专利名称：激光干涉式水听器的制作方法
技术领域：
本发明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。
发明内容
本发明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，本发明采用以下技术方案予以实现一种激光干涉式水听器，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，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 出电流的电荷放大电路，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，通过控制器计算被测声信号的振幅。进一步的，所述控制器根据电荷放大电路输出的电流信号的变化趋势判断振动 片的振动方向，并同时对所述光电二极管的导通次数进行计数，且记正向振动的计数值
为k+，负向振动的计数值为k_，代入公式Δ1= ( k+-k_) I,计算出检测信号的振幅
Δ1;其中，λ为激光波长。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、以降低系统成本；所述反射膜优选 位于振动片的中心位置。进一步的，在所述控制器中包括A/D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。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传送给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。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，本发明的优点和积极效果是本发明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。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。结合附图阅读本发明实施方式的详细描述后，本发明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是本发明所提出的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。
具体实施例方式下面结合附图对本发明的具体实施方式
作进一步详细地说明。本发明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* 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 SE;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M1W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M2W光束，经反射镜M2K射后，再次射入分 光镜G1,再经分光镜仏透射后，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
权利要求
1.一种激光干涉式水听器，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，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 材料输出电流的电荷放大电路，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，通过控制器计算被测声信号的振幅。
2.根据权利要求1所述的激光干涉式水听器，其特征在于所述控制器根据电荷 放大电路输出的电流信号的变化趋势判断振动片的振动方向，并同时对所述光电二极管 的导通次数进行计数，且记正向振动的计数值为k+，负向振动的计数值为k_，代入公式Δ 1= ( k+-k. )λ/2 ，计算出检测信号的振幅Δ 1 ；其中，λ为激光波长。
3.根据权利要求1所述的激光干涉式水听器，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。
4.根据权利要求3所述的激光干涉式水听器，其特征在于所述激光器为激光二极 管；所述反射膜位于振动片的中心位置。
5.根据权利要求1至4中任一项所述的激光干涉式水听器，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。
6.根据权利要求1至4中任一项所述的激光干涉式水听器，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传 送给终端装置进行显示和存储。
7.根据权利要求6所述的激光干涉式水听器，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。
8.根据权利要求7所述的激光干涉式水听器，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。
9.根据权利要求8所述的激光干涉式水听器，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。
全文摘要
本发明公开了一种激光干涉式水听器，包括基于迈克尔逊干涉原理的光路系统、控制系统和供电系统；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，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流的电荷放大电路，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，通过控制器计算被测声信号的振幅。本发明的水听器精度高、造价低、续航时间长。
文档编号G01H9/00GK102023050SQ20101054971
公开日2011年4月20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