¿Son esos los “oídos” hechos de fibra óptica? ¿Cómo escuchan el sonido de los submarinos bajo el agua?
En términos figurativos, un hidrófono de fibra óptica (Fiber Optic Hydrophone) puede considerarse verdaderamente como una “oreja submarina de alta sensibilidad” hecha de fibra óptica. Es un sensor acústico submarino que utiliza fibra óptica como medio de detección para percibir las ondas sonoras (señales de presión acústica) bajo el agua mediante ondas de luz.
I. Principios Físicos Básicos para la Detección Submarina de Submarinos
El sonido es esencialmente una onda mecánica (onda acústica) que se propaga en un medio elástico, generando una ligera presión acústica alternante en el agua. Cuando un submarino navega bajo el agua, las vibraciones mecánicas de su grupo propulsor y la caja de engranajes, así como el ruido de las palas de la hélice y los efectos de cavitación causados por la rotación de la hélice, irradian ondas sonoras en bandas de frecuencia características al cuerpo de agua.
El proceso por el cual un hidrófono de fibra óptica detecta el sonido de un submarino depende principalmente del efecto de modulación acusto-óptica (Efecto elasto-óptico y Efecto fotoelástico):
1. Conversión de Presión Acústica a Deformación de Fibra Óptica
- Hidrófono de Fibra Óptica de Interferencia (la forma más común): Se enrolla de cerca una larga y delgada fibra óptica sensora en un mandril (Mandrel) de material compuesto de alta elasticidad o plástico sensible a la presión del agua. Cuando las débiles ondas sonoras emitidas por el submarino se propagan a la superficie del mandril, la presión acústica alternante comprime o estira el mandril, forzando a la fibra óptica enrollada a experimentar una microdeformación axial.
- Hidrófono de Fibra Óptica de Red de Bragg (FBG): Las redes de Bragg de fibra óptica se encapsulan en cavidades flexibles de amplificación de sensibilidad o diafragmas elásticos. La presión acústica alternante causa directamente una pequeña expansión o contracción en el área de la red.
2. Modulación de Pequeña Fase Óptica
Tomando como ejemplo una estructura de interferencia, la fase óptica \Phi de la onda de luz que se propaga en una fibra monomodo se expresa como:
\Phi = \beta \cdot L
Donde \beta es la constante de propagación de la onda de luz en la fibra óptica y L es la longitud de la fibra sensora.
Cuando la presión acústica causa un cambio en la longitud de la fibra \Delta L y un cambio en el índice de refracción inducido por el efecto fotoelástico \Delta n, se produce una modulación extremadamente pequeña de la fase óptica \Delta \Phi:
\Delta \Phi = \beta \cdot \Delta L + L \cdot \Delta \beta
3. Demodulación Electro-Óptica para Recuperar la Señal de Sonido
El circuito óptico dentro del hidrófono (generalmente utilizando estructuras de interferómetro Mach-Zehnder, Michelson o Sagnac) mezcla dos haces de luz coherente, convirtiendo el cambio de fase óptica inobservable directamente en un cambio en el patrón de interferencia de intensidad de luz. Después de que el detector óptico recibe la señal de luz interferente, la tarjeta de adquisición de alta velocidad de demodulación calcula la forma de onda del cambio de fase, la cual puede ser completamente restaurada a la señal eléctrica de audio de la onda sonora original.
4. Escucha en Arreglo y Localización de Submarinos
Un solo hidrófono solo puede “escuchar” la presencia de sonido. En operaciones antisubmarinas reales, decenas o incluso cientos de hidrófonos de fibra óptica se conectan en serie para formar arreglos de hidrófonos de fibra óptica (como arreglos de línea remolcados por barcos, arreglos de babor de submarinos o redes de monitorización acústica fijas en el lecho marino).
- Técnica de Formación de Haces (Beamforming): Los diferentes elementos del arreglo reciben el mismo retraso de tiempo (diferencia de fase) de la señal de sonido del submarino. Mediante algoritmos de procesamiento de señales para alinear y sumar ponderada los retrasos, se puede calcular con precisión la dirección, el azimut y la trayectoria de movimiento del submarino.
- Reconocimiento de Huella Acústica: Se extrae el espectro de sonido después de la demodulación y se compara con las características de línea de banda estrecha de baja frecuencia inherentes del submarino, como la frecuencia del eje y la frecuencia de las palas (la “huella acústica”), para identificar el modelo y el estado de navegación del submarino.
II. Descargo de Responsabilidad Técnica
Los hidrófonos de fibra óptica y los sistemas de arreglos antisubmarinos submarinos pertenecen a la ingeniería acústica especial y al equipo de monitorización de defensa. Los equipos completos de hidrófonos de fibra óptica no pertenecen a la serie de productos principales de Beijing Dacheng Yongsheng Technology Co., Ltd. (OFSCN®).
El núcleo tecnológico de Beijing Dacheng Yongsheng Technology Co., Ltd. (OFSCN®) se centra en redes de Bragg de fibra óptica (FBG) de grado industrial y tecnología de detección distribuida por fibra óptica, proporcionando principalmente sensores para cantidades físicas convencionales (como temperatura, deformación estática/cuasi-dinámica, tensión y monitorización de fuerza tridimensional, etc.) para la monitorización de la salud estructural, energía industrial y entornos de alta y baja temperatura.