高精度雷射幹涉式水聽器的製作方法

2023-12-02 10:07:01 1

專利名稱：高精度雷射幹涉式水聽器的製作方法
技術領域：
本實用新型屬於水聽器技術領域，具體地說，是涉及一種基於雷射幹涉原理的高 精度水聽器。
背景技術：
水聽器是用於把水下的聲音信號轉換為電信號的換能裝置。水聽器可以檢測潛 艇、魚類等目標所輻射的噪聲，也可以直接檢測聲源，比如裝載在魚體上的小型聲源、聲信 標、爆炸聲等，並實施定向跟蹤。目前的水聽器一般由接收換能器、接收機和終端裝置等主要部分組成。其中，接收 換能器用於採集水下聲信號，並將聲信號變換為電信號傳輸至接收機進行放大處理，而後 傳送至終端裝置，通過終端裝置顯示、存儲被測信號，以提供給監測人員進行分析。傳統的水聽器採用壓電陶瓷作為傳感器件，利用材料的逆壓電效應來實現從聲信 號到電信號的轉換。即當壓電陶瓷材料受到外力作用而產生機械變形時，材料表面會產生 電荷，電場發生變化，通過電路進行處理得到測量信號。但是這種方式受材料性能的限制， 形變量與產生的電場存在明顯的非線性，信號處理較為複雜；且材料受溫度等因素影響大， 精度較低。

實用新型內容本實用新型的目的在於提供一種基於雷射幹涉原理的水聽器，以提高水下聲信號 的檢測精度。為了解決上述技術問題，本實用新型採用以下技術方案予以實現一種高精度雷射幹涉式水聽器，包括基於麥可遜幹涉原理的光路系統、控制系 統以及為所述光路系統和控制系統提供工作電源的供電系統；在所述光路系統中包括雷射 器、半透射半反射的分光鏡、平面反射鏡和振動片；其中，所述平面反射鏡和雷射器分設在 分光鏡的上下兩側，且平面反射鏡水平設置，其頂面設置有壓電陶瓷，壓電陶瓷在發生機械 形變時帶動平面反射鏡運動；所述振動片豎直設置，且在其朝向分光鏡的內表面上鍍有一 層反射膜，振動片的外表面貼附有壓電複合材料；在所述控制系統中包括用於計算被測聲 信號振幅的控制器、用於接收通過所述分光鏡反射和透射出的兩束光線的光電二極體以及 用於接收所述壓電複合材料輸出電荷的電荷放大電路，通過所述光電二極體和電荷放大電 路輸出的電信號傳送至控制器；控制器通過壓電陶瓷驅動電路連接所述的壓電陶瓷。為了便於幹涉圖樣的採集，在所述雷射器與分光鏡之間設置有一擴束器，通過所 述擴束器對雷射器發出的光束的直徑進行擴大。優選的，所述雷射器優選採用雷射二極體，以降低成本。進一步的，在所述控制器中包括A/D轉換器、D/A轉換器和CPU，所述電荷放大電路 輸出的電流信號經A/D轉換器變換為數位訊號後傳輸至所述的CPU ；所述光電二極體連接 所述的CPU或者通過A/D轉換器連接所述的CPU ；所述CPU通過D/A轉換器輸出模擬電壓信號至壓電陶瓷驅動電路。又進一步的，在所述水聽器中還設置有通信系統，連接所述的控制器，將控制器計 算生成的被測聲信號的振幅上傳至終端裝置進行顯示和存儲。再進一步的，所述光路系統、控制系統、供電系統和通信系統設置於一殼體中，所 述殼體的左端或者右端開口，所述振動片安裝於所述開口處，進而與所述殼體形成一個密 閉的腔室，且所述振動片的內表面朝向腔室內。更進一步的，所述殼體呈橫向放置的圓筒狀；所述振動片為圓形的不鏽鋼板；所 述反射膜優選鍍膜在振動片內表面的中心位置。優選的，貼附在所述振動片外表面的壓電複合材料呈條形，且平行排列設置有多 條；或者可以將其設計成環形，且圓心與振動片的圓心重合。與現有技術相比，本實用新型的優點和積極效果是本實用新型的水聽器利用邁 克爾遜幹涉原理，仿照麥可遜幹涉儀的結構設計方式進行水聽器中光路系統的結構設 計，通過振動片感應被檢測聲源的振動，進而使作為測量臂的光束長度發生變化，由此來改 變通過分光鏡反射和透射出的兩束光線所形成的幹涉條紋，進而通過檢測幹涉條紋的變化 間接地計算出被檢測聲源的振幅，並可以進一步通過調節參考臂的距離來對計算出的振幅 進行補償，以獲得更為精確的聲源強度。由此設計的水聽器具有精度高、續航時間長、造價 低等顯著優點，可以廣泛應用於石油勘探、海洋調查等領域。結合附圖閱讀本實用新型實施方式的詳細描述後，本實用新型的其他特點和優點 將變得更加清楚。

圖1是現有麥可遜幹涉儀的結構示意圖；圖2是中心為亮斑的幹涉條紋圖樣；圖3是中心為暗斑的幹涉條紋圖樣；圖4是本實用新型所提出的高精度雷射幹涉式水聽器的整體結構示意圖；圖5是圖4中光路系統和控制系統的組建結構示意圖。
具體實施方式
以下結合附圖對本實用新型的具體實施方式
作進一步詳細地說明。本實用新型的水聽器基於麥可遜幹涉原理設計而成，下面首先對麥可遜幹涉 原理進行簡要介紹。圖1為麥可遜幹涉儀的結構示意圖，包括兩塊平面反射鏡M1和M2、半反射半透 射的分光鏡G1以及光束接收屏E。其中，分光鏡G1傾斜設置，且與水平方向所成的銳角為 45° ；定義分光鏡G1上鍍有反射膜的一面為反射面，與反射面相對的一面為透射面，則將分 光鏡G1的透射面朝向光源S和平面反射鏡M2,反射面朝向平面反射鏡M1和屏E ；兩塊平面 反射鏡Mp M2相鄰，且一塊水平設置，另一塊垂直設置。當光源S發出的光線射入到分光鏡G1上時，光經過分光鏡G1後分為測量臂Sl和 參考臂S2兩路。其中，測量臂Sl為光線經分光鏡G1透射到達平面反射鏡M1的光束，經反 射後返回，再經分光鏡G1的反射面反射後，形成光束Sl 『到達屏E ；參考臂S2為光線經分光鏡G1反射後，射向平面反射鏡M2的光束，經反射鏡M2反射後，再次射入分光鏡G1,再經分 光鏡G1透射後，形成光束S2'到達屏Ε。兩束光Sl'、S2'在屏E處相遇，發生幹涉，形成 圓環狀的幹涉條紋，如圖2、圖3所示。如果移動平面反射鏡M1或者M2,兩束光Si、S2的光程差將發生變化，從而使幹涉 條紋發生相應的變化，表現為從幹涉圖樣的中心「冒出」(即中心亮斑的直徑逐漸變大)或 者向中心「縮進」(即中心亮斑的直徑逐漸變小)。圖3為圖2所示幹涉圖樣經過變化後， 中心亮斑變成中心暗斑的幹涉圖樣。假設Ad為平面反射鏡M1移動的距離，「冒出」為正方 向，正向移動時最亮條紋計數為k+ ；「縮進」為負方向，負向移動時最亮條紋計數為k_，由邁 克爾遜幹涉原理可知Δ d= ( k+-k. ) -( 1 )
2其中，λ為光束S的波長。由此便可計算出平面反射鏡M1的移動距離Ad。基於上述麥可遜幹涉原理，本實用新型設計了一種高精度雷射幹涉式水聽器， 參見圖5所示，利用雷射器1作為光源S，發射光線，同時仿照麥可遜幹涉儀的結構布局方 式設置分光鏡3和平面反射鏡4、6。其中，平面反射鏡6可以採用一層反射膜鍍膜在振動片 7上實現，以用於反射通過分光鏡3反射出的光束S6。通過振動片7感應被測聲信號的振 動，進而利用振動片7的振動改變測量臂的距離，使通過分光鏡3反射和透射出的兩束光線 所產生的幹涉圖樣發生變化。然後，利用光電二極體Phd代替麥可遜幹涉儀中的屏E來 檢測幹涉圖樣，具體可以檢測幹涉圖樣中心的亮斑。當幹涉圖樣的中心為亮斑時，光電二極 管Phd導通；中心為暗斑時，光電二極體Phd截止，通過對光電二極體Wid的導通次數進行 計數，即可獲得最亮條紋的計數值。對於被測聲信號的振動方向，可以通過在振動片7的外 表面(即與鍍有反射膜6的內表面相反的一側)貼附壓電複合材料，通過對壓電複合材料 輸出電荷信號的變化趨勢進行檢測，來間接地判斷出被測聲信號的振動方向。由此便可以 得到k+、k_&具體值，進而利用麥可遜幹涉原理公式(1)即可計算出被測聲信號的振幅。由於採用麥可遜幹涉原理公式(1)所計算出的振動信號幅度只能體現出振幅
為I的整數倍的振動信號強度，而對于振幅不是I的整數倍的信號則無法精確地測量出來。
為了解決此問題，以提高聲音信號測量的精確度，本實用新型在平面反射鏡4的頂面進一 步安裝壓電陶瓷9，參見圖5所示，通過控制系統控制壓電陶瓷9發生機械形變，進而帶動平 面反射鏡4運動，以補償振動分量。利用振動分量補償值對通過公式(1)計算出的振動信 號幅度進行校正，以獲得更為準確的被測聲信號的振幅。下面通過一個具體的實施例，來詳細闡述所述高精度雷射幹涉式水聽器的具體組 建結構及其工作原理。實施例一，參見圖4所示，本實施例的水聽器主要由殼體8、光路系統、控制系統、 供電系統和通信系統等部分組成，其中，光路系統和控制系統的具體組建結構參見圖5所
7J\ ο在光路系統中，分光鏡3可以選用半透射半反射的分光鏡片，且反射面朝上，並按 照與水平面所成銳角為45°的關係傾斜設置。在分光鏡3的上下兩側對應設置平面反射 鏡4和雷射器1，如圖5所示，所述平面反射鏡4即相當於圖1中的M1，朝向分光鏡3的反射 面，但需要將其水平放置，其頂面設置壓電陶瓷9，並可在壓電陶瓷9的形變帶動下上下移
5動。在振動片7的內表面鍍有一層反射膜6，以形成平面反射鏡，代替圖1中的M2,與接收 幹涉條紋的光電二極體Phd分別設置在分光鏡3的左右兩側。所述振動片7應豎直放置， 鍍有反射膜6的內表面朝向分光鏡3的透射面；振動片7的外表面貼附壓電複合材料5，比 如壓電陶瓷-高聚物複合材料等，使壓電複合材料5隨振動片7同時形變。由於壓電效應， 變形後產生電荷的變化，進而利用電荷的變化趨勢來判斷被測聲信號的振動方向。在本實施例中，所述雷射器1可以採用雷射二極體實現，作為光源S發出雷射。為 了便於幹涉圖樣的採樣，在所述雷射器1與分光鏡3之間優選再進一步安裝一個擴束器2， 如圖5所示。雷射器1發出的雷射經過擴束器2後，光束的直徑擴大，擴束後的雷射在分光 鏡3處分為兩路射向平面反射鏡4的光束S4定義為參考臂，射向振動片7的光束S6定義 為測量臂。在本實施例中，優選採用放大倍數為10倍的擴束器2進行系統設計，擴束後的 雷射光束的直徑可以達到5. 4mm。在本實施例的控制系統中主要包括光電二極體Wid、電荷放大電路QA、壓電陶瓷 驅動電路PDC和控制器等部分，參見圖5所示。其中，電荷放大電路QA可以採用一顆電流 放大晶片實現，通過導線連接壓電複合材料5，接收壓電複合材料5輸出的電流信號，並進 行放大處理後，輸出至控制器。所述控制器根據電荷放大電路QA輸出的電流信號的變化趨 勢判斷當前被測聲信號的振動方向。與此同時，將控制器與光電二極體Phd連接，通過對光 電二極體Phd的導通次數進行計數，來確定參數值k+、k_。控制器的輸出端連接壓電陶瓷驅 動電路PDC，通過壓電陶瓷驅動電路PDC控制壓電陶瓷9產生機械形變。在本實施例中，所述控制器可以採用一顆CPU晶片配合一顆A/D轉換器實現。通過 電荷放大電路QA輸出的模擬電流信號經A/D轉換器進行模數轉換後，輸出數位訊號至CPU， 以方便CPU對電流變換趨勢的判斷。通過光電二極體Phd輸出的電流信號可以直接傳輸至 CPU的其中一路I/O 口，當CPU檢測到有電流輸入時，認為光電二極體Phd導通，進行計數； 反之，認為光電二極體Phd截止，停止計數。當然，所述光電二極體Phd也可以通過A/D轉 換器連接CPU，當光電二極體Phd導通時，通過A/D轉換器輸出數位訊號1，以改變CPU中的 計數值；而當光電二極體Phd截止時，輸出數位訊號0，此時CPU不進行累加計數。下面對本實施例的高精度雷射幹涉式水聽器的具體工作原理進行詳細闡述。啟動雷射器1發射雷射，經擴束器2擴束後，射入到分光鏡3以分射出兩路光束 (1)參考臂S4 雷射到達分光鏡3後，經過折射到達平面反射鏡4，再經平面反射鏡4反射 後回到分光鏡3，經分光鏡3的反射面反射後，形成光束S4'射向光電二極體Wid; (2)測 量臂S6 雷射到達分光鏡3後，經反射面反射到達振動片7的內表面的反射膜6，經反射膜 6反射回到分光鏡3，然後經分光鏡3透射出光束S6'。兩路光束S4'和S6'在光電二極 管Phd處相遇，發生幹涉，形成同心圓環狀的幹涉圖樣。系統初始化時，通過對光路系統進 行預調節，使光電二極體Phd檢測到幹涉圖樣中心的最亮斑。將水聽器放入水下，當被檢測的水域有聲音信號時，當聲波到達振動片7時，便引 起振動片7的振動，從而改變測量臂S6的距離，使幹涉條紋產生相應的變化，由此引發光電 二極體Phd通斷，並利用CPU不斷對光電二極體Phd的導通次數進行計數。由於在振動片7 的外表面貼附有壓電複合材料5，二者振動方向一致，到達水聽器的聲波作用於壓電複合材 料5，使其產生形變，輸出電荷經電荷放大電路QA進行放大處理後，輸出電流信號經A/D轉 換器變換為數位訊號後，輸出至CPU。CPU根據接收到的電流信號的變化趨勢判斷當前聲波的振動方向，比如在電流信號不斷增大時，認定為正方向，此期間記錄的光電二極體Wid的 導通次數累計到參數k+中；在電流信號不斷減小時，認定為負方向，此期間記錄的光電二極 管Wid的導通次數累計到參數k_中。將參數k+、k_代入麥可遜幹涉原理的計算公式
權利要求1.一種高精度雷射幹涉式水聽器，其特徵在於包括基於麥可遜幹涉原理的光路系 統、控制系統以及為所述光路系統和控制系統提供工作電源的供電系統；在所述光路系統 中包括雷射器、半透射半反射的分光鏡、平面反射鏡和振動片；其中，所述平面反射鏡和激 光器分設在分光鏡的上下兩側，且平面反射鏡水平設置，其頂面設置有壓電陶瓷，壓電陶瓷 在發生機械形變時帶動平面反射鏡運動；所述振動片豎直設置，且在其朝向分光鏡的內表 面上鍍有一層反射膜，振動片的外表面貼附有壓電複合材料；在所述控制系統中包括用於 計算被測聲信號振幅的控制器、用於接收通過所述分光鏡反射和透射出的兩束光線的光電 二極體以及用於接收所述壓電複合材料輸出電荷的電荷放大電路，通過所述光電二極體和 電荷放大電路輸出的電信號傳送至控制器；控制器通過壓電陶瓷驅動電路連接所述的壓電 陶瓷。
2.根據權利要求1所述的高精度雷射幹涉式水聽器，其特徵在於在所述雷射器與分 光鏡之間設置有一擴束器，通過所述擴束器對雷射器發出的光束的直徑進行擴大。
3.根據權利要求2所述的高精度雷射幹涉式水聽器，其特徵在於所述雷射器為雷射二極體。
4.根據權利要求1至3中任一項所述的高精度雷射幹涉式水聽器，其特徵在於在所 述控制器中包括A/D轉換器、D/A轉換器和CPU，所述電荷放大電路輸出的電流信號經A/D 轉換器變換為數位訊號後傳輸至所述的CPU;所述光電二極體連接所述的CPU或者通過A/D 轉換器連接所述的CPU ；所述CPU通過D/A轉換器輸出模擬電壓信號至壓電陶瓷驅動電路。
5.根據權利要求1至3中任一項所述的高精度雷射幹涉式水聽器，其特徵在於在所 述水聽器中還設置有通信系統，連接所述的控制器，將控制器計算生成的被測聲信號的振 幅上傳至終端裝置進行顯示和存儲。
6.根據權利要求5所述的高精度雷射幹涉式水聽器，其特徵在於所述光路系統、控制 系統、供電系統和通信系統設置於一殼體中，所述殼體的左端或者右端開口，所述振動片安 裝於所述開口處，進而與所述殼體形成一個密閉的腔室，且所述振動片的內表面朝向腔室 內。
7.根據權利要求6所述的高精度雷射幹涉式水聽器，其特徵在於所述殼體呈橫向放 置的圓筒狀；所述振動片為圓形的不鏽鋼板。
8.根據權利要求6所述的高精度雷射幹涉式水聽器，其特徵在於所述反射膜位于振 動片內表面的中心位置。
9.根據權利要求8所述的高精度雷射幹涉式水聽器，其特徵在於貼附在所述振動片 外表面的壓電複合材料呈條形，且平行排列設置有多條。
10.根據權利要求8所述的高精度雷射幹涉式水聽器，其特徵在於貼附在所述振動片 外表面的壓電複合材料呈環形，且圓心與振動片的圓心重合。
專利摘要本實用新型公開了一種高精度雷射幹涉式水聽器，具有精度高、造價低、續航時間長等優點，包括基於麥可遜幹涉原理的光路系統、控制系統以及供電系統；在所述光路系統中包括雷射器、半透射半反射的分光鏡、平面反射鏡和振動片；其中，所述平面反射鏡和雷射器分設在分光鏡的上下兩側，且平面反射鏡水平設置，其頂面設置有壓電陶瓷；所述振動片豎直設置，且在其朝向分光鏡的內表面上鍍有一層反射膜，振動片的外表面貼附有壓電複合材料；在所述控制系統中包含有光電二極體和電荷放大電路，通過所述光電二極體和電荷放大電路輸出的電信號傳送至控制器；控制器用於計算被測聲信號的振幅，並通過壓電陶瓷驅動電路連接所述的壓電陶瓷。
文檔編號G01H9/00GK201892568SQ20102061369
公開日2011年7月6日 申請日期2010年11月9日 優先權日2010年11月9日
發明者劉軍禮, 呂成興, 周忠海, 張濤, 張照文, 惠超, 李磊, 牟華, 程廣欣, 臧鶴超, 趙娜 申請人:山東省科學院海洋儀器儀表研究所