DE102011014663A1 - Optoacoustic transducer and hydrophone arrangement with such or such transducers - Google Patents
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Abstract
Die Erfindung betrifft einen optoakustischen Wandler 12 zur Wandlung von Wasserschallwellen 14 in ein moduliertes optisches Signal E mit einem optisch wirksamen Bauelement 16, welches mit Licht S und Wasserschallwellen 14 beaufschlagbar ist zur Erzeugung des modulierten optischen Signals E, wobei der Signalverlauf dieses optischen Signals E abhängig vom Signalverlauf eines von den Wasserschallwellen erzeugten hydroakustischen Signals ist. Erfindungsgemäß wird ein photonischer Kristall als optisch wirksames Bauelement 16 vorgeschlagen. Hierdurch ist eine sehr kleine Bauform optoakustischer Wandler möglich, die zudem mechanisch stabil und störunanfällig sind. Die Erfindung betrifft ferner eine Hydrophonanordnung 10 mit derartigen optoakustischen Wandlern 12.The invention relates to an optoacoustic converter 12 for converting waterborne sound waves 14 into a modulated optical signal E with an optically effective component 16, which can be acted upon with light S and waterborne sound waves 14 to generate the modulated optical signal E, the signal course of this optical signal E being dependent is on the waveform of a hydroacoustic signal generated by the waterborne sound waves. According to the invention, a photonic crystal is proposed as an optically effective component 16. This enables a very small design of optoacoustic transducers, which are also mechanically stable and not susceptible to interference. The invention also relates to a hydrophone arrangement 10 with such optoacoustic transducers 12.
Description
Die Erfindung betrifft einen optoakustischen Wandler gemäß dem Oberbegriff von Anspruch 1 sowie eine Hydrophonanordnung mit einem oder mehreren derartigen optoakustischen Wandlern.The invention relates to an optoacoustic transducer according to the preamble of claim 1 and to a hydrophone arrangement with one or more such optoacoustic transducers.
In der Hydroakustik werden herkömmlicherweise neben elektroakustischen Wandlern in jüngerer Zeit versuchsweise auch optoakustische Wandler eingesetzt, welche auf den Wandler auftreffende Wasserschallwellen in ein moduliertes optisches Signal umwandeln. Die Druckschwankungen der Wasserschallwelle modulieren ein eingespeistes Lichtsignal derart, dass diese Änderungen mit Hilfe der Signalverarbeitung entsprechend akustischer Frequenzen zugeordnet werden können. Die Modulation kann die Amplitude und/oder die Phase betreffen. Herkömmlicherweise wird hierzu ein optisch wirksames Bauelement in Form einer Lichtwellenleiterspule verwendet. Diese Lichtwellenleiterspule wird dabei dem Wasserschallfeld ausgesetzt, während gleichzeitig die Lichtwellenleiterspule von einem Laserlicht durchdrungen wird. Die Schallwelle ändert dabei die Länge des Lichtwellenleiters, wenngleich auch in geringem Ausmaß, sowie den Brechungsindex innerhalb des Lichtwellenleiters. Diese Änderungen sind an einem Lichtsensor detektierbar. Sie können schließlich wieder in elektrische Signale umgewandelt und diese elektrischen Signale sodann digitalisiert und einer elektronischen Signalverarbeitung zugeführt werden, um das Unterwasserschallsignal elektronisch verarbeiten zu können. Insbesondere finden derartige optoakustische Wandler Verwendung in Sonaranlagen zum Empfangen von Schallwellen im Wasser.In hydroacoustics, in addition to electroacoustic transducers more recently, optoacoustic transducers have also been used, which convert water sound waves impinging on the transducer into a modulated optical signal. The pressure fluctuations of the water sound wave modulate a fed-in light signal in such a way that these changes can be assigned by means of the signal processing corresponding to acoustic frequencies. The modulation may relate to the amplitude and / or the phase. Conventionally, an optically active component in the form of an optical waveguide coil is used for this purpose. This optical fiber coil is thereby exposed to the waterborne sound field, while at the same time the optical fiber coil is penetrated by a laser light. The sound wave thereby alters the length of the optical waveguide, albeit to a lesser extent, as well as the refractive index within the optical waveguide. These changes can be detected on a light sensor. They can finally be converted back into electrical signals and these electrical signals are then digitized and fed to electronic signal processing in order to be able to process the underwater sound signal electronically. In particular, find such opto-acoustic transducers use in sonar systems for receiving sound waves in the water.
Ein Nachteil derartiger Lichtwellenleiterspulen besteht jedoch darin, dass sie groß und mechanisch instabil sind. Sie sind daher für bestimmte Wasserschallantennen, insbesondere für dünne Schleppantennen nicht geeignet.However, a disadvantage of such optical waveguide coils is that they are large and mechanically unstable. They are therefore not suitable for certain hydrophone antennas, especially for thin towed antennas.
Der Erfindung liegt daher das Problem zugrunde, optoakustische Wandler bzw. daraus aufgebaute Hydrophonanordnungen bereitzustellen, die kleinere Strukturen aufweisen.The invention is therefore based on the problem of providing optoacoustic transducers or hydrophone assemblies constructed therefrom which have smaller structures.
Die Erfindung löst dieses Problem mittels eines optoakustischen Wandlers gemäß Anspruch 1 bzw. mit einer Hydrophonanordnung gemäß Anspruch 6.The invention solves this problem by means of an optoacoustic transducer according to claim 1 or with a hydrophone arrangement according to claim 6.
Im Einzelnen weist daher ein optoakustischer Wandler zur Wandlung von Wasserschallwellen in ein moduliertes optisches Signal einen photonischen Kristall als optisch wirksames Bauelement auf, welches mit Licht und Wasserschallwellen beaufschlagt ein moduliertes optisches Signal erzeugt, dessen Signalverlauf abhängig vom Signalverlauf eines von den Wasserschallwellen erzeugten hydroakustischen Signals ist. Das den photonischen Kristall beaufschlagende Licht bildet dabei einen Träger, der von dem hydroakustischen Signal und damit von den Wasserschallwellen moduliert wird.Specifically, therefore, an optoacoustic transducer for converting water sound waves in a modulated optical signal on a photonic crystal as an optically active device which applied to light and water sound waves generates a modulated optical signal whose waveform is dependent on the waveform of a hydroacoustic signal generated by the water sound waves , The light acting on the photonic crystal forms a carrier which is modulated by the hydroacoustic signal and thus by the water sound waves.
Ferner löst die Erfindung das vorstehende Problem mit einer Hydrophonanordnung mit einem oder mehreren derartigen optoakustischen Wandlern sowie einer oder mehrerer Lichtquellen zur Erzeugung des den bzw. die photonischen Kristall(e) beaufschlagenden Lichts und einem oder mehreren Lichtsensoren, insbesondere Photodioden, zum Empfangen von vom photonischen Kristall bzw. den photonischen Kristallen reflektiertem Licht oder von durch den photonischen Kristall bzw. die photonischen Kristalle transmittiertem Licht und zum Erzeugen eines elektrischen Signals in Abhängigkeit des empfangenen Lichts.Furthermore, the invention solves the above problem with a hydrophone arrangement having one or more such optoacoustic transducers and one or more light sources for generating the photonic crystal (s) impinging light and one or more light sensors, in particular photodiodes, for receiving photonic Crystal or the photonic crystals reflected light or transmitted by the photonic crystal or the photonic crystals light and for generating an electrical signal in response to the received light.
Dank der Erfindung ist eine kleinere Bauform von optoakustischen Wandlern realisierbar, die insbesondere für akustische Antennen mit geringer Ausdehnung zumindest in einer Dimension oder zwei Dimensionen geeignet ist, insbesondere für Linearantennen bzw. Schleppantennen. Aufgrund der geringen Größe bzw. kleinen Bauform der optoakustischen Wandler sind diese Wandler zudem mechanisch stabil und weisen aufgrund der mechanischen Stabilität eine geringe Störanfälligkeit auf. Die mechanische Stabilität ist insbesondere im Hinblick auf Unterwasseranwendungen von nicht unerheblicher Bedeutung, da derartige Antennen aufgrund ihrer Anwendung auf Wasserfahrzeugen, insbesondere Oberflächenschiffen und Unterseebooten, besonderen Belastungen ausgesetzt sind.Thanks to the invention, a smaller design of optoacoustic transducers can be realized, which is particularly suitable for acoustic antennas with low expansion in at least one dimension or two dimensions, in particular for linear antennas or towed antennas. Due to the small size or small size of the optoacoustic transducer, these converters are also mechanically stable and have a low susceptibility due to the mechanical stability. The mechanical stability is of considerable importance in particular with regard to underwater applications, since such antennas are exposed to particular loads because of their application to watercraft, in particular surface vessels and submarines.
Der Erfindung liegt die Erkenntnis zugrunde, dass photonische Kristalle bei Druckänderung ihr Reflektionsvermögen bzw. Transmissionsvermögen verändern und diese Veränderungen detektierbar sind. Somit kann der auf einen photonischen Kristall einfallende Schalldruck in ein optisches Signal umgewandelt werden, welches über eine entsprechende Lichtstrecke, insbesondere Lichtwellenleiter, einer Auswerteelektronik zugeführt werden kann, um das somit erfasste akustische Signal weiter zu verarbeiten.The invention is based on the finding that photonic crystals change their reflectivity or transmittance when the pressure changes and these changes are detectable. Thus, the incident on a photonic crystal sound pressure can be converted into an optical signal which can be supplied via a corresponding light path, in particular optical waveguide, a transmitter to further process the thus detected acoustic signal.
Gemäß einer besonderen Ausführungsform weist der photonische Kristall eine periodische Gitterstruktur mit wenigstens einer Gitter-Strukturkonstanten auf, die im Bereich der Wellenlänge der halben Wellenlänge oder eines Viertels der Wellenlänge des den photonischen Kristalls beaufschlagenden Lichts liegt. Die Gitterstruktur des photonischen Kristalls wird daher derart bemessen, dass sie an die Wellenlänge des den photonischen Kristall beaufschlagenden Lichts angepasst ist. Die Anpassung der Lichtquelle an die Strukturgröße ist ebenfalls möglich. Somit ergibt sich ein vorteilhaft ausnutzbarer spezifischer Verlauf des Reflektionsgrades bzw. des Transmissionsgrades des photonischen Kristalls in Abhängigkeit der Lichtwellenlänge innerhalb dieses Bereichs.According to a particular embodiment, the photonic crystal has a periodic lattice structure with at least one lattice structure constant which lies in the region of the wavelength of half the wavelength or a quarter of the wavelength of the light impinging on the photonic crystal. The lattice structure of the photonic crystal is therefore sized to match the wavelength of the photonic crystal impinging light. The adaptation of the light source to the structure size is also possible. This results in an advantageously utilizable specific course of the degree of reflection or the transmittance of the photonic crystal as a function of the wavelength of light within this range.
Die Gitterstruktur und damit auch die Gitter-Strukturkonstante bzw. Gitter-Strukturkonstanten können im Herstellungsprozess der photonischen Kristalle bestimmt werden. Insbesondere eignen sich daher zur Herstellung derartiger photonischer Kristalle lithografische Verfahren oder Sedimentationsverfahren oder spezielle Laserbestrahlung entsprechender Ausgangsmaterialien, um photonische Kristalle einer bestimmten Struktur herzustellen.The lattice structure and thus also the lattice structure constant or lattice structure constants can be determined in the production process of the photonic crystals. In particular, lithographic processes or sedimentation processes or special laser irradiation of appropriate starting materials are therefore suitable for producing such photonic crystals in order to produce photonic crystals of a specific structure.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform weist der photonische Kristalle einen von der Wellenlänge des beaufschlagenden Lichts abhängigen Verlauf des optischen Reflektionsgrades auf, der bei steigender Wellenlänge von einem ersten Bereich minimalen Reflektionsgrades bis zu einem Bereich maximalen Reflektionsgrades ansteigt und bei weiter steigender Wellenlänge bis zu einem zweiten Bereich minimalen Reflektionsgrades abfällt. Bei diesen genannten minimalen bzw. maximalen Reflektionsgraden kann es sich entweder um globale oder lokale Maxima bzw. Minima im Verlauf des Reflektionsgrades handeln.According to a further preferred embodiment, the photonic crystals have a dependent on the wavelength of the impinging light gradient of the optical reflectance, which increases with increasing wavelength from a first region of minimum reflectance to a range of maximum reflectance and at further increasing wavelength up to a second region minimal reflectance drops. These mentioned minimum and maximum reflection levels may be either global or local maxima or minima in the course of the reflectance.
Das den photonischen Kristall beaufschlagende Licht ist vorzugsweise monochromatisches Licht einer vorbestimmten Wellenlänge oder polychromatisches Licht mit mehreren vorbestimmten Wellenlängen. Alternativ kann auch Licht mit einem schmalbandigen Wellenlängenbereich verwendet werden. Die o. g. Strukturkonstante ist dabei derart an diese Wellenlänge bzw. die mehreren Wellenlängen bzw. diesen schmalbandigen Wellenlängenbereich angepasst, dass der optische Reflektionsgrad für diese Wellenlänge bzw. diese mehreren Wellenlängen bzw. diesen schmalbandigen Wellenlängenbereich zwischen dem Bereich maximalen Reflektionsgrades und dem ersten und/oder zweiten Bereich minimalen Reflektionsgrad liegt, insbesondere in einem Bereich, in dem die erste Ableitung des Reflektionsgrades nach der Wellenlänge einen lokalen oder globalen Extremwert annimmt und/oder die zweite Ableitung des Reflektionsgrades nach der Wellenlänge Null ist. Auf diese Weise kann der Arbeitspunkt derart gewählt werden, dass das den photonischen Kristall beaufschlagende Licht eine Wellenlänge aufweist, die an einer besonders steilen Flanke des Verlaufs des optischen Reflektionsgrades über die Wellenlänge liegt. Eine derartig steile Flanke bewirkt, dass bereits kleinste Verschiebungen des Kurvenverlaufs des Reflektionsgrades infolge von Druckänderungen am photonischen Kristall zu einer hohen Sensitivität des Wandlers führen, so dass der Wandler auch bei kleinen Schalldruckänderungen bereits ein brauchbares Nutzsignal liefert.The light impinging on the photonic crystal is preferably monochromatic light of a predetermined wavelength or polychromatic light having a plurality of predetermined wavelengths. Alternatively, light with a narrow band wavelength range can also be used. The o. G. In this case, the structure constant is adapted to this wavelength or to the multiple wavelengths or narrowband wavelength range such that the optical reflectance for this wavelength or these multiple wavelengths or narrowband wavelength range between the maximum reflectance range and the first and / or second range is minimal Reflectance is, in particular in a range in which the first derivative of the reflectance after the wavelength assumes a local or global extreme value and / or the second derivative of the reflectance after the wavelength is zero. In this way, the operating point can be chosen such that the light acting on the photonic crystal has a wavelength which lies on a particularly steep flank of the course of the optical reflectance over the wavelength. Such a steep edge causes even the slightest shifts in the curve of the reflectance due to pressure changes on the photonic crystal lead to a high sensitivity of the transducer, so that the converter already provides a useful useful signal even with small changes in sound pressure.
Bei einer weiteren besonderen Ausführungsform wird alternativ oder zusätzlich zum Reflektionsvermögen das Transmissionsvermögen des photonischen Kristalls ausgenutzt. Bevorzugt weist der photonische Kristall einen von der Wellenlänge des beaufschlagenden Lichts abhängigen Verlauf des optischen Transmissionsgrades auf, der bei steigender Wellenlänge von einem ersten Bereich maximalen Transmissionsgrades bis zu einem Bereich minimalen Transmissionsgrades abfällt und bei weiter steigender Wellenlänge bis zu einem zweiten Bereich maximalen Transmissionsgrades ansteigt. Wiederum kann es sich bei diesen Minima bzw. Maxima entweder um lokale oder globale Minima bzw. Maxima handeln.In a further particular embodiment, alternatively or in addition to the reflectivity, the transmissivity of the photonic crystal is utilized. Preferably, the photonic crystal has a dependent on the wavelength of the impinging light curve of the optical transmittance, which decreases with increasing wavelength from a first range of maximum transmittance to a range of minimum transmittance and increases with increasing wavelength up to a second range of maximum transmittance. Again, these minima or maxima may be either local or global minima or maxima.
Wiederum ist das beaufschlagende Licht monochromatisches Licht einer vorbestimmten Wellenlänge oder polychromatisches Licht mit mehreren vorbestimmten Wellenlängen oder Licht mit einem schmalbandigen Wellenlängenbereich. Dabei ist wiederum die wenigstens eine Strukturkonstante derart an diese Wellenlänge bzw. die mehreren Wellenlängen bzw. diesen schmalbandigen Wellenlängenbereich angepasst, dass der optische Transmissionsgrad für diese Wellenlänge bzw. diese mehreren Wellenlängen bzw. diesen schmalbandigen Wellenlängenbereich zwischen dem Bereich minimalen Transmissionsgrades und dem ersten und/oder zweiten Bereich maximalen Transmissionsgrades liegt, insbesondere in einem Bereich, in dem die erste Ableitung des Transmissionsgrades nach der Wellenlänge einen lokalen oder globalen Extremwert und/oder die zweite Ableitung des Transmissionsgrades nach der Wellenlänge Null ist. Auch bei dieser Ausführungsform kann somit eine steile Flanke im Verlauf des Transmissionsgrades als Arbeitspunkt bzw. Bereich des Arbeitspunktes ausgewählt werden, so dass bereits eine geringfügige Verschiebung des Verlaufs des Transmissionsgrades infolge einer Schalldruckänderung zu einem signifikanten Ändern des optischen Signals führt. Auch die Ausnutzung des Transmissionsverhaltens führt somit zu einem Wandler mit einer hohen Sensitivität.Again, the impinging light is monochromatic light of a predetermined wavelength or polychromatic light having a plurality of predetermined wavelengths or light having a narrow band wavelength range. In this case, in turn, the at least one structure constant is adapted to this wavelength or the plurality of wavelengths or narrowband wavelength range such that the optical transmittance for this wavelength or these multiple wavelengths or narrowband wavelength range between the range of minimum transmittance and the first and / or. or second region of maximum transmittance, in particular in a region in which the first derivative of the transmittance after the wavelength is a local or global extreme value and / or the second derivative of the transmittance after the wavelength zero. In this embodiment as well, a steep flank in the course of the transmittance can thus be selected as the operating point or range of the operating point, so that even a slight shift in the progression of the transmittance due to a change in sound pressure leads to a significant change in the optical signal. The utilization of the transmission behavior thus leads to a converter with a high sensitivity.
Bei einer weiteren besonderen Ausführungsform weist der photonische Kristall an vorbestimmten Bereichen vorbestimmte Defekte bzw. vorbestimmten Unregelmäßigkeiten auf. Der gezielte Einbau derartiger Defekte bzw. Unregelmäßigkeiten in die Struktur des photonischen Kristalls ergibt einen sehr schmalen Frequenzbereich innerhalb des Bereichs der vorstehend beschriebenen steilen Flanken, der Licht transmittiert und somit nur gering reflektiert. Auf diese Weise ergibt sich im Verlauf des Reflektionsgrades bzw. Transmissionsgrades ein weiteres Minimum bzw. Maximum mit steilen Flanken im Übergangsbereich zu diesem Minimum bzw. Maximum. Diese zusätzlichen steilen Flanken eignen sich besonders für die Wahl eines Arbeitspunktes, bei dem der photonische Kristall betrieben werden kann, d. h. der Wahl der Wellenlänge bzw. mehrerer Wellenlängen bzw. eines schmalbandigen Wellenlängenbereichs, mit der bzw. dem der photonische Kristall mit Licht beaufschlagt wird.In a further particular embodiment, the photonic crystal has predetermined defects or predetermined irregularities at predetermined regions. The targeted incorporation of such defects or irregularities in the structure of the photonic crystal results in a very narrow frequency range within the range of the above-described steep flanks, which transmits light and thus reflects only slightly. In this way, in the course of the degree of reflection or transmittance, a further minimum or maximum with steep edges in the Transition area to this minimum or maximum. These additional steep flanks are particularly suitable for the choice of an operating point at which the photonic crystal can be operated, ie the choice of the wavelength or a plurality of wavelengths or a narrowband wavelength range with which the photonic crystal is exposed to light.
Gemäß einer besonderen Ausführungsform der erfindungsgemäßen Hydrophonanordnung wird das vom Lichtsensor erzeugte elektrische Signal einem Hochpassfilter zugeführt. Dies ist vorteilhaft, da auf diese Weise ein gleichanteilsfreies Signal erzeugt wird. Ein Gleichanteil im Verlauf des elektrischen Signals ergibt sich insbesondere durch den hydrostatischen Druck im Wasser, d. h. insbesondere infolge der Tauchtiefe der Hydrophonanordnung. Die Tauchtiefe ändert sich jedoch im Vergleich zur Frequenz einfallender Schallwellen sehr langsam. Daher kann durch eine Hochpassfilterung der Einfluss einer etwaigen Tauchtiefenänderung eliminiert werden. Somit eignen sich derartige Hydrophonanordnungen, insbesondere für den Einsatz von Schleppantennen an Unterseebooten, welche unterschiedlichen Tauchtiefen ausgesetzt sind.According to a particular embodiment of the hydrophone arrangement according to the invention, the electrical signal generated by the light sensor is fed to a high-pass filter. This is advantageous because in this way an equal-share signal is generated. A DC component in the course of the electrical signal results in particular by the hydrostatic pressure in the water, d. H. in particular due to the depth of the hydrophone arrangement. However, the depth changes very slowly compared to the frequency of incident sound waves. Therefore, the influence of any dip depth change can be eliminated by high-pass filtering. Thus, such Hydrophonanordnungen are suitable, especially for the use of towed antennas on submarines, which are exposed to different depths.
Bei einer weiteren Ausführungsform ist vorgesehen, dass zusätzlich oder alternativ das dem Lichtsensor zugeführte optische Signal zunächst einer optischen Hochpassfilterung unterworfen wird. Hierdurch wird eine Wirkung analog dem Hochpass für das elektrische Signal erzielt.In a further embodiment, it is provided that additionally or alternatively, the optical signal supplied to the light sensor is first subjected to optical high-pass filtering. As a result, an effect similar to the high-pass for the electrical signal is achieved.
Bei einer weiteren besonderen Ausführungsform der Hydrophonanordnung ist die Lichtwelle bzw. sind die Lichtquellen bzgl. der von ihr/ihnen erzeugten Wellenlänge(n) einstellbar. Dabei wird die Wellenlänge bzw. werden die Wellenlängen in Abhängigkeit der Tauchtiefe der Hydrophonanordnung gesteuert. Vorzugsweise wird die Wellenlänge bzw. werden die Wellenlängen bei größer werdender Tauchtiefe, d. h. bei steigendem Druck und damit kleiner werdenden Gitter-Strukturkonstanten, reduziert und bei kleiner werdender Tauchtiefe erhöht. Auf diese Weise kann trotz einer mit der Tauchtiefe variierenden Lage des Verlaufs des Reflektionsgrades bzw. des Transmissionsgrades hin zu niedrigeren Wellenlängen bzw. höheren Wellenlängen kompensiert werden, so dass der gewählte bzw. die gewählten Arbeitspunkte bei einem im Wesentlichen gleichen Reflektionsgrad bzw. Transmissionsgrad gehalten werden können, auch wenn sich der Umgebungsdruck ändert. Somit kann ein Nutzsignal des Wandlers, insbesondere das optische Signal des Wandlers im Wesentlichen mit gleicher Qualität erzeugt werden.In a further particular embodiment of the hydrophone arrangement, the light wave or the light sources are adjustable with respect to the wavelength (s) generated by them. In this case, the wavelength or wavelengths are controlled as a function of the depth of the hydrophone arrangement. Preferably, the wavelength or the wavelengths become larger as the depth of immersion increases, ie. H. with increasing pressure and thus decreasing lattice structure constants, reduced and increased with decreasing depth. In this way, despite a varying with the depth of immersion layer of the gradient of the degree of reflection or the transmittance toward lower wavelengths or higher wavelengths can be compensated, so that the selected or the selected operating points are kept at a substantially same degree of reflection or transmittance even if the ambient pressure changes. Thus, a useful signal of the transducer, in particular the optical signal of the transducer can be generated with substantially the same quality.
Bei einer weiteren besonderen Ausführungsform ist eine Vielzahl von photonischen Kristallen innerhalb einer Schleppantenne einer Sonaranlage angeordnet, wobei diese photonischen Kristalle über Lichtwellenleiter mit der bzw. den Lichtquelle(n) und dem bzw. den Lichtsensor(en) verbunden sind. Eine derartige Ausführungsform ist vorteilhaft, da dank der Lichtwellenleiter die Lichtquelle(n) und der/die Lichtsensor(en) außerhalb der Schleppantenne, zumindest aber außerhalb des akustischen Teils einer Schleppantenne anordbar sind. Somit sind in diesem Teil der Schleppantenne keine elektrischen Leitungen notwendig. Dies ermöglicht eine schlanke Bauform von Schleppantennen, welche wiederum vorteilhaft ist, da für schlanke Schleppantennen kleinere Radien einer Trommel zum Aufwickeln der Schleppantenne möglich sind. Somit kann die Trommel zum Aufwickeln der Schleppantenne mit geringerem Durchmesser ausgebildet werden. Des Weiteren reduziert eine schlanke Bauform einer Schleppantenne die Gefahr von Beschädigungen der Schleppantenne beim Aufrollen, welche insbesondere durch ein Einknicken eines umhüllenden Schlauches gegeben ist.In a further particular embodiment, a multiplicity of photonic crystals are arranged within a towed antenna of a sonar system, these photonic crystals being connected via optical waveguides to the light source (s) and the light sensor (s). Such an embodiment is advantageous because thanks to the optical waveguide, the light source (s) and the / the light sensor (s) outside the towed antenna, but at least outside the acoustic part of a towed antenna can be arranged. Thus, no electrical wires are necessary in this part of the towed antenna. This allows a slim design of towed antennas, which in turn is advantageous because for smaller towed antennas smaller radii of a drum for winding the towed antenna are possible. Thus, the drum can be formed for winding the towed antenna with a smaller diameter. Furthermore, a slim design of a towed antenna reduces the risk of damage to the towed antenna during rolling, which is in particular due to buckling of an enveloping hose.
Bei einer weiteren besonderen Ausführungsform weist die Hydrophonanordnung eine Gruppe von photonischen Kristallen auf, welche über einen Lichtwellenleiter miteinander zur Beaufschlagung mit Licht verbunden sind. Dabei sind die Strukturkonstanten dieser photonischen Kristalle innerhalb der Gruppe unterschiedlich. Ferner ist das diese photonischen Kristalle beaufschlagende Licht polychromatisch. Die Wellenlängen dieses polychromatischen Lichts sind dabei an die Strukturkonstanten der verschiedenen photonischen Kristalle angepasst. Eine derartige Ausgestaltung ist vorteilhaft, da somit eine Gruppe von Wandlern mit nur einem Lichtwellenleiter mit Licht beaufschlagt werden können. Dies reduziert die Anzahl notwendiger Lichtwellenleiter. Ferner ermöglicht dies eine individuelle Auswertung der Empfangssignale anhand der unterschiedlichen Lichtfarben bzw. Wellenlängen. D. h. auch die reflektierten bzw. transmittierten optischen Signale können ebenfalls über denselben oder einen separaten Lichtwellenleiter zum Lichtsensor zurückgeführt werden. Insgesamt ermöglicht ein derartiger Aufbau daher aufgrund der geringen Anzahl benötigter Lichtwellenleiter ebenfalls einen schlanken Aufbau einer Hydrophonanordnung.In a further particular embodiment, the hydrophone arrangement comprises a group of photonic crystals, which are connected to each other via an optical waveguide for exposure to light. The structural constants of these photonic crystals within the group are different. Further, the light impinging on these photonic crystals is polychromatic. The wavelengths of this polychromatic light are adapted to the structural constants of the various photonic crystals. Such a configuration is advantageous, since thus a group of transducers with only one optical waveguide can be exposed to light. This reduces the number of necessary optical fibers. Furthermore, this allows an individual evaluation of the received signals on the basis of the different light colors or wavelengths. Ie. The reflected or transmitted optical signals can also be returned to the light sensor via the same or a separate optical waveguide. Overall, such a structure therefore also allows a slim construction of a hydrophone arrangement due to the small number of optical waveguides required.
Weitere vorteilhafte Ausführungsformen ergeben sich aus den Unteransprüchen sowie aus den anhand der Zeichnung näher erläuterten Ausführungsbeispielen. In der Zeichnung zeigen:Further advantageous embodiments will become apparent from the subclaims and from the exemplary embodiments explained with reference to the drawing. In the drawing show:
Derartige photonische Kristalle haben die Eigenschaft, dass Licht eines bestimmten Wellenlängenbereichs nicht durch die Struktur hindurch geleitet werden kann, wobei dieser Wellenlängenbereich von wenigstens einer Strukturkonstanten bestimmt ist, welche die periodische Gitterstruktur des photonischen Kristalls beschreibt. Bei dem photonischen Kristall handelt es sich um einen dreidimensional strukturierten Körper. Ein derartiger homogener photonischer Kristall
Der photonische Kristall
Der Lichtstrahl S gelangt über einen Lichtwellenleiter
Der Lichtsensor
Gemäß
Die Lage von λmax ebenso wie die Lage des Verlaufs der Kurve des Reflektionsgrades R verschiebt sich in Richtung kleinerer Wellenlängen λ, wenn der auf den photonischen Kristall
Trifft nun eine Wasserschallwelle
Die wenigstens eine Strukturkonstante der Gitterstruktur des photonischen Kristalls ist derart an die Wellenlänge der Lichtquelle
Aus Kostengründen sind Standardlichtquellen, insbesondere Standardlaserdioden zu verwenden, die jedoch nur Licht einer bestimmten Frequenz aussenden, die nicht ohne weiteres veränderbar ist. Um gleichwohl einen Arbeitspunkt A in der vorstehend genannten Weise auf eine der steilen Flanken legen zu können, muss die Gitterstruktur des photonischen Kristalls entsprechend bestimmt werden. Dies ist jedoch ohne weiteres möglich, da die Gitterstruktur des photonischen Kristalls erfindungsgemäß künstlich erzeugt wird, bzw. durch Sedimentation eines Ausgangsmaterials oder lithografischer Verfahren oder Laserbehandlung von optischen Materialien.For cost reasons, standard light sources, in particular standard laser diodes are to be used, which, however, emit only light of a certain frequency, which is not readily changeable. However, in order to be able to place an operating point A on one of the steep flanks in the aforementioned manner, the grating structure of the photonic crystal must be determined accordingly. However, this is easily possible because the lattice structure of the photonic crystal is artificially generated according to the invention, or by sedimentation of a starting material or lithographic process or laser treatment of optical materials.
Alternativ kann jedoch auch die Wellenlänge λR1 derart an eine bereits vorhandene periodische Gitterstruktur eines photonischen Kristalls angepasst werden, dass der Arbeitspunkt A auf den genannten steilen Flanken liegt. Wie bereits oben ausgeführt, setzt dies jedoch eine aufwändigere Lichtquelle
Die Wahl des Arbeitspunktes A auf einer der beiden steilen Flanken hat den Vorteil, dass bereits geringste Verschiebungen des Verlaufs des Reflektionsgrades R in Richtung der horizontalen Achse infolge von Schalldruckänderungen zu einer signifikanten Änderung des Reflektionsgrades R führen. Diese Änderungen des Reflektionsgrades führen zu einer periodischen Dämpfung des in Richtung des optoakustischen Wandlers
Die Wahl des Arbeitspunktes A auf einer der steilen Flanken führt somit zu einer Signalverstärkung bzw. einer hohen Sensitivität des photonischen Kristalls
Eine derartige Anordnung ist erfindungsgemäß in einer Schleppantenne
Der einfallende Lichtstrahl S gelangt wiederum über einen Lichtwellenleiter
Gemäß dem in
Wiederum wird der Arbeitspunkt A vorzugsweise an einer der steilen Flanken des Verlaufs des Transmissionsgrades T gewählt, um die Sensitivität dieses Wandlers
Alternativ zu dem in
Sowohl in dem Ausführungsbeispiel gemäß
Die Erfindung hat erkannt, dass ein photonischer Kristall in besonders spezifischer Weise sein Reflektions- und/oder Transmissionsverhalten in Abhängigkeit von Umgebungsdruckänderungen ändert. Ein photonischer Kristall ist daher sensitiv auf Druckänderungen, wie sie sich bspw. bei Unterwasserschall ergeben. Diese Sensitivität kann insbesondere dadurch gesteigert werden, dass eine Strukturkonstante der periodischen Gitterstruktur des photonischen Kristalls an die Wellenlänge des den photonischen Kristall bestrahlenden Lichts angepasst ist. Hierzu wird entweder die Gitterstruktur an die Frequenz des verwendeten Lichts angepasst oder es wird die Frequenz des verwendeten Lichts an die Gitterstruktur angepasst.The invention has recognized that a photonic crystal changes its reflection and / or transmission behavior in a particularly specific manner as a function of changes in ambient pressure. A photonic crystal is therefore sensitive to pressure changes, as they result, for example, underwater noise. This sensitivity can be increased in particular by adapting a structural constant of the periodic lattice structure of the photonic crystal to the wavelength of the light irradiating the photonic crystal. For this purpose, either the lattice structure is adapted to the frequency of the light used or the frequency of the light used is adapted to the lattice structure.
Dank des erfindungsgemäßen optoakustischen Wandlers lassen sich sehr schlanke langgestreckte Hydrophonanordnungen mit einer Vielzahl optoakustischer Wandler realisieren, wie sie bspw. in Schleppantennen von Sonaranlagen Anwendung finden. Die Erfindung ermöglicht somit eine besonders dünne Ausgestaltung von Schleppantennen.Thanks to the optoacoustic transducer according to the invention, it is possible to realize very slim, elongated hydrophone arrangements with a multiplicity of optoacoustic transducers, as used, for example, in drag antennas of sonar systems. The invention thus enables a particularly thin design of towed antennas.
Alle in der vorgenannten Figurenbeschreibung, in den Ansprüchen und in der Beschreibungseinleitung genannten Merkmale sind sowohl einzeln als auch in beliebiger Kombination miteinander einsetzbar. Die Offenbarung der Erfindung ist daher nicht auf die beschriebenen bzw. beanspruchten Merkmalskombinationen beschränkt. Vielmehr sind alle Merkmalskombinationen als offenbart zu betrachten.All mentioned in the above description of the figures, in the claims and in the introduction of the description features can be used individually as well as in any combination with each other. The disclosure of the invention is therefore not limited to the described or claimed feature combinations. Rather, all feature combinations are to be regarded as disclosed.
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Citations (1)
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---|---|---|---|---|
US20080225293A1 (en) * | 2006-07-25 | 2008-09-18 | The Regents Of The University Of Michigan | Photonic crystal sensor |
Non-Patent Citations (1)
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---|
SCHAER, T.; IMLAU, M.: Optisches Hydrophon basierend auf photonischen Kristallen. In: Programmheft 37. Deutsche Jahrestagung für Akustik - DAGA 2011, Januar 2011, 219. * |
Cited By (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
CN110307892A (en) * | 2019-07-08 | 2019-10-08 | 上海交通大学 | It is changed using the optical signalling of biomaterial to realize the method and sonic sensor of acoustic detection |
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