一种应用于水下航行体的发生接收系统及其实现方法与流程

本发明涉及一种应用于水下航行体的发生接收系统及其实现方法，用于大型水下航行体如潜艇的德拜磁场探测和定位，属于原子磁力仪技术领域。

背景技术：

随着传统水下航行体，例如潜艇，剩磁控制技术越来越先进，通过传统磁异常测量技术实现潜艇探测和定位的难度越来越大。由于水下航行体尾流诱发德拜磁场具有如影随形的特性，无法在一定时间内和一定距离内消除，因此可以利用具有一定特性的德拜磁场接收器实现对水下航行体目标的探测和定位。

海水中含有大量的钠离子和氯离子，这些离子不但带电荷而且其质量不同，由于潜艇或水下航行体的螺旋桨高速旋转，使得海水中发生电流脉动，脉动电流在海水中产生了与螺旋桨转速频率有关的低频磁场，该磁场就是所谓的德拜磁场。由于海水的电磁特性，海洋中的各种机械过程(例如螺旋桨转动等)均会产生德拜磁场，德拜磁场是由诸如海水等导电介质中的声运动产生的，这是一个涉及各种学科的广泛课题。根据德拜磁场理论，水下航行体尾流诱发德拜磁场其特性主要包括：德拜磁场(总场值)的强度约在0.001nt～0.1nt量级，磁场频率大于10hz，磁场探测距离可达5km以上。

1933年德拜提出了一种确定电解质离子质量的方法。假设当流体粒子加速时，每个离子的摩擦系数的差异会引起相对运动。因此，相对于彼此移动的不同带电物质(例如离子)或溶液产生与声源相同频率的电磁场，这就是德拜效应。通过测量该电场(或磁场)，可以确定摩擦系数，进而确定离子质量。在该理论的指导下，1948年人们实验上验证了德拜电场的存在；1980年vhvlyanskii等人进行了德拜磁场的实验验证。

德拜效应描述了由于电解质溶液中流体粒子加速而产生的电场和磁场。带电物质的相对分离是由于它们在受随时间变化的水声场作用下的动力学反应而引起的。因此，当不同电荷的粒子相对于彼此移动时，引起交替的电流密度变化。相应的磁场和电场通过麦克斯韦方程定义。德拜效应是一种电动力学现象(在处理电场时也称为离子振动势)。目前，德拜效应已被用作化学中许多测量技术的基础。

根据德拜效应可知带有高盐分的海水中含有大量的钠离子和氯离子，这些离子不但带电荷而且其质量不同，由于潜艇或水下航行器的螺旋桨高速旋转，使得海水中发生电流脉动，脉动电流在海水中产生了与螺旋桨转速频率有关的低频磁场，该磁场就是所谓的德拜磁场。由此可见，包括潜艇在内的水下航行体在运动过程中无时无刻都在产生德拜磁场，而且该磁场有别于包括潜艇在内的水下航行体自身的剩磁，该磁场并不能通过对水下航行体材料进行消磁而消失，是一种“如影随形”的磁场。由此可见，探测水下航行体尾迹产生的德拜磁场具有重要的应用前景。

由于德拜磁场强度非常弱的固有特性，目前国内外在德拜磁场探测方面仍未有成熟的技术可以实现，为深入了解德拜磁场的诸多特性，并应用于探测领域，满足工程需求，构建一套模拟水下航行体尾流诱发德拜磁场的发生接收系统具有重要的意义。

技术实现要素：

本发明的目的在于克服现有技术的上述不足，提供一种应用于水下航行体的发生接收系统，该发生接收系统产生德拜磁场，并实现了德拜磁场信息的精确测量，此外该系统减少结构材料以及外界磁场对水下航行体尾流诱发德拜磁场的干扰，有利于提升德拜磁场信号的信噪比，提高测量精度。

本发明的另外一个目的在于提供一种应用于水下航行体的发生接收系统的实现方法。

本发明的上述目的主要是通过如下技术方案予以实现的：

一种应用于水下航行体的发生接收系统，包括发生装置和接收装置，其中发生装置产生德拜磁场，接收装置包括控制处理器、激光器、光电探测器和探头机构，其中探头机构设置在所述德拜磁场中，探头机构包括两个无磁光纤准直器、温控机构和原子气室，所述控制处理器与激光器连接，为激光器提供驱动电流，激光器输出两束平行双线偏振光，两束平行双线偏振光通过其中一个无磁光纤准直器进入原子气室，与原子气室中的原子相互作用，并通过另外一个无磁光纤准直器传输至光电探测器，由光电探测器将光信号转换为电信号后传输至控制处理器进行解算，得到德拜磁场信息，所述温控机构用于将原子气室加热至设定温度。

在上述应用于水下航行体的发生接收系统中，所述接收机构还包括无磁单模保偏光纤和无磁多模光纤，其中激光器通过无磁单模保偏光纤与第一无磁光纤准直器连接，第一无磁光纤准直器将无磁单模保偏光纤传输的光变为空间准直光，并进入原子气室，无磁多模光纤与第二无磁光纤准直器连接，第二无磁光纤准直器将原子气室中的空间准直光耦合至光纤。

在上述应用于水下航行体的发生接收系统中，所述温控机构包括无磁加热片和热敏电阻，其中无磁加热片设置在原子气室外壁面，为原子气室加热，热敏电阻与原子气室及连接，用于测量原子气室的温度。

在上述应用于水下航行体的发生接收系统中，所述无磁加热片与热敏电阻均通过双绞线与控制处理器连接，热敏电阻测量原子气室的温度，并反馈至控制处理器，控制处理器根据原子气室的温度，控制无磁加热片对原子气室进行加热。

在上述应用于水下航行体的发生接收系统中，所述原子气室的尺寸≥25mm×40mm；原子气室中为⁸⁷rb原子。

在上述应用于水下航行体的发生接收系统中，所述原子气室的温度控制在30℃～40℃的恒温状态。

在上述应用于水下航行体的发生接收系统中，所述接收装置还包括光纤法兰和电连接器，激光器的输出光通过光纤法兰与无磁单模保偏光纤相连，控制处理器通过电连接器与双绞线连接；所述激光器为尾纤式蝶形vcsel激光器。

在上述应用于水下航行体的发生接收系统中，所述发生装置包括磁屏蔽室、无磁动力机构、驱动机构、转动机构和无磁容器，所述无磁容器中填充海水，转动机构设置在无磁容器中，无磁容器设置在磁屏蔽室内，无磁动力机构设置在磁屏蔽室内，且位于无磁容器的海水上方，所述无磁动力机构在驱动装置的驱动下带动转动机构进行旋转，推动邻近海水产生尾流，搅动海水中钠离子和氯离子诱发德拜磁场。

在上述应用于水下航行体的发生接收系统中，所述无磁容器为敞口结构，沿深度方向的截面为等边梯形；所述等边梯形的两个夹角为115～125°。

在上述应用于水下航行体的发生接收系统中，所述转动机构包括转动轴与螺旋桨，所述转动轴为两个，垂直安装，其中一个转动轴的一端与螺旋桨连接，另一个转动轴的一端与无磁动力机构连接。

在上述应用于水下航行体的发生接收系统中，所述驱动机构包括电动马达驱动器和函数信号发生器，所述函数信号发生器将旋转频率发送给电动马达驱动器，电动马达驱动器根据所述旋转频率，驱动无磁动力机构带动转动机构按照要求的频率进行旋转。

在上述应用于水下航行体的发生接收系统中，所述转动机构和无磁动力机构均采用无磁钛合金材料制成；所述无磁动力机构为无磁电动马达。

在上述应用于水下航行体的发生接收系统中，所述磁屏蔽室为密闭空间，内部剩磁为5nt以下。

在上述应用于水下航行体的发生接收系统中，所述磁屏蔽室采用坡莫合金材料制成，坡莫合金材料的层数为4层及以上。

应用于水下航行体的发生接收系统的实现方法，包括如下步骤：

(1)、将接收装置的探头机构放置于无磁容器中；

(2)、发生装置的无磁动力机构在驱动装置的驱动下带动转动机构进行旋转，推动邻近海水产生尾流，搅动海水中钠离子和氯离子诱发德拜磁场；

(3)、接收装置的控制处理器控制激光器产生两束平行双线偏振光；

(4)、所述两束平行双线偏振光进入探头机构，即通过第一无磁光纤准直器进入原子气室，与原子气室中的原子相互作用，并通过第二无磁光纤准直器传输至光电探测器；温控机构将原子气室加热至设定温度；

(5)、光电探测器将所述光信号转换为电信号后传输至控制处理器进行解算，得到德拜磁场信息。

在上述应用于水下航行体的发生接收系统的实现方法中，所述步骤(4)中激光器通过无磁单模保偏光纤与第一无磁光纤准直器连接，第一无磁光纤准直器将无磁单模保偏光纤传输的光变为空间准直光，并进入原子气室，无磁多模光纤与第二无磁光纤准直器连接，第二无磁光纤准直器将原子气室中的空间准直光耦合至光纤，并传输至光电探测器。

本发明与现有技术相比具有如下有益效果：

(1)、本发明提供一种新型的尾流诱发德拜磁场的发生接收系统，该接收系统包括发生装置和接收装置，其中发生装置推动邻近海水产生尾流，搅动海水中钠离子和氯离子诱发德拜磁场，接收装置的探头机构设置在该德拜磁场环境中，接收装置从探头机构产生的空间准直光中解算出德拜磁场信息；该发生接收系统产生德拜磁场，并实现了德拜磁场信息的精确测量；

(2)、本发明接收装置包括控制处理器、激光器、光电探测器和探头机构，其中探头机构设置在德拜磁场中，探头机构包括两个无磁光纤准直器、温控机构和原子气室，本发明提供的接收装置采用平行双线偏振光模式的相干布居数俘获方法，接收装置分辨率可达到0.001nt，采样率大于10hz，能够满足探测要求，并且具有探测磁场灵敏度高，结构简单，易于工程化实现等特点；

(3)、本发明接收装置中的探头和光/电缆具有无磁特性，且防水防腐，便于在海水中长期使用。

(4)、本发明发生装置包括磁屏蔽室、无磁动力机构、驱动机构、转动机构和无磁容器，无磁动力机构在驱动装置的驱动下带动转动机构进行旋转，推动邻近海水产生尾流，搅动海水中钠离子和氯离子诱发德拜磁场，本发明发生装置通过减少结构材料以及外界磁场对水下航行体尾流诱发德拜磁场的干扰，有利于提升德拜磁场信号的信噪比，显著提高测量精度；

(5)、本发明一优选实施例中发生装置的无磁容器采用特殊的结构设计，优选采用等边梯形结构，可以有效降低尾流在水下传输过程中与玻璃壁碰撞产生的二次干扰磁场，提高精度；

(6)、本发明一优选实施例中发生装置的主体部分采用无磁钛合金材料制成，自身不会对德拜磁场产生干扰；无磁电动马达与电动马达驱动器之间用双绞线连接，以抵消两导线产生的工作电流磁场；磁屏蔽室多层坡莫合金材料制成，其内部剩磁通过消磁器去磁后降至5nt以下。

附图说明

图1为本发明接收装置结构示意图；

图2为本发明接收装置结构框图；

图3为本发明平行双线偏振光模式的相干布居数俘获示意图。

图4为本发明发生装置结构示意图1(截面图)；

图5为本发明发生装置结构示意图2(图4的俯视图)；

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步详细的描述：

本发明一种应用于水下航行体的发生接收系统，包括发生装置和接收装置，发生装置产生德拜磁场，接收装置的探头机构设置在德拜磁场环境中，接收装置从探头机构产生的空间准直光中解算德拜磁场信息，空间准直光由探头机构中准直平行双线偏振光与原子气室中的原子相互作用后得到。

如图1所示为本发明接收装置结构示意图，图2为本发明接收装置结构框图；由图可知本发明接收装置包括电子箱、光/电缆和探头机构，其中探头机构由第一无磁光纤准直器5、无磁加热片6、原子气室7、第二无磁光纤准直器8和热敏电阻9组成，无磁加热片6与热敏电阻9组成温控机构。电子箱由控制处理器1、激光器2，光纤法兰3、光电探测器13和电连接器14组成。光/电缆则由热敏电阻用双绞线11、无磁加热片用双绞线10、无磁单模保偏光纤4和无磁多模光纤12组成。其中探头和光/电缆具有无磁特性，且防水防腐，便于在海水中长期使用。

其中探头机构设置在发生装置产生的德拜磁场中，探头机构包括两个无磁光纤准直器、温控机构和原子气室，控制处理器与激光器连接，为激光器2提供驱动电流，激光器2通过无磁单模保偏光纤4与光纤法兰3连接，光纤法兰3通过无磁单模保偏光纤4与第一无磁光纤准直器5连接，第一无磁光纤准直器5、第二无磁光纤准直器8均与原子气室7连接，无磁加热片6与热敏电阻9组成的温控系统设置在原子气室7的外壁面，第二无磁光纤准直器8通过无磁多模光纤12与光电探测器13连接，光电探测器13与控制处理器1连接。此外控制处理器1与电连接器14连接，电连接器14通过双绞线10与无磁加热片6连接，通过双绞线11与热敏电阻9连接。

控制处理器1控制激光器2输出两束平行双线偏振光，本发明一可选实施例中，激光器2为尾纤式蝶形vcsel激光器，控制处理器1为激光器2提供激光管稳恒驱动电流、激光管恒温电流以及微波调制(例如3.417ghz的微波调制)，使尾纤式蝶形vcsel激光器2获得两束平行双线偏振光输出(例如包含频差6.834ghz的两束平行双线偏振光)。两束平行双线偏振光通过光纤法兰3、无磁单模保偏光纤4后进入第一无磁光纤准直器5，第一无磁光纤准直器5将光纤传输的光转换为空间准直光，进入原子气室7，在尾流诱发德拜磁场环境下两束平行双线偏振光与原子气室7中的原子发生相互作用，例如⁸⁷rb原子。

控制处理器1通过无磁加热片用双绞线10与无磁加热片6连接，通过热敏电阻用双绞线11与热敏电阻9连接。紧裹住原子气室7的无磁加热片6通过控制处理器1实时控制原子气室7的温度，使原子气室7的温度保持在恒温状态。本发明一可选实施例中，原子气室的温度控制在30℃～40℃的恒温状态下，在原子气室7的恒温状态下，进一步促进平行双线偏振光与⁸⁷rb原子的相互作用，并在微波调制下(例如3.417ghz的微波调制下)获得尾流诱发德拜磁场信息的eit峰光信号输出。

该eit光信号通过第二无磁光纤准直器8耦合进无磁多模光纤12，第二无磁光纤准直器8将把空间准直光耦合到光纤，经由无磁多模光纤12传输到光电探测器13，光电探测器13将光信号转换为电信号，控制处理器1将电信号解算出尾流诱发德拜磁场信息。

为进一步促进平行双线偏振光与⁸⁷rb原子的相互作用获得尾流诱发德拜磁场环境下的eit峰光信号，原子气室的尺寸大于等于φ25mm×40mm。以此同时，原子气室的温度控制在30℃～40℃的恒温状态下。

本发明温控机构包括无磁加热片6和热敏电阻9，其中无磁加热片6设置在原子气室7外壁面，为原子气室7加热，热敏电阻6与原子气室7及连接，用于测量原子气室7的温度。本发明一可选实施例中，无磁加热片6与热敏电阻9均通过双绞线与控制处理器1连接，热敏电阻9测量原子气室7的温度，并反馈至控制处理器1，控制处理器1根据原子气室7的温度，控制无磁加热片6对原子气室7进行加热。

如图3所示为本发明平行双线偏振光模式的相干布居数俘获示意图，以⁸⁷rb原子为例，平行双线偏振光场与⁸⁷rb原子基态和激发态5²p1/2的f＝1超精细子能态共振。其中，基态{|fg＝l,m＝-1>,|fg＝2,m＝l>}、{|fg＝l,m＝l>,|fg＝2,m＝-1>}与共同的激发态|fe＝l,m＝0>构成的两个λ型相干布居数俘获态制备结构(实线λ型)。此外，{|fg＝2,m＝-2>、|fg＝l,m＝0>和|fe＝l,m＝-1>}，{|fg＝l,m＝0>、|fg＝2,m＝2>和|fe＝l,m＝l>}构成的两个λ型由于失谐而不制备相干布居数俘获态(虚线λ型)。而基态两m＝0态与激发态|fe＝l,m＝l>、|fe＝l,m＝-l>构成的两个λ型和两个v型由于干涉相消也不制备相干布居数俘获态(虚线λ型和虚线v型)。

如图4所示为本发明发生装置结构示意图1(截面图)；图5为本发明发生装置结构示意图2(图4的俯视图)；其中发生装置包括磁屏蔽室、无磁动力机构、驱动机构、转动机构和无磁容器。

本发明一可选实施例中，无磁容器为敞口结构，沿深度方向的截面为等边梯形，优选等边梯形的两个夹角为115～125°，进一步优选为120°。

无磁容器的材料可以为无磁玻璃，即玻璃材质中的二氧化硅不能掺有磁性杂质的元素，如铁等元素，无磁容器中填充海水。

转动机构包括转动轴与螺旋桨，转动轴为两个，垂直安装，其中一个转动轴的一端与螺旋桨连接，另一个转动轴的一端与无磁动力机构连接，本发明一可选实施例中无磁动力机构可以为无磁电动马达。

转动机构和无磁动力机构均采用无磁钛合金材料制成；

驱动机构包括电动马达驱动器和函数信号发生器，函数信号发生器将旋转频率发送给电动马达驱动器，电动马达驱动器根据旋转频率，驱动无磁动力机构带动转动机构按照要求的频率进行旋转。

无磁电动马达与电动马达驱动器之间用双绞线连接，以抵消两导线产生的工作电流磁场。

磁屏蔽室采用坡莫合金材料制成，坡莫合金材料的层数为4层及以上，优选4层，磁屏蔽室为密闭空间，内部剩磁为5nt以下。

转动机构设置在无磁容器中，无磁容器设置在磁屏蔽室内，无磁动力机构设置在磁屏蔽室内，且位于无磁容器的海水上方，当函数信号发生器设置在一定的频率后，电动马达驱动器把相应的电流通过双绞线传输到无磁电动马达，使其按照相应的频率值旋转，通过转动轴，螺旋桨获得相应的转速在海水中旋转，并推动其邻近的海水产生尾流，该尾流搅动该区域海水中的钠离子和氯离子诱发出具有一定特征属性的德拜磁场。

由于尾流诱发德拜磁场的强度非常弱，需要把模拟水下航行体尾流诱发德拜磁场的发生器放置于一个无磁环境下，以避免外界磁场干扰德拜磁场。

本发明发生装置具有如下特点：

1)、水下航行体尾流诱发德拜磁场发生器的主体部分(如螺旋桨、转动轴和无磁电动马达以及支撑结构)均采用无磁钛合金材料制成，自身不会对德拜磁场产生干扰；

2)、无磁电动马达与电动马达驱动器之间用双绞线连接，以抵消两导线产生的工作电流磁场；

3)、本发明一可选实施例中，磁屏蔽室为8m×5.5m×2m的密闭空间，采用四层坡莫合金材料制成，其内部剩磁通过消磁器去磁后降至5nt以下；

4)、本发明一可选实施例中，放置螺旋桨的玻璃缸体采用无磁玻璃材料，其形状为一个夹角为120°狭长的等边梯形，梯形结构可以有效降低尾流在水下传输过程中与玻璃壁碰撞产生的二次干扰磁场。

本发明应用于水下航行体的发生接收系统的实现方法，具体包括如下步骤：

(1)、将接收装置的探头机构放置于无磁容器中；其中探头机构由第一无磁光纤准直器5、无磁加热片6、原子气室7、第二无磁光纤准直器8和热敏电阻9组成。

(2)、发生装置的函数信号发生器将旋转频率发送给电动马达驱动器，电动马达驱动器根据旋转频率，驱动无磁动力机构带动转动机构按照要求的频率进行旋转。即通过转动轴，螺旋桨获得相应的转速在海水中旋转，推动邻近海水产生尾流，该尾流搅动该区域海水中的钠离子和氯离子诱发出具有一定特征属性的德拜磁场。

(3)、接收装置的控制处理器控制激光器产生两束平行双线偏振光；

(4)、所述两束平行双线偏振光经无磁单模保偏光纤4进入探头机构，即通过第一无磁光纤准直器5进入原子气室7，与原子气室7中的原子相互作用，并通过第二无磁光纤准直器8经无磁多模光纤12传输至光电探测器13；温控机构将原子气室7加热至设定温度；

(5)、光电探测器13将所述光信号转换为电信号后传输至控制处理器1进行解算，得到德拜磁场信息。

上述步骤(4)中激光器2通过无磁单模保偏光纤4与第一无磁光纤准直器5连接，第一无磁光纤准直器5将无磁单模保偏光纤4传输的光变为空间准直光，并进入原子气室7，无磁多模光纤12与第二无磁光纤准直器8连接，第二无磁光纤准直器8将原子气室7中的空间准直光耦合至光纤，并传输至光电探测器13。

以上所述，仅为本发明最佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

本发明说明书中未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员的公知技术。