专利名称：高精度激光干涉式水听器的制作方法
技术领域：
本实用新型属于水听器技术领域，具体地说，是涉及一种基于激光干涉原理的高 精度水听器。
背景技术：
水听器是用于把水下的声音信号转换为电信号的换能装置。水听器可以检测潜 艇、鱼类等目标所辐射的噪声，也可以直接检测声源，比如装载在鱼体上的小型声源、声信 标、爆炸声等，并实施定向跟踪。目前的水听器一般由接收换能器、接收机和终端装置等主要部分组成。其中，接收 换能器用于采集水下声信号，并将声信号变换为电信号传输至接收机进行放大处理，而后 传送至终端装置，通过终端装置显示、存储被测信号，以提供给监测人员进行分析。传统的水听器采用压电陶瓷作为传感器件，利用材料的逆压电效应来实现从声信 号到电信号的转换。即当压电陶瓷材料受到外力作用而产生机械变形时，材料表面会产生 电荷，电场发生变化，通过电路进行处理得到测量信号。但是这种方式受材料性能的限制， 形变量与产生的电场存在明显的非线性，信号处理较为复杂；且材料受温度等因素影响大， 精度较低。
实用新型内容本实用新型的目的在于提供一种基于激光干涉原理的水听器，以提高水下声信号 的检测精度。为了解决上述技术问题，本实用新型采用以下技术方案予以实现一种高精度激光干涉式水听器，包括基于迈克尔逊干涉原理的光路系统、控制系 统以及为所述光路系统和控制系统提供工作电源的供电系统；在所述光路系统中包括激光 器、半透射半反射的分光镜、平面反射镜和振动片；其中，所述平面反射镜和激光器分设在 分光镜的上下两侧，且平面反射镜水平设置，其顶面设置有压电陶瓷，压电陶瓷在发生机械 形变时带动平面反射镜运动；所述振动片竖直设置，且在其朝向分光镜的内表面上镀有一 层反射膜，振动片的外表面贴附有压电复合材料；在所述控制系统中包括用于计算被测声 信号振幅的控制器、用于接收通过所述分光镜反射和透射出的两束光线的光电二极管以及 用于接收所述压电复合材料输出电荷的电荷放大电路，通过所述光电二极管和电荷放大电 路输出的电信号传送至控制器；控制器通过压电陶瓷驱动电路连接所述的压电陶瓷。为了便于干涉图样的采集，在所述激光器与分光镜之间设置有一扩束器，通过所 述扩束器对激光器发出的光束的直径进行扩大。优选的，所述激光器优选采用激光二极管，以降低成本。进一步的，在所述控制器中包括A/D转换器、D/A转换器和CPU，所述电荷放大电路 输出的电流信号经A/D转换器变换为数字信号后传输至所述的CPU ；所述光电二极管连接 所述的CPU或者通过A/D转换器连接所述的CPU ；所述CPU通过D/A转换器输出模拟电压信号至压电陶瓷驱动电路。又进一步的，在所述水听器中还设置有通信系统，连接所述的控制器，将控制器计 算生成的被测声信号的振幅上传至终端装置进行显示和存储。再进一步的，所述光路系统、控制系统、供电系统和通信系统设置于一壳体中，所 述壳体的左端或者右端开口，所述振动片安装于所述开口处，进而与所述壳体形成一个密 闭的腔室，且所述振动片的内表面朝向腔室内。更进一步的，所述壳体呈横向放置的圆筒状；所述振动片为圆形的不锈钢板；所 述反射膜优选镀膜在振动片内表面的中心位置。优选的，贴附在所述振动片外表面的压电复合材料呈条形，且平行排列设置有多 条；或者可以将其设计成环形，且圆心与振动片的圆心重合。与现有技术相比，本实用新型的优点和积极效果是本实用新型的水听器利用迈 克尔逊干涉原理，仿照迈克尔逊干涉仪的结构设计方式进行水听器中光路系统的结构设 计，通过振动片感应被检测声源的振动，进而使作为测量臂的光束长度发生变化，由此来改 变通过分光镜反射和透射出的两束光线所形成的干涉条纹，进而通过检测干涉条纹的变化 间接地计算出被检测声源的振幅，并可以进一步通过调节参考臂的距离来对计算出的振幅 进行补偿，以获得更为精确的声源强度。由此设计的水听器具有精度高、续航时间长、造价 低等显著优点，可以广泛应用于石油勘探、海洋调查等领域。结合附图阅读本实用新型实施方式的详细描述后，本实用新型的其他特点和优点 将变得更加清楚。
图1是现有迈克尔逊干涉仪的结构示意图；图2是中心为亮斑的干涉条纹图样；图3是中心为暗斑的干涉条纹图样；图4是本实用新型所提出的高精度激光干涉式水听器的整体结构示意图；图5是图4中光路系统和控制系统的组建结构示意图。
具体实施方式
以下结合附图对本实用新型的具体实施方式
作进一步详细地说明。本实用新型的水听器基于迈克尔逊干涉原理设计而成，下面首先对迈克尔逊干涉 原理进行简要介绍。图1为迈克尔逊干涉仪的结构示意图，包括两块平面反射镜M1和M2、半反射半透 射的分光镜G1以及光束接收屏E。其中，分光镜G1倾斜设置，且与水平方向所成的锐角为 45° ；定义分光镜G1上镀有反射膜的一面为反射面，与反射面相对的一面为透射面，则将分 光镜G1的透射面朝向光源S和平面反射镜M2,反射面朝向平面反射镜M1和屏E ；两块平面 反射镜Mp M2相邻，且一块水平设置，另一块垂直设置。当光源S发出的光线射入到分光镜G1上时，光经过分光镜G1后分为测量臂Sl和 参考臂S2两路。其中，测量臂Sl为光线经分光镜G1透射到达平面反射镜M1的光束，经反 射后返回，再经分光镜G1的反射面反射后，形成光束Sl ‘到达屏E ；参考臂S2为光线经分光镜G1反射后，射向平面反射镜M2的光束，经反射镜M2反射后，再次射入分光镜G1,再经分 光镜G1透射后，形成光束S2'到达屏Ε。两束光Sl'、S2'在屏E处相遇，发生干涉，形成 圆环状的干涉条纹，如图2、图3所示。如果移动平面反射镜M1或者M2,两束光Si、S2的光程差将发生变化，从而使干涉 条纹发生相应的变化，表现为从干涉图样的中心“冒出”(即中心亮斑的直径逐渐变大)或 者向中心“缩进”(即中心亮斑的直径逐渐变小)。图3为图2所示干涉图样经过变化后， 中心亮斑变成中心暗斑的干涉图样。假设Ad为平面反射镜M1移动的距离，“冒出”为正方 向，正向移动时最亮条纹计数为k+ ；“缩进”为负方向，负向移动时最亮条纹计数为k_，由迈 克尔逊干涉原理可知Δ d= ( k+-k. ) -( 1 )
2其中，λ为光束S的波长。由此便可计算出平面反射镜M1的移动距离Ad。基于上述迈克尔逊干涉原理，本实用新型设计了一种高精度激光干涉式水听器， 参见图5所示，利用激光器1作为光源S，发射光线，同时仿照迈克尔逊干涉仪的结构布局方 式设置分光镜3和平面反射镜4、6。其中，平面反射镜6可以采用一层反射膜镀膜在振动片 7上实现，以用于反射通过分光镜3反射出的光束S6。通过振动片7感应被测声信号的振 动，进而利用振动片7的振动改变测量臂的距离，使通过分光镜3反射和透射出的两束光线 所产生的干涉图样发生变化。然后，利用光电二极管Phd代替迈克尔逊干涉仪中的屏E来 检测干涉图样，具体可以检测干涉图样中心的亮斑。当干涉图样的中心为亮斑时，光电二极 管Phd导通；中心为暗斑时，光电二极管Phd截止，通过对光电二极管Wid的导通次数进行 计数，即可获得最亮条纹的计数值。对于被测声信号的振动方向，可以通过在振动片7的外 表面(即与镀有反射膜6的内表面相反的一侧)贴附压电复合材料，通过对压电复合材料 输出电荷信号的变化趋势进行检测，来间接地判断出被测声信号的振动方向。由此便可以 得到k+、k_&具体值，进而利用迈克尔逊干涉原理公式(1)即可计算出被测声信号的振幅。由于采用迈克尔逊干涉原理公式(1)所计算出的振动信号幅度只能体现出振幅
为I的整数倍的振动信号强度，而对于振幅不是I的整数倍的信号则无法精确地测量出来。
为了解决此问题，以提高声音信号测量的精确度，本实用新型在平面反射镜4的顶面进一 步安装压电陶瓷9，参见图5所示，通过控制系统控制压电陶瓷9发生机械形变，进而带动平 面反射镜4运动，以补偿振动分量。利用振动分量补偿值对通过公式(1)计算出的振动信 号幅度进行校正，以获得更为准确的被测声信号的振幅。下面通过一个具体的实施例，来详细阐述所述高精度激光干涉式水听器的具体组 建结构及其工作原理。实施例一，参见图4所示，本实施例的水听器主要由壳体8、光路系统、控制系统、 供电系统和通信系统等部分组成，其中，光路系统和控制系统的具体组建结构参见图5所
7J\ ο在光路系统中，分光镜3可以选用半透射半反射的分光镜片，且反射面朝上，并按 照与水平面所成锐角为45°的关系倾斜设置。在分光镜3的上下两侧对应设置平面反射 镜4和激光器1，如图5所示，所述平面反射镜4即相当于图1中的M1，朝向分光镜3的反射 面，但需要将其水平放置，其顶面设置压电陶瓷9，并可在压电陶瓷9的形变带动下上下移
5动。在振动片7的内表面镀有一层反射膜6，以形成平面反射镜，代替图1中的M2,与接收 干涉条纹的光电二极管Phd分别设置在分光镜3的左右两侧。所述振动片7应竖直放置， 镀有反射膜6的内表面朝向分光镜3的透射面；振动片7的外表面贴附压电复合材料5，比 如压电陶瓷-高聚物复合材料等，使压电复合材料5随振动片7同时形变。由于压电效应， 变形后产生电荷的变化，进而利用电荷的变化趋势来判断被测声信号的振动方向。在本实施例中，所述激光器1可以采用激光二极管实现，作为光源S发出激光。为 了便于干涉图样的采样，在所述激光器1与分光镜3之间优选再进一步安装一个扩束器2， 如图5所示。激光器1发出的激光经过扩束器2后，光束的直径扩大，扩束后的激光在分光 镜3处分为两路射向平面反射镜4的光束S4定义为参考臂，射向振动片7的光束S6定义 为测量臂。在本实施例中，优选采用放大倍数为10倍的扩束器2进行系统设计，扩束后的 激光光束的直径可以达到5. 4mm。在本实施例的控制系统中主要包括光电二极管Wid、电荷放大电路QA、压电陶瓷 驱动电路PDC和控制器等部分，参见图5所示。其中，电荷放大电路QA可以采用一颗电流 放大芯片实现，通过导线连接压电复合材料5，接收压电复合材料5输出的电流信号，并进 行放大处理后，输出至控制器。所述控制器根据电荷放大电路QA输出的电流信号的变化趋 势判断当前被测声信号的振动方向。与此同时，将控制器与光电二极管Phd连接，通过对光 电二极管Phd的导通次数进行计数，来确定参数值k+、k_。控制器的输出端连接压电陶瓷驱 动电路PDC，通过压电陶瓷驱动电路PDC控制压电陶瓷9产生机械形变。在本实施例中，所述控制器可以采用一颗CPU芯片配合一颗A/D转换器实现。通过 电荷放大电路QA输出的模拟电流信号经A/D转换器进行模数转换后，输出数字信号至CPU， 以方便CPU对电流变换趋势的判断。通过光电二极管Phd输出的电流信号可以直接传输至 CPU的其中一路I/O 口，当CPU检测到有电流输入时，认为光电二极管Phd导通，进行计数； 反之，认为光电二极管Phd截止，停止计数。当然，所述光电二极管Phd也可以通过A/D转 换器连接CPU，当光电二极管Phd导通时，通过A/D转换器输出数字信号1，以改变CPU中的 计数值；而当光电二极管Phd截止时，输出数字信号0，此时CPU不进行累加计数。下面对本实施例的高精度激光干涉式水听器的具体工作原理进行详细阐述。启动激光器1发射激光，经扩束器2扩束后，射入到分光镜3以分射出两路光束 (1)参考臂S4 激光到达分光镜3后，经过折射到达平面反射镜4，再经平面反射镜4反射 后回到分光镜3，经分光镜3的反射面反射后，形成光束S4'射向光电二极管Wid; (2)测 量臂S6 激光到达分光镜3后，经反射面反射到达振动片7的内表面的反射膜6，经反射膜 6反射回到分光镜3，然后经分光镜3透射出光束S6'。两路光束S4'和S6'在光电二极 管Phd处相遇，发生干涉，形成同心圆环状的干涉图样。系统初始化时，通过对光路系统进 行预调节，使光电二极管Phd检测到干涉图样中心的最亮斑。将水听器放入水下，当被检测的水域有声音信号时，当声波到达振动片7时，便引 起振动片7的振动，从而改变测量臂S6的距离，使干涉条纹产生相应的变化，由此引发光电 二极管Phd通断，并利用CPU不断对光电二极管Phd的导通次数进行计数。由于在振动片7 的外表面贴附有压电复合材料5，二者振动方向一致，到达水听器的声波作用于压电复合材 料5，使其产生形变，输出电荷经电荷放大电路QA进行放大处理后，输出电流信号经A/D转 换器变换为数字信号后，输出至CPU。CPU根据接收到的电流信号的变化趋势判断当前声波的振动方向，比如在电流信号不断增大时，认定为正方向，此期间记录的光电二极管Wid的 导通次数累计到参数k+中；在电流信号不断减小时，认定为负方向，此期间记录的光电二极 管Wid的导通次数累计到参数k_中。将参数k+、k_代入迈克尔逊干涉原理的计算公式
权利要求1.一种高精度激光干涉式水听器，其特征在于包括基于迈克尔逊干涉原理的光路系 统、控制系统以及为所述光路系统和控制系统提供工作电源的供电系统；在所述光路系统 中包括激光器、半透射半反射的分光镜、平面反射镜和振动片；其中，所述平面反射镜和激 光器分设在分光镜的上下两侧，且平面反射镜水平设置，其顶面设置有压电陶瓷，压电陶瓷 在发生机械形变时带动平面反射镜运动；所述振动片竖直设置，且在其朝向分光镜的内表 面上镀有一层反射膜，振动片的外表面贴附有压电复合材料；在所述控制系统中包括用于 计算被测声信号振幅的控制器、用于接收通过所述分光镜反射和透射出的两束光线的光电 二极管以及用于接收所述压电复合材料输出电荷的电荷放大电路，通过所述光电二极管和 电荷放大电路输出的电信号传送至控制器；控制器通过压电陶瓷驱动电路连接所述的压电 陶瓷。
2.根据权利要求1所述的高精度激光干涉式水听器，其特征在于在所述激光器与分 光镜之间设置有一扩束器，通过所述扩束器对激光器发出的光束的直径进行扩大。
3.根据权利要求2所述的高精度激光干涉式水听器，其特征在于所述激光器为激光二极管。
4.根据权利要求1至3中任一项所述的高精度激光干涉式水听器，其特征在于在所 述控制器中包括A/D转换器、D/A转换器和CPU，所述电荷放大电路输出的电流信号经A/D 转换器变换为数字信号后传输至所述的CPU;所述光电二极管连接所述的CPU或者通过A/D 转换器连接所述的CPU ；所述CPU通过D/A转换器输出模拟电压信号至压电陶瓷驱动电路。
5.根据权利要求1至3中任一项所述的高精度激光干涉式水听器，其特征在于在所 述水听器中还设置有通信系统，连接所述的控制器，将控制器计算生成的被测声信号的振 幅上传至终端装置进行显示和存储。
6.根据权利要求5所述的高精度激光干涉式水听器，其特征在于所述光路系统、控制 系统、供电系统和通信系统设置于一壳体中，所述壳体的左端或者右端开口，所述振动片安 装于所述开口处，进而与所述壳体形成一个密闭的腔室，且所述振动片的内表面朝向腔室 内。
7.根据权利要求6所述的高精度激光干涉式水听器，其特征在于所述壳体呈横向放 置的圆筒状；所述振动片为圆形的不锈钢板。
8.根据权利要求6所述的高精度激光干涉式水听器，其特征在于所述反射膜位于振 动片内表面的中心位置。
9.根据权利要求8所述的高精度激光干涉式水听器，其特征在于贴附在所述振动片 外表面的压电复合材料呈条形，且平行排列设置有多条。
10.根据权利要求8所述的高精度激光干涉式水听器，其特征在于贴附在所述振动片 外表面的压电复合材料呈环形，且圆心与振动片的圆心重合。
专利摘要本实用新型公开了一种高精度激光干涉式水听器，具有精度高、造价低、续航时间长等优点，包括基于迈克尔逊干涉原理的光路系统、控制系统以及供电系统；在所述光路系统中包括激光器、半透射半反射的分光镜、平面反射镜和振动片；其中，所述平面反射镜和激光器分设在分光镜的上下两侧，且平面反射镜水平设置，其顶面设置有压电陶瓷；所述振动片竖直设置，且在其朝向分光镜的内表面上镀有一层反射膜，振动片的外表面贴附有压电复合材料；在所述控制系统中包含有光电二极管和电荷放大电路，通过所述光电二极管和电荷放大电路输出的电信号传送至控制器；控制器用于计算被测声信号的振幅，并通过压电陶瓷驱动电路连接所述的压电陶瓷。
文档编号G01H9/00GK201892568SQ20102061369
公开日2011年7月6日 申请日期2010年11月9日 优先权日2010年11月9日
发明者刘军礼, 吕成兴, 周忠海, 张涛, 张照文, 惠超, 李磊, 牟华, 程广欣, 臧鹤超, 赵娜 申请人:山东省科学院海洋仪器仪表研究所