Волоконно-оптический гидрофон

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);