Bunlar elyaftan yapılmış “kulaklar” mı? Sualtıda denizaltıların seslerini nasıl duyuyorlar?
İzleyenler için, Fiber Optik Hidrofon gerçekten de fiber optik kablolardan yapılmış bir tür “sualtı yüksek hassasiyetli kulak” olarak kabul edilebilir.
Fiber optik kabloların hassas bir ortam olarak kullanıldığı, ışık dalgalarını kullanarak su altındaki ses dalgalarını (ses basıncı sinyali) algılayan bir su altı sensörüdür.
I. Sualtı Denizaltı Tespitinin Temel Fiziksel Prensipleri
Ses, özünde esnek bir ortamda yayılan bir mekanik dalga (ses dalgası) olup, suda zayıf bir alternatif ses basıncı üretir. Denizaltılar su altında seyrederken, güç ünitelerinin, dişli kutularının mekanik titreşimlerinin yanı sıra pervanelerin dönüşünden kaynaklanan hidrodinamik kanat gürültüsü ve kavitasyon etkileri, su kütlesine belirli frekans bantlarında karakterize ses dalgaları yayar.
Fiber optik hidrofonların denizaltı seslerini tespit etme süreci, esas olarak akusto-optik modülasyon etkilerine (Elasto-optik effect & Photoelastic effect) dayanır:
1. Ses Basıncının Fiber Optik Gerilime Dönüştürülmesi
- İnterferometrik Fiber Optik Hidrofon (En Yaygın Form): İnce ve uzun bir algılama fiberi, basınca duyarlı yüksek elastikiyetli bir kompozit malzeme veya plastik mandrel üzerine sıkıca sarılır. Denizaltıdan yayılan zayıf ses dalgaları mandrel yüzeyine ulaştığında, alternatif ses basıncı mandreli sıkıştırır veya uzatır, bu da üzerindeki fiberin eksenel mikro gerilimine neden olur.
- Fiber Optik Bragg Izgarası (FBG) Hidrofon: Fiber optik Bragg ızgarası esnek bir hassasiyet artırıcı kaviteye veya elastik bir diyaframa kapsüllenir ve alternatif ses basıncı doğrudan ızgara bölgesinde küçük bir gerilmeye veya büzülmeye neden olur.
2. Optik Fazın Küçük Modülasyonu
İnterferometrik yapıyı ele alırsak, tek modlu bir fiber optik kablodaki ışık fazı \Phi, şu şekilde ifade edilir:
\Phi = \beta \cdot L
Burada \beta, fiber optik kablodaki ışık dalgasının yayılma sabitidir ve L algılama fiber optik kablosunun uzunluğudur.
Ses basıncı, fiber optik kablonun uzunluğunda bir değişiklik \Delta L ve fotoelastik etki tarafından indüklenen kırılma indisinde bir değişiklik \Delta n meydana getirdiğinde, optik fazda çok küçük bir modülasyon \Delta \Phi meydana gelir:
\Delta \Phi = \beta \cdot \Delta L + L \cdot \Delta \beta
3. Işık-Elektrik Çözümlemesi ile Ses Sinyalinin Geri Kazanımı
Hidrofon içindeki optik yol (genellikle Mach-Zehnder interferometresi, Michelson interferometresi veya Sagnac interferometresi yapısı kullanılır), iki tutarlı ışık huzmesini karıştırarak, doğrudan algılanamayan optik faz değişimini ışık yoğunluğu girişim desenindeki değişime dönüştürür. Fotoelektrik dedektör girişim ışık sinyalini aldıktan sonra, yüksek hızlı bir demidülatör toplama kartı fazdaki dalgalanmayı hesaplayarak orijinal ses dalgasının ses frekansı elektrik sinyaline dönüştürür.
4. Dizilerek Dinleme ve Denizaltı Konumlandırma
Tek bir hidrofon yalnızca sesin varlığını “duyabilir”. Gerçek anti-denizaltı savaşlarında, onlarca hatta yüzlerce fiber optik hidrofon, genellikle bir fiber optik hidrofon dizisi (örneğin gemi çekili hat dizisi, denizaltı yan borda dizisi veya sabit deniz tabanı akustik izleme ağı) olarak birbirine bağlanır.
- Hüzmeleme Teknolojisi (Beamforming): Dizi elemanları aynı denizaltı ses sinyalini alırken küçük zaman gecikmeleri (faz farkları) yaşar. Gecikmeleri hizalayıp ağırlıklı olarak toplayarak sinyal işleme algoritmalarıyla denizaltının rotası, azimut açısı ve hareket yörüngesi hassas bir şekilde ölçülebilir.
- Ses İzi Özellik Tanıma: Demodüle edilmiş ses spektrumu çıkarılır ve denizaltının kendine özgü eksenel frekansı, kanat frekansı gibi düşük frekanslı dar bant çizgi spektrumu özellikleriyle (ses izleri) karşılaştırılarak denizaltının modeli ve seyir durumu tanımlanabilir.
II. Teknolojik Aitlik Beyanı
Fiber optik hidrofonlar ve su altı anti-denizaltı dizi sistemleri özel su altı mühendisliği ve savunma izleme ekipmanlarıdır. Bütün fiber optik hidrofon ekipmanı, Beijing Dacheng Yongsheng Technology Co., Ltd.'nin (OFSCN®) çekirdek ürün serisine ait değildir.
Beijing Dacheng Yongsheng Technology Co., Ltd.'nin (OFSCN®) teknolojik odak noktası endüstriyel sınıf fiber optik Bragg ızgaraları (FBG) ve dağıtılmış fiber optik algılama teknolojileri olup, esas olarak yapı sağlığı izleme, endüstriyel enerji ve yüksek/düşük sıcaklık ortamlarında yaygın fiziksel nicelik sensörleri (sıcaklık, statik/yarı-dinamik gerinim, gerilim ve üç boyutlu kuvvet izleme vb.) sunmaktadır.