專利名稱：激光干涉式水聽(tīng)器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于水聽(tīng)器技術(shù)領(lǐng)域，具體地說(shuō)，是涉及一種基于激光干涉原理的水聽(tīng) 器。
背景技術(shù)：
水聽(tīng)器是用于把水下的聲音信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)的換能裝置。水聽(tīng)器可以檢測(cè)潛 艇、魚類等目標(biāo)所輻射的噪聲，也可以直接檢測(cè)聲源，比如裝載在魚體上的小型聲源、 聲信標(biāo)、爆炸聲等，并實(shí)施定向跟蹤。目前的水聽(tīng)器一般由接收換能器、接收機(jī)和終端裝置等主要部分組成。其中， 接收換能器用于采集水下聲信號(hào)，并將聲信號(hào)變換為電信號(hào)傳輸至接收機(jī)進(jìn)行放大處 理，而后傳送至終端裝置，通過(guò)終端裝置顯示、存儲(chǔ)被測(cè)信號(hào)，以提供給監(jiān)測(cè)人員進(jìn)行 分析。傳統(tǒng)的水聽(tīng)器采用壓電陶瓷作為傳感器件，利用材料的逆壓電效應(yīng)來(lái)實(shí)現(xiàn)從聲 信號(hào)到電信號(hào)的轉(zhuǎn)換。即當(dāng)壓電陶瓷材料受到外力作用而產(chǎn)生機(jī)械變形時(shí)，材料表面會(huì) 產(chǎn)生電荷，電場(chǎng)發(fā)生變化，通過(guò)電路進(jìn)行處理得到測(cè)量信號(hào)。但是這種方式受材料性能 的限制，形變量與產(chǎn)生的電場(chǎng)存在明顯的非線性，信號(hào)處理較為復(fù)雜；且材料受溫度等 因素影響大，精度較低。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一種基于激光干涉原理的水聽(tīng)器，以提高水下聲信號(hào)的 檢測(cè)精度。為了解決上述技術(shù)問(wèn)題，本發(fā)明采用以下技術(shù)方案予以實(shí)現(xiàn)一種激光干涉式水聽(tīng)器，包括基于邁克爾遜干涉原理的光路系統(tǒng)、控制系統(tǒng)以 及為所述光路系統(tǒng)和控制系統(tǒng)提供工作電源的供電系統(tǒng)；在所述光路系統(tǒng)中包括激光 器、半透射半反射的分光鏡、平面反射鏡和振動(dòng)片；其中，所述平面反射鏡和激光器分 設(shè)在分光鏡的上下兩側(cè)，所述振動(dòng)片豎直設(shè)置，且在其朝向分光鏡的內(nèi)表面上鍍有一層 反射膜，振動(dòng)片的外表面貼附有壓電復(fù)合材料；在所述控制系統(tǒng)中包含有用于接收通 過(guò)所述分光鏡反射和透射出的兩束光線的光電二極管以及用于接收所述壓電復(fù)合材料輸 出電流的電荷放大電路，通過(guò)所述光電二極管和電荷放大電路輸出的電信號(hào)傳送至控制 器，通過(guò)控制器計(jì)算被測(cè)聲信號(hào)的振幅。進(jìn)一步的，所述控制器根據(jù)電荷放大電路輸出的電流信號(hào)的變化趨勢(shì)判斷振動(dòng) 片的振動(dòng)方向，并同時(shí)對(duì)所述光電二極管的導(dǎo)通次數(shù)進(jìn)行計(jì)數(shù)，且記正向振動(dòng)的計(jì)數(shù)值
為k+，負(fù)向振動(dòng)的計(jì)數(shù)值為k_，代入公式Δ1= ( k+-k_) I,計(jì)算出檢測(cè)信號(hào)的振幅
Δ1;其中，λ為激光波長(zhǎng)。為了便于干涉圖樣的采集，在所述激光器與分光鏡之間設(shè)置有一擴(kuò)束器，通過(guò)所述擴(kuò)束器對(duì)激光器發(fā)出的光束的直徑進(jìn)行擴(kuò)大。優(yōu)選的，所述激光器優(yōu)選采用激光二極管、以降低系統(tǒng)成本；所述反射膜優(yōu)選 位于振動(dòng)片的中心位置。進(jìn)一步的，在所述控制器中包括A/D轉(zhuǎn)換器和CPU，所述電荷放大電路輸出的 電流信號(hào)經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換器變換為數(shù)字信號(hào)后傳輸至所述的CPU ；所述光電二極管連接所述 的CPU或者通過(guò)A/D轉(zhuǎn)換器連接所述的CPU。又進(jìn)一步的，在所述水聽(tīng)器中還設(shè)置有通信系統(tǒng)，連接所述的控制器，將控制 器計(jì)算生成的被測(cè)聲信號(hào)的振幅傳送給終端裝置進(jìn)行顯示和存儲(chǔ)。再進(jìn)一步的，所述光路系統(tǒng)、控制系統(tǒng)、供電系統(tǒng)和通信系統(tǒng)設(shè)置于一殼體 中，所述殼體的左端或者右端開(kāi)口，所述振動(dòng)片安裝于所述開(kāi)口處，進(jìn)而與所述殼體形 成一個(gè)密閉的腔室，且所述振動(dòng)片的內(nèi)表面朝向腔室內(nèi)。更進(jìn)一步的，所述殼體呈橫向放置的圓筒狀；所述振動(dòng)片為圓形的不銹鋼板。優(yōu)選的，貼附在所述振動(dòng)片外表面的壓電復(fù)合材料呈條形，且平行排列設(shè)置有 多條；或者可以將其設(shè)計(jì)成環(huán)形，且圓心與振動(dòng)片的圓心重合。與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)和積極效果是本發(fā)明的水聽(tīng)器利用邁克爾遜 干涉原理，仿照邁克爾遜干涉儀的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方式進(jìn)行水聽(tīng)器中光路系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，通 過(guò)振動(dòng)片感應(yīng)被檢測(cè)聲源的振動(dòng)，進(jìn)而使作為測(cè)量臂的光束長(zhǎng)度發(fā)生變化，由此來(lái)改變 通過(guò)分光鏡反射和透射出的兩束光線所形成的干涉條紋，進(jìn)而通過(guò)檢測(cè)干涉條紋的變化 間接地計(jì)算出被檢測(cè)聲源的振幅。由此設(shè)計(jì)的水聽(tīng)器具有精度高、續(xù)航時(shí)間長(zhǎng)、造價(jià)低 等顯著優(yōu)點(diǎn)，可以廣泛應(yīng)用于石油勘探、海洋調(diào)查等領(lǐng)域。結(jié)合附圖閱讀本發(fā)明實(shí)施方式的詳細(xì)描述后，本發(fā)明的其他特點(diǎn)和優(yōu)點(diǎn)將變得 更加清楚。


圖1是現(xiàn)有邁克爾遜干涉儀的結(jié)構(gòu)示意圖；圖2是中心為亮斑的干涉條紋圖樣；圖3是中心為暗斑的干涉條紋圖樣；圖4是本發(fā)明所提出的激光干涉式水聽(tīng)器的整體結(jié)構(gòu)示意圖；圖5是圖4中光路系統(tǒng)和控制系統(tǒng)的組建結(jié)構(gòu)示意圖。
具體實(shí)施例方式下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明的具體實(shí)施方式
作進(jìn)一步詳細(xì)地說(shuō)明。本發(fā)明的水聽(tīng)器基于邁克爾遜干涉原理設(shè)計(jì)而成，下面首先對(duì)邁克爾遜干涉原 理進(jìn)行簡(jiǎn)要介紹。圖1為邁克爾遜干涉儀的結(jié)構(gòu)示意圖，包括兩塊平面反射鏡M1* 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(shè)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(duì)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 SE;兩塊平面反射鏡Mp M2相鄰，且一塊水平設(shè)置，另一塊垂直設(shè)置。
當(dāng)光源S發(fā)出的光線射入到分光鏡G1上時(shí)，光經(jīng)過(guò)分光鏡G1后分為測(cè)量臂Sl和 參考臂S2兩路。其中，測(cè)量臂Sl為光線經(jīng)分光鏡G1透射到達(dá)平面反射鏡M1W光束， 經(jīng)反射后返回，再經(jīng)分光鏡G1的反射面反射后，形成光束Sl'到達(dá)屏E;參考臂S2為 光線經(jīng)分光鏡G1反射后，射向平面反射鏡M2W光束，經(jīng)反射鏡M2K射后，再次射入分 光鏡G1,再經(jīng)分光鏡仏透射后，形成光束S2'到達(dá)屏Ε。兩束光Sl'、S2'在屏E處 相遇，發(fā)生干涉，形成圓環(huán)狀的干涉條紋，如圖2、圖3所示。如果移動(dòng)平面反射鏡M1或者M(jìn)2,兩束光Si、S2的光程差將發(fā)生變化，從而使 干涉條紋發(fā)生相應(yīng)的變化，表現(xiàn)為從干涉圖樣的中心“冒出”(即中心亮斑的直徑逐漸變 大)或者向中心“縮進(jìn)”(即中心亮斑的直徑逐漸變小)。圖3為圖2所示干涉圖樣經(jīng) 過(guò)變化后，中心亮斑變成中心暗斑的干涉圖樣。假設(shè)Ad為平面反射鏡M1移動(dòng)的距離，
“冒出”為正方向，正向移動(dòng)時(shí)最亮條紋計(jì)數(shù)為k+; “縮進(jìn)”為負(fù)方向，負(fù)向移動(dòng)時(shí)最 亮條紋計(jì)數(shù)為k_，由邁克爾遜干涉原理可知
權(quán)利要求
1.一種激光干涉式水聽(tīng)器，其特征在于包括基于邁克爾遜干涉原理的光路系統(tǒng)、 控制系統(tǒng)以及為所述光路系統(tǒng)和控制系統(tǒng)提供工作電源的供電系統(tǒng)；在所述光路系統(tǒng)中 包括激光器、半透射半反射的分光鏡、平面反射鏡和振動(dòng)片；其中，所述平面反射鏡和 激光器分設(shè)在分光鏡的上下兩側(cè)，所述振動(dòng)片豎直設(shè)置，且在其朝向分光鏡的內(nèi)表面上 鍍有一層反射膜，振動(dòng)片的外表面貼附有壓電復(fù)合材料；在所述控制系統(tǒng)中包含有用于 接收通過(guò)所述分光鏡反射和透射出的兩束光線的光電二極管以及用于接收所述壓電復(fù)合 材料輸出電流的電荷放大電路，通過(guò)所述光電二極管和電荷放大電路輸出的電信號(hào)傳送 至控制器，通過(guò)控制器計(jì)算被測(cè)聲信號(hào)的振幅。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的激光干涉式水聽(tīng)器，其特征在于所述控制器根據(jù)電荷 放大電路輸出的電流信號(hào)的變化趨勢(shì)判斷振動(dòng)片的振動(dòng)方向，并同時(shí)對(duì)所述光電二極管 的導(dǎo)通次數(shù)進(jìn)行計(jì)數(shù)，且記正向振動(dòng)的計(jì)數(shù)值為k+，負(fù)向振動(dòng)的計(jì)數(shù)值為k_，代入公式Δ 1= ( k+-k. )λ/2 ，計(jì)算出檢測(cè)信號(hào)的振幅Δ 1 ；其中，λ為激光波長(zhǎng)。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的激光干涉式水聽(tīng)器，其特征在于在所述激光器與分光鏡 之間設(shè)置有一擴(kuò)束器，通過(guò)所述擴(kuò)束器對(duì)激光器發(fā)出的光束的直徑進(jìn)行擴(kuò)大。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的激光干涉式水聽(tīng)器，其特征在于所述激光器為激光二極 管；所述反射膜位于振動(dòng)片的中心位置。
5.根據(jù)權(quán)利要求1至4中任一項(xiàng)所述的激光干涉式水聽(tīng)器，其特征在于在所述控制 器中包括A/D轉(zhuǎn)換器和CPU，所述電荷放大電路輸出的電流信號(hào)經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換器變換為數(shù) 字信號(hào)后傳輸至所述的CPU ；所述光電二極管連接所述的CPU或者通過(guò)A/D轉(zhuǎn)換器連接 所述的CPU。
6.根據(jù)權(quán)利要求1至4中任一項(xiàng)所述的激光干涉式水聽(tīng)器，其特征在于在所述水聽(tīng) 器中還設(shè)置有通信系統(tǒng)，連接所述的控制器，將控制器計(jì)算生成的被測(cè)聲信號(hào)的振幅傳 送給終端裝置進(jìn)行顯示和存儲(chǔ)。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的激光干涉式水聽(tīng)器，其特征在于所述光路系統(tǒng)、控制系 統(tǒng)、供電系統(tǒng)和通信系統(tǒng)設(shè)置于一殼體中，所述殼體的左端或者右端開(kāi)口，所述振動(dòng)片 安裝于所述開(kāi)口處，進(jìn)而與所述殼體形成一個(gè)密閉的腔室，且所述振動(dòng)片的內(nèi)表面朝向 腔室內(nèi)。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的激光干涉式水聽(tīng)器，其特征在于所述殼體呈橫向放置的 圓筒狀；所述振動(dòng)片為圓形的不銹鋼板。
9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的激光干涉式水聽(tīng)器，其特征在于貼附在所述振動(dòng)片外表 面的壓電復(fù)合材料呈條形，且平行排列設(shè)置有多條。
10.根據(jù)權(quán)利要求8所述的激光干涉式水聽(tīng)器，其特征在于貼附在所述振動(dòng)片外表 面的壓電復(fù)合材料呈環(huán)形，且圓心與振動(dòng)片的圓心重合。
全文摘要
本發(fā)明公開(kāi)了一種激光干涉式水聽(tīng)器，包括基于邁克爾遜干涉原理的光路系統(tǒng)、控制系統(tǒng)和供電系統(tǒng)；在所述光路系統(tǒng)中包括激光器、半透射半反射的分光鏡、平面反射鏡和振動(dòng)片；其中，所述平面反射鏡和激光器分設(shè)在分光鏡的上下兩側(cè)，所述振動(dòng)片豎直設(shè)置，且在其朝向分光鏡的內(nèi)表面上鍍有一層反射膜，振動(dòng)片的外表面貼附有壓電復(fù)合材料；在所述控制系統(tǒng)中包含有用于接收通過(guò)所述分光鏡反射和透射出的兩束光線的光電二極管以及用于接收所述壓電復(fù)合材料輸出電流的電荷放大電路，通過(guò)所述光電二極管和電荷放大電路輸出的電信號(hào)傳送至控制器，通過(guò)控制器計(jì)算被測(cè)聲信號(hào)的振幅。本發(fā)明的水聽(tīng)器精度高、造價(jià)低、續(xù)航時(shí)間長(zhǎng)。
文檔編號(hào)G01H9/00GK102023050SQ20101054971
公開(kāi)日2011年4月20日 申請(qǐng)日期2010年11月9日 優(yōu)先權(quán)日2010年11月9日
發(fā)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(qǐng)人:山東省科學(xué)院海洋儀器儀表研究所