Волоконно-оптическая гидроакустическая измерительная антенна

 

Изобретение относится к области гидроакустики и может быть использовано для измерений параметров шумоизлучения различных объектов в натурном водоеме. Техническим результатом, получемым от применения изобретения, является создание волоконно-оптической гидроакустической измерительной антенны (ВОГИА) на базе одного интерферометра для удешевления и упрощения оптической схемы антенны. Существо изобретения заключается в том, что мультиплексирование волоконно-оптических чувствительных элементов антенны проводят на базе одного интерферометра. При этом осуществляют индивидуальную амплитудную или частотную модуляцию на каждом чувствительном элементе ВОГИА с последующей демодуляцией выходного сигнала антенны на заданных частотах. 1 з.п.ф-лы, 5 ил.

Изобретение относится к области гидроакустики и может быть использовано для измерений параметров шумоизлучения различных объектов в натуральном водоеме.

Известно множество схем волоконно-оптических гидроакустических антенн [1] , особенностью которых является использование линейки параллельно включенных волоконных гидрофонов с системой формирования узкой диаграммы направленности антенны.

Недостатком известных схем [1] является их сложность, связанная с использованием для N гидрофонов N интерферометров для выделения гидроакустических сигналов, N лазеров, N фотодетекторов и т.д.

Известна волоконно-оптическая гидроакустическая измерительная антенна, содержащая лазер и фотоприемник, оптически согласованные через предметную и опорную волоконные катушки в интерферометр, N волоконно-оптических чувствительных элементов, N линий задержки, суммирующий блок и регистратор [2]. Данное техническое решение принято за прототип.

Недостатком прототипа является его сложность, связанная с необходимостью мультиплексирования множества отдельных интерферометров в гидроакустическую измерительную антенну.

Техническим результатом, получаемым от применения изобретения, является создание волоконно-оптической гидроакустической измерительной антенны на базе одного интерферометра, что значительно упрощает и удешевляет оптическую схему антенны.

Данный технический результат достигается за счет того, что в известной волоконно-оптической гидроакустической измерительной антенне, содержащей лазер и фотоприемник, оптически согласованные через предметную и опорную волоконные катушки в интерферометр N волоконно-оптических чувствительных элементов, N линий задержки, суммирующий блок и регистратор, N волоконно-оптических чувствительных элементов согласованы с предметной катушкой интерферометра, при этом дополнительно введены N частотных модуляторов на различные модуляционные частоты по одному на каждый гидрофон, N узкополосных фильтров и N детекторов, при этом выход фотоприемника подключен параллельно к N узкополосным фильтрам, каждый из которых кроме последнего через соответствующий детектор соединен с соответствующей линией задержки, подключенными своими выходами к N входам сумматора, соединенного выходом с регистратором, причем один из входов сумматора соединен с выходом последнего детектора.

В первом варианте каждый из N частотных модуляторов выполнен в виде фазосдвигающего устройства и генератора гармонических колебаний, подключенного к фазосдвигающему устройству, при этом каждый из N детекторов выполнен в виде амплитудного детектора.

Во втором варианте каждый из N частотных модуляторов выполнен в виде фазосдвигающего устройства и генератора пилообразных импульсов, подключенного к фазосдвигающему устройству, при этом выход фотоприемника подключен параллельно к соответствующим N узкополосным фильтрам через электронный ключ, управляемый вход которого соединен дополнительно введенным генератором электрических колебаний, причем каждый из N детекторов выполнен в виде частотного детектора.

В обоих вариантах исполнения антенны фазосдвигающие устройства могут быть выполнены в виде пьезоэлектрических шайб, на боковые поверхности которых намотаны с натягом отдельные отрезки предметной катушки интерферометра, при этом пьезоэлектрические шайбы подключены к соответствующим генераторам.

На фиг. 1 представлена принципиальная оптическая схема антенны, на фиг. 2, 3 - функциональные схемы двух вариантов исполнения антенны, на фиг. 4, 5 - временные диаграммы, поясняющие принципы работы различных вариантов исполнения антенны.

Волоконно-оптическая гидроакустическая измерительная антенна (ВОГИА) содержит (фиг. 1) лазер 1 и фотоприемник 2, оптически согласованные через предметную и опорную волоконные катушки 3, 4 в интерферометр. Имеется также фазосдвигающее устройство 5 для вывода начальной разности фаз интерферирующих лучей на величину, равную π/2.

Предметная волоконная катушка 3 включает в себя N волоконно-оптических чувствительных элементов 6₁, 6₂, ..., 6_N (фиг. 2). Каждый из чувствительных элементов 6 согласован со своим частотным модулятором. Последние могут быть выполнены в виде фазосдвигающих устройств, например пьезоэлектрических шайб (на чертеже не обозначены), на боковые поверхности которых намотаны с натягом отдельные отрезки предметной катушки 3 интерферометра. Пьезоэлектрические шайбы могут быть подключены к генераторам 7₁, 7₂, ..., 7_N гармонических колебаний, выполненных на различные частоты f₁, f₂, ..., f_N.

Выход фотоприемника 2 параллельно подключен к N узкополосным фильтрам 8₁, 8₂, ..., 8_N, соединенным выходами с входами амплитудных детекторов 9₁, 9₂, ..., 9_N.

Выходы (N - 1) амплитудных детекторов подключены к линиям 10₁, ..., 10_N-1 задержки, соединенным выходами с (N - 1) входами сумматора 11. Последний вход сумматора 11 соединен непосредственно с выходом детектора 9_N, а его выход - с регистратором 12.

Во втором варианте ВОГИА (фиг. 3) каждый из частотных модуляторов выполняют в виде аналогично фазосдвигающего устройства, подключенного к своему генератору 13₁, 13₂, ..., 13_N пилообразных импульсов. Причем у каждого генератора 13 - различная скорость нарастания пилообразных импульсов. Кроме того, детекторы 14₁, 14₂, ..., 14_N выполняют в виде частотных детекторов (а не амплитудных, как в первом варианте).

Во втором варианте ВОГИА имеет электронный ключ 15 и генератор 16 электрических колебаний, подключенный к управляющему входу электронного ключа. Выход фотоприемника параллельно соединен с выходами полосовых фильтров 8₁, 8₂, ..., 8_N через электронный ключ 15. Длительность импульсов генератора 16 электрических колебаний выбран меньше длительности пилообразных.

В обоих вариантах антенны в электронную схему могут входить усилители сигнала (на чертеже не показанные).

Все электронные блоки ВОГИА расположены на борту носителя (на чертеже не показанного). На нем же располагают опорную волоконную катушку 4, фазосдвигающее устройство 5, лазер 1 и фотоприемник 2. Линией 17 (фиг. 1) условно обозначена граница носителя.

Волоконно-оптические чувствительные элементы 6₁, 6₂, ..., 6_N располагают на расстоянии Δx друг от друга в морской среде, обозначенной позицией 18 (фиг. 1, 2, 3).

Ни один из электронных блоков и оптических элементов особенностей не имеет, их выполнение широко представлено в специальной литературе [3] по волоконной технике.

Волоконно-оптическая гидроакустическая антенна работает следующим образом.

Располагают последовательность волоконно-оптических чувствительных элементов 6₁, 6₂, ..., 6_N в направлении распространения акустического сигнала. При этом на выходе фотоприемника 2 появляется последовательность амплитудно-модулированных сигналов на различных несущих частотах. Полосовые фильтры 8₁, 8₂, ..., 8_N позволяют выделить из общей массы сигналы 19₁, 19₂, . . . , 19_N (фиг. 4) на каждой несущей частоте f₁, f₂, ..., f_N. Эти сигналы следуют с периодом t = x/c, где x - период решетки чувствительных элементов в ВОГИА, C - скорость звука.

Амплитудные детекторы 9₁, 9₂, ..., 9_N позволяют выделить непосредственно сигналы 20₁, 20₂, ..., 20_N на каждой несущей частоте. Линии 10₁, 10₂, ..., 10_N-1 задержки, настроенные на времена t, 2t, 3t, ..., (N - 1)t, позволяют сложить сигналы 20₁, 20₂, ..., 20_N в сумматоре 11, получить на его выходе сигнал 21 и зарегистрировать его регистратором 12.

Подобный известный прием позволяет обострить характеристику направленности гидроакустической антенны и повысить соотношение сигнал/шум.

ВОГИА по второму варианту выполнения работает аналогично. На модуляторы чувствительных элементов 6₁, 6₂, ..., 6_N от генераторов 13₁, 13₂, ..., 13_N, подается пилообразное напряжение 22 (фиг. 5). При этом скорость нарастания пилообразного напряжения на каждом модуляторе выбирается различной.

Тогда на выходе фотоприемника 2 при отсутствии акустического сигнала присутствуют гармонические составляющие различной частоты (на фиг. 5 под позицией 23 условно представлена одна из таких составляющих).

На электронный ключ 15 от генератора 16 подаются прямоугольные импульсы 24 меньшего периода по сравнению с периодом пилообразных импульсов. На время действия импульсов 24 электронный ключ 15 открывается. Это позволяет исключить из сигнала фотоприемника 2 переходные процессы на моменты спада пилообразного напряжения 22.

Акустический сигнал, регистрируемый антенной, приведет к частотной модуляции различных несущих (сигнал 25 на фиг. 5). Несущие частоты выделяются полосовыми фильтрами 8₁, 8₂, ..., 8_N, а частотные демодуляторы 14₁, 14₂, ... , 14_N позволяют выделить полезные сигналы 26. Далее работа ВОГИА совпадает с описанием, представленным выше.

Таким образом, ВОГИА в отличие от прототипа работает на одном интерферометре, позволяя упростить и удешевить оптическую схему антенны.

Источники информации 1. М.М. Бутусов, Ю.Ф. Тарасюк, Н.Л.Урванцева. Гидроакустические антенны на волоконных световодах. Зарубежная радиоэлектроника, 1983, N 5, c. 38 - 58.

2. Патент США N 4115753, кл. 340.GR ( G 01 S 3/80), 1978(прототип).

3. Т.Окоси и др. Волоконно-оптические датчики.-Л.:Энергоатомиздат. Л.О., 1990.

Формула изобретения

1. Волоконно-оптическая гидроакустическая измерительная антенна, содержащая волоконный интерферометр, выполненный в виде лазера, предметной и опорной катушек, фотоприемника, N волоконно-оптических чувствительных элементов, N - 1 линий задержки, суммирующий блок и регистратор, отличающийся тем, что N волоконно-оптических чувствительных элементов согласованы с предметной катушкой интерферометра, причем в антенну дополнительно введены N фазосдвигающих устройств и N генераторов пилообразных импульсов, подключенных к соответствующим фазосдвигающим устройствам, N узкополосных фильтров и N частотных детекторов, а также электронный ключ с генератором электрических колебаний, подключенным к управляющему входу электронного ключа, при этом выход фотоприемника через электронный ключ параллельно соединен с входами N узкополосных фильтров, выходы которых подключены к входам N частотных детекторов, соединенных выходами, кроме последнего, с входами N - 1 линий задержки, выходы которых подключены к N - 1 входам сумматора, а выход последнего частотного детектора соединен с N-м входом сумматора, подключенного выходом к регистратору.

2. Антенна по п.1, отличающаяся тем, что фазосдвигающие устройства выполнены в виде пьезоэлектрических шайб, на боковые поверхности которых намотаны с натягом отдельные участки предметной катушки интерферометра.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4, Рисунок 5