一种光纤干涉式水听器探测系统及方法
阅读：676发布：2020-05-08
专利汇可以提供一种光纤干涉式水听器探测系统及方法专利检索，专利查询，专利分析的服务。并且本 发明 公开了一种光纤干涉式 水 听器 探测系统及方法，包括 激光器 ，激光器发出的激光传输至激光隔离器，激光隔离器与 耦合器 的一输入端连接，耦合器的另一输入端与光电探测模 块 连接，光电探测模块与 信号 解调模块连接；所述耦合器的一输出端与传感臂连接，耦合器的另一输出端与参考臂连接，所述传感臂采用能透声的水听器传感 探头 ，参考臂置于能隔声的密封箱内。，下面是一种光纤干涉式水听器探测系统及方法专利的具体信息内容。
1.一种光纤干涉式水听器探测系统，其特征是，包括激光器，激光器发出的激光传输至激光隔离器，激光隔离器与耦合器的一输入端连接，耦合器的另一输入端与光电探测模块连接，光电探测模块与信号解调模块连接；所述耦合器的一输出端与传感臂连接，耦合器的另一输出端与参考臂连接，所述传感臂采用能透声的水听器传感探头，参考臂置于能隔声的密封箱内。
2.如权利要求1所述的光纤干涉式水听器探测系统，其特征是，所述水听器传感探头包括柱体，柱体外侧缠绕设置传感光纤，传感光纤尾端设置第一光纤反射镜。
3.如权利要求2所述的光纤干涉式水听器探测系统，其特征是，所述柱体为空心结构，且柱体为弹性材料制成。
4.如权利要求2所述的光纤干涉式水听器探测系统，其特征是，所述传感光纤外侧均匀涂有透声材料。
5.如权利要求1所述的光纤干涉式水听器探测系统，其特征是，所述参考臂包括参考光纤，参考光纤尾端设置第二光纤反射镜。
6.如权利要求5所述的光纤干涉式水听器探测系统，其特征是，所述参考光纤与传感臂等长。
7.如权利要求1所述的光纤干涉式水听器探测系统，其特征是，所述密封箱内外均匀涂有隔声材料。
8.如权利要求1所述的光纤干涉式水听器探测系统，其特征是，所述激光器采用分布式反馈激光器。
9.如权利要求1-8任一项所述的光纤干涉式水听器探测系统的探测方法，其特征是，包括以下步骤：
激光器发出激光，经过激光隔离器、耦合器，由耦合器分为两束光分别传输至传感臂、参考臂；
传感臂、参考臂均将光反射折回至耦合器产生干涉，干涉信号经耦合器输送至光电探测模块，光电探测模块转换成电信号传输给信号解调模块，信号解调模块解调出被测声信号。
10.如权利要求9所述的探测方法，其特征是，当水听器传感探头受到声压信号影响时，水听器传感探头的柱体在声压作用下外半径尺寸发生改变，从而传感光纤长度发生变化，引起光相位发生变化，由此传感臂和参考臂的反射光产生光程差，形成干涉条纹。
一种光纤干涉式水听器探测系统及方法
技术领域
[0001] 本公开属于水下目标探测技术领域，具体涉及一种光纤干涉式水听器探测系统及方法。
背景技术
[0003] 水下声音探测，传统的压电型水听器受其物理特性限制，在抗电磁干扰、传输距离、尺寸结构等方面存在瓶颈，为适应水下反潜战的需要，光纤水听器技术在光纤传感和光电子技术发展基础上应运而生。光纤水听器和上述的利用电学、磁学原理制作的水听器不同，它是一种用光纤来作为敏感基元和信息传递的水下声传感器。光纤水听器相对传统水听器在灵敏度、动态范围和信号传输方面有明显的提高，同时具有体积小、重量轻、抗电磁干扰能力强等诸多优点。
[0004] 目前所研究的光纤水听器主要为干涉型光纤水听器，最为常用的结构是迈克尔逊干涉仪和马赫曾德尔结构。虽然现在已经有很多人提出各种各样的探测系统用于测量水声压信号，但仍然普遍存在一些问题，例如动态范围差，灵敏度低，可测频带窄，结构复杂，制作工艺要求高难以实现等。发明内容
[0005] 本公开目的是为克服上述现有技术的不足，提供一种光纤干涉式水听器探测系统及方法；该探测系统通过光纤迈克尔逊干涉仪原理对水下声信号进行高精度测量，具有抗干扰能力强、结构简单、可测频带宽、灵敏度高、制作工艺简单易于实现和成本低等特点。
[0006] 本公开的第一发明目的是提出一种光纤干涉式水听器探测系统，为实现上述目的，本公开采用下述技术方案：
[0007] 一种光纤干涉式水听器探测系统，包括激光器，激光器发出的激光传输至激光隔离器，激光隔离器与耦合器的一输入端连接，耦合器的另一输入端与光电探测模块连接，光电探测模块与信号解调模块连接；所述耦合器的一输出端与传感臂连接，耦合器的另一输出端与参考臂连接，所述传感臂采用能透声的水听器传感探头，参考臂置于能隔声的密封箱内。
[0008] 作为进一步的技术方案，所述水听器传感探头包括柱体，柱体外侧缠绕设置传感光纤，传感光纤尾端设置第一光纤反射镜。
[0009] 作为进一步的技术方案，所述柱体为空心结构，且柱体为弹性材料制成。
[0010] 作为进一步的技术方案，所述传感光纤外侧均匀涂有透声材料。
[0011] 作为进一步的技术方案，所述参考臂包括参考光纤，参考光纤尾端设置第二光纤反射镜。
[0012] 作为进一步的技术方案，所述参考光纤与传感臂等长。
[0013] 作为进一步的技术方案，所述密封箱内外均匀涂有隔声材料。
[0014] 作为进一步的技术方案，所述激光器采用分布式反馈激光器。
[0015] 本公开的第二发明目的提出如上所述的光纤干涉式水听器探测系统的探测方法，包括以下步骤：
[0016] 激光器发出激光，经过激光隔离器、耦合器，由耦合器分为两束光分别传输至传感臂、参考臂；
[0017] 传感臂、参考臂均将光反射折回至耦合器产生干涉，干涉信号经耦合器输送至光电探测模块，光电探测模块转换成电信号传输给信号解调模块，信号解调模块解调出被测声信号。
[0018] 作为进一步的技术方案，当水听器传感探头受到声压信号影响时，水听器传感探头的柱体在声压作用下外半径尺寸发生改变，从而传感光纤长度发生变化，引起光相位发生变化，由此传感臂和参考臂的反射光产生光程差，形成干涉条纹。
[0019] 本公开的有益效果为：
[0020] 本公开的探测系统，水听器传感探头采用空心柱体型结构，空心柱体采用弹性材料，增强了传感探头的低频响应特性，拓宽了可测频带范围，同时提高了水听器的灵敏度，而且探头外层均匀涂有耐压耐水透声性好的复合材料，提高了水听器的稳定性和可靠性。
[0021] 本公开的探测系统，参考臂选择等臂长的参考光纤，并与传感臂放置在同一环境中，抑制了温度、环境噪声等因素对系统的影响，提高了测量精度，降低了系统的噪声水平。
[0022] 本公开的探测系统，通过光纤直接缠绕在弹性空心柱体上，柱体直接感受外界声信号产生形变，引起光纤的应变产生光程差，生成干涉信号，提高了测量灵敏度，降低制作难度，有效地减小了光纤水听器的制作工艺和成本。
[0023] 本公开的探测系统，利用迈克尔逊干涉结构,光路结构简单，易于搭建，成本低，同时光路经过反射镜反射回来，灵敏度提高了一倍。
[0026] 图1为一个实施例中公开的探测系统整体结构示意图；
[0027] 图2为水听器传感探头的截面示意图；
[0028] 图中，1、分布式反馈激光器，2、激光隔离器，3、2×2耦合器，4、弹性空心柱体，5、传感光纤，6、第一光纤反射镜，7、密封箱，8、参考光纤，9、第二光纤反射镜，10、光电探测模块，11、信号解调模块。
具体实施方式
[0029] 应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本申请提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本申请所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。
[0030] 需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本申请的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合；
[0031] 为了方便叙述，本公开中如果出现“上”、“下”、“左”“右”字样，仅表示与附图本身的上、下、左、右方向一致，并不对结构起限定作用,仅仅是为了便于描述本公开和简化描述，而不是指示或暗示所指的设备或元件必须具有特定的方位，以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本公开的限制。
[0032] 正如背景技术所介绍的，现有技术存在不足，为了解决如上的技术问题，本申请提出了一种光纤干涉式水听器探测系统及方法，可用于对水下安防、水下探测、科研应用等领域水声压的测量。
[0033] 本申请提供了一种光纤干涉式水听器探测系统，包括激光器，激光器发出的激光传输至激光隔离器，激光隔离器与耦合器的一输入端连接，耦合器的另一输入端与光电探测模块连接，光电探测模块与信号解调模块连接；所述耦合器的一输出端与传感臂连接，耦合器的另一输出端与参考臂连接，所述传感臂采用能透声的水听器传感探头，参考臂置于能隔声的密封箱内。
[0034] 实施例1
[0035] 下面结合附图1-附图2对本实施例公开的探测系统做进一步的说明；
[0036] 参照附图1所示，光纤干涉式水听器探测系统，包括一个分布式反馈激光器1、激光隔离器2、2×2耦合器3、弹性空心柱体4、传感光纤5、第一光纤反射镜6、密封箱7、参考光纤8、第二光纤反射镜9、光电探测模块10和信号解调模块11。
[0037] 分布式反馈激光器1发出激光传输到激光隔离器2，激光隔离器2与2×2耦合器3的一输入端连接，用于发射连续的激光信号，光电探测模块10和2×2耦合器3的另一个输入端连接，用于将探测干涉信号转换成电信号，信号解调模块11与光电探测模块10连接，解调出被测声信号。
[0038] 激光隔离器可以隔离2×2耦合器直通端反射回来的光，从而避免对激光器产生影响。
[0039] 2×2耦合器3的两个输出端分别为传感臂和参考臂，水听器传感探头作为迈克尔逊干涉结构的传感臂，水听器传感探头由弹性空心柱体4、传感光纤5和第一光纤反射镜6组成，尾端带有光纤反射镜6的传感光纤5均匀的缠绕在弹性空心柱体4外周上，在传感光纤5的外层均匀涂有耐压耐水透声性能好的复合材料，此处采用现有已知透声材料即可，比如聚氨酯水声透声材料，在此不再赘述。弹性空心柱体4采用弹性材料制成。在密封箱7里面，与传感臂等长的参考光纤8和第二光纤反射镜9组成参考臂，参考光纤8尾端带有第二光纤反射镜9，密封箱7内外均匀涂有隔声性能好的复合材料，此处采用现有已知隔声复合材料即可，比如聚氯乙烯基隔声复合材料，在此不再赘述。
[0041] 传感臂和参考臂均放在水下同一环境中，确保在无水声压信号时干涉仪两臂之间的平衡。
[0042] 密封箱7与外界进行声隔离，完全对声音不敏感,保证在有声压信号时，光纤中由信号引起的相位变化仅来自于传感臂，提高测量精度以及灵敏度。
[0043] 传感臂和参考臂设计成等臂长，可增加水听器的灵敏度，抑制温度和环境噪声等对系统的影响。
[0044] 信号解调模块11从干涉信号中解调出相应的声压的值。
[0045] 当没有水声信号，水听器传感探头处于静止时，两束反射光之间没有光程差，没有干涉条纹。当水听器传感探头受到水声压信号影响产生拉伸或者压缩时，两路反射光之间会产生相应的光程差，因此产生干涉条纹。
[0046] 在使用时，外界产生水声压信号，水听器传感探头的弹性空心柱体在声压的作用下径向尺寸发生改变，进而带动缠绕在上面的传感光纤长度和折射率发生改变，其中光纤长度的变化占主导地位，从而引起光相位的变化。
[0047] 弹性空心柱体在声压的作用下，径向变化可以表示为:
[0048]
[0049] 其中a为厚壁芯轴的外半径，b为内半径,Δa为外半径的变化,p为均匀径向压力,E为材料的杨氏模量，ν为材料的泊松比。则空心柱体外部半径a在压力作用下引起的变化导致的光纤长度L的变化为:
[0050]
[0051] 又因为当光通过长度为L和折射率为n的光纤时，传播的光相位为
[0052]
[0053] 其中λ是光在真空中的波长。则光相位的改变就可以表达为与空心柱体外半径变化量有关的关系式：
[0054]
[0055] 因此水声压信号就转换成了传感光纤臂中光相位的变化，干涉仪两臂之间干涉产生干涉条纹。光电探测模块能够探测干涉条纹中相应的相位变化，之后通过解调模块就可以解调出相应的相位变化信息，进一步得出被测的声信号。
[0056] 本公开水听器探测系统的工作原理为：
[0057] 分布式反馈激光器1发出的激光经过激光隔离器2后，进入2×2耦合器3被分成两束光，两束光分别一路进入水听器传感探头作为迈克尔逊干涉仪的传感臂，另一路连接等臂长参考光纤作为参考臂。两束光分别入射到光纤尾端的光纤反射镜上，在光纤反射镜上发生反射，反射回到原光路中的两束光进入2×2耦合器3产生干涉现象。干涉信号经耦合器的耦合端输出进入到光电探测模块中，转换成电信号，最后通过解调模块解调出被测声信号。
[0058] 当没有水声压信号，光纤水听器传感探头处于稳定状态时，两束反射光之间没有光程差，没有干涉条纹。
[0059] 当光纤水听器传感探头受到声压信号的影响时，水听器传感探头中的弹性空心柱体在声压的作用下外半径径向尺寸发生改变，从而导致缠绕在上面的传感光纤长度也一起发生改变，光在光纤中的光程发生改变，引起光相位发生变化，而参考臂不受声压信号的影响，光在参考光纤中的光程没有改变，因此这两路反射光之间就产生了光程差，形成带有相位变化信息的干涉条纹。
[0060] 从2×2耦合器3另一个输入端出来的干涉信号进入到光电探测模块10中，可以探测干涉条纹相应的相位变化，并将光信号转换为电信号，之后通过信号解调模块11进行解调就可以得出相应的相位变化，进一步得出被测的水声压信号。
[0061] 在使用时，水听器传感探头和密封箱一同放在水下，因为激光照射到尾端的光纤反射镜又原路反射回来，所以光路变化量是原来的两倍，两路干涉信号因存在光程差而产生干涉条纹，经光电探测模块探测，将光信号转换为电信号，光程差转换为相应的相位变化信息被探测，经过信号解调模块，将相位变化信息解调出来，因此就得到了被测水的声压信息。由于光程差与光纤的应变是两倍关系，所以灵敏度又提高了一倍。同时传感臂和参考臂处在同一环境中，使得温度、环境噪声等在两干涉臂中引起的变化相同而相互抵消，故外界环境温度等对水听器探测系统的影响减弱，提高了测量精度和抗干扰能力。而且此水听器探测系统，光路结构简单，探头工艺要求简单，易于实现一致性，有效地减小了光纤水听器的制作工艺和成本。
[0062] 上述虽然结合附图对本公开的具体实施方式进行了描述，但并非对本公开保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本公开的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本公开的保护范围以内。
[0063] 以上所述仅为本申请的优选实施例而已，并不用于限制本申请，对于本领域的技术人员来说，本申请可以有各种更改和变化。凡在本申请的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的保护范围之内。
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