NO322803B1 - Tilkoblingssystem for undersjoisk akustisk antenne - Google Patents

Description

Den foreliggende oppfinnelse vedrører tilkoblingssystemer som gjør det mulig å forbinde undersjøiske akustiske antenner til elektroniske innretninger for tolkning av disse signaler som er plassert inne i skroget av en undervannsbåt, idet selve antennene er plassert utenfor dette skrog.

Sonarantenner, og nærmere bestemt mottagerantennene, er plassert utenfor det bærende fartøy, for eksempel en undervannsbåt, og er konvensjonelt forbundet til elektroniske racks som gjør det mulig å tolke signalene sendt og mottatt av disse antenner, ved bruk av et sett elektriske forbindelser som passerer gjennom skroget av dette fartøy.

Dette arrangement medfører mange ulemper, særlig tap av lekkasjetetthet i området for tilkoblingene, et vesentlig antall kabler, koblingsbokser og skrogpassasjer (PHP, som står for "Pressure Hull Penetrator" eller trykkgjennomfø-ring), meget høye kostnader påført ved kabeltrekkingen, testingen osv., en redusert pålitelighet av sammensetningen pga. det store antall innretninger som benyttes for å etab-lere disse forbindelser, og endelig risiko for å ødelegge lekkasjetettheten når det er nødvendig å erstatte en av sensorene.

Hvis det var ønskelig å forbinde en sylindrisk antenne omfattende 128 kolonner av 16 hydrofoner, dvs. 2048 kanaler, å bruke dem alle til å utføre prosessering i asimut og i elevasjon, ville det være nødvendig å bruke mellom antennen og PHP-ene 128 kontakter på kolonnene og på kablene, 128 kabler dannet av 18 skjermede par, 128 kontakter på kablene og på PHP-ene, dvs. totalt 512 neddykkede kontakter. Når det gjelder PHP-ene ville det være nødvendig å benytte 32 kabler av 18 skjermede par utstyrt med 2 ganger 32 holdere (sockets), idet hver holder inkluderer 4 kontakter, 32 elektroniske bokser for å behandle signalene, og 32 kabler utstyrt med 2 ganger 32 holdere for å forbinde disse be-handl ingsbokser til det elektroniske rack.

En slik utførelse kan ikke implementeres i praksis, både pga. kostnaden for kablingen, som muligens kan dreie seg om flere titalls MF, vekten av kablene og av kontaktene, som ville være av størrelsesorden 6 tonn, og av det meget store antall PHP-er og neddykkede kontakter.

US patentet 4,838,797 innvilget til Paul J. Dodier 13. juni 1989 viser oss en måte for å sende et elektrisk signal gjennom en vanntett kobling laget av henholdsvis en plugg og sokkel, som utgjør de primære og sekundære viklingene i en transformator. Imidlertid viser den ikke måter for å gjøre det mulig å oppnå en kobling.

For uansett å kunne bruke en antenne av denne type, som er meget nyttig for bestemmelse av nøyaktig posisjon av kilder av akustisk støy, og for å unngå disse ulemper, foreslår oppfinnelsen et tilkoblingssystem for undervanns akustisk utstyr omfattende en demonterbar transformator inkludert en intern del matet med signaler som skal sendes og innlagt i en første blokk med elementer av en antenne, og en ekstern del innlagt i en andre blokk koblet magnetisk til den interne del. Tilkoblingssystemet er særpreget ved at den andre blokk inkluderer en elektrooptisk sender fødet elektrisk av den eksterne del for å sende signalene fra antennen optisk på en optisk fiber forbundet med enheter for tolking av disse signaler.

Ifølge en annen karakteristikk er den elektrooptiske trans-mitter en VCSEL.

Andre trekk og fordeler ved oppfinnelsen vil fremgå klart av den etterfølgende beskrivelse, gitt som et ikke-begrensende eksempel med hensyn til de vedføyde figurer som representerer: - figur 1, et teoretisk diagram av et system ifølge oppfinnelsen, - figur 2, det detaljerte diagram av en av kanalene i figur 1,

- figur 3, en detalj av en optisk forbindelse i figur 2,

- figur 4, et tverrsnitt av et lag av optisk fiber benyttet i diagrammet i figur 2, - figurene 5 og 6, respektivt tverrsnitt og frontale bilder av et system for å knytte sammen disse optiske fibre, - figur 7, et bilde ovenfra av festningen av et sett av forsyningssokler i skroget til et bærende fartøy, - figur 8, et tverrsnitt av kablene i figur 7 mellom to plugger, og - figur 9, et tverrsnitt av de samme kabler i området av en plugg.

Figur 1 representerer diagrammet av et forbindelsessystem ifølge oppfinnelsen som gjør det mulig å forbinde en sylindrisk akustisk antenne 101 av den type beskrevet ovenfor til et sonar rack 102. Som eksempel omfatter hver antenne 128 kolonner av 16 hydrofoner, pluss forsterkerne (PA), analog/digital omformerne (ADC), multiplekserne (MUX) og tilkoblingene korresponderende til hver kolonne.

Disse tilkoblinger er forbundet av et optisk koblingssystem 103 til 8 sett 104 av 8 optiske fibre som gjør det mulig å bringe ut mottakssignalene og til 8 sett 105 av 8 optiske fibre som gjør det mulig å bringe inn styringssignalene for antennen.

Endene av disse sett med optiske fibre, som danner kabler, er overstøpt til optiske/elektriske omformere 106 for utgangssignalene og elektrisk/optiske omformere 107 for styringssignalene .

Disse omformere er forbundet til skrogkontakter PHP, respektivt 108 for omformerne 106 og 109 for omformerne 107. Disse PHP-er gjør det mulig å bringe signalene inn i det tykke skroget 110 av en undervannsbåt.

PHP-ene 108 og 109 forbindes da til sonar-racket 102 ved hjelp av kabler 111 og 112.

I figur 2 er det blitt nøyaktig representert settet av kon-taktelementer korresponderende til en kolonne dannet fra 16 hydrofoner 201 støpt med deres medfølgende elementer til en blokk 201 av plastisk som er transparent for de akustiske

bølger, konvensjonelt dannet av polyuretan.

Til hver hydrofon 201 er det forbundet en forsterker (PA) 203, som selv er forbundet til en analog/digital omformer (ADC) 204. Settet av disse analoge/digitale omformere er forbundet med en multiplekser (MUX) 205 som gjør det mulig å multiplekse signalene fra alle hydrofonene inn i enkelt utgang 206.

I det beskrevne eksempel danner disse hydrofoner en kolonne av en sylindrisk type antenne, men dette kan være en akustisk antenne av enhver type, for eksempel et flankeantenne-panel for en undervannsbåt, eller et segment av en tauet lineær akustisk antenne.

Settet av elektroniske kretser 203, 204 og 205 er, i denne utførelse innelukket i en metallboks 2 07 som gjør det mulig å oppnå effektiv skjerming ved å være forbundet til jord via en lekkasjetett jordkobling 208.

Den elektriske kraftforsyning ankommer via en lateral plugg 209, som selv er lekkasjetett.

Boksen 207 er fylt med et produkt som gjør det mulig å motstå det hydrostatiske trykk, for eksempel en isolerende mi-neralolje eller polyuretan slik som det som danner blokken 202.

Ifølge oppfinnelsen blir den digitale datautgang fra multiplekseren ekstrahert fra blokken 202 ved bruk av en ut-byttbar pulstransformator som gjør det mulig samtidig å sende pulsene, på kjent måte, med en kort tidskonstant, og å separeres i to deler, hvorav en forblir innlagt i polyu-retanmassen 202 og den andre er utenfor denne masse og forbundet med kabelen 217 for forbindelse til sonar-racket. På denne måten er det lett mulig å frakoble hele kolonnen og dens medfølgende elementer uten å ødelegge lekkasjetettheten.

For å gjøre dette inkluderer denne transformator en kjerne dannet av en første intern del 210 som er innlagt i polyu-retanet 202, og av en andre ekstern del 211 som er utenfor denne polyuretanblokk. Flatene av forbindelsen mellom delen 210 og delen 211, danner en spalte i flukt med overflaten av blokken 202. En primær 212 er viklet på den indre del 210 av kjernen. Den fødes av en forsterker 212 som mottar dataene levert av multiplekseren 205.

Den andre del 211 av kjerner er selv støpt i en annen polyuretanblokk 214, av mindre størrelse, og kontaktflatene mellom denne andre del og den første del er selv i flukt med overflaten av den andre blokk 214. Denne andre blokk kan festes til overflaten av den første blokk ved festeor-ganer, ikke representert, for eksempel klips eller skruer, slik at det oppnås en optimal magnetisk kontinuitet mellom de to deler 210 og 211 av kjernen.

Under disse forhold vil den magnetiske fluks indusert av primæren 212 indusere, i en sekundær 215 viklet på den andre del 211 av den magnetiske kjerne, en spenning som representerer signalene som forlater multiplekseren 205.

Denne sekundær 215 er forbundet med en elektrooptisk komponent 216 som gjør det mulig å konvertere disse elektriske signaler til optiske signaler.

Oppfinnelsen foreslår at denne optiske komponent kan være en komponent kjent ved navnet VCSEL, et akronym for uttryk-ket "Vertical Cavity Surface Emitting Laser", som gjør det mulig å utstråle lyssignalene loddrett på dens overflate.

Disse lyssignaler blir da tatt opp av en optisk fiber 217, som er overstøpt i den andre polyuretanblokk 214 på en slik måte at dens ende er like ovenfor punktet fra hvilket lyssignalene forlater den elektrooptiske komponent 216. Koblingen mellom fiberen og komponenten kan oppnås enten direkte, eller ved hjelp av en bølgeleder for å forenkle fremstillingen av sammensetningen. Når materialet benyttet for å fremstille denne andre blokk 214 må det ikke tas noen spesiell forholdsregel ved overstøpingen for å unngå et brudd i lyssignalpassasjen pga. infiltrasjon av støpepro-duktet.

Sammensetningen danner slik en kontaktløs kobling mellom kolonnen av hydrofoner utstyrt med deres elektroniske til-pasningselementer og kabelen hvilket gjør det mulig å forbinde den til sammensetningen for tilkobling til sonar-racket 102.

Bruk av en komponent av VCSEL-type for å danne systemet i-følge oppfinnelsen er særlig fordelaktig siden utgangsmodu-set av lyset fra denne komponent tillater enkel tilpassing til den optiske overføringsfiber, som allerede forklart ovenfor. Videre opererer denne komponent i strømmodus, og verdien av denne strøm er på omtrent 1 mA med et forbruk av størrelsesorden 1 milliwatt, hvilket er lavt og særlig velegnet, igjen for overføringsevnen ved bruk av en transformator av den type beskrevet ovenfor. Videre kan bølgeleng-dene som sannsynligvis benyttes variere mellom 650 nm og 1100 nm, som igjen er velegnet for overføring ved optisk fiber. I en foretrukket utførelse blir det benyttet en bøl-gelengde på 850 nm.

For ytterligere informasjon om disse typer komponenter vi-ses det til IEEE Spectrum for februar 1998, side 43.

Selv med korrekt oppsett vil den karakteristiske demonte-ring av transformatoren 210-211 medføre eksistensen av en spalte som er relativt stor og fremviser nokså ujevne karakteristikker, særlig som en konsekvens av gjentatt fjer-ning og gjenmontering. Koblingen mellom primæren og sekundæren av transformatoren er derfor relativt løs og ikke veldefinert. For å være i stand til å få komponenten 216 til å funksjonere med en modulasjonsstrøm tilpasset disse karakteristikker benyttes et tilbakekoblingssystem, inkludert en sekundær vinding 218 viklet på den første del 210 av den magnetiske krets av transformatoren. Denne vinding gjør det mulig å kontrollere forsterkningen av forsterkeren 213 ved hjelp av en tilpasningskrets, inkludert for eksempel et likerettingssystem.

De optiske fibre 217 korresponderende til de forskjellige kolonner av antennen blir da gruppert sammen i kabler som forbindes til innretningen for innsamling av de optiske da-ta og for optisk/elektrisk omforming 106.

Oppfinnelsen foreslår å produsere disse kabler i form av en flat kabel som representert i figur 4, som dannes ved over-støping av de optiske fibre 217 satt sammen side-ved-side i form av et lag med et dekke av plastikk, her igjen fortrinnsvis polyuretan, for å oppnå kontinuitet med blokken 214. Overstøpingen utføres på en slik måte at den viser riller 402 og 403 plasser mellom de forskjellige fibre på hver av flatene av det flate bånd formet av kabelen. Dette gjør det mulig enkelt å dele opp fibrene komplett med deres dekke, for å forenkle tilpassing til innretningene 106, ved å danne slakke sløyfer etter behov.

Et sett av styringssignaler, slik som klokkesignaler, syn-kroniseringssignaler, forsterkningsstyringssignaler, etc, må sendes til de elektroniske enheter som er forbundet med hydrofonene. For å gjøre dette foreslår oppfinnelsen å sende disse signalene via optiske fibre 218 som er satt inn i et blindhull 219 dannet på en av flatene av overstøpings-blokken 202 av kolonnen av antennen. Dette hull er plassert mot en fotodiode 220 som drives av lyssignalene som stammer fra fiberen 218. De elektriske signaler utstrålt av denne diode som svar på disse lyssignaler blir deretter dekodet i en behandlingskrets 221 som gjør det mulig å velge de forskjellige signaler som er nødvendige både for forsterkerne 203 så vel som for de analoge/digitale omformerne 204 og for multiplekserne 205. Dette valg skjer for eksempel ved dekoding av en digital ramme inkludert alle de nødvendige signaler ifølge en forhåndsetablert koding.

Fibrene 218 som stammer fra innretningen for elektrisk/optisk omforming og distribusjon av de optiske sty-ringer 107 vil fortrinnsvis settes sammen i form av en flat kabel slik som de optiske fibre 217.

For å forenkle koblingen mellom endene av fiberen 218 og fotodioden 220 foreslår oppfinnelsen å benytte en kjent ty-pe fiber kalt "storkjernefiber" hvilket gjør det mulig å oppnå en lysstråle 222 som er relativt bred slik at den kan kompensere for defekter i posisjonering og innretting mellom endene av fiberen og fotodioden.

For å forbinde de optiske fibre 216 til innretningen 106 kan det for eksempel benyttes en liten innretningen slik som den som er representert i langsgående snitt i figur 5, og i tverrsnitt i figur 6.

Denne innretning omfatter en rektangulær flat boks 501 i hvilken det er satt inn et stykke 502 som danner en fiber-klemme. Dette stykket omfatter V-formede langsgående furer som gjør det mulig å holde fibrene 217 dekke i materialet 401 som danner flatkabelen etter separasjon i området for furene 402 og 403. Ettersom dette dekket er bløtt vil det formes etter furene, hvilket sikrer lekkasjetetthet av sammensetningen i dette området. Det optiske/elektriske omfor-mingssystem dannes av fotodioder 504 festet på den indre og nedre flate av det interne hulrom avgrenset av boksen 501. Hvis det passer vil disse fotodioder blir satt sammen i en ASIC, hvilket gjør det mulig å integrere i denne innretning et bestemt antall supplementære funksjoner som for eksempel tillater forsterkning og/eller multipleksing av signalene.

For å koble fibrene til fotodiodene vil det for eksempel bli benyttet et speil 505 vinklet med 45° og innrettet mellom enden av fibrene og inngangsflåtene av fotodiodene.

Hele hulrommet vil fylles med en transparent, dielektrisk gele eller en olje for å motstå trykket. Denne gele vil bli injisert gjennom en rundt åpning som deretter lukkes med en kork 506.

De elektriske signaler vil gå ut via skjermede par 507.

I en utførelsesvariant vil denne ASIC produseres i monolit-tisk form, hvilket gjør det mulig å benytte en bølgeleder integrert i substratet av ASIC-en for å gjøre det mulig å koble fibrene direkte til denne bølgeleder. På denne måten kan speilet og oljefyllet utelates.

På samme måte frembringes innretningen for elektrisk/optisk omforming og distribusjon av de optiske styringssignaler til fibrene 218 med en innretning lignende den i figurene 5 og 6. Forskjellen vedrører erstatningen av de mottagende fotodioder med lysemitterende dioder. I en foretrukket ut-førelse vil det benyttes komponenter av VCSEL-type i stedet for lysemitterende dioder, slik som komponentene 216 i figur 2.

For å oppnå redundans i systemet, som vil tillate feiltole-ranse, foreslår oppfinnelsen også, som representert i figur 3, å benytte to optiske sendere, for eksempel DVCSEL-er, 226 og 236 parallellkoblede på terminalene av sekundæren 215. Disse komponenter vil da kobles etter hverandre (head-to-tail) på en slik måte at svikt i én ikke skader opera-sjonen av den andre. Disse to komponenter vil forbindes respektivt til to optiske fibre 227 og 237 som vil terminere på optiske dupleksere 301 og 302. Hver av disse dupleksere vil da være forbundet respektivt til to opptaksinnretninger 306 og 316, som i sum gjør det mulig å tilveiebringe fullstendig redundans ved alltid å ha utgangssignalene fra transformatoren tilgjengelig på en av disse to innretninger 306 og 316.

Endelig, for å oppnå et system fullstendig uten elektriske kontakter og fullstendig demonterbart, foreslår oppfinnelsen å føde hvert antenneelement 202 via et induksjonssystem ved hjelp av en demonterbar transformator, som representert i figurene 7, 8 og 9. For å gjøre dette erstattes pluggen

209 i figur 2 med en del 901 av en magnetisk kjerne som inkluderer denne del 901 og en andre del 902 som gjør det mulig å sløyfekoble den magnetiske krets. Delen 901 er U-formet og innlagt i polyuretanblokken 202, mens delen 902 er lineær og gjør det mulig å lukke den magnetiske krets. Denne del 902 er selv festet på et avstandsstykke 903, som selv er festet til skroget 110 på hvilken antennen er festet. Dette gjør det mulig å unngå spredning av den magnetiske fluks i dette skrog.

En sekundær 904 viklet på delen 901 av den magnetiske krets gjør det mulig å føde de elektroniske elementer innlagt i blokken 202.

For å mate transformatoren benyttes det en primær, dannet fra flertrådskabler 905 som danner sløyfer som passerer gjennom det hule interiør av den magnetiske krets 901/902 og er sløyfekoblet på utsiden som representert i figur 7. Disse kabler 905 forsynes med elektrisk energi fra en koblingsboks 906 som gjør det mulig, på lekkasjetett måte, å bringe ut den elektriske energi fra innsiden av skroget 110. Denne koblingsboks vil fortrinnsvis plasseres over vannlinjen av det bærende fartøy, for å være i stand til å forenkle reparasjoner i dette området, hvilket er unødven-dig å si. Denne vannlinje er i tilfelle av en undervannsbåt denne som eksisterer når den er på overflaten.

For å få tilstrekkelig kobling vil det benyttes flertrådskabler, hvor hver tråd krysses av den samme strøm, og om nødvendig vil det benyttes flere flertrådskabler av denne type, to i tilfellet representert i figurene.

For å minimalisere alle typer tap mellom transformatorene som det observeres i realiteten danner kontaktløse elektriske plugger, vil disse kabler settes sammen mellom disse plugger på den måte som er representert i figur 8.

Claims (2)

1. Tilkoblingssystem for undervanns akustisk utstyr omfattende en demonterbar transformator inkludert en intern del (210) matet med signaler som skal sendes og innlagt i en første blokk (202) med elementer av en antenne (201-206), og en ekstern del (211) innlagt i en andre blokk (214) koblet magnetisk til den interne del, karakterisert ved at den andre blokk (214) inkluderer en elektrooptisk sender (216) fødet elektrisk av den eksterne del for å sende signalene fra antennen optisk på en optisk fiber (217) forbundet med enheter for tolking av disse signaler.

2. System som angitt i krav 1, karakterisert ved at den elektrooptiske sender er en VCSEL (216).