CC BY
131
УДК 535.4, 681.7
ЛАЗЕРНЫЙ АДАПТИВНЫЙ ВОЛОКОННО-ОПТИЧЕСКИЙ
ГИДРОФОН
Р. В. Ромашко1'2, М.Н. Безрук1, С. А. Ермолаев1, И.Н. Завестовская3'4,
Ю. Н. Кульчин1'4
Предложена и исследована схема реализации адаптивного волоконно-оптического лазерного гидрофона, чувствительным элементом которого является волоконно-оптический сенсор мембранного типа. Фазовая демодуляция сигнала сенсора осуществляется с помощью адаптивного голографического интерферометра, ключевым элементом которого является динамическая голограмма, формируемая в фоторефрактивном кристалле CdTe. Гидрофон отличает высокая помехозащищённость и высокая чувствительность (-117 дБ отн. 1 В/мкПа на частоте 4.9 кГц), обеспечивающая устойчивое детектирование гидроакустических сигналов со звуковым давлением от 31 дБ (отн. 20 мкПа) в динамическом диапазоне до 42 дБ на частоте 9.6 кГц.
Ключевые слова: гидрофон, адаптивный интерферометр, динамическая голограмма, акустическое давление.
На протяжении многих лет в мире ведутся активные исследования, направленные на создание систем мониторинга мирового океана. Такого рода разработки замыкаются на создание эффективных систем регистрации (обычно чрезвычайно слабых) гидроакустических сигналов. При этом в основе большинства известных гидроакустических приёмников лежат пьезоэлектрические (ПЭ) преобразователи [1], к достоинству которых следует отнести достаточно высокую технологичность при их изготовлении, отно-
1 Институт автоматики и процессов управления ДВО РАН, 690041 Россия, Владивосток, ул.Радио, 5; e-mail: [email protected].
2 Дальневосточный федеральный университет, 690950 Россия, Владивосток, ул.Суханова, 8.
3 ФИАН, 119991 Россия, Москва, Ленинский пр-т, 53.
4 Национальный исследовательский ядерный университет "МИФИ", 115409 Россия, Москва, Каширское ш., 31.
сительно невысокую стоимость, доступность пьезоэлектрических материалов. Вместе с тем ПЭ преобразователи обладают рядом недостатков, которые затрудняют, а в ряде случаев делают невозможным их практическое применение. Такими недостатками являются подверженность ПЭ сенсоров влиянию электромагнитных помех, что обусловлено электрической природой первичного сигнала, а также необходимость использования электрических кабелей для передачи сигналов, что особенно отрицательно сказывается при создании гидроакустических приемников, предназначенных для работы на больших глубинах и больших площадях. Кроме того, чувствительность ПЭ преобразователей имеет резонансный характер, что ограничивает рабочий диапазон частот измерительной системы на их основе. Подверженность металлических деталей ПЭ сенсоров коррозии при работе в агрессивной среде (морская вода, повышенная влажность и пр.) требует применения специальных защитных покрытий, эффективность которых снижается при больших гидростатических давлениях.
В то же время успешно развиваются неэлектрические системы гидрофонов. В частности, значительное развитие получили волоконно-оптические приемники гидроакустических сигналов [2, 3]. Это обусловлено тем, что оптическое волокно, использующееся в качестве чувствительного элемента, не восприимчиво к электромагнитным помехам, имеет малый удельный вес и размеры, а также химически инертно. Кроме того, применение волоконных световодов позволяет создавать на их основе широкополосные приемники акустических колебаний. При этом использование интерферометрических принципов при построении волоконно-оптических гидрофонов открывает перспективы детектирования сверхслабых гидроакустических сигналов [4]. Вместе с тем интерферо-метрические системы в силу их высокой чувствительности оказываются в значительной степени подверженными влиянию внешних шумовых факторов (случайные механические воздействия, дрейф температуры, давления и пр.), что на практике в большинстве случаев нивелирует достоинства интерферометрических систем. Одно из возможных решений указанной проблемы заключается в использовании адаптивного голографиче-ского интерферометра, световые пучки в котором объединяются с помощью динамической голограммы, формируемой в фоторефрактивном кристалле (ФРК) [5]. Использование динамических голограмм позволяет демодулировать фазовые изменения сигнала интерферометра, обеспечивая при этом высокую стабильность его работы. Адаптивные интерферометры успешно находят свое применение в различных прикладных задачах [6-8]. В работе [9] на основе адаптивного интерферометра реализован высокочувствительный микрофон.
В настоящей работе представлен волоконно-оптический гидрофон на основе адаптивного голографического интерферометра. Проведены экспериментальные исследования разработанного адаптивного гидрофона и определены его основные характеристики.
Схема экспериментальной установки для тестирования адаптивного волоконно-оптического гидрофона представлена на рис. 1.
Рис. 1: Схема адаптивного волоконно-оптического гидрофона.
Излучение К^УАС лазера (1064 нм, 500 мВт) делится при помощи светоделителя на объектный и опорный световые пучки. Опорный пучок, эллиптически поляризованный при помощи четвертьволновой пластинки, направляется в кристалл CdTe вдоль оси [100]. В свою очередь, объектный пучок вводится посредством микрообъектива в кварцевый многомодовый волоконный световод (диаметр сердцевины 62.5 мкм). Чувствительная часть световода длиной 10 м, очищенная от защитной оболочки, уложена витками (50 витков) и закреплена на полиэтиленовой мембране толщиной 0.1 мм, которая, в свою очередь, закрепляется на металлическом каркасе размером 12x12 см2 (рис. 2). Мембрана в совокупности с чувствительной частью световода представляет
Рис. 2: Приемный модуль адаптивного волоконно-оптического гидрофона.
собой приемный модуль адаптивного гидрофона. В результате воздействия акустической волны на волоконный световод возникает фазовая модуляция проходящего в нем излучения. Фазомодулированный объектный пучок, полученный на выходе световода, направляется в ФРК вдоль его основной кристаллографической оси [001] перпендикулярно направлению распространения опорного пучка. Интерференция объектного и опорного пучков в ФРК приводит к формированию в нем динамической голограммы, дифракция на которой обеспечивает преобразование модуляции фазы объектного пучка в изменение его интенсивности, регистрируемое фотодетектором.
В настоящей работе проведены экспериментальные исследования разработанного адаптивного гидрофона, в ходе которых определены его основные характеристики. В качестве испытательного стенда использован заполненный на две трети водой бассейн с размерами 100x50x52 см3. Источником акустических волн служил калиброванный ПЭ излучатель ЛУЗ.837.928. Излучатель и приемный модуль располагались в бассейне на одной глубине у противоположных стенок на расстоянии 80 см друг от друга (рис. 1). Генерация акустической волны осуществлялась на резонансных частотах излучателя 4.9 и 9.6 кГц. Рядом с приемным модулем адаптивного гидрофона располагался эталонный пьезоэлектрический гидрофон, с помощью которого определялось акустическое давление в месте расположения гидрофонов.
Экспериментальная зависимость выходного сигнала адаптивного гидрофона от величины акустического давления представлена на рис. 3.
160
0.00
0.10 0.20 0.30
Давление, Па
0.40
Рис. 3: Экспериментальная зависимость выходного сигнала адаптивного гидрофона от величины акустического давления на разных частотах. 1 - 4.9 кГц; 2 - 9.6 кГц.
Чувствительность адаптивного волоконно-оптического гидрофона (в дБ отн. 1 В/мкПа) на линейном участке представленных на рис. 3 зависимостей найдена в соответствии с выражением:
где А и - величина изменения выходного сигнала адаптивного гидрофона, вызванного приращением акустического давления АР; а =1 В/мкПа - эталонный уровень чувствительности. Таким образом, чувствительность адаптивного гидрофона на частотах 4.9 и 9.6 кГц составила -117 дБ и -132 дБ (отн. 1В/мкПа), соответственно.
Данные, представленные на рис. 3, позволили определить минимальное детектируемое акустическое давление Рт1П, при котором выходной сигнал адаптивного гидрофона находится на уровне шумов. На частотах 4.9 и 9.6 кГц Ртп составило 0.77 и 5.6 мПа (или 31 и 48.9 дБ отн. уровня 20 мкПа), соответственно.
Максимальное значение акустического давления, которое может быть измерено с помощью адаптивного голографического гидрофона, определяется нелинейным характером переходной зависимости (рис. 3), в основе которой лежит зависимость изменения интенсивности от разности фаз интерферирующих пучков. Определив максимальное значение акустического давления Ртах в пределах линейного участка переходной зависимости, найдем динамический диапазон Б измерения акустического давления с
(1)
помощью адаптивного голографического гидрофона с помощью выражения:
D = 20 lg ГРрЛ . (2)
\ P min J
Для частот 4.9 и 9.6 кГц динамический диапазон измерения акустического давления составил 36.3 и 42 дБ, соответственно.
На рис. 4 представлена диаграмма направленности разработанного адаптивного гидрофона, полученная на частоте 4.9 кГц. Как видно, чувствительность гидрофона имеет анизотропный характер - диаграмма направленности имеет два выраженных максимума при 0° и 180°, при этом за 0° взято положение приемного модуля, при котором плоскость мембраны направлена по нормали к фронту акустической волны. При повороте приемного модуля на 90° относительно фронта акустических волн сигнал уменьшается более чем в 2 раза.
Рис. 4: Диаграмма направленности адаптивного волоконно-оптического гидрофона на частоте 4.9 кГц.
Сравнение параметров разработанного гидрофона с существующими аналогами представлено в табл. 1.
Таблица 1
Параметры гидрофонов
Тип гидрофона Частота акустической волны, Гц Пороговое звуковое давление, дБ отн. 20 мкПа Динам. диапазон, дБ Чувствительность, дБ отн. 1 В/мкПа Ссылка
Пьезо- - - - -189 [10]
электрический 1П1
Пьезо- 80 60 73 -152 [10]
электрический ГИ50Э в составе ГУ 21
Пьезо- 80 60 94 -148 [10]
электрический ГИ54 в составе ГУ 21
Пьезо- - - - -192 [11]
электрический ВС312
Волоконно- - - - -180 [3]
оптический гидрофон
Адаптивный 4900 31 36.3 -117 Настоящая
гидрофон 9600 48.9 42 -132 работа
Таким образом, в настоящей работе представлен адаптивный волоконно-оптический гидрофон. Чувствительным элементом разработанного адаптивного гидрофона является волоконно-оптический сенсор мембранного типа. Фазовая демодуляция сигнала сенсора осуществляется с помощью адаптивного голографического интерферометра. Разработанный гидрофон обладает высокой чувствительностью за счет применения интерферометрических принципов детектирования сигнала и, в то же время, высокой помехозащищенностью за счет использования динамических голограмм, делающих интерферометр адаптивным. Проведены экспериментальные исследования адаптивного гидрофона, в ходе которых определены его характеристики. Наибольшую чувствитель-
ность, которая составила -117 дБ отн. 1 В/мкПа, гидрофон проявил на частоте 4.9 кГц. Динамический диапазон составил 36.3 дБ, а минимальное детектируемое звуковое давление 31 дБ отн. 20 мкПа. Следует отметить, что помимо высокой чувствительности гидрофон в силу адаптивных свойств обладает высокой помехозащищенностью, что делает его перспективным для решения задач, связанных с регистрацией слабых акустических сигналов в условиях высокой зашумленности и изменения внешних условий.
Исследование выполнено за счет гранта Российского научного фонда (проект №1412-01122).
ЛИТЕРАТУРА
[1] Г. М. Свердлин, Прикладная гидроакустика (Ленинград, Судостроение, 1990).
[2] В. И. Бусурин, Ю. Р. Носов, Волоконно-оптические датчики (M., Энергоатомиз-дат, 1990).
[3] J. A. Bucaro, H. D. Dardy, E. F. Carome, The Journal of the Acoustical Society of America 62(5), 1302 (1977).
[4] J. W. Wagner, J. Spicer, J. Opt. Soc. Am. B 4, 1316 (1987).
[5] S. I. Stepanov, International Trends in Optics (New York, Academic, 1991).
[6] М. П. Петров, С. И. Степанов, А. В. Хоменко, Фоторефрактивные кристаллы в когерентной оптике (С.-Пб, Наука, 1992).
[7] L. Solymar, D. J. Webb, A. Grunnet-Jepsen, The physics and applications of photorefractive materials (Oxford University Press, 1996).
[8] A. A. Kamshilin, R. V. Romashko, Y. N. Kulchin, Journal of Applied Physics 105, 031101 (2009).
[9] R. V. Romashko, Y. N. Kulchin, E. Nippolainen, Laser Physics 24, 115604 (2014).
[10] Центр комплектации «СпецТехноРесурс». Каталог «гидроакустические СИ» -URL: http://td-str.ru/tbl.aspx?categ=78.
[11] Предприятие «Электронные технологии и метрологические системы» (ZETLAB). Каталог «Датчики давления воды, гидрофоны» - URL: http://zetlab.cl121865.tmweb.ru/goods/gidrofony/gidrofon-pogruzhnoy-vs-312/
Поступила в редакцию 25 мая 2015 г.
