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CN101726354B - 光纤激光矢量水听器 - Google Patents

光纤激光矢量水听器 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种光纤激光矢量水听器，包括：由圆形壳、光纤激光器、质量块、框架、弹簧构成光纤激光矢量水听器的探头部分，其平均密度等于水的密度；光源，通过波分模块连接于探头部分的光纤激光器，用于为光纤激光器提供泵浦光；波分模块，用于分离光源的泵浦光和光纤激光器的输出光；光纤干涉仪，用于将光纤激光器的输出波长变化转变为相位变化，并输出给解调仪；解调仪，用于从接收自光纤干涉仪的相位变化信号中解调出质点振动加速度信号；其中，光纤激光器、波分模块和光源通过光缆依次连接，光纤激光器、波分模块、光纤干涉仪和解调仪也通过光缆依次连接。利用本发明减小了光纤矢量水听器的体积和封装工艺的难度。

Description

光纤激光矢量水听器
技术领域
本发明涉及水听器技术领域，尤其涉及一种光纤激光矢量水听器。
背景技术
光纤传感器与对应的常规传感器相比，在灵敏度、动态范围、可靠性等方面具有明显的优势，在国防、军事应用领域显得尤为突出，被许多国家列为重点发展的国防技术。
光纤水听器是利用光纤的传光特性以及它与周围液体环境中的声波相互作用产生的种种调制效应，探测液体介质中的声波信号的仪器。它与传统的压电类水听器相比，有以下主要优势：频带宽、声压灵敏度高、不受电磁干扰、重量轻、可设计成任意形状，以及兼具信息传感及光信息传输于一身等优点。
一般所说的水听器指的是标量水听器，即测量水中声压的水听器。而矢量水听器是测量水中矢量信号的水听器。水中声波的矢量主要有声压梯度、质点振速、质点位移、质点加速度等。这些参量只要知道其中的一个，其它的即可推算出来。由于矢量水听器的单元具有指向性，可以比较容易地判别目标的方位，在相同阵元容量的情况下具有更高的空间增益，因此在近年来得到了广泛的研究。但是，矢量水听器对于封装的要求也比较高，首先要求其结构空间对称，其次要求其平均密度与水的密度相同，这样才能保证信号不失真。
而光纤矢量水听器就是把光纤水听器技术和是矢量水听器技术结合起来的结果。它兼具光纤水听器和矢量水听器的优点。
鉴于光纤矢量水听器的如上技术优势，可满足各发达国家在石油、军事等领域的要求，目前已经在此方面积极展开研究。
国防科技大学胡永明等人报道了一种光纤矢量水听器(胡永明等，“光纤矢量水听器研究进展”，中国声学学会2006年全国声学学术会议，厦门，2006，pp.129-130)。该光纤矢量水听器是采用三个光纤干涉仪作为三个光纤加速度计，来分别采集三个方向质点的加速度信号。由于在矢量水听器探头中采用了光纤干涉仪，往往需要一个较大的质量块使缠绕在弹性体上的光纤产生相应的形变，致使水听器探头内部的体积较大，探头的平均密度不容易控制。
康崇等人也报道了一种光纤矢量水听器(康崇等，“薄壁圆柱壳体压差式光纤矢量水听器”，中国激光，vol.35，pp.1214-1219，2008)，同样是采用光纤干涉仪的结构作为水听器的探头。所不同的是，该矢量水听器是将光纤干涉仪的光纤直接缠绕在薄壁筒上，利用薄壁筒感受声压梯度从而得到矢量信号。其缺点在于：光纤干涉仪的绕制工艺十分复杂，难于控制；该水听器的外形并非空间对称，从而会引入信号失真等问题；并且该光纤矢量水听器只能测一个方向的矢量信号。
鉴于上述技术方案全部采用光纤干涉仪作为光纤矢量水听器的探头，从而带来工艺复杂、体积较大、封装困难的问题，本发明提出一种光纤激光矢量水听器，用于在军事领域和石油勘探等民用领域的水声探测，重点解决传感器的体积、工艺、平均密度控制等问题。
发明内容
(一)要解决的技术问题
有鉴于此，本发明的主要目的在于提供一种光纤激光矢量水听器，以解决传感器的体积、工艺、平均密度控制等问题。
(二)技术方案
为达到上述目的，本发明的技术方案是这样实现的：
一种光纤激光矢量水听器，该光纤激光矢量水听器包括：
由圆形壳10、光纤激光器21、质量块30、框架50、弹簧51构成光纤激光矢量水听器的探头部分55，其平均密度等于水的密度；
光源70，通过波分模块71连接于探头部分55的光纤激光器21，用于为光纤激光器21提供泵浦光；
波分模块71，用于分离光源70的泵浦光和光纤激光器21的输出光；
光纤干涉仪80，用于将光纤激光器21的输出波长变化转变为相位变化，并输出给解调仪90；
解调仪90，用于从接收自光纤干涉仪80的相位变化信号中解调出质点振动加速度信号；
其中，光纤激光器21、波分模块71和光源70通过光缆依次连接，光纤激光器21、波分模块71、光纤干涉仪80和解调仪90也通过光缆依次连接；
所述探头部分55包括：
圆形壳10，用于光纤激光矢量水听器的内部结构保护并感受声波；
至少一支光纤激光器21和至少一个质量块30，安装于圆形壳10的内部，用于测量质点振动加速度；
框架50；以及
安装于框架50上的弹簧51，用于安装固定圆形壳10。
上述方案中，所述圆形壳10为一薄壁球形壳，用于安装并保护内部的光纤激光器21和一个质量块30。
上述方案中，所述光纤激光器21为分布布拉格反射型光纤激光器或者分布布拉格反馈型光纤激光器，用于感受质点加速度并转变为其输出波长的变化，其一端固定于圆形壳10上，另一端固定在质量块30上。
上述方案中，所述质量块30通过光纤激光器21悬挂于圆形壳10的内部，并安装于圆形壳10的几何中心，其安装方式为在圆形壳10的直径方向上，在质量块30的一侧通过光纤激光器21将其固定在圆形壳10的内壁上，在质量块30的另一侧通过一段光纤或者另一光纤激光器21将其固定在圆形壳10的内壁上。
上述方案中，在质量块30的两侧、同一径向上进一步分别安装两支光纤激光器21，从而形成差动式结构，以提高灵敏度并补偿温度影响。
上述方案中，所述光纤干涉仪80为迈克尔逊型光纤干涉仪或者马赫-曾德型光纤干涉仪。
上述方案中，所述光纤激光器21采用无源的光纤布拉格光栅代替。
上述方案中，所述光源70采用宽带光源代替。
(三)有益效果
从上述技术方案可以看出，本发明具有以下有益效果：
1、本发明提供的这种光纤激光矢量水听器，在其内部使用光纤激光器代替光纤干涉仪感测信号，而光纤激光器的体积远远小于光纤干涉仪，从而很大限度的减小了光纤矢量水听器的体积。
2、本发明提供的这种光纤激光矢量水听器，不必在内部封装光纤干涉仪，从而极大的减小了封装工艺的难度。
3、本发明提供的这种光纤激光矢量水听器，在其探头的内部只有光纤激光器及质量块，光纤激光器的质量相对于其它部分可以忽略，因此更加容易控制光纤激光矢量水听器探头的平均密度。
附图说明
图1为依照本发明第一个实施例提供的光纤激光矢量水听器的结构图；
图2为依照本发明第二个实施例提供的光纤激光矢量水听器的结构图；
图3为依照本发明第三个实施例提供的光纤激光矢量水听器的结构图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明进一步详细说明。
请参照图1，图1为依照本发明第一个实施例提供的光纤激光矢量水听器的结构图。该光纤激光矢量水听器包括：圆形壳10，用于光纤激光矢量水听器探头的内部结构保护并感受声波；安装于圆形壳10内部的至少一支光纤激光器21及至少一个质量块30，用于测量质点振动加速度；光纤激光器21的一端固定于圆形壳10上，另一端固定在质量块30上；质量块30通过光纤激光器21悬挂于圆形壳10内部；框架50，以及安装于框架50上的弹簧51，用于安装圆形壳10；以上圆形壳10、光纤激光器21、质量块30、框架50、弹簧51共同构成光纤激光矢量水听器的探头部分55，其平均密度等于水的密度。
光源70，用于为光纤激光器21提供泵浦光；光纤干涉仪80，用于将光纤激光器21的输出波长变化转变为相位变化；解调仪90，用于解调出质点振动加速度信号；波分模块71，用于分离光源70的泵浦光和光纤激光器21的输出光；上述光纤激光器21、波分模块71、光源70、光纤干涉仪80、解调仪90之间有光缆29连接。
圆形壳10为一薄壁球形壳，用于安装并保护内部的结构。其上可进一步开有孔11，用于光缆29和光纤激光器21之间的连接。
圆形壳10的内部一般充满油等密度小于水的介质，以平均质量块30和圆形壳10的密度，使光纤激光矢量水听器的探头部分55的平均密度与水的密度相当。
光纤激光器21为分布布拉格反射型(DBR)光纤激光器或者分布布拉格反馈型(DFB)光纤激光器，用于感受质点加速度并转变为其输出波长的变化。
在本发明中，光纤激光器21至少为一支，或者为两支，或者为三支，分别安装在三个互相垂直的方向。当安装一支光纤激光器21时，为一维光纤矢量水听器，其测试方向为光纤激光器的轴向；当安装两支光纤激光器21时，为二维光纤矢量水听器，其测试平面为两支光纤激光器的轴向所构成的平面；当安装三支光纤激光器21时，为三维光纤矢量水听器，其测试方向为三维空间。光纤激光器21的安装方式均为：其一端连接于质量块30，另一端连接于圆形壳10的内壁。
质量块30安装于圆形壳10的几何中心，其安装方式为在圆形壳10的直径方向上，在质量块30的一侧通过光纤激光器21将其固定在圆形壳10的内壁上，在质量块30的另一侧通过一段光纤或者另一光纤激光器21将其固定在圆形壳10的内壁上。
光纤干涉仪80为迈克尔逊型光纤干涉仪或者马赫-曾德型光纤干涉仪。
本发明提供的光纤激光矢量水听器的工作原理为，光源70为光纤激光器21提供泵浦光，光纤激光器21在被光源70泵浦后发出激光。
光纤激光矢量水听器的探头部分55置于水下，并通过框架51固定。当有声波信号时，圆形壳10会由于液体质点的振动而一起振动。由于光纤激光矢量水听器的探头部分55的平均密度和水的密度相同。质量块50会同相位地相对于圆形壳10振动，从而带动光纤激光器21产生轴向应变，引起其输出光波长发生变化。光纤激光器21所发出的激光经过波分模块71后进入光纤干涉仪80，其波长变化转变为光纤干涉仪80的输出相位变化，光纤干涉仪80的输出信号进入解调仪90，采用相应的解调算法(例如相位产生载波算法)从而解调出水中的矢量信号。
特别需要说明的是，本发明提出的结构不仅仅适用于光纤激光器，并且可以适用于其它波长调制的光纤器件，例如可以利用光纤布拉格光栅来代替光纤激光器21。
请参照图2，图2为依照本发明第二个实施例提供的光纤激光矢量水听器的结构图。该光纤激光矢量水听器包括：圆形壳10，用于光纤激光矢量水听器探头的内部结构保护并感受声波；安装于圆形壳10内部的至少一支光纤激光器21及至少一个质量块30，用于测量质点振动加速度；光纤激光器21的一端固定于圆形壳10上，另一端固定在质量块30上；质量块30通过光纤激光器21悬挂于圆形壳10内部；框架50，以及安装于框架50上的弹簧51，用于安装圆形壳10；以上圆形壳10、光纤激光器21、质量块30、框架50、弹簧51共同构成光纤激光矢量水听器的探头部分55，其平均密度等于水的密度。
光源70，用于为光纤激光器21提供泵浦光；光纤干涉仪80，用于将光纤激光器21的输出波长变化转变为相位变化；解调仪90，用于解调出质点振动加速度信号；波分模块71，用于分离光源70的泵浦光和光纤激光器21的输出光；上述光纤激光器21、波分模块71、光源70、光纤干涉仪80、解调仪90之间有光缆29连接。
圆形壳10为一薄壁球形壳，用于安装并保护内部的结构。其上可进一步开有孔11，用于光缆29和光纤激光器21之间的连接。
圆形壳10的内部一般充满油等密度小于水的介质，以平均质量块30和圆形壳10的密度，使光纤激光矢量水听器的探头部分55的平均密度与水的密度相当。
光纤激光器21为分布布拉格反射型(DBR)光纤激光器或者分布布拉格反馈型(DFB)光纤激光器，用于感受质点加速度并转变为其输出波长的变化。
在本发明中，光纤激光器21至少为一只，或者为两支，或者为三支，分别安装在三个互相垂直的方向。当安装一支光纤激光器21时，为一维光纤矢量水听器，其测试方向为光纤激光器的轴向；当安装两支光纤激光器21时，为二维光纤矢量水听器，其测试平面为两支光纤激光器的所构成的平面；当安装三支光纤激光器21时，为三维光纤矢量水听器，其测试方向为三维空间。光纤激光器21的安装方式均为：其一端连接于质量块30，另一端连接于圆形壳10的内壁。
本实施例中，通过在质量块30的两侧圆形壳10的径向、相对安装于光纤激光器21的另一侧安装光纤激光器22，形成差动式结构并进行温度补偿。则此时本发明的圆形壳10内可以安装两支、四支、六支光纤激光器，分别形成一维、二维、三维光纤矢量水听器。
质量块30安装于圆形壳10的几何中心，其安装方式为在圆形壳10的直径方向上，在质量块30的一侧通过光纤激光器21将其固定在圆形壳10的内壁上，在质量块30的另一侧通过一段光纤或者另一光纤激光器21将其固定在圆形壳10的内壁上。
光纤干涉仪80为迈克尔逊型光纤干涉仪或者马赫-曾德型光纤干涉仪。
本发明提供的光纤激光矢量水听器的工作原理为，光源70为光纤激光器21提供泵浦光，光纤激光器21在被光源70泵浦后发出激光。
光纤激光矢量水听器的探头部分55置于水下，并通过框架51固定。当有声波信号时，圆形壳10会由于液体质点的振动而一起振动。由于光纤激光矢量水听器的探头部分55的平均密度和水的密度相同。质量块50会同相位地相对于圆形壳10振动，从而带动光纤激光器21产生轴向应变，引起其输出光波长发生变化。光纤激光器21所发出的激光经过波分模块71后进入光纤干涉仪80，其波长变化转变为光纤干涉仪80的输出相位变化，光纤干涉仪80的输出信号进入解调仪90，采用相应的解调算法(例如相位产生载波算法)从而解调出水中的矢量信号。
当在圆形壳10的径向，质量块30的两侧分别安装两支激光器形成差动式结构时，在质量块30相对于圆形壳10振动时，质量块30一侧的光纤激光器21被拉长，另一侧的光纤激光器22被压缩，在解调仪中将这两个信号进行相减，从而可以将灵敏度提高一倍，并消除了由于温度变化引起的光纤激光器21以及光纤激光器22的波长变化。
特别需要说明的是，本发明提出的结构不仅仅适用于光纤激光器，并且可以适用于其它波长调制的光纤器件，例如可以利用光纤布拉格光栅来代替光纤激光器21。
请参照图3，图3为依照本发明第三个实施例提供的光纤激光矢量水听器的结构图。该光纤激光矢量水听器包括：圆形壳10，用于光纤激光矢量水听器探头的内部结构保护并感受声波；安装于圆形壳10内部的至少一支光纤激光器21及至少一个质量块30，用于测量质点振动加速度；光纤激光器21的一端固定于圆形壳10上，另一端固定在质量块30上；质量块30通过光纤激光器21悬挂于圆形壳10内部；框架50，以及安装于框架50上的弹簧51，用于安装圆形壳10；以上圆形壳10、光纤激光器21、质量块30、框架50、弹簧51共同构成光纤激光矢量水听器的探头部分55，其平均密度等于水的密度。
光源70，用于为光纤激光器21提供泵浦光；光纤干涉仪80，用于将光纤激光器21的输出波长变化转变为相位变化；解调仪90，用于解调出质点振动加速度信号；波分模块71，用于分离光源70的泵浦光和光纤激光器21的输出光；上述光纤激光器21、波分模块71、光源70、光纤干涉仪80、解调仪90之间有光缆29连接。
圆形壳10为一薄壁球形壳，用于安装并保护内部的结构。其上可进一步开有孔11，用于光缆29和光纤激光器21之间的连接。
圆形壳10的内部一般充满油等密度小于水的介质，以平均质量块30和圆形壳10的密度，使光纤激光矢量水听器的探头部分55的平均密度与水的密度相当。
光纤激光器21为分布布拉格反射型(DBR)光纤激光器或者分布布拉格反馈型(DFB)光纤激光器，用于感受质点加速度并转变为其输出波长的变化。
在本发明中，光纤激光器21至少为一支，或者为两支，或者为三支，分别安装在三个互相垂直的方向。当安装一支光纤激光器21时，为一维光纤矢量水听器，其测试方向为光纤激光器的轴向；当安装两支光纤激光器21时，为二维光纤矢量水听器，其测试平面为两支光纤激光器的轴向所构成的平面；当安装三支光纤激光器21时，为三维光纤矢量水听器，其测试方向为三维空间。光纤激光器21的安装方式均为：其一端连接于质量块30，另一端连接于圆形壳10的内壁。
质量块30安装于圆形壳10的几何中心，其安装方式为在圆形壳10的直径方向上，在质量块30的一侧通过光纤激光器21将其固定在圆形壳10的内壁上，在质量块30的另一侧通过一段光纤或者另一光纤激光器21将其固定在圆形壳10的内壁上。
光纤干涉仪80为迈克尔逊型光纤干涉仪或者马赫-曾德型光纤干涉仪。
与实施例1和实施例2不同的是，在本实施例中，圆形壳10的外部可以进一步安装有至少一只声压传感器15，用于测量液体中的声压。声压传感器15的引出线亦可通过圆形壳10上的孔11引出。
本发明提供的光纤激光矢量水听器的工作原理为，光源70为光纤激光器21提供泵浦光，光纤激光器21在被光源70泵浦后发出激光。
光纤激光矢量水听器的探头部分55置于水下，并通过框架51固定。当有声波信号时，圆形壳10会由于液体质点的振动而一起振动。由于光纤激光矢量水听器的探头部分55的平均密度和水的密度相同。质量块50会同相位地相对于圆形壳10振动，从而带动光纤激光器21产生轴向应变，引起其输出光波长发生变化。光纤激光器21所发出的激光经过波分模块71后进入光纤干涉仪80，其波长变化转变为光纤干涉仪80的输出相位变化，光纤干涉仪80的输出信号进入解调仪90，采用相应的解调算法(例如相位产生载波算法)从而解调出水中的矢量信号。
而声压传感15可以检测水中的声压信号。在后续信号处理过程中，该声压信号可以用于减小噪音、进行左右舷分辨等。
特别需要说明的是，本发明提出的结构不仅仅适用于光纤激光器，并且可以适用于其它波长调制的光纤器件，例如可以利用光纤布拉格光栅来代替光纤激光器21。
以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种光纤激光矢量水听器，其特征在于，该光纤激光矢量水听器包括：
由圆形壳(10)、光纤激光器(21)、质量块(30)、框架(50)、弹簧(51)构成光纤激光矢量水听器的探头部分(55)，其平均密度等于水的密度；
光源(70)，通过波分模块(71)连接于探头部分(55)的光纤激光器(21)，用于为光纤激光器(21)提供泵浦光；
波分模块(71)，用于分离光源(70)的泵浦光和光纤激光器(21)的输出光；
光纤干涉仪(80)，用于将光纤激光器(21)的输出波长变化转变为相位变化，并输出给解调仪(90)；
解调仪(90)，用于从接收自光纤干涉仪(80)的相位变化信号中解调出质点振动加速度信号；
其中，光纤激光器(21)、波分模块(71)和光源(70)通过光缆依次连接，光纤激光器(21)、波分模块(71)、光纤干涉仪(80)和解调仪(90)也通过光缆依次连接；
所述探头部分(55)包括：
圆形壳(10)，用于光纤激光矢量水听器的内部结构保护并感受声波；
至少一支光纤激光器(21)和至少一个质量块(30)，安装于圆形壳(10)的内部，用于测量质点振动加速度；
框架(50)；以及
安装于框架(50)上的弹簧(51)，用于安装固定圆形壳(10)。
2.根据权利要求1所述的光纤激光矢量水听器，其特征在于，所述圆形壳(10)为一薄壁球形壳，用于安装并保护内部的光纤激光器(21)和一个质量块(30)。
3.根据权利要求1所述的光纤激光矢量水听器，其特征在于，所述光纤激光器(21)为分布布拉格反射型光纤激光器或者分布布拉格反馈型光纤激光器，用于感受质点加速度并转变为其输出波长的变化，其一端固定于圆形壳(10)上，另一端固定在质量块(30)上。
4.根据权利要求1所述的光纤激光矢量水听器，其特征在于，所述质量块(30)通过光纤激光器(21)悬挂于圆形壳(10)的内部，并安装于圆形壳(10)的几何中心，其安装方式为在圆形壳(10)的直径方向上，在质量块(30)的一侧通过光纤激光器(21)将其固定在圆形壳(10)的内壁上，在质量块(30)的另一侧通过一段光纤或者另一光纤激光器(21)将其固定在圆形壳(10)的内壁上。
5.根据权利要求1所述的光纤激光矢量水听器，其特征在于，在质量块(30)的两侧、同一径向上进一步分别安装两支光纤激光器(21)，从而形成差动式结构，以提高灵敏度并补偿温度影响。
6.根据权利要求1所述的光纤激光矢量水听器，其特征在于，所述光纤干涉仪(80)为迈克尔逊型光纤干涉仪或者马赫-曾德型光纤干涉仪。
7.根据权利要求1所述的光纤激光矢量水听器，其特征在于，所述光纤激光器(21)采用无源的光纤布拉格光栅代替。
8.根据权利要求1所述的光纤激光矢量水听器，其特征在于，所述光源(70)采用宽带光源代替。
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