專利名稱：擴(kuò)展的、柔性的、空間加權(quán)的光纖干涉水聽器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明一般涉及聲傳感器，尤其涉及水聽器聲傳感器。本發(fā)明還涉及一種光纖水聽器，它包括跨越一個(gè)距離范圍的分段的干涉計(jì)，它足以允許對(duì)局部噪聲源的影響進(jìn)行平衡，并提高信噪比。
現(xiàn)有技術(shù)解決向光纖水聽器發(fā)展的問題，采用剛性的圓筒體，內(nèi)部水管卷繞得相當(dāng)彎。
以前，從離開幾英寸以上的地方采集干涉計(jì)的聲數(shù)據(jù)需要配置多個(gè)單獨(dú)的光纖干涉計(jì)。這種策略存在一些不盡人意的特征。它需要大量的遙測(cè)線路在終端與接收站之間傳送數(shù)據(jù)，無疑增加了傳感器的成本和體積。接收和調(diào)節(jié)各別干涉計(jì)的信號(hào)并進(jìn)行任何后繼的平均和噪聲降低操作，需要大量信號(hào)處理。由于需要大量的硬件(即光纖耦合器)建立這種傳感器而引起額外的開支和復(fù)雜性。
本發(fā)明通過廣泛提供空間上分隔的干涉計(jì)段對(duì)現(xiàn)有技術(shù)的光纖水聽器進(jìn)行了改進(jìn)。每個(gè)干涉計(jì)段包括在每一對(duì)光纖中所形成的線圈。該干涉計(jì)段設(shè)計(jì)成在一個(gè)寬范圍內(nèi)允許對(duì)局部噪聲源(例如加速度、湍流噪聲)的影響進(jìn)行平均，以提高聲信噪比。該干涉計(jì)段還允許在急彎附近配置水聽器。
根據(jù)本發(fā)明的水聽器包括單光纖干涉計(jì)。每個(gè)干涉計(jì)段包括繞在柔性機(jī)械支承件上的一長(zhǎng)段光纖，該支承件確定了傳感器的形狀和聲靈敏度。該光纖以一種方式加到機(jī)械支承件上，它設(shè)計(jì)成沿著傳感器在一個(gè)特定的位置上提供一特定的聲靈敏度，使沿著傳感器相對(duì)噪聲源的干涉靈敏度減至最小。
根據(jù)本發(fā)明的空間加權(quán)、擴(kuò)展的光纖傳感器用以測(cè)量物理參數(shù)，諸如聲壓的變化，它包括形成多個(gè)空間上分離的內(nèi)部線圈的第一光纖。第二光纖形成多個(gè)空間上分離的內(nèi)部線圈。外部和內(nèi)部線圈較佳地安排成同心的一對(duì)，以形成多個(gè)傳感器段。設(shè)置多個(gè)分隔器，使分隔器位于連續(xù)的傳感器段之間。分隔器這樣形成，它引導(dǎo)位于連續(xù)傳感器段之間的外部和內(nèi)部光纖，使傳感器段之間的物理參數(shù)的改變?cè)谟赏獠亢蛢?nèi)部光纖引導(dǎo)的光信號(hào)之間不產(chǎn)生相位差。第一光耦合器將光信號(hào)提供給外部和內(nèi)部光纖。外部和內(nèi)部線圈較佳地設(shè)置以暴露于參數(shù)，這樣，每個(gè)傳感器段參數(shù)的變化在外線圈和相應(yīng)外線圈的光信號(hào)之間產(chǎn)生相應(yīng)的相位變化。在傳感器段暴露于參數(shù)之后，第二光耦合器組合了外部和內(nèi)部光纖的信號(hào)。
傳感器機(jī)械支承件可以是連續(xù)的柔性材料(例如尼龍、聚碳酸酯塑料)的棒，它成型以提供所需的支承件和聲靈敏度的空間分布。傳感器機(jī)械支承件可以是鏈型結(jié)構(gòu)，其中，彎曲局限于柔性接頭，接頭連接提供特定聲靈敏度的剛性部分。
聲靈敏度可對(duì)傳感器上的某個(gè)位置作修正，即控制該位置繞在傳感器上的光纖量，和/或通過形成較大或較小地響應(yīng)于聲信號(hào)的機(jī)械支承件。
通過參照附圖探討以下對(duì)較佳實(shí)施例的描述，可以對(duì)本發(fā)明的目的及其結(jié)構(gòu)和操作方法有更多更完整的了解。


圖1表示根據(jù)本發(fā)明的光纖水聽器；圖2表示一對(duì)水聽器段，它可以包括在由分隔器連接的圖1所示的光纖水聽器內(nèi)；圖3是一個(gè)截面圖，它表示繞在內(nèi)外心軸上的光纖，心軸可以包括在圖1所示的水聽器段內(nèi)，并表示用光纖形成干涉計(jì)；圖4是表示光纖干涉計(jì)基本結(jié)構(gòu)的示意圖，干涉計(jì)可以包括在根據(jù)本發(fā)明的光纖水聽器內(nèi)；圖5是外心軸的仰視圖，它可以包括在圖1-3所示的水聽器段內(nèi)；圖6是一個(gè)放大的截面圖，它表示圖5所示外心軸的一個(gè)端部；圖7是圖3所示內(nèi)心軸的截面圖；圖8是圖7所示內(nèi)心軸的仰視圖；圖9是分隔器的側(cè)仰視圖，它可以包括在圖1和圖2所示的裝置內(nèi)；圖10是一個(gè)透視圖，它表示沿著分隔器在連續(xù)的段之間形成通路的光纖；圖11是圖10所示裝置的展開圖，它表示光纖穿過心軸上一個(gè)凸緣內(nèi)所形成的狹縫；圖12是一個(gè)透視圖，它表示光纖在連續(xù)的段之間形成通路的另一種設(shè)置；以及圖13是圖12所示裝置一個(gè)部分的展開圖，它表示內(nèi)外光纖穿過一對(duì)同心心軸上形成的端緣內(nèi)的狹縫。
本發(fā)明涉及一種延伸的光纖水聽器，它包括空間上分布的干涉計(jì)。其中所述的特定實(shí)施例作為如何可以實(shí)現(xiàn)本發(fā)明的實(shí)例。本發(fā)明的范圍不應(yīng)理解為局限于其中所述的特定結(jié)構(gòu)和方法。
如圖1所示，根據(jù)本發(fā)明的光纖水聽器30包括多個(gè)光纖水聽器段32-35。光纖水聽器段32-35最好基本上相同。因此，對(duì)任何一個(gè)光纖水聽器段32-35所述的任何結(jié)構(gòu)特征，均包含在所有的光纖水聽器段32-35內(nèi)。
光纖水聽器段32和33分隔開通過分隔器40連接。分隔器41連接在光纖水聽器段33與34之間，分隔器43連接在光纖水聽器段34與35之間。光纖水聽器30可以包括另外的光纖水聽器段(未圖示)，基本上與光纖水聽器段32-35相同。任何另外的水聽器段都可以由分隔器(未圖示)串聯(lián)連接，這些分隔器基本上與分隔器40-42相同。橡膠彎頭43和卷曲套管44可以安裝在分隔器40-42的端部，在光纖水聽器30內(nèi)形成柔性接頭。與現(xiàn)有技術(shù)的自由移動(dòng)光纖路徑相比，橡膠彎頭允許各段之間有彎曲，同時(shí)為橫穿柔性連接的光纖提供相對(duì)硬性的通路。
如圖2和3所示，按展開形式顯示光纖水聽器段32和33以及分隔器40的部分，以說明光纖水聽器30的結(jié)構(gòu)特征。如圖2-6所示，光纖水聽器段32包括外心軸50，它最好形成圓筒狀。外心軸50具有一對(duì)靠近其兩相對(duì)端形成的凸緣52和54以及中心凸緣53。光纖56繞在外心軸50上形成干涉計(jì)60的第一外(或敏感)線圈58。
進(jìn)一步如圖2和3所示，內(nèi)心軸62安裝在外心軸50內(nèi)部。內(nèi)心軸62最好形成一個(gè)中空的圓柱體，收容一個(gè)腔體64。耦合室66最好也形成一個(gè)中空的圓柱體，它安裝在腔體64的內(nèi)部。
光纖70繞在內(nèi)心軸62上形成干涉計(jì)60的第一內(nèi)線圈72。在本發(fā)明的某些實(shí)施例中，內(nèi)線圈72同被測(cè)參數(shù)隔離，并作為一個(gè)基準(zhǔn)線圈，其中，光信號(hào)不會(huì)發(fā)生相移。光纖56和70分別具有端部，它們分別擴(kuò)展到耦合室66至接頭74和76。光纖78和80分別連接在接頭74和76與光耦合器82之間。光信號(hào)從光信號(hào)源71至光纖85輸入到光纖水聽器30，光纖85引導(dǎo)光信號(hào)至光耦合器82。光耦合器82將輸入光信號(hào)分為兩個(gè)信號(hào)輸入到光纖56和70。
耦合室66設(shè)置成具有開口端部87，光纖56、70和85可以從外部穿過腔體64分別至接頭74和76以及耦合器82。耦合室的另一端88封閉，它由端蓋89維持內(nèi)心軸62位置上，而端蓋89通過任何合適的裝置諸如螺釘或膠合劑連接到內(nèi)心軸62的端部。端蓋89(連接適配器)可以形成為或者允許流體涌進(jìn)內(nèi)心軸62的內(nèi)腔體64，或者封閉內(nèi)腔體64，防止腔體64內(nèi)部的光纖受到聲壓的影響。光纖水聽器30的較佳實(shí)施例允許內(nèi)心軸62內(nèi)部的流體達(dá)到增高的響應(yīng)。當(dāng)聲波作用于外心軸58和內(nèi)心軸62時(shí)，傳感器工作于推挽方式，當(dāng)腔體64封閉時(shí)可以獲得兩次響應(yīng)。
如圖3所示，耦合室66的開口端部87由端蓋91維持就位，端蓋91包括開口95，允許光纖56、70和85通過。
圖4簡(jiǎn)單表示光纖干涉計(jì)60的基本結(jié)構(gòu)，它可以包括在光纖水聽器30內(nèi)。圖4僅示出形成光纖干涉計(jì)60所用的心軸、光纖光耦合器、光信號(hào)源以及信號(hào)處理裝置。光纖水聽器30的其余較佳結(jié)構(gòu)在其它附圖中示出。
來自光信號(hào)源71的光信號(hào)耦合到光纖56和70，然后在光纖56和70內(nèi)傳播至于涉計(jì)60的外線圈58和內(nèi)線圈72。外線圈58暴露于參數(shù)，通常為待測(cè)聲場(chǎng)的。入射聲場(chǎng)與外線圈58產(chǎn)生交互，改變由外線圈58引導(dǎo)的光信號(hào)的相位。內(nèi)線圈72可以與參數(shù)隔離，或者可以以與響應(yīng)外線圈58相反的方向響應(yīng)參數(shù)，這樣，外線圈58與內(nèi)線圈72內(nèi)光信號(hào)的相位差為入射聲場(chǎng)強(qiáng)度變化的度量。
然后，光纖56和70引導(dǎo)光信號(hào)至第二個(gè)水聽器段33。段33包括外心軸50A和內(nèi)心軸62A。光纖56和70可以以圖3、5-8所示的方式穿過內(nèi)外心軸50A和62A上凸緣內(nèi)的開口。外線圈90和內(nèi)線圈92分別在外、內(nèi)心軸50A和62A上形成。外線圈90可暴露于聲場(chǎng)，而外線圈92與聲場(chǎng)隔離或設(shè)置成反向響應(yīng)。聲場(chǎng)中的變化引起外線圈90內(nèi)光信號(hào)的相位差。
用光纖56和70分別按圖4所示和以上所述的方式，在標(biāo)號(hào)30所示的每個(gè)水聽器的外和內(nèi)心軸上形成外和內(nèi)線圈。光纖水聽器30可以包括大量外和內(nèi)線圈，形式基本上與線圈58和72的相同。外線圈不必都擁有相同的匝數(shù)。內(nèi)線圈的匝數(shù)也可以變化。改變?cè)褦?shù)允許水聽器段在最終的測(cè)量中有不同的權(quán)重。
光纖水聽器30中的最后一個(gè)水聽器段35基本上可以與第一水聽器段32相同。該水聽器35包括外線圈94和內(nèi)線圈96。光纖耦合器98將由光纖56和70引導(dǎo)的光信號(hào)組合在一起，并在光纖100提供光纖水聽器的輸出。組合的光信號(hào)包含干涉條紋圖形，它表示外部光信號(hào)通過每個(gè)線圈傳播時(shí)的相移。然后由信號(hào)處理裝置102處理該干涉條紋，從而確定聲壓在每個(gè)水聽器段32-35各位置上的加權(quán)平均?？梢岳斫?，光纖水聽器段30中的水聽器段的數(shù)量可以與附圖所示和以上所述的數(shù)量不同。選擇4個(gè)水聽器段32-35僅僅用以說明本發(fā)明的基本結(jié)構(gòu)。
如圖2、3、5和6所示，外心軸50的第一小端部104擴(kuò)展到端部凸緣53那一邊。外心軸50的第二小端部106擴(kuò)展到端部凸緣54那一邊。端部104和106基本上相同。因此，圖6中所示和以上詳細(xì)所述的僅僅是端部104。
如圖5所示，凸緣52-54中可以分別設(shè)置呈一個(gè)角度的凹槽110-112。呈一個(gè)角度的凹槽110-112分別為光纖56形成通路通過凸緣52-54。圖5示出幾匝外線圈58以表示光纖56通過呈一個(gè)角度的凹槽110-112的通路。
如圖3和5所示，光纖56可以被引導(dǎo)通過凸緣52中的凹槽110，并繞在外心軸50的左側(cè)118，形成第一外線圈部分120。然后，光纖56通過中心凸緣56的凹槽111并繞在外心軸50的右側(cè)119，形成第二外線圈122。然后，光纖56通過端部凸緣53中的凹槽112，直達(dá)分隔器40。
如圖2、3和6所示，在端部104中，通路116在外心軸50的圓筒型璧內(nèi)形成。通路116的尺寸適合用作導(dǎo)管通過外心軸50的圓筒型外璧，光纖70(見圖3)繞在內(nèi)心軸62上。
如圖3、7和8所示，內(nèi)心軸62具有基本上相同的端部凸緣130和132。端部凸緣130上具有圓周凹槽134，它設(shè)置成形成兩個(gè)凸緣部分136和138。第二圓周凹槽140在端部凸緣132上形成以形成凸緣部分142和144。凸緣部分136和138的直徑基本上與中空?qǐng)A柱形外心軸50的內(nèi)徑相同，故端部凸緣136和138緊貼在外心軸50內(nèi)。呈一角度的凹槽146在端部凸緣130的凸緣部分138內(nèi)形成，類似的呈一角度的凹槽148在端部凸緣132的凸緣部分142內(nèi)形成。光纖70繞在端部凸緣130與132之間的內(nèi)心軸62的外側(cè)。光纖70經(jīng)過角度凹槽148至圓周凹槽140。圓周凹槽134與外心軸50內(nèi)的通路116對(duì)直。光纖70從通路116通入圓周凹槽134，光纖56由此被引入內(nèi)心軸62。通路116A在內(nèi)心軸62的另一端形成，這樣，光纖70可以通過通路116A直達(dá)分隔器40。
圖9詳細(xì)示出分隔器40。分隔器40的兩端包括接頭150和152，用以使分隔器40安裝到水聽器段32和33的端帽89和155。分隔器40用以構(gòu)成非感應(yīng)“未加權(quán)”的水聽器段。分隔器40包括螺旋形凹槽156，它沿著棒157的長(zhǎng)度為光纖56和70提供了路徑。棒157是硬性的，能將聲場(chǎng)對(duì)光纖56和70的任何影響減至最小。光纖56和70沿著分隔器40的長(zhǎng)度置于聲場(chǎng)內(nèi)，進(jìn)一步使將光纖繞在分隔器棒上的區(qū)域內(nèi)的光纖56和70所引導(dǎo)的信號(hào)之間的任何相移減至最小。螺旋形凹槽156為一對(duì)光纖56和70提供了路徑，此方式使該區(qū)域內(nèi)的任何聲相應(yīng)減至最小。
通過在分隔器40上為光纖56和70提供并排的路徑而形成聲減弱區(qū)域，分隔器40可以是鋁棒。光纖56和70用一種合適的黏合劑粘合到分隔器40上。因光纖56和70穿過柔性橡膠接頭43的運(yùn)動(dòng)仍可能提高加速度靈敏度。通過將兩根光纖彼此粘合在一起并沿一或兩條環(huán)形螺線穿過分隔器40，使加速度靈敏度減至最小。光纖可以粘合到泡沫材料或某些容易壓縮的支承件上，支承件可以置于橡膠接頭上，當(dāng)接頭彎曲時(shí)使光纖上的張力減至最小。
圖10至13表示本發(fā)明的第二個(gè)實(shí)施例，它采用另一種技術(shù)為光纖水聽器30的連續(xù)部分之間的內(nèi)部光纖提供路徑。如圖10和11所示，通過將第一外線圈168繞在內(nèi)心軸170上而組裝光纖水聽器30。內(nèi)心軸170有端部凸緣172和174，分別設(shè)置徑向狹槽176和178。光纖180通過槽176，然后繞在內(nèi)心軸170上。在第一外線圈形成后，光纖180然后經(jīng)過槽178并通過端蓋182。光纖180的幾匝置于分隔器184上。第二內(nèi)心軸190連接到分隔器184上。心軸190具有凸緣192，它包括狹槽194。光纖180經(jīng)過狹槽194，然后繞在第二內(nèi)心軸190上形成第二外線圈196。
如圖12和13所示，外心軸200設(shè)置在內(nèi)心軸170上。外心軸200具有端部凸緣202和204，它們分別具有槽206和208，從邊緣向內(nèi)徑向展開。光纖210經(jīng)過槽206，然后繞在外心軸200上形成第一外線圈212。然后，光纖210經(jīng)過槽208并通過端蓋182。光纖210繞在分隔器184上，然后到達(dá)光纖水聽器30的下一個(gè)外心軸(未畫出)。如圖13所示，在外心軸200安裝在內(nèi)心軸后，光纖180穿過一個(gè)小開口214。最好用一種合適的埋嵌材料形成一個(gè)插塞216，它可以封閉開口214，以封閉內(nèi)心軸170與外心軸200之間包含的空間。然后，光纖210進(jìn)入下一個(gè)外心軸218，它安裝在內(nèi)心軸190上。
以上概述的光纖水聽器結(jié)構(gòu)的方式允許單一的干涉計(jì)橫跨許多公尺，還可以置于軟管內(nèi)。這樣，可以在傳感器信號(hào)以外對(duì)具有較低空間相干性(例如，因拖曳陣列周圍的湍流而產(chǎn)生的噪聲)的寬帶噪聲進(jìn)行平均?？梢詫?duì)展開的傳感器的聲靈敏度進(jìn)行空間加權(quán)，以消除更多的相干噪聲源，諸如硬件中的機(jī)械波動(dòng)。
通過控制線圈中光纖匝的分布，可以在一個(gè)較廣的范圍內(nèi)連續(xù)改變空間加權(quán)輪廓和聲靈敏度，它允許在實(shí)施這些噪聲抑制技術(shù)中有許多選擇。注意，為對(duì)聲場(chǎng)部分實(shí)現(xiàn)負(fù)加權(quán)，傳感器中可以在特定位置互換外部和內(nèi)部光纖的路徑。這些傳感器的聲靈敏度覆蓋了約40dB的范圍。
與現(xiàn)有技術(shù)相比，所述光纖水聽器的結(jié)構(gòu)提供了改進(jìn)的加速度靈敏度。本發(fā)明著重于簡(jiǎn)單化和低成本，它允許分段的水聽器比以前更經(jīng)濟(jì)。
所述結(jié)構(gòu)和方法說明本發(fā)明的原理。在不脫離其精神或基本特征的情況下，還可以以其他的特定形式實(shí)施本發(fā)明。所述的各個(gè)實(shí)施例僅作為舉例和說明而非用于限制。因此，本發(fā)明的范圍由所附權(quán)利要求書而不是前面的描述所限定。在本發(fā)明的范圍內(nèi)包含了對(duì)所述實(shí)施例的所有變換，它們均在與權(quán)利要求書等效的范圍和意義內(nèi)。
權(quán)利要求
1.一種測(cè)量物理參數(shù)變化的空間加權(quán)的、擴(kuò)展的光纖傳感器，該光纖傳感器包括其中形成多個(gè)空間上分隔的外線圈的第一光纖，以及其中形成多個(gè)空間上分隔的內(nèi)線圈的第二光纖，內(nèi)線圈和外線圈按同心對(duì)設(shè)置，以形成多個(gè)空間上連接的傳感器段，為此有第一傳感器段和最后傳感器段，其特征在于還包括多個(gè)分隔器，該多個(gè)分隔器之一設(shè)置在連續(xù)的傳感器段之間，該分隔器引導(dǎo)連續(xù)傳感器段之間的第一和第二光纖，使傳感器段之間的物理參數(shù)的變化不在由第一和第二光纖所引導(dǎo)的光信號(hào)之間產(chǎn)生相位差；第一光耦合裝置，將光信號(hào)耦合到第一和第二光纖，內(nèi)線圈和外線圈置成暴露了參數(shù)，使每個(gè)傳感器段的參數(shù)變化在外線圈與相應(yīng)內(nèi)線圈光信號(hào)之間產(chǎn)生相應(yīng)的相位改變，以及第二光耦合裝置，用以在傳感器段暴露于參數(shù)之后組合第一和第二光纖內(nèi)的信號(hào)。
2.如權(quán)利要求1所述的光纖傳感器，其特征在于，每個(gè)內(nèi)線圈位于其相應(yīng)的外線圈內(nèi)，其間有封閉的空間。
3.如權(quán)利要求1所述的光纖傳感器，其特征在于，每個(gè)分隔器包括沿其長(zhǎng)度方向具有螺旋凹槽的棒體，在螺旋凹槽內(nèi)裝有第一與第二光纖。
4.如權(quán)利要求3所述的光纖傳感器，其特征在于進(jìn)一步包括安裝在每個(gè)分隔器與鄰近的傳感器段之間的柔性接頭。
5.如權(quán)利要求1所述的光纖傳感器，其特征在于，每個(gè)傳感器段進(jìn)一步包括形成薄璧中空?qǐng)A筒體的內(nèi)心軸；在內(nèi)心軸上形成的第一對(duì)端部凸緣，每個(gè)端部凸緣其中具有一個(gè)槽溝，內(nèi)部光纖設(shè)置成通過該槽溝并繞在內(nèi)心軸上，在第一對(duì)端部凸緣之間形成外線圈；以及形成中空?qǐng)A筒體并設(shè)置成與內(nèi)心軸同心的外心軸，外線圈在外心軸上形成，內(nèi)心軸和外心軸包圍一個(gè)其間形成外線圈的空間。
6.如權(quán)利要求5所述的光纖傳感器，其特征在于進(jìn)一步包括在外心軸上形成的第二對(duì)端部凸緣，外線圈在第二對(duì)端部凸緣之間形成。
7.如權(quán)利要求6所述的光纖傳感器，其特征在于進(jìn)一步包括在外心軸內(nèi)形成的徑向通路，允許第二光纖通過外心軸的璧。
8.如權(quán)利要求6所述的光纖傳感器，其特征在于，第一光耦合裝置位于第一傳感器段的內(nèi)心軸內(nèi)部，第二光耦合裝置位于最后傳感器段的內(nèi)心軸內(nèi)部。
全文摘要
一種光纖水聽器,形成在廣范圍內(nèi)以每對(duì)光纖形成分離的干涉計(jì)段的單個(gè)干涉計(jì)。第一光纖形成多個(gè)空間上分離的外線圈。第二光纖形成多個(gè)與外線圈對(duì)應(yīng)的內(nèi)線圈。內(nèi)外線圈較佳地以同心對(duì)設(shè)置形成多個(gè)傳感器段。設(shè)置多個(gè)分隔器,每個(gè)位于連續(xù)的傳感器段之間。分隔器引導(dǎo)連續(xù)的傳感器段之間的外、內(nèi)光纖,故傳感器段之間的物理參數(shù)的變化不會(huì)在外和內(nèi)光纖引導(dǎo)的光信號(hào)之間產(chǎn)生相位差。
文檔編號(hào)G01H9/00GK1197202SQ9711276
公開日1998年10月28日 申請(qǐng)日期1997年6月13日 優(yōu)先權(quán)日1996年6月17日
發(fā)明者D·A·弗雷德里克, R·P·戈德曼, S·J·馬斯, J·E·曼塞爾 申請(qǐng)人:利頓系統(tǒng)公司