В настоящее время все более широкое распространение получают оптические датчики различных типов. Благодаря высокой чувствительности измерений, большому динамическому диапазону, коррозионной стойкости, взрыво- и пожаробезопасности, а также устойчивости к электромагнитному излучению этот тип датчиков получает все большее распространение.
Эта тенденция коснулась и гидроакустики. Как известно, датчики, фиксирующие звуковое давление в водной среде, называются гидрофонами. Самыми совершенными детекторами звуковых колебаний до прихода волоконной оптики были пьезокерамические гидрофоны. Но на данный момент они активно заменяются волоконно-оптическими гидрофонами и гидроакустическими антеннами на их основе.
В любых волоконно-оптических датчиках оптическое волокно может служить либо средой для передачи информации, либо чувствительным элементом. В последнем случае датчик обычно строится на основе волоконно-оптического интерферометра, одно волокно в котором служит сигнальным плечом, а другое – опорным. Измерение параметров среды в этом случае осуществляется за счет изменения оптической длины пути волокна или фазы излучения в нем. Причем модуляция оптической длины или фазы при этом может происходить либо через вспомогательный элемент, связанный с волокном, либо через изменение параметров самого волокна. Так, например, в волоконно-оптических гидрофонах обычно используется интерферометр Маха-Цендера и когерентный источник излучения, свет из которого распространяется по обоим плечам интерферометра. Намотанное на катушку оптическое волокно, выступающее в роли чувствительного элемента, подвергается акустическому воздействию, которое модулирует фазу проходящего по нему света. Изменение фазы света меняет итоговую интерференционную картину, что регистрируется фотоприемником.
Акустическое воздействие изменяет диаметр сердцевины, длину и показатели преломления оболочки и сердцевины волокна, тем самым, осуществляя фазовую модуляцию распространяющегося по волокну светового излучения. Изменение длины волокна в этом случае является преобладающим эффектом.
Рис.1 Принцип работы волоконно-оптического гидрофона
Достоинства волоконно-оптического гидрофона заключаются в следующем:
- Датчик способен с большой чувствительностью регистрировать акустические колебания в водной среде;
- Помимо детектирования звуковых колебаний, прибор способен определять направление на источник звука;
- Прибор основан на простой элементной базе;
- Производство устройства относительно недорогое и не требует каких-либо специальных технологий;
- Датчик имеет относительно небольшие размеры, что позволяет устанавливать его на судах и подводных роботах практически любого размера;
- Ввиду универсальности принципа работы, датчик может вполне успешно функционировать, находясь в воздушной среде (хотя и с некоторой потерей чувствительности);
- Отличительная особенность волоконно-оптического гидрофона –детектирование акустических колебаний без внесения каких бы то ни было изменений в параметры измеряемой среды. Этим свойством не обладают, например, пьезокерамические гидрофоны, проблемой которых является дифракция звуковых колебаний на чувствительном пьезоэлектрическом элементе, за счет его конечных размеров.
- Прибор может работать на любой глубине, что не доступно существующим приборам-аналогам.
- Наряду с достоинствами, у прибора имеются и некоторые недостатки:
- Имеется зависимость шумов от температуры в электронной части устройства;
- Конструкция прибора существенно усложняется в случае необходимости определения направления на источник звука в пространстве (а не плоскости).
Пример разработанных научно-исследовательским центром СФ лабораторных образцов волоконно-оптических гидрофонов:
|
|
Точечный волоконно-оптический гидрофон |
| Система мультиплексированных волоконно-оптических гидрофонов |
|