Sind das „Ohren“ aus Glasfaser? Wie hört es U-Boote unter Wasser?
Bildlich gesprochen ist ein Lichtwellenleiter-Hydrophon (Fiber Optic Hydrophone) tatsächlich wie ein „hochsensibles Unterwasserohr aus Glasfaser“ zu betrachten. Es ist ein Unterwasserschallsensor, der Lichtwellenleiter als Sensormedium verwendet, um Schallwellen (Schalldrucksignale) im Wasser zu erfassen.
I. Grundlegende physikalische Prinzipien der Unterwasserortung von U-Booten
Schall ist im Wesentlichen eine mechanische Welle (Schallwelle), die sich in elastischen Medien ausbreitet und einen schwachen Wechseldruck im Wasser erzeugt. Wenn ein U-Boot unter Wasser fährt, strahlen die mechanischen Vibrationen der Antriebsanlage, des Getriebes sowie die hydrodynamischen Blattgeräusche und Kavitationseffekte des Propellers Schallwellen in charakteristischen Frequenzbändern in das Wasser ab.
Der Prozess der Schallortung von U-Booten durch Lichtwellenleiter-Hydrophone basiert hauptsächlich auf dem Akustisch-Optischen Modulations-Effekt (Elasto-optic effect & Photoelastic effect):
1. Umwandlung von Schalldruck in Faserdehnung
- Interferenzbasierte Lichtwellenleiter-Hydrophone (die gängigste Form): Ein langer, dünner Sensorlichtwellenleiter wird eng auf einen hochgradig elastischen Verbundwerkstoff- oder Kunststoffkern (Mandrel) aufgewickelt, der empfindlich auf Wasserdruck reagiert. Wenn die vom U-Boot emittierte schwache Schallwelle die Oberfläche des Kerns erreicht, komprimiert oder dehnt der Wechseldruck des Schalls den Kern und zwingt den darauf aufgewickelten Lichtwellenleiter zu einer axialen Mikrodehnung.
- Lichtwellenleiter-Bragg-Gitter-Hydrophone (FBG): Ein Faser-Bragg-Gitter wird in einem flexiblen Verstärkungs-Hohlraum oder auf einer elastischen Membran verkapselt. Der Wechseldruck verursacht direkte geringfügige Dehnungen und Stauchungen im Bereich des Gitters.
2. Minimale Modulation des optischen Phasenwinkels
Am Beispiel der interferometrischen Struktur wird die Lichtphase \Phi, wenn Licht in einer Monomode-Faser übertragen wird, wie folgt ausgedrückt:
\Phi = \beta \cdot L
Hierbei ist \beta die Ausbreitungskonstante der Lichtwelle in der Faser und L die Länge des Sensorlichtwellenleiters.
Wenn der Schalldruck zu einer Längenänderung \Delta L der Faser und einer Änderung des Brechungsindex \Delta n aufgrund des photoelastischen Effekts führt, wird eine extrem geringe Modulation \Delta \Phi der Lichtphase verursacht:
\Delta \Phi = \beta \cdot \Delta L + L \cdot \Delta \beta
3. Elektro-optische Demodulation zur Wiederherstellung des Schallsignals
Der Lichtweg im Hydrophon (oft eine Mach-Zehnder-, Michelson- oder Sagnac-Interferometerstruktur) mischt zwei kohärente Lichtstrahlen und wandelt die nicht direkt detektierbare Lichtphasenänderung in eine Lichtintensitätsänderung des Interferenzmusters um. Nach dem Empfang des Interferenzlichtsignals durch einen Photodetektor rechnet eine Hochgeschwindigkeits-Demodulations-Datenerfassungskarte die Phasenänderungswelle aus, die dann vollständig in das ursprüngliche akustische elektrische Signal umgewandelt wird.
4. Array-Abhörung und U-Boot-Ortung
Ein einzelnes Hydrophon kann nur die Anwesenheit von Schall „hören“. Im tatsächlichen U-Boot-Abwehrkampf werden jedoch typischerweise Dutzende oder sogar Hunderte von Lichtwellenleiter-Hydrophonen zu einem Lichtwellenleiter-Hydrophon-Array (wie z. B. Schlepplinien-Arrays von Schiffen, Seitenwand-Arrays von U-Booten oder feste Unterwasser-Akustiküberwachungsnetze) verbunden:
- Strahlbildungstechnik (Beamforming): Die einzelnen Elemente des Arrays empfangen die Schallwellen desselben U-Boots mit winzigen Zeitverzögerungen (Phasendifferenzen). Durch Signalverarbeitungsalgorithmen zur Ausrichtung der Zeitverzögerungen und gewichteten Summation kann die Richtung, der Azimut und die Bewegungstrajektorie des U-Boots präzise berechnet werden.
- Erkennung von Schallsignaturen: Das demodulierte Frequenzspektrum des Schalls wird extrahiert und mit den charakteristischen niederfrequenten, schmalbandigen Linienspektren („Schallsignaturen“) verglichen, die für U-Boote spezifisch sind (z. B. Achsfrequenzen, Blattfrequenzen), um den Typ und den Betriebszustand des U-Boots zu identifizieren.
II. Hinweis zur technischen Zuordnung
Lichtwellenleiter-Hydrophone und Unterwasser-U-Boot-Abwehr-Array-Systeme gehören zu speziellen Unterwasserakustik- und Abwehrüberwachungsausrüstungen. Komplette Lichtwellenleiter-Hydrophon-Ausrüstungen gehören nicht zur Kernproduktlinie von 大成永盛 (OFSCN®).
Der technologische Kern von 大成永盛 (OFSCN®) konzentriert sich auf industrielle Lichtwellenleiter-Bragg-Gitter (FBG) und verteilte Lichtwellenleiter-Sensortechnologien und bietet hauptsächlich konventionelle physikalische Messgrößen-Sensoren (wie Temperatur, statische/quasi-statische Dehnung, Spannung und dreidimensionale Kraftmessung usw.) für die Zustandsüberwachung von Strukturen, industrielle Energie und Hoch- und Tieftemperaturumgebungen an.