Волоконно-оптический преобразователь параметров акустических полей

Изобретение относится к области приборостроения и может быть использовано для измерения давления и определения значений параметров акустических полей в газах и жидкостях. Волоконно-оптический преобразователь параметров акустических полей содержит схему возбуждения источника оптического излучения, источник оптического излучения, оптический ответвитель, вспомогательный приемник оптического излучения, схему стабилизации мощности оптического излучения, волоконный световод, выполненный в виде цилиндрической двуканальной связанной коаксиальной структуры, содержащей стержневой одномодовый волновод и трубчатый одномодовый волновод, устройство периодической деформации световода, делитель оптического излучения, разделяющий оптическое излучение из стержневого волновода и трубчатого волновода, приемник оптического излучения, принимающий оптическое излучение с выхода стержневого волновода, дополнительный приемник оптического излучения, принимающий оптическое излучение с выхода трубчатого волновода, и устройство цифровой обработки аналоговых сигналов. Деформирующие элементы, образующие устройство периодической деформации, имеют периодические выступы и впадины. Изобретение обеспечивает повышение чувствительности волоконно-оптического преобразователя параметров акустических полей. 3 ил.

 

Изобретение относится к области приборостроения, в частности к устройствам для измерения давления и определения значений параметров (мониторинга) акустических полей в газах и жидкостях.

Известен волоконно-оптический преобразователь параметров акустических полей, содержащий источник оптического излучения, связанную с ним схему возбуждения источника оптического излучения, приемник оптического излучения, волоконный световод, заключенный в устройство периодической деформации между двумя деформирующими элементами, имеющими периодические выступы и впадины [1] (прототип).

Недостатком такого устройства является низкая чувствительность, малая точность измерений, значительные деформации волоконного световода. Периодическое искривление волоконного световода, заключенного в устройство периодической деформации между двумя деформирующими элементами, имеющими периодические выступы и впадины, происходит с периодом Λ=2πk/(β_i-β_j), где β_i, β_j - постоянные распространения некоторых двух мод, что приводит к обмену энергией между этими модами волоконного световода, работающего в многомодовом режиме. Принимается, что в исходном состоянии все моды сердцевины волоконного световода, работающего в многомодовом режиме, возбуждены равномерно, а моды оболочки волоконного световода, работающего в многомодовом режиме, не возбуждены. Если волоконный световод испытывает периодические изгибы с периодом Λ, то обмен энергией между модами оболочки волоконного световода, работающего в многомодовом режиме, и периферийными модами сердцевины волоконного световода, работающего в многомодовом режиме, постоянные распространения которых удовлетворяют равенству Λ=2πk/(β_i-β_j), имеет неравновесный характер. При этом энергия от периферийных мод сердцевины волоконного световода, работающего в многомодовом режиме, передается модам оболочки волоконного световода, работающего в многомодовом режиме, и рассеивается в оболочке. Периферийные моды теряют свою энергию. Если равенство Λ=2πk/(β_i-β_j) выполняется для периферийных мод сердцевины волоконного световода, работающего в многомодовом режиме, и более фундаментальных мод сердцевины волоконного световода, работающего в многомодовом режиме, то более фундаментальные моды сердцевины волоконного световода, работающего в многомодовом режиме, передают свою энергию периферийным модам сердцевины волоконного световода, работающего в многомодовом режиме. После этого энергия из периферийных мод сердцевины передается соответствующим модам оболочки, для которых выполняется равенство Λ=2πk/(β_i-β_j). Такой многоэтапный постепенный процесс передачи энергии от мод сердцевины волоконного световода, работающего в многомодовом режиме, к модам оболочки волоконного световода, работающего в многомодовом режиме, приводит к низкой чувствительности волоконно-оптического преобразователя параметров акустических полей (например, акустического давления), и к необходимости или работы при больших изгибных деформациях волоконного световода, что приводит к уменьшению долговечности и повышению минимально детектируемого акустического давления, или работы с волоконным световодом малого диаметра, что возможно лишь при уменьшении периода изгибов Λ, что также приводит к большим изгибным деформациям волоконного световода. Низкая чувствительность устройства вызвана тем, что в качестве чувствительного элемента применен многомодовый волоконный световод.

Выходной сигнал волоконно-оптического преобразователя параметров акустических полей определяется по величине оптической мощности, выходящей из сердцевины волоконного световода, работающего в многомодовом режиме, или по величине оптической мощности, перешедшей в оболочку волоконного световода, работающего в многомодовом режиме. Поэтому выходной сигнал волоконно-оптического преобразователя параметров акустических полей является амплитудным, что приводит к значительным погрешностям при измерении параметров акустических полей.

Технический результат, создаваемый изобретением, - повышение чувствительности волоконно-оптического преобразователя параметров акустических полей.

Указанный результат достигается тем, что волоконно-оптический преобразователь параметров акустических полей, содержащий источник оптического излучения, связанную с ним схему возбуждения источника оптического излучения, приемник оптического излучения, волоконный световод, заключенный в устройство периодической деформации между двумя деформирующими элементами, имеющими периодические выступы и впадины, снабжен дополнительным приемником оптического излучения, устройством цифровой обработки аналоговых сигналов, делителем оптического излучения, схемой стабилизации мощности оптического излучения, вспомогательным приемником оптического излучения и оптическим ответвителем для отвода части оптической мощности источника оптического излучения к вспомогательному приемнику оптического излучения, соединенному со схемой стабилизации мощности оптического излучения, причем источник оптического излучения является одномодовым источником оптического излучения, волоконный световод выполнен в виде цилиндрической двуканальной связанной коаксиальной структуры, содержащей стержневой одномодовый волновод и трубчатый одномодовый волновод, при этом вход делителя оптического излучения соединен по оптическому потоку с выходным торцом волоконного световода и предназначен для разделения оптического излучения из стержневого одномодового волновода и трубчатого одномодового волновода.

На фиг.1 представлена блок-схема волоконно-оптического преобразователя параметров акустических полей.

На фиг.2 представлено распределение показателей преломления в волоконном световоде, выполненном в виде цилиндрической двуканальной коаксиальной структуры, содержащей стержневой одномодовый волноводный канал и трубчатый одномодовый волноводный канал.

На фиг.3 представлен вид волоконного световода, помещенного в устройство периодической деформации.

Волоконно-оптический преобразователь параметров акустических полей содержит схему возбуждения источника оптического излучения 1, источник оптического излучения 2, оптический ответвитель 3, вспомогательный приемник оптического излучения 4, схему стабилизации мощности оптического излучения 5, волоконный световод 6, устройство периодической деформации 7, делитель оптического излучения 8, приемник оптического излучения 9, дополнительный приемник оптического излучения 10, устройство цифровой обработки аналоговых сигналов 11, деформирующие элементы 12, 13. Выход схемы возбуждения источника оптического излучения 1 соединен со входом источника оптического излучения 2, который выполнен одномодовым и выход которого соединен со входом оптического ответвителя 3. Оптический ответвитель 3 имеет два выхода и предназначен для деления на две части оптической мощности, поступающей на его вход. Один выход оптического ответвителя 3 соединен последовательно со входом вспомогательного приемника оптического излучения 4, схемой стабилизации мощности оптического излучения 5 и схемой возбуждения источника оптического излучения 1, которые образуют канал стабилизации мощности оптического излучения. Другой выход оптического ответвителя 3 соединен по оптическому лучу с волоконным световодом 6, который выполнен одномодовым в виде концентрически расположенных трубчатого волновода и стержневого волновода. Волоконный световод 6 располагается в устройстве периодической деформации 7 и состоит из связанных стержневого волновода (а) и трубчатого волновода (б). Стержневой волновод предназначен для передачи оптического излучения по волоконному световоду. Трубчатый волновод выполняет функцию отвода оптического излучения из стержневого волновода. Между стержневым волноводом и трубчатым волноводом находится концентрический разделительный слой (в). Трубчатый волновод покрыт оболочкой (г) и защитным слоем (д) (фиг.2). Диаметры и показатели преломления волоконного световода 6 подобраны так, что разность постоянных распространения по стержневому волноводу β_r и по трубчатому волноводу β_t удовлетворяла условию (β_r-β_t)=2πк/Λ, где Λ - период изгибных деформаций волоконного световода 6 в устройстве периодической деформации 7. Устройство периодической деформации 7 образовано деформирующими элементами 12, 13, имеющими периодические выступы и впадины. Выходной торец волоконного световода соединен с делителем оптического излучения 8, разделяющим оптическое излучение из стержневого волновода и трубчатого волновода волоконного световода 6. Вход приемника оптического излучения 9 соединен по оптическому лучу с выходом делителя оптического излучения 8, передающим оптическое излучение стержневого волновода волоконного световода 6. Вход дополнительного приемника оптического излучения 10 соединен по оптическому лучу с выходом делителя оптического излучения 8, передающим оптическое излучение трубчатого волновода волоконного световода 6. Прием оптического излучения как со стержневого волновода волоконного световода 6, так и с трубчатого волновода волоконного световода 6 осуществляется для устранения влияния изменения мощности оптического излучения на точность измерения параметров акустических полей. Выход приемника оптического излучения 9 и выход дополнительного приемника оптического излучения 10 соединены с входами устройства цифровой обработки аналоговых сигналов 11.

Волоконно-оптический преобразователь параметров акустических полей работает следующим образом. Оптическое излучение источника оптического излучения 2, возбужденного схемой возбуждения источника оптического излучения 1, пропускается через оптический ответвитель 3. Оптический ответвитель 3 отводит часть оптической мощности, создаваемой одномодовым источником оптического излучения 2, к вспомогательному приемнику оптического излучения 4, с которого выходной сигнал подается на схему стабилизации мощности оптического излучения 5. Схема стабилизации мощности оптического излучения 5 формирует выходной сигнал, подводимый к схеме возбуждения источника оптического излучения 1 и обеспечивающий стабилизацию мощности оптического излучения, создаваемого одномодовым источником оптического излучения 2. Так, при уменьшении мощности оптического излучения, поступающей на вход вспомогательного приемника оптического излучения 4, уменьшается его выходной сигнал, что приводит к изменению выходного сигнала схемы стабилизации мощности оптического излучения 5, увеличивающему выходной сигнал схемы возбуждения источника оптического излучения 1 и мощность оптического излучения одномодового источника оптического излучения 2 соответственно.

Основная часть оптического излучения после прохождения оптического ответвителя 3 вводится в волоконный световод 6, например в стержневой волновод волоконного световода 6. Волоконный световод 6 расположен в устройстве периодической деформации 7, которое состоит из деформирующих элементов 12, 13. Деформирующие элементы 12, 13 имеют, например, периодические выступы и впадины с периодом Λ. Волоконный световод 6 помещен между деформирующими элементами 12, 13 и находится в механическом контакте с периодическими выступами деформирующих элементов 12, 13. Под действием акустического поля (давления р), воздействующего на устройство периодической деформации 7, деформирующие элементы 12, 13 перемещаются, что ведет к возникновению в волоконном световоде 6 периодических микроизгибов. Период изгибных деформаций Λ волоконного световода 6 в устройстве периодической деформации 7 выбирается с учетом механической прочности волоконного световода 6. Диаметры и показатели преломления волоконного световода 6 подобраны так, что разность постоянных распространения по стержневому волноводу β_r и по трубчатому волноводу β_t удовлетворяет условию (β_r-β_t)=2πk/Λ, где k=1, 2,... В результате деформации волоконного световода 6 происходит неравновесный обмен энергией между модой стержневого волновода и модой трубчатого волновода световода 6, так как удовлетворяется равенство Λ=2πk/(β_i-β_j). При воздействии периодических деформаций на волоконный световод 6 происходит периодическое сжатие и растяжение его участков, и в стержневом и трубчатом волноводах волоконного световода 6 изменяются условия распространения оптического излучения. Условия полной связи между стрежневым и трубчатым волноводами волоконного световода 6 возникают при равенстве постоянных распространения оптического излучения β_r=β_t.

β_r=f_r(n1, n2, r1, λ, x), β_t=f_t(n2, n3, n4, r2, r3, λ, x),

где n1, n2, n3, n4 - показатели преломления стержневого волновода, разделительного слоя, трубчатого волновода, оболочки волоконного световода 6; r1, r2, r3 - радиусы стержневого волновода, разделительного слоя, трубчатого волновода волоконного световода 6; λ - длина волны оптического излучения источника оптического излучения 2; x - относительное смещение деформирующих элементов 12, 13 при воздействии акустического поля.

В результате периодических механических деформаций волоконного световода 6, вызванных акустическим воздействием (давлением р) изменяются параметры волоконного световода 6, и, следовательно, происходит изменение условий связи между стержневым волноводом и трубчатым волноводом, что в свою очередь приводит к перекачке оптической энергии из одного волновода в другой, например мощность оптического излучения передается от стержневого волновода к трубчатому волноводу волоконного световода 6, работающего в одномодовом режиме. Таким образом, осуществляется модуляция оптического сигнала. За счет обмена энергией лишь между двумя модами волоконного световода 6, которые переносят всю мощность оптического излучения, обеспечивается повышение чувствительности при измерении параметров акустических полей.

Оптическое излучение из волоконного световода 6, промодулированное по частоте и амплитуде, поступает на делитель оптического излучения 8, который разделяет оптические сигналы от стержневого волновода и трубчатого волновода волоконного световода 6. Затем оптическое излучение поступает на приемники оптического излучения 9 и 10 от стержневого волновода и трубчатого волновода волоконного световода 6. Далее сигналы поступают в устройство цифровой обработки аналоговых сигналов 11. Устройство цифровой обработки аналоговых сигналов 11 осуществляет с заданной периодичностью аналого-цифровое преобразование поступающих на него сигналов, цифровую обработку измерительной информации, внесение поправки на основе хранящихся в нем данных, полученных на этапе предварительной калибровки волоконно-оптического преобразователя параметров акустических полей, сохранение результатов обработки информации во внутренней энергонезависимой памяти, накопление информации и выдачу информации по командам, поступающим по внешнему цифровому интерфейсу устройства цифровой обработки аналоговых сигналов 11. В устройстве цифровой обработки аналоговых сигналов 11 выделяется переменная составляющая сигнала, по частоте которой определяется частота акустического воздействия и по амплитуде которой определяется акустическое давление. На выходы устройства цифровой обработки аналоговых сигналов 11 выдаются сигналы, пропорциональные частоте акустического воздействия и акустическому давлению.

Необходимость измерения оптического сигнала как в стержневом волноводе, и в трубчатом волноводе обусловлена возможной нестабильностью мощности источника оптического излучения и потерь в волоконном световоде.

Итак, использование предлагаемого устройства позволяет повысить чувствительность при определении параметров акустических полей за счет обеспечения взаимодействия лишь между двумя модами волоконного световода 6; увеличить долговечность волоконного световода 6 за счет уменьшения их микроизгибных деформаций.

Кроме того, в прототипе выходной сигнал является амплитудным, что приводит к значительным погрешностям при измерении параметров акустических полей, этот недостаток также устранен за счет измерения относительной мощности сигналов стержневого волновода и трубчатого волновода волоконного световода 6.

Изобретение может быть использовано для измерения частоты акустических воздействий и акустического давления в газовых и жидких средах, например гидроакустического давления.

Литература

1. N.Lagakos, T.Litovitz, R.Morh, e.a. Microbend Fiber-optic Sensor as Extended Hydrophone // IEEE Journal. 1982, v.QE-18, #10, p.p.1633-1638.

Волоконно-оптический преобразователь параметров акустических полей, содержащий источник оптического излучения, связанную с ним схему возбуждения источника оптического излучения, приемник оптического излучения, волоконный световод, заключенный в устройство периодической деформации между двумя деформирующими элементами, имеющими периодические выступы и впадины, отличающийся тем, что он снабжен дополнительным приемником оптического излучения, устройством цифровой обработки аналоговых сигналов, оптическим делителем, схемой стабилизации мощности оптического излучения, вспомогательным приемником оптического излучения и оптическим ответвителем, вход которого соединен с выходом источника оптического излучения, а два выхода соединены соответственно с волоконным световодом и с вспомогательным приемником оптического излучения, соединенным со схемой стабилизации мощности оптического излучения, выход которой соединен со входом схемы возбуждения источника оптического излучения, причем источник оптического излучения является одномодовым источником оптического излучения, волоконный световод выполнен в виде цилиндрической двуканальной связанной коаксиальной структуры, содержащей стержневой одномодовый волновод и трубчатый одномодовый волновод, при этом выходной торец волоконного световода соединен с делителем оптического излучения, разделяющим оптическое излучение из стержневого волновода и трубчатого волновода волоконного световода, вход приемника оптического излучения соединен по оптическому лучу с выходом делителя оптического излучения, передающим оптическое излучение стержневого волновода волоконного световода, вход дополнительного приемника оптического излучения соединен по оптическому лучу с выходом делителя оптического излучения, передающим оптическое излучение трубчатого волновода волоконного световода, выход приемника оптического излучения и выход дополнительного приемника оптического излучения соединены с входами устройства цифровой обработки аналоговых сигналов.