Волоконно-оптическое устройство для определения азимутального направления на гидроакустический маяк

 

Изобретение относится к области гидроакустики и может быть использовано для целей навигации подводного и надводного флотов. Сущность изобретения заключается в том, что витки волоконных катушек в интерферометре наматывают по синусоидальному закону с периодом Λ . Причем витки одной катушки сдвинуты по отношению к виткам другой на половину периода. Гидроакустический маяк направляет во все стороны акустические волны с периодом Λ . Волоконный интерферометр принимает эти волны, поворачивая с помощью поворотной системы волоконные катушки в направлении прихода волн. При этом одновременно отслеживается искомый азимутальный угол. 1 з.п. ф-лы, 3 ил.

Изобретение относится к области гидроакустики и может быть использовано для целей навигации надводного и подводного флотов.

Известно устройство того же назначения, содержащее несколько пространственно разнесенных гидрофонов с известными характеристиками направленности и систему обработки информации с регистратором [1] позволяющее определить азимутальное направление на гидроакустический маяк, работающий в известном для оператора режиме.

Недостатком устройства является отсутствие на его выходе оптического сигнала, который в ближайшем будущем будет основным источником информации во многих отраслях науки и техники.

Известна гидроакустическая антенна, выполненная на волоконно-оптических элементах, которую можно рассматривать как устройство аналогичного назначения [2] поскольку с помощью антенны в режиме приема возможно определение азимутального направления на гидроакустический маяк.

Данное устройство принято за прототип.

Прототип содержит предметную волоконную катушку, выполненную с возможностью контактирования с рабочей средой, и опорную волоконную катушку, оптически согласованные с источником когерентного света и фотоприемником в интерферометр, блок обработки информации, включающий усилитель, подключенный к выходу фотоприемника, а также поворотную систему с блоком регистрации азимутального угла поворота.

Поворотная система, позволяющая изменить направление характеристики направленности антенны, выполнена в виде известных электронных средств.

Недостатком прототипа является сложность гидроакустической антенны, связанной с множеством волоконно-оптических гидрофонов и с электронной системой формирования характеристики направленности.

Техническим эффектом, получаемым от внедрения изобретения, является упрощение известного устройства за счет исключения множества волоконно-оптических гидрофонов из его состава. Это позволяет уменьшить полезные объем и вес устройства, что в свою очередь представляет возможность замены электронной поворотной системы устройства на более простую, например механическую.

Данный технический эффект достигается за счет того, что в известном волоконно-оптическом устройстве для определения азимутального направления на гидроакустический маяк, содержащем предметную волоконную катушку, выполненную с возможностью контактирования с рабочей средой, и опорную волоконную катушку, оптически согласованные с источником когерентного света и фотоприемником в интерферометр, блок обработки информации, включающий усилитель, подключенный к выходу фотоприемника, а также поворотную систему с блоком регистрации азимутального угла поворота, опорная и предметная волоконные катушки расположены соосно и выполнены с плотностью намотки витков, подчиняющейся синусоидальному закону, при этом витки предметной и опорной катушек пространственно сдвинуты относительно друг друга на половину периода намотки в направлении оси катушек.

Устройство может дополнительно содержать последовательно соединенные полосовой фильтр, экстрематор и блок обратной связи, при этом вход полосового фильтра подключен к выходу усилителя, а выход блока обратной связи к управляющему входу поворотной системы.

На фиг. 1 представлена принципиальная оптико-электронная схема устройства, на фиг. 2 пространственное расположение витков в опорной и предметной волоконных катушках, на фиг. 3 диаграмма, поясняющая работу устройства.

Устройство содержит (фиг. 1) предметную и опорную волоконные катушки 1, 2, оптически согласованные с источником 3 когерентного света и фотоприемником 4 в интерферометр (в данном случае Цендера-Маха). Подразделение волоконных катушек 1, 2 на предметную и опорную чисто условное. На самом деле их функции равнозначны. Имеются также последовательно соединенные усилитель 5, полосовой фильтр 6, экстрематор 7 и блок 8 обратной связи. Вход усилителя 5 подключен к выходу фотоприемника 4.

Устройство включает поворотную систему 9, выполненную, например, в виде механического привода, управляющий вход которой подключен к выходу блока 8 обратной связи, а исполнительный орган соединен с предметной и опорной катушками (на чертеже последняя связь не показана).

Выход поворотной системы соединен с блоком 10 регистрации азимутального угла поворота.

Отличительной особенностью устройства является то, что опорная и предметная волоконные катушки расположены соосно и выполнены с плотностью намотки витков, подчиняющейся синусоидальному закону, при этом витки предметной и опорной катушек пространственно сдвинуты относительно друг друга на половину периода намотки в направлении оси катушек.

На фиг. 2 вверху представлены синусоидальные законы пространственной намотки витков предметной и опорной катушек. А внизу сами витки катушек, плотность намоток которых отвечает данным законам. Для ясности на фиг. 2 витки одной катушки (сплошные прямые) сдвинуты в вертикальном направлении относительно витков другой катушки (штриховые прямые). На самом деле согласно формуле изобретения витки опорной и предметной катушек следуют друг за другом. Период намотки на фиг. 2 обозначен Λ Ось катушек совпадает по направлению с осью x.

Устройство работает следующим образом.

Гидроакустический маяк (на чертеже не показан) излучает изотропным излучателем акустические волны с пространственным периодом L (на частоте 1500 Гц период L 1 м). Звуковые волны 11 (фиг. 1) принимаются волоконно-оптическим устройством. Поскольку плотность намотки витков предметной и опорной волоконных катушек 1, 2 подчиняется синусоидальному закону с периодом L а катушки пространственно сдвинуты на половину периода в направлении распространения волны, максимум выходного сигнала фотоприемника 4 будет наблюдаться в момент совпадения оси катушек и направлении прихода звуковой волны 11.

На фиг. 3 представлена выходная кривая 12 интерферометра, начальная разность фаз которого известными средствами настроена на точку A, равную p/2 Синусоидальный входной сигнал 13 вызывает появление на выходе фотоприемника 4 сигнала 14 фототока, который усиливается усилителем 5, отфильтровывается полосовым фильтром 6 и проходит через экстрематор 7. Последний в случае последующего увеличения выходного сигнала 14 пропускает его на блок 8 обратной связи, который в свою очередь выдает на управляющий вход поворотного устройства 9 сигнал рассогласования с заданной полярностью для приведения его в действие.

Этот процесс протекает до полного совпадения направления оси волоконных катушек с направлением прихода акустической волны 11.

При этом угол поворота волоконных катушек 1, 2 непрерывно отслеживается блоком 10 регистрации азимутального угла поворота.

Изменение средней скорости звука на трассе следования акустических волн гидроакустического маяка до волоконно-оптического устройства практически не будет сказываться на результатах определения азимутального угла. Даже температурный период в 25^oC вызывает изменение скорости звука [3] не более десятой доли процента (меньше инструментальной погрешности устройства).

Таким образом, предлагаемое устройство фактически с помощью одного волоконного интерферометра позволяет получить технический эффект уменьшить эффективную длину наружной части до одного метра (в прототипе десятки метров), а также более чем на порядок уменьшить полезный вес аппаратуры.

Источники информации 1. Заявка Японии N 48 7469, кл. 107D21 (G 01 S 3/80), 1973.

2. Патент США N 4115753, кл. 340 6R (G 01 S 3/30), 1978 прототип.

3. M. Greenspan, C.E. Tschieqo. Table of the Speed of sound in water. J. Acoust. Soc. Amer. 1959, 31, N 1, pp. 75 76.

Формула изобретения

1. Волоконно-оптическое устройство для определения азимутального направления на гидроакустический маяк, содержащее волоконный интерферометр, выполненный в виде источника когерентного света, предметной и опорной волоконных катушек и фотоприемника, а также блок обработки информации, включающий усилитель, подключенный к выходу фотоприемника интерферометра, и поворотную систему с блоком регистрации азимутального угла поворота, отличающееся тем, что опорная и предметная волоконные катушки расположены соосно и выполнены с шагом намотки витков, подчиняющемуся синусоидальному закону, при этом витки предметной и опорной катушек пространственно сдвинуты относительно друг друга на половину шага намотки в направлении оси катушек.

2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что дополнительно содержит последовательно соединенные полосовой фильтр, экстрематор и блок обратной связи, при этом вход полосового фильтра подключен к выходу усилителя, а выход блока обратной связи к управляющему входу поворотной системы.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3