РАЗРАБОТКА И ИССЛЕДОВАНИЕ ЗАЩИТНОГО КОРПУСА ДЛЯ ВОЛОКОННО-ОПТИЧЕСКОГО ГИДРОФОНА

Плотников Михаил Юрьевич, Волков Антон Валерьевич, Киселев Сергей Степанович, Храмченко Екатерина Анатольевна

doi:10.17586/2226-1494-2017-17-5-767-774

2017 , ТОМ 17, НОМЕР 5 ( сентябрь-октябрь )

ISSN 2226-1494 (print), ISSN 2500-0373 (online)

Меню

Публикации

Главный редактор

НИКИФОРОВ
Владимир Олегович
д.т.н., профессор

Партнеры

doi: 10.17586/2226-1494-2017-17-5-767-774

УДК 681.787+004.942

РАЗРАБОТКА И ИССЛЕДОВАНИЕ ЗАЩИТНОГО КОРПУСА ДЛЯ ВОЛОКОННО-ОПТИЧЕСКОГО ГИДРОФОНА

Плотников М.Ю., Волков А.В., Киселев С.С., Храмченко Е.А.

Читать статью полностью

Язык статьи - русский

Ссылка для цитирования: Плотников М.Ю., Волков А.В., Киселев С.С., Храмченко Е.А. Разработка и исследование защитного корпуса для волоконно-оптического гидрофона // Научно-технический вестник информационных технологий, механики и оптики. 2017. Т. 17. № 5. С. 767–774. doi: 10.17586/2226-1494-2017-17-5-767-774

Аннотация

Предмет исследования. Разработан и исследованзащитный корпус для волоконно-оптического гидрофона, входящего в состав действующего макета донной сейсмической станции. Волоконно-оптический гидрофон построен на основе интерферометра Маха–Цендера. Чувствительное плечо намотано на эластичный сердечник, изготовленный из материала, усиливающего гидроакустическую чувствительность оптического волокна. Разработанный корпус предназначен для защиты чувствительного оптического волокна от возможных механических повреждений и пропускает акустические сигналы в водной среде без ослабления в рабочей полосе частот волоконно-оптического гидрофона (до 8 кГц). Метод. При проектированиизащитного корпуса с требуемыми характеристиками применены расчеты, основные на теории резонатора Гельмгольца. Математическое моделирование выполнено методом конечных элементов в среде Comsol Multiphysic. Построенные модели позволили определить конструкцию защитного корпуса, пропускающего акустические сигналы в заданной полосе частот. Основные результаты. Конструкция защитного корпуса представляет собой алюминиевый цилиндр с внешним радиусом 30 мм, высотой 14 см с толщиной стенок 1 мм и содержащего 1900 отверстий радиусом 1 мм. Моделирование конструкции корпуса в водной среде продемонстрировало его акустическую прозрачность на частотах до 8 кГц. Конструкция защитного корпуса изготовлена и исследована в составе действующего макета донной сейсмической станции. Результаты эксперимента подтвердили акустическую прозрачность защитного корпуса в требуемом диапазоне частот. Практическая значимость. Результаты работы могут найти применение при разработке и создании защитных корпусов волоконно-оптических гидрофонов с заданными частотными характеристиками. Разработанный защитный корпус используется в действующем макете сейсмической донной станции и обеспечивает защиту оптического волокна в чувствительном элементе волоконно-оптического гидрофона от механических воздействий, не влияя на его амплитудно-частотные характеристики.

Ключевые слова: волоконно-оптический гидрофон, защитный корпус, резонатор Гельмгольца, акустический фильтр, сейсмическая донная станция

Благодарности. Работа выполнена при финансовой поддержке Министерства образования и науки Российской Федерации (проект №03.G25.31.0245).

Список литературы

1. Yin S., Ruffin P.B., Yu F.T.S. Fiber Optic Sensors. 2^nd ed. CRC Press, 2008. 492 p.

2. Cole J.H., Kirkendall C., Dandridge A., Cogdell G., Giallorenzi T.G. Twenty-five years of interferometric fiber optic acoustic sensors at the Naval Research Laboratory // Washington Academic Science Journal. 2004. V. 90(3). P. 40–57.

3. Hu Y. et al. Recent progress toward fiber optic hydrophone research, application and commercialization in China // Proc. of SPIE. 2012. V. 8421. P. 84210Q-1. doi: 10.1117/12.981130

4. Ames G.H., Maguire J.M. Miniaturized mandrel-based fiber optic hydrophone // The Journal of the Acoustical Society of America. 2007. V. 121. N 3. P. 1392–1395. doi: 10.1121/1.2431340

5. Lavrov V.S., Plotnikov M.Y., Aksarin S.M. et al. Experimental investigation of the thin fiber-optic hydrophone array based on fiber Bragg gratings // Optical Fiber Technology. 2017. V. 34. P. 47–51. doi: 10.1016/j.yofte.2017.01.003

6. Chen G.Y., Brambilla G., Newson T.P. Compact acoustic sensor based on air-backed mandrel coiled with optical microfiber // Optics Letters. 2012. V. 37. N 22. P. 4720–4722. doi: 10.1364/ol.37.004720

7. Yin K., Zang M., Ding T. et al. An investigation of a fiber-optic air-backed mandrel hydrophone // Optics Communications. 2008. V. 281. N1. P. 94–101. doi: 10.1016/j.optcom.2007.09.029

8. Cuneo S., Plotnikov A., Repetto L., Anghinolfi M. A passive hydrophone for high-frequency application // Nuclear Instruments and Methods in Physics Research Section A: Accelerators, Spectrometers, Detectors and Associated Equipment. 2006. V. 567. N 2. P. 518–520. doi: 10.1016/j.nima.2006.05.178

9. The Ocean Engineering Handbook / Ed. F. El-Hawary. Boca Raton: CRC Press, 2001. 416 p.

10. De Freitas J.M. Recent developments in seismic seabed oil reservoir monitoring applications using fibre-optic sensing networks // Measurement Science and Technology. 2011. V. 22. N 5. P. 052001. doi: 10.1088/0957-0233/22/5/052001

11. Лиокумович Л.Б. Волоконно-оптические интерферометрическиеизмерения. Часть 2. Волоконный интерферометрический чувствительный элемент. СПб.: Изд-во Политехн. ун-та, 2007. 110 с.

12. Плотников М.Ю. Волоконно-оптический гидрофон: дис. … канд. техн. наук. СПб.: НИУ ИТМО,2015. 155 c.

13. Плотников М.Ю., Никитенко А.Н., Мешковский И.К., Куликов А.В. Донная сейсмическая станция на основе волоконно-оптического гидрофона и микромеханического геофона // Приборы и системы разведочной геофизики. 2015. Т.52. № 2. C. 56–65.

14. Ефимов М.Е., Плотников М.Ю., Куликов А.В. Моделирование и экспериментальное исследование чувствительного элемента волоконно-оптического гидрофона // Научно-технический вестник информационных технологий, механики и оптики. 2014. № 5 (93). С. 158–163.

15. Wang Z., Hu Y., Meng Z., Ni M. Fiber-optic hydrophone using a cylindrical Helmholtz resonator as a mechanical anti-aliasing filter // Optic Letters. 2008. V. 33. N 1. P.37–39. doi: 10.1364/ol.33.000037

16. Wang Z., Hu Y., Meng Z., Luo H., Ni M. Novel mechanical anti-aliasing fiber-optic hydrophone with fourth order acoustic low pass filter // Optic Letters. 2008. V. 33. N 11. P.1267–1269. doi: 10.1364/ol.33.001267

17. Zhang M., Ma X., Wang L., Lai S., Zhou H., Zhao H., Liao Y. Progress of optical fiber sensors and its application in harsh environment // Photonic Sensors. 2011. V. 1. N 1. P.84–89.doi: 10.1007/s13320-010-0012-1

18. Ingard U. On the theory and design of acoustic resonators // The Journal of the Acoustical Society of America. 1953. V. 25. N 6. P. 1037–1061. doi: 10.1121/1.1907235

19. Аграфонова А.А., Комкин А.И. Анализ факторов, определяющих собственную частоту резонатора Гельмгольца // Наука и образование: научное издание МГТУ им. Н.Э.Баумана. 2014. № 12.С. 220–231. doi: 10.7463/1214.0742764

20. Komkin A.I., Mironov M.A., Yudin S.I. Eigenfrequency of a Helmholtz resonator at the wall of a rectangular duct // Acoustical Physics. 2014. V. 60. N2. P. 142–145.doi: 10.1134/s1063771014020109

21. Ефимов М.Е., Плотников М.Ю., Мехреньгин М.В., Лавров В.С. Исследование характеристик направленности сдвоенного волоконно-оптического гидрофона // Научно-технический вестник информационных технологий, механики и оптики. 2015. Т. 15. № 6. С. 1115–1120.doi: 10.17586/2226-1494-2015-15-6-1015-1020

22. Беликин М.Н., Плотников М.Ю., Стригалев В.Е., Куликов А.В., Киреенков А.Ю. Экспериментальное сравнение алгоритмов гомодинной демодуляции сигналов для фазового волоконно-оптического датчика // Научно-технический вестник информационных технологий, механики и оптики. 2015. Т. 15. № 6. С. 1008–1014.doi: 10.17586/2226-1494-2015-15-6-1008-1014

23. Плотников М.Ю., Куликов А.В., Стригалев В.Е. Исследование зависимости амплитуды выходного сигнала в схеме гомодинной демодуляции для фазового волоконно-оптического датчика // Научно-технический вестник информационных технологий, механики и оптики. 2013. № 6 (88). С. 18–22.

24. Волков А.В., Осколкова Е.С., Плотников М.Ю., Мехреньгин M.В., Шуклин Ф.А. Исследование влияния фазового сдвига сигнала опорного генератора на выходной сигнал схемы гомодинной демодуляции сигналов // Научно-технический вестник информационных технологий, механики и оптики. 2015. Т. 15. № 4. С. 608–614.doi: 10.17586/2226-1494-2015-15-4-608-614

25. Plotnikov M.J., Kulikov A.V., Strigalev V.E., Meshkovsky I.K. Dynamic range analysis of the phase generated carrier demodulation technique // Advances in Optical Technologies. 2014. V. 2014. Art. 815108. doi: 10.1155/2014/815108

26. Volkov A.V., Plotnikov M.Y., Mekhrengin M.V., Miroshnichenko G.P., Aleynik A.S. Phase modulation depth evaluation and correction technique for the PGC demodulation scheme in fiber-optic interferometric sensors // IEEE Sensors Journal. 2017. V. 17. N13. P. 4143–4150.doi: 10.1109/jsen.2017.2704287

27. Мешковский И.К., Мирошниченко Г.П., Мехреньгин М.В., Плотников М.Ю. Способ контроля параметров сигнала волоконно-оптического интерферометрического фазового датчика с перестраиваемым источников оптического излучения. Патент РФ № 2595320, опубл. 16.06.2016 Бюл. № 24.

Schmid H. How to use the FFT and Matlab’s pwelch function for signal and noise simulations and measurements. Institute of Microelectronics, University of Applied Sciences NW Switzerland, 2012.

This work is licensed under a Creative Commons Attribution-NonCommercial 4.0 International License