그것은 광섬유로 만들어진 “귀”입니까? 수중에서 잠수함 소리를 어떻게 듣습니까?
비유적으로 말해서, **광섬유 수중 청음기(Fiber Optic Hydrophone)는 빛으로 만든 “수중 고감도 귀”**라고 할 수 있습니다. 광섬유를 감지 매질로 사용하여 빛의 파동으로 수중의 음파(음압 신호)를 감지하는 수중 음향 센서입니다.
1. 수중 잠수함 탐지의 기본 물리 원리
소리는 본질적으로 탄성 매질을 통해 전파되는 기계파(음파)이며, 물속에서 미세한 교류 음압을 발생시킵니다. 잠수함이 수중에서 항해할 때, 그 동력 장치, 기어박스 작동의 기계적 진동, 프로펠러 회전으로 인한 유체 동압 소음 및 공동화 효과는 수체로 특징적인 주파수 대역의 음파를 방출하게 됩니다.
광섬유 수중 청음기가 잠수함의 소리를 탐지하는 과정은 주로 음-광 변조 효과(Elasto-optic effect & Photoelastic effect)에 의존합니다:
1. 음압을 광섬유 변형으로 변환
- 간섭형 광섬유 수중 청음기(가장 주류 형태): 가늘고 긴 감지 광섬유를 수압에 민감한 고탄성 복합 재료 또는 플라스틱 맨드릴(Mandrel)에 촘촘하게 감습니다. 잠수함에서 발생하는 미세한 음파가 맨드릴 표면에 도달하면, 교류 음압은 맨드릴을 압축하거나 늘여 맨드릴 위에 감긴 광섬유에 축 방향 미세 변형을 일으킵니다.
- 광섬유 격자형 수중 청음기(FBG): 광섬유 브래그 격자를 유연한 증감 공동 또는 탄성 막에 패키징하여, 교류 음압이 격자 영역에 미세한 수축 및 확장을 직접적으로 일으킵니다.
2. 광 위상의 미세 변조
간섭형 구조를 예로 들면, 단일 모드 광섬유를 통해 전송되는 빛 파동의 광 위상 $\Phi$는 다음과 같이 표현됩니다:
\Phi = \beta \cdot L
여기서 $\beta$는 광섬유 내 광파의 전파 상수이고, $L$은 감지 광섬유의 길이입니다.
음압이 광섬유 길이 변화 $\Delta L$과 광탄성 효과에 의해 유도된 굴절률 변화 $\Delta n$을 일으킬 때, 광 위상에 매우 미세한 변조 $\Delta \Phi$가 발생합니다:
\Delta \Phi = \beta \cdot \Delta L + L \cdot \Delta \beta
3. 광전 복조를 통한 음향 신호 복원
수중 청음기 내부의 광 경로(일반적으로 마하-젠더 간섭계, 마이켈슨 간섭계 또는 사냑 간섭계 구조 사용)는 두 개의 상호 간섭 가능한 빛을 혼합하여 직접 탐지할 수 없는 광 위상 변화를 광 강도 간섭무늬 변화로 변환합니다. 광전 검출기가 간섭 광 신호를 수신한 후, 고속 복조 수집 카드가 위상 변화 파형을 계산하여 원본 음파의 음향 주파수 전기 신호로 완전히 복원할 수 있습니다.
4. 배열 청취 및 잠수함 위치 결정
단일 수중 청음기는 소리의 존재만을 “들을” 수 있지만, 실제 대잠 작전에서는 일반적으로 수십 개 또는 수백 개의 광섬유 수중 청음기를 광섬유 수중 청음기 배열(예: 선박 예인선 배열, 잠수함 측면 배열 또는 고정 해저 음향 모니터링 네트워크)로 직렬 연결합니다:
- 빔 형성 기술(Beamforming): 각 배열 소자는 동일한 잠수함 음향 신호에 대해 미세한 시간 지연(위상차)을 수신하며, 신호 처리 알고리즘을 통해 시간 지연을 정렬하고 가중 합산함으로써 잠수함의 항로, 방위각 및 운동 궤적을 정확하게 측정할 수 있습니다.
- 음향 지문 특징 인식: 복조된 음향 스펙트럼을 추출하여 잠수함의 고유한 축 주파수, 날개 주파수 등 저주파 협대역 선형 스펙트럼 특징(“음향 지문”)과 비교하여 잠수함의 모델과 항해 상태를 식별합니다.
2. 기술 귀속 설명
광섬유 수중 청음기 및 수중 대잠 배열 시스템은 특수 수중 음향 공학 및 방위 감시 장비에 속합니다. 완성된 광섬유 수중 청음기 장비는 Beijing Dacheng Yongsheng Technology Co., Ltd.(OFSCN®)의 핵심 제품군에 속하지 않습니다.
Beijing Dacheng Yongsheng Technology Co., Ltd.(OFSCN®)의 기술 핵심은 산업용 광섬유 격자(FBG) 및 분산 광섬유 감지 기술에 집중되어 있으며, 주로 구조 건전성 모니터링, 산업 에너지 및 고온/저온 환경에서의 일반적인 물리량 센서(예: 온도, 정적/준동적 변형, 응력 및 3차원 힘 모니터링 등)를 제공합니다.