication Number Publication Date
RU2602422C1 true RU2602422C1 (en) 2016-11-20

Family

ID=57759933

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
RU2015136607/28A RU2602422C1 (en) 2015-08-27 2015-08-27 Acousto-optical fibre cable and method of making same

Country Status (1)

Country Link
RU (1) RU2602422C1 (en)

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2741772C1 (en) * 2019-08-01 2021-01-28 Акционерное общество "Концерн "Центральный научно-исследовательский институт "Электроприбор" Cable section of towed fibre-optic hydroacoustic streamer

Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2475774C1 (en) * 2011-10-06 2013-02-20 Закрытое Акционерное Общество "Симпэк" Flexible extensive hydroacoustic antenna and method of its manufacturing
RU2511076C1 (en) * 2012-10-16 2014-04-10 Российская Федерация, От Имени Которой Выступает Министерство Промышленности И Торговли Российской Федерации Hydroacoustic trailing antenna for geophysical work

Patent Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2475774C1 (en) * 2011-10-06 2013-02-20 Закрытое Акционерное Общество "Симпэк" Flexible extensive hydroacoustic antenna and method of its manufacturing
RU2511076C1 (en) * 2012-10-16 2014-04-10 Российская Федерация, От Имени Которой Выступает Министерство Промышленности И Торговли Российской Федерации Hydroacoustic trailing antenna for geophysical work

Non-Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
M. J. F. Digonnet и др. "Acoustic fiber sensor arrays ", Second European Workshop on Optical Fibre Sensors, Proceedings of SPIE, т.5502, 2009 г., стр.39-50. *

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2741772C1 (en) * 2019-08-01 2021-01-28 Акционерное общество "Концерн "Центральный научно-исследовательский институт "Электроприбор" Cable section of towed fibre-optic hydroacoustic streamer

Similar Documents

Publication Publication Date Title
EP0165671B1 (en) Passive sampling interferometric sensor arrays
US6211964B1 (en) Method and structure for incorporating fiber optic acoustic sensors in a seismic array
CN110456410B (en) Distributed hydrophone based on superstrong bending resistance multicore optical fiber flexible optical cable
WO2016111849A1 (en) Distributed multi-channel coherent optical fiber sensing system
EP0248052A1 (en) Fibre optic devices
KR870008199A (en) Optical Fiber Devices and Methods for Spectral Analysis and Filtering
JP5478752B1 (en) Strain measuring method and strain measuring apparatus
Lagakos et al. Microbend fiber-optic sensor as extended hydrophone
CN111829645B (en) Acoustic/vibration monitoring system based on optical fiber sensor
JP2000502438A (en) Sensor device
EP0326476A1 (en) Fibre-optical hydrophone, and antenna comprising a series of hydrophones
RU2602422C1 (en) Acousto-optical fibre cable and method of making same
CN205091045U (en) Nested formula linear array of optical signal
CN2605705Y (en) High-speed optical-fiber grating sensing-multiplexing-demodulating apparatus
US8938148B2 (en) Variable optical attenuator
CN110086537B (en) Optical fiber pickup system based on Sagnac interference principle
CN110873701B (en) Optical fiber humidity sensor based on Mach-Zehnder interferometer
CN210833846U (en) Remote external modulation optical fiber interference vibration measuring device
RU2741772C1 (en) Cable section of towed fibre-optic hydroacoustic streamer
Antony et al. Miniature fiber optic towed array for AUV applications
JP2003514474A (en) Connection system for underwater acoustic antenna
Freitas et al. Sensitivity of fiber‐based modalmetric devices intended for optical detection of acoustic signals
RU109868U1 (en) OPTICAL VOLTAGE MEASUREMENT SYSTEM WITH TEMPORARY DIVISION OF CHANNELS
CN209689782U (en) A kind of optical fiber grating temperature-measuring system
US11999612B2 (en) Optical MEMS based monitoring system