Волоконно-оптический интерферометр саньяка для подводных исследований

 

Волоконно-оптический интерферометр Саньяка для подводных исследований. Изобретение относится к технической физике и может быть использовано в гидрофизике для измерения гидроакустических и гидрофизических параметров в натурном водоеме. Сущность изобретения: в волоконно-оптическом интерферометре Саньяка предметную волоконную катушку освобождают от акустически чувствительной оболочки и делят ее на два протранственно изолированных участка, расположенных на известном расстоянии друг от друга. Такой интерферометр позволяет выделить с помощью коррелятора сигнал, пропорциональный амплитуде пульсаций температуры исследуемой среды, если его буксировать с ней с известной скоростью, а также, измерить уровень звукового давления. Второй волоконно-оптический интерферометр, совместно с основным интерферометром, позволяет дополнительно измерить амплитуду пульсаций солености и градиент звукового давления, если его волоконные катушки расположить на подложке, обладающей в потоке градиентом давления. 5 з.п. ф-лы, 3 ил.

Изобретение относится к технической физике и может быть использовано в гидрофизике для измерения гидроакустических и гидрологических параметров в натурном водоеме.

В настоящее время в гидроакустике нашел применение волоконно- оптический интерферометр Саньяка (ВОИС), применяемый ранее лишь в качестве детектора угловой скорости в инерциальном пространстве [1].

Применение ВОИС в качестве преобразователя гидроакустических параметров возможно при выполнении двух условий: 1) возмущение воздействует на волоконное кольцо интерферометра ассимметрично относительно его середины и 2) возмущение изменяется во времени. При этом в отличии от традиционно применяемых интерферометров, ВОИС проявляет увеличение чувствительности с ростом частоты изменения амплитуды возмущения.

Известен ВОИС, выполненный в виде оптически согласованных источника когерентного света, волоконного кольца, фазового модулятора (фазосдвигающего устройства) и фотодетектора [2]. Часть волоконного кольца известного ВОИС свернута в опорную волоконную катушку, а другая часть - в предметную катушку. При этом с одной из частей волокна снимают акустически чувствительную оболочку и делают его нечувствительным к воздействию акустических волн.

Недостатком аналога [2] является его недостаточно высокая чувствительность к полезному сигналу из-за большого влияния посторонних помех.

Большей чувствительностью обладает ВОИС для морских исследований дифференциального типа, выполненный на основе линейного 3х3 ответвителя [3], принятый за прототип.

Прототип содержит оптически согласованные в однокольцевой интерферометр источник когерентного света, линейный 3х3 ответвитель, опорную и предметную волоконные катушки и два фотоприемника, подключенные выходами к входам дифференциального усилителя, а также регистрирующую систему.

На выходе дифференциального усилителя известного ВОИС шумы вычитаются, а полезные сигналы складываются, что повышает чувствительность прибора.

Недостатком прототипа является невозможность с его помощью измерять такие параметры морской среды как пульсации температуры, пульсации солености и градиента звукового давления.

Техническим результатом, получаемым от реализации изобретения, является расширение эксплуатационных возможностей ВОИС за счет измерения дополнительных гидроакустических и гидрологических параметров морской среды: пульсаций температуры, пульсаций солености и градиента звукового давления.

Данный технический результат получают за счет того, что в известном ВОИС, содержащем оптически согласованные в однокольцевой интерферометр источник когерентного света, линейный 3х3 ответвитель, опорную и предметную волоконные катушки и два фотоприемника, подключенные выходами к входам дифференциального усилителя, а также регистрирующую систему, включающую регистратор уровня звукового давления, дополнительно содержит два аналого-цифровых преобразователя, коррелятор, масштабирующее устройство и вычитающее устройство, а в регистрирующую систему дополнительно введен регистратор пульсаций температуры, при этом выход дифференциального усилителя через последовательно соединенные первый аналого-цифровой преобразователь и масштабирующее устройство подключен к первому входу вычитающего устройства, а через последовательно соединенные коррелятор и второй аналого-цифровой преобразователь - ко второму входу вычитающего устройства, выход которого соединен с регистратором уровня звукового давления, а выход второго аналого-цифрового преобразователя подключен к регистратору пульсаций температуры, причем предметная волоконная катушка выполнена из волокна со снятой акустически чувствительной оболочкой в виде двух одинаковых пространственно разнесенных участков.

Кроме того, ВОИС может содержать второй волоконно-оптический интерферометр, предметная и опорная волоконные катушки которого расположены соосно вдоль подложки, обладающей в потоке градиентом давления, при этом дополнительно введены усилитель напряжения, третий аналого-цифровой преобразователь, второе и третье вычитающие устройства, дифференцирующее устройство и второе множительное устройство, а в регистрирующую систему дополнительно введены регистратор градиента скорости звука и регистратор пульсаций солености, причем выход фотоприемника дополнительного волоконно- оптического интерферометра через последовательно соединенные усилитель напряжения и третий аналого-цифровой преобразователь подключен к первому входу второго вычитающего устройства, второй вход которого соединен с выходом второго аналого-цифрового преобразователя, а выход - с первым входом третьего вычитающего устройства, выход которого подключен к регистратору пульсаций солености.

Подложка ВОИС может быть выполнена цилиндрической формы с плохообтекаемой носовой частью, при этом обе волоконные катушки основного интерферометра расположены от носовой части подложки на расстоянии, превышающем восемь ее диаметров.

Волоконные катушки интерферометров могут быть расположены заподлицо с поверхностью подложки.

ВОИС в опорной или предметной катушке может содержать фазосдвигающее устройство.

ВОИС в опорной катушке может содержать частотосдвигающее устройство.

На фиг. 1 представлена оптическая схема ВОИС; на фиг.2 - конструктивная часть оптической части прибора; на фиг.3 - электронно- функциональная схема прибора.

ВОИС для подводных исследований содержит (фиг. 1) оптически согласованные в однокольцевой интерферометр источник 1 когерентного света, линейный 3х3 ответвитель 2, опорную и предметную волоконные катушки 3 и 4. Причем предметная волоконная катушка 4 выполнена из волокна со снятой акустически чувствительной оболочкой (как в аналоге [2]) в виде двух одинаковых пространственно разнесенных участков 5 и 6. Имеются также два фотоприемника 7 и 8, расположенные на выходе ВОИС.

В одном из плеч интерферометра (например, в предметной волоконной катушке 4) может быть установлено фазосдвигающее устройство 9. В альтернативном варианте исполнения в опорном плече интерферометра (опорной волоконной катушке 3) может быть установлено частотосдвигающее устройство (на чертеже не показано). В первом случае ВОИС работает на гомодинном принципе, во-втором - на гетеродинном.

Волоконные катушки 3,..., 6 могут быть установлены соосно вдоль подложки 10 (фиг. 2) цилиндрической формы с плохообтекаемой носовой частью 11.

На носовой части 11 подложки 10 установлены опорная и предметная волоконные катушки 12 и 13 второго интерферометра, собранного по любой известной схеме [1]. При этом волоконные катушки 3,..., 6 основного интерферометра располагаются на той части подложки 10, у которой отсутствует градиент скорости в потоке вдоль подложки. Все волоконные катушки располагаются заподлицо с поверхностью подложки.

На фиг. 2 представлен вариант исполнения прибора, у которого все волоконные катушки выполнены соосными и расположенными вдоль подложки заподлицо с ее поверхностью. Причем части 5 и 6 предметной волоконной катушки 4 первого интерферометра расположены на расстоянии ΔX₁ а волоконные катушки 12 и 13 второго интерферометра на расстоянии ΔX₂ вдоль подложки.

Подложка 10 крепится к носителю (на чертеже не показан).

Электронная схема ВОИС (фиг.3) включает в себя дифференциальный усилитель 14, входы которого подключены к выходам фотоприемников 7 и 8 (фиг. 1) и усилитель 15 напряжения, подключенный входом к выходу фотоприемника второго интерферометра (данный фотоприемник на чертеже не показан). Имеются также аналого-цифровые преобразователи (АЦП) 16-18, коррелятор 19, два множительных устройства 20 и 21, три вычитающих устройства 22-24, дифференцирующее устройство 25 и регистрирующая система 26, включающая в себя регистраторы 27-30, соответственно пульсаций температуры, уровня звукового давления, пульсаций солености и градиента звукового давления.

Схема электрических соединений представлена на фиг. 3 и описана в разделе описания "Существо изобретения". Все электрические блоки располагают внутри или на борту носителя.

ВОИС работает следующим образом.

Располагают подводную часть прибора (фиг. 2) на заданной глубине натурного водоема.

Включают источник 1 когерентного света (а также источник света второго интерферометра, на чертеже не показанный). Настраивают начальную разность фаз интерферирующих лучей с помощью фазосдвигающего устройства 9 на величину равную π /2. Аналогичную подготовку к измерениям проводят с вспомогательным интерферометром.

Проводят буксировку прибора с известной скоростью с помощью носителя (на чертеже не показан) заданным курсом. Поскольку опорная волоконная катушка 3 чувствительна одновременно к пульсациям температуры и звуковому давлению, а предметная 4 - только к пульсациям температуры, то на выходе фотоприемников 7 и 8 будут присутствовать сигналы, пропорциональные уровню звукового давления ΔP и амплитуде пульсаций температуры ΔT . Причем последние появляются на выходах фотоприемников 7 и 8 через время t= ΔX₁ где ΔX₁ - расстояние между пространственно разнесенными участками 5 и 6 предметной волоконной катушки. Это дает возможность в дальнейшем с помощью коррелятора отфильтровать данный сигнал. На выходе дифференциального усилителя 14 присутствует сигнал, отфильтрованный от помех. Этот сигнал подается на коррелятор 19, настроенный на время задержки t, для выделения на его выходе сигнала, пропорционального ΔT. . Тот же сигнал направляется также на АЦП 16, затем корректируется в масштабирующем устройстве 20 до необходимой величины. После чего подается на первый вход вычитающего устройства 22, на второй вход которого направляется после АЦП 18 сигнал, пропорциональный пульсациям температуры ΔT. . Этот же сигнал регистрируется регистратором 27 пульсаций температуры.

На выходе вычитающего устройства 22 выделяется сигнал, пропорциональный уровню звукового давления ΔP , регистрируемый регистратором 28.

Реализация второго пункта формулы изобретения позволяет измерить еще два гидрофизических параметра морской среды: пульсации солености и градиент звукового давления.

При этом поскольку волоконные катушки 12 и 13 вспомогательного интерферометра расположены вдоль поверхности подложки 10, обладающей в потоке градиентом скорости, то на выходе интерферометра будет присутствовать сигнал, пропорциональный пульсациям скоростного напора Δρv где Δρ - амплитуда пульсаций плотности морской среды. А величина последних пропорциональна амплитуде пульсаций температуры ΔT и солености ΔS .

Кроме того, волоконные катушки вспомогательного интерферометра чувствительны к градиенту звукового давления ΔP/ΔX₂ .

С выхода фотоприемника вспомогательного интерферометра сигнал направляется через усилитель напряжения 15 и АЦП 18 на первый вход вычитающего устройства 23, на второй вход которого поступает сигнал с АЦП 17, пропорциональный ΔT .

Сигнал с выхода вычитающего устройства 22, пропорциональный ΔP направляется на дифференцирующее устройство 25, а затем - на множительное устройство 21, где производная уровня звукового давления корректируется (с учетом скорости звука и скорости буксировки) до значения градиента звукового давления, регистрируемого регистратором 30. Кроме того, величина градиента звукового давления направляется на второй вход вычитающего устройства 24, на первый вход которого с вычитающего устройства 23 подается сигнал, пропорциональный амплитуде пульсаций солености ΔS и градиенту звукового давления. На выходе вычитающего устройства 24 выделяется сигнал, пропорциональный ΔS, , регистрируемый регистратором 29.

Таким образом, предлагаемый интерферометр позволяет одновременно измерять четыре гидрофизических параметра морской среды: пульсации, температуры, пульсаций солености, уровень звукового давления и градиент звукового давления. Что подтверждает достижение поставленного технического результата.

Формула изобретения

1. Волоконно-оптический интерферометр Саньяка для подводных исследований, содержащий оптически согласованные в однокольцевой интерферометр источник когерентного света, линейный 3 х 3 ответвитель, опорную и предметную волоконные катушки и два фотоприемника, подключенные выходами к входам дифференциального усилителя, а также регистрирующую систему, включающую регистратор уровня звукового давления, отличающийся тем, что дополнительно содержит два аналого-цифровых преобразователя, коррелятор, масштабирующее устройство и вычитающее устройство, а в регистрирующую систему дополнительно введен регистратор пульсаций температуры, при этом выход дифференциального усилителя через последовательно соединенные первый аналого-цифровой преобразователь и масштабирующее устройство подключен к первому входу вычитающего устройства, а через последовательно соединенные коррелятор и второй аналого-цифровой преобразователь - к второму входу вычитающего устройства, выход которого соединен с регистратором уровня звукового давления, а выход второго аналого-цифрового преобразователя подключен к регистратору пульсаций температуры, причем предметная волоконная катушка выполнена из волокна со снятой, акустически чувствительной оболочкой в виде двух одинаковых пространственно-разнесенных участков.

2. Интерферометр по п.1, отличающийся тем, что дополнительно содержит второй волоконно-оптический интерферометр, предметная и опорная волоконные катушки которого расположены соосно вдоль подложки, обладающей в потоке градиентом давления, при этом дополнительно введены усилитель напряжения, третий аналого-цифровой преобразователь, второе и третье вычитающие устройства, дифференцирующее устройство и второе масштабирующее устройство, а в регистрирующую систему дополнительно введены регистратор градиента скорости звука и регистратор пульсаций солености, причем выход фотоприемника дополнительного волоконно-оптического интерферометра через последовательно соединенные усилитель напряжения и третий аналого-цифровой преобразователь подключен к первому входу второго вычитающего устройства, второй вход которого соединен с выходом второго аналого-цифрового преобразователя, а выход - с первым входом третьего вычитающего устройства, выход которого подключен к регистратору пульсаций солености, а выход первого вычитающего устройства дополнительно подключен через последовательно соединенные дифференцирующее устройство и второе масштабирующее устройство к регистратору градиента скорости звука.

3. Интерферометр по пп.1 и 2, отличающийся тем, что подложка, обладающая в потоке градиентом давления, выполнена в виде цилиндра с закрепленной на торце насадкой, при этом обе волоконные катушки основного интерферометра расположены от насадки подложки на расстоянии, превышающем восемь ее диаметров.

4. Интерферометр по пп.1 и 2, отличающийся тем, что все волоконные катушки расположены заподлицо с поверхностью подложки.

5. Интерферометр по п.1, отличающийся тем, что в опорную или предметную катушки введено фазосдвигающее устройство.

6. Интерферометр по п.1, отличающийся тем, что в опорную катушку введено частото-сдвигающее устройство.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3