eng
Выпуск #6/2023
М. П. Иванов, С. Г. Долгих
Расчет коэффициента преобразования натурных данных лазерного измерителя вариаций давления гидросферы
Расчет коэффициента преобразования натурных данных лазерного измерителя вариаций давления гидросферы
Просмотры: 609
DOI: 10.22184/1993-7296.FRos.2023.17.6.462.472
Расчет коэффициента преобразования натурных данных лазерного измерителя вариаций давления гидросферы
М. П. Иванов, С. Г. Долгих
Тихоокеанский океанологический институт им. В. И. Ильичёва ДВО РАН, г. Владивосток, Россия
В работе представлена методика определения коэффициента преобразования натурных данных лазерно-интерференционных приборов, созданных на основе равноплечих и неравноплечих интерферометров Майкельсона, в значения вариаций давления гидросферы при регистрации морского волнения. На основе сопоставления экспериментальных данных, полученных в бухтах Приморского края в разных диапазонах периодов волн и на разных глубинах, показано, что наблюдается сильная зависимость коэффициента пересчета размерностей от глубины погружения.
Ключевые слова: лазерно-интерференционные приборы, лазерный измеритель вариаций давления гидросферы, измеритель скорости звука с датчиком давления и температуры, морское волнение
Статья получена: 30.05.2023
Статья принята:15.07.2023
ВВЕДЕНИЕ
Ранее, в начале 2000-х годов, сотрудниками лаборатории «Физики геосфер» ТОИ ДВО РАН были разработаны гидрофизические лазерно-интерференционные приемные системы для регистрации вариаций давления гидросферы. Это уникальные лазерно-интерференционные приборы, созданные на основе равноплечих и неравноплечих интерферометров Майкельсона [1]. С расширением перечня решаемых задач конструкции приборов претерпели множество изменений, появились модификации: лазерный измеритель вариаций давления гидросферы [2], лазерные гидрофоны [3, 4], автономный лазерный измеритель колебаний давления [5].
В качестве источников света во всех перечисленных модификациях приборов регистрации давления гидросферы используются два типа лазеров: частотно-стабилизированный гелий неоновый лазер и полупроводниковый лазер. Применение полупроводникового лазера позволило значительно сократить массогабаритные характеристики приборов. Все лазерно-интерференционные приемные системы были апробированы в различных акваториях: на МЭС ТОИ ДВО РАН «м. Шульца» на юге Приморского края, на «м. Свободный» (о. Сахалин) и в акваториях других бухт. Широкий диапазон частот, от 0 (условно) до 1 000 Гц, и высокая точность, около 1 мПа, позволяют регистрировать вариации давления гидросферы прямыми методами, что значительно повышает ценность полученных натурных данных.
Использование гидрофизических лазерно-интерференционных приемных систем дало возможность изучить периоды собственных колебаний бухт залива Посьета Японского моря [6], взаимодействие низкочастотных гидроакустических волн с ветровыми морскими волнами [7], динамику ветровых волн при движении по шельфу убывающей глубины [8], особенности возникновения морских инфрагравитационных волн [9], взаимодействие морских внутренних волн и атмосферных депрессий [10] и некоторые другие природные явления. При решении этих научных задач основное внимание уделялось значениям периодов морского волнения и приращению амплитуд. Для расчета высоты морского волнения применялись теоретические расчеты и лабораторные стенды.
Чувствительным элементом лазерно-интерференционных приемных систем является круглая мембрана, жестко закрепленная по периметру. В зависимости от изменения давления на дне изменяется величина прогиба центра мембраны, что определяется лазерно-интерференционным методом. Для определения вариаций давления необходимо пересчитать значения перемещений, определяемых лазерно-интерференционными приборами в единицах измерения длин и регистрируемых в единицах напряжения на пьезотолкателях мембраны в вольтах, в паскали, единицы измерения давления. Параметр, связывающий размерности, называется коэффициентом пересчета, и он вычисляется для каждого прибора экспериментально. Процедура определения коэффициента пересчета стандартная, для этого лазерные измерители вариаций давления гидросферы (ЛИВДГ) погружаются в бассейне, вода в котором сначала прибывает, увеличивая давление, а затем уходит, снижая давление.
За прошедшие годы появились новые задачи, решение которых требовало иного уровня чувствительности используемых приборов. Для расширения границ применения лазерно-интерференционных приборов в области регистраций давления гидросферы необходимо рассчитать коэффициент преобразования натурных данных ЛИВДГ. Для этого, а также для определения зависимости коэффициента пересчета натурных данных от условий измерений были проведены серии экспериментов в различных бухтах Приморского края. Схема эксперимента предполагала установку ЛИВДГ совместно с измерителем скорости звук Mini SVP фирмы Valeport с датчиком давления и температуры (ЗОНД) [11], причем измерения проводили на различных глубинах. Результаты, полученные с обоих приборов, сопоставляли и группировали по волнам, имеющим разные периоды. Для каждой группы волн был рассчитан коэффициент преобразования натурных данных ЛИВДГ в зависимости от глубины погружения.
Эксперимент
В качестве приемных измерительных систем в экспериментальных исследованиях использовали лазерный измеритель вариаций давления гидросферы и измеритель скорости звука Mini SVP фирмы Valeport (рис. 1). Для синхронизации ЗОНД (2) был закреплен на измерительный модуль лазерно-интерференционного прибора (1) и установлен на дно. Перед установкой приборы были синхронизированы с помощью часов точного времени. Оптическая схема ЛИВДГ создана на основе модернизированного неравноплечего интерферометра Майкельсона с использованием в качестве источника света частотно-стабилизированного гелий-неонового лазера фирмы Melles Griot, обеспечивающего стабильность частоты излучения 10–9. Как и во всех лазерно-интерференционных приборах в данной установке цифровой системой регистрации (5) измеряется разность между эталонным плечом интерферометра и измерительным. Излучение в эталонном плече интерферометра проходит оптический путь от делительной пластины до зеркал, закрепленных на пьезокерамических основаниях (4). И обратно. Излучение в измерительном плече интерферометра проходит оптический путь от делительной пластины до системы «кошкин глаз», состоящей из линзы (6) и зеркала, жестко закрепленного в центре гибкой мембраны (7). Возвращаясь на делительную пластину оба луча смешиваются и падают на фотоприемник, образуя интерференционную картину.
Чувствительным элементом ЛИВДГ является круглая мембрана, закрепленная по краю. Она устанавливается в нейтральное положение в момент постановки прибора на дно. Это достигается благодаря системе компенсации, включающей компенсационную камеру, клапан (8) и емкость с воздухом (1). В момент погружения прибора клапан открывается и под действием давления воды воздух из емкости начинает поступать в компенсационную камеру, выравнивая давление в камере с давлением, действующим на мембрану с другой стороны. После достижения рабочей глубины клапан закрывается, и прибор начинает регистрировать вариации давления гидросферы на мембрану. Под действием давления воды мембрана прогибается, меняя оптическую длину измерительного плеча. Система регистрации, установленная в измерительном модуле, компенсирует изменение длины измерительного плеча, меняя длину эталонного плеча. Для этого служит пьезокерамический цилиндр, на который подается напряжение. Изменение напряжения фиксируется цифровой системой регистрации и передается на пишущий компьютер, установленный в модуле автономизации. Экспериментальные данные поступают с системы регистрации через автоматический цифровой преобразователь и формируются в виде файлов данных длительностью 1 час с частотой дискретизации 800 Гц.
Результаты совместных измерений лазерного измерителя вариаций давления гидросферы и закрепленного на нем измерителя скорости звука Mini SVP фирмы Valeport плучены в трех бухтах Приморского края на разных глубинах. В бухте Алексеева (о. Попова) приборы были установлен 24.06.2021 г. на глубине 8 м (рис. 2а). В бухте Улисс (г. Владивосток) эксперимент проводился в период с 06.07.2021 г. по 13.07.2021 г., глубина в месте установки составила 7 м (рис. 2 b). В бухте Витязь залива Посьет приборы находились на глубине 5 м в период с 30.06.2022 г. по 01.07.2022 г. (рис. 2 c).
Установленный на измерительном модуле ЗОНД имеет меньшую автономность, при частоте записи 8 Гц она составляет чуть более суток. Данные вариаций давления гидросферы записывались в непрерывном режиме на внутренний накопить прибора с частотой 8 Гц. Для сопоставления экспериментальных данных будем использовать только данные датчика давления.
Обработка и анализ полученных экспериментальных данных
Перед сопоставлением экспериментальных данных приведем записи вариаций давления гидросферы к одному виду. Для этого данные ЛИВГД отфильтруем низкочастотным фильтром с окном Хэмминга длиной 3 000 до частоты 8 Гц и затем продецимируем в 100 раз. Полученные часовые файлы объединим в непрерывный ряд данных. В результате получаем экспериментальные данные ЛИВГД и ЗОНД одинаковой длительностью с частотой дискретизации 8 Гц. При анализе спектров экспериментальных данных были выделены гармоники с периодами от нескольких секунд до нескольких минут. Периоды от 4 до 6 с соответствуют поверхностному ветровому волнению в месте установки прибора, а периоды от 8 до 20 с соответствуют волнам зыби. Так же на записях приборов выделяются колебания с периодами, соответствующими собственным колебаниям бухт, в которых они были установлены. Выберем синхронные участки записей приборов с максимальных корреляций для различных периодов морского волнения для каждой из бухт (рис. 3).
На рис. 3 представлены полученные экспериментальные данные вариаций давления гидросферы двумя приборами для каждой из бухты Сигналы: рис. 3a и рис. 3b соответствуют данным полученным ЗОНД и ЛИВГД в бухте Алексеева (о. Попова), сигналы рис. 3c и рис. 3d получены при постановке приборов в бухте Улисс (г. Владивосток), сигналы рис. 3e и рис. 3d получены при проведении эксперимента в бухте Витязь (залив Посьет). Синий цвет соответствует экспериментальным данным датчика давления измерителя скорости звука Mini SVP, а красный цвет – данным лазерного измерителя вариаций давления гидросферы.
При анализе спектров записей приборов для расчета коэффициента преобразования морское волнение было разделено по группам. На рис. 4 представлены спектры записей приборов морского волнения с периодами от 5,5 до 30 с (левый) и от 100 до 350 с (правый). Разделим по группам волны следующим образом: первая группа с периодами волнения в диапазоне от 5 до 10 с, вторая группа с периодами от 10 до 30 с и третья группа с периодами морского волнения от 100 до 400 с. Вариации морского волнения с данными периодами были зарегистрированы в каждом эксперименте. К четвертой группе отнесем собственные колебания бухт, где были установлены приборы. Данные колебания для различных мест установки приборов варьировались от 600 до 1 100 с.
Выберем несколько цугов волн для каждой группы на записях лазерно-интерференционного прибора и датчика давления измерителя скорости звука с максимальной корреляцией. На рис. 5 представлены синхронные участки записей приборов при их установке в бухте Алексеева (о. Попова). На верхней записи рисунка выделено ветровое волнение с периодом около 6 с, а на нижней записи выделены собственные колебания бухты с периодами около 600 с [12].
Для морского волнения с периодом колебаний от 5 до 10 с было выбрано 20 таких участков для каждой из трех бухт, где были установлены приборы. В результате сопоставления экспериментальных данных двух приборов для данного диапазона периодов при погружении прибора на 5 метров средний коэффициент составил около 10 Па / В, при погружении приборов на глубину 7 метров он составил 26 Па / В, а при установке приборов на глубину 8 метров значение среднего коэффициента составило приблизительно 39 Па/В. По полученным данным была построена зависимость коэффициента преобразования от глубины погружения для морского волнения с периодами от 5 до 10 с (рис. 6а).
Проанализируем вариации давления с периодами от 10 до 30 с. Для данного диапазона периодов было также выбрано 20 участков для каждой из бухт. При сопоставлении экспериментальных данных ЛИВГД и ЗОНД в бухте Витязь (залив Посьет) среднее значение коэффициента составило 11,6 Па / В. При установке приборов в бухте Улисс (г. Владивосток) средний коэффициент равен 29 Па / В, а при сопоставлении данных вариаций давления в бухте Алексеева (о. Попов) он составил 39 Па / В. В результате по полученным экспериментальным данным вариаций давления гидросферы с периодами от 10 до 30 с была построена зависимость данного коэффициента от глубины погружения (рис. 6b).
Рассмотрим морское волнение с периодами от 180 до 360 с. Для этого морского волнения для каждой из трех бухт были выбраны синхронные участки записей приборов с максимальной корреляцией. При сопоставлении значений амплитуд колебаний давления среднее значение коэффициента преобразования для глубины 5 м составило 12,5 Па/В. При постановке приборов на глубине 7 м среднее значение коэффициента составило 29 Па/В. При погружении приборов на глубину 8 м это значение оказалось равным 36 Па/В. По полученным расчетным данным была построена зависимость коэффициента преобразования от глубины погружения для морского волнения с периодами от 180 до 360 с (рис. 6с).
При анализе экспериментальных данных приборов при регистрации собственных колебаний бухт с периодами от 600 до 1 200 с было выбрано около 10 синхронных участков для каждой из бухт. Для данного диапазона периодов при установке измерителей в бухте Витязь (залив Посьет) среднее значение коэффициента составило 11,5 Па / В. Для глубины 7 м среднее значение коэффициента равно 28 Па / В, а при анализе экспериментальных данных, полученных в бухте Алексеева (о. Попова), коэффициент составил 38 Па / В. В результате анализа экспериментальных данных вариаций давления гидросферы при регистрации собственных колебаний бухт была построена зависимость среднего значения коэффициента преобразования от глубины погружения приборов (рис. 6d).
В результате проведенных вычислений была выявлена зависимость коэффициента преобразования данных лазерного измерителя вариаций давления гидросферы от глубины погружения. Для всех исследуемых диапазонов периодов морского волнения рассчитанные коэффициенты преобразования для каждого места постановки приборов проявили примерно одинаковые значения. Наблюдается сильная зависимость коэффициента пересчета размерностей от глубины погружения. В результате среднее значение коэффициента преобразования для бухты Витязь при постановке приборов на глубине 5 м составило 11,6 Па / В, для бухты Улисс при глубине 7 м среднее значение коэффициента преобразования составило 28,1 Па / В, а для бухты Алексеева при постановке приборов на глубине 8 м составило 38 Па/В.
Заключение
В результате анализа экспериментальных данных лазерного измерителя вариаций давления гидросферы и датчика давления измерителя скорости звука Mini SVP фирмы Valeport был вычислен коэффициент преобразования данных лазерно-интерференционного прибора в зависимости от глубины погружения. Исследования проводились в трех бухтах Приморского края на разных глубинах. В бухте Витязь (залив Посьет) на глубине 5 м, в бухте Улисс (г. Владивосток) на глубине 7 м и на глубине 8 м в бухте Алексеева (о. Попова). Для каждой из бухт были выбраны синхронные участки записей приборов с максимальной корреляцией для разных диапазонов периодов морского волнения. Всего было выбрано четыре диапазона периодов от ветрового волнения до собственных колебаний бухт, где были установлены приборы. Из полученных данных был определен коэффициент пересчета данных с ЛИВДГ из размерности напряжения, выраженную в вольтах, в размерность давления, выраженную в паскалях. Так, при глубине 5 м он составил примерно 11,6 Па / В, при глубине 7 м средний коэффициент преобразования был равен 28,1 Па / В, а при постановке приборов на глубину 8 м его значение составило 38 Па / В.
Рассчитанный коэффициент преобразования позволит расширить границы применения лазерных измерителей вариаций давления гидросферы различных модификаций. Для более точного определения коэффициента преобразования экспериментальных данных лазерно-интерференционного прибора в дальнейшем необходимо провести исследования на больших глубинах. Такие исследование планируется провести в бухте Витязь (залив Посьет) на глубинах от 10 до 20 м летом-осенью 2023 года.
Благодарность
Исследования выполнены при частичной финансовой поддержке РНФ проект № 22-27-00678 «Микродеформации земной коры, вызванные морскими инфрагравитационными волнами по данным лазерно-интерференционных приборов».
REFERENCES
Dolgikh G. I., Budrin S. S., Dolgikh S. G., Plotnikov A. A., CHupin V. A., SHvets V. A., IAkovenko S. V. Hydrophysical Laser Interference Receiving Systems: Features And Application. Photonics Russia. 2019;13 (7): 658–668. DOI: 10.22184/1993‑7296.FRos.2019.13.7.658.668.
Долгих Г. И., Будрин С. С., Долгих С. Г., Плотников А. А., Чупин В. А., Швец В. А., Яковенко С. В. Гидрофизические лазерно-интерференционные приемные системы: конструктивные особенности и области применения. Фотоника. 2019;13 (7): 658–668. DOI: 10.22184/1993‑7296.FRos.2019.13.7.658.668.
Dolgikh G. I., Dolgikh S. G., Kovalev S. N., SHvets V. A., CHupin V. A., IAkovenko S. V. Lazernyi izmeritel variatsii davleniia gidrosfery. Pribory i tekhnika eksperimenta. 2005; 6: 137–138.
Долгих Г. И., Долгих С. Г., Ковалев С. Н., Швец В. А., Чупин В. А., Яковенко С. В. Лазерный измеритель вариаций давления гидросферы. Приборы и техника эксперимента. 2005; 6: 137–138.
Dolgikh G. I., Plotnikov A. A., SHvets V. A. Lazernyi gidrofon. Pribory i tekhnika eksperimenta. 2007; 1:159–160.
Долгих Г. И., Плотников А. А., Швец В. А. Лазерный гидрофон. Приборы и техника эксперимента. 2007; 1:159–160.
Dolgikh G. I., Dolgikh S. G., Plotnikov A. A., CHupin V. A., IAkovenko S. V. Lazernyi gidrofon na osnove zelenogo lazera LCM-S‑11. Pribory i tekhnika eksperimenta. 2013; 5: 140–141.DOI: 10.7868/S0032816213040216.
Долгих Г. И., Долгих С. Г., Плотников А. А., Чупин В. А., Яковенко С. В. Лазерный гидрофон на основе зеленого лазера LCM-S‑11. Приборы и техника эксперимента. 2013; 5: 140–141.DOI: 10.7868/S0032816213040216.
Dolgikh G. I., Budrin S. S., SHvets V. A., IAkovenko S. V. Autonomous laser Pressure fluctuation meter. Photonics Russia. 2019;13(4):372–381. DOI: 10.22184/1993‑7296.FRos.2019.13.4.372.380.
Долгих Г. И., Будрин С. С., Швец В. А., Яковенко С. В. Автономный лазерный измеритель колебаний. Фотоника. 2019;13(4):372–381. DOI: 10.22184/1993‑7296.FRos.2019.13.4.372.380.
Dolgikh G. I., Dolgikh S. G., Smirnov S. V., CHupin V. A., SHvets V. A., IAkovenko S. V. Infrazvukovye kolebaniia iaponskogo moria. Doklady Akademii nauk. 2011;441(1):98–102.
Долгих Г. И., Долгих С. Г., Смирнов С. В., Чупин В. А., Швец В. А., Яковенко С. В. Инфразвуковые колебания японского моря. Доклады Академии наук. 2011;441(1):98–102.
Dolgikh G. I., Plotnikov A. A., Dolgikh S. G., CHupin V. A., IAkovenko S. V. Vzaimodeistvie nizkochastotnykh gidroakusticheskikh voln s vetrovymi morskimi volnami. Doklady Akademii nauk. 2010;430(2):257–260.
Долгих Г. И., Плотников А. А., Долгих С. Г., Чупин В. А., Яковенко С. В. Взаимодействие низкочастотных гидроакустических волн с ветровыми морскими волнами. Доклады Академии наук. 2010;430(2):257–260.
Dolgikh G. I., Budrin S. S., Dolgikh S. G., Ovcharenko V. V., Plotnikov A. A., CHupin V. A., SHvets V. A., IAkovenko S. V. Dinamika vetrovykh voln pri dvizhenii po shelfu ubyvaiushchei glubiny. Doklady akademii nauk. 2012;447(4):445–449.
Долгих Г. И., Будрин С. С., Долгих С. Г., Овчаренко В. В., Плотников А. А., Чупин В. А., Швец В. А., Яковенко С. В. Динамика ветровых волн при движении по шельфу убывающей глубины. Доклады академии наук. 2012;447(4):445–449.
Dolgikh G. I., Plotnikov A. A. Osobennosti vozniknoveniia morskikh infragravitatsionnykh voln. Meteorologiia i gidrologiia. 2018;8:33–38.
Долгих Г. И., Плотников А. А. Особенности возникновения морских инфрагравитационных волн. Метеорология и гидрология. 2018;8:33–38.
Dolgikh G. I., Budrin S. S., Dolgikh S. G., Ovcharenko V. V., CHupin V. A., SHvets V. A., IAkovenko S. V. Morskie vnutrennie volny i atmosfernye depressii. Doklady Akademii nauk. 2015;462(5):601–604. DOI: 10.7868/S0869565215170181.
Долгих Г. И., Будрин С. С., Долгих С. Г., Овчаренко В. В., Чупин В. А., Швец В. А., Яковенко С. В. Морские внутренние волны и атмосферные депрессии. Доклады Академии наук. 2015;462(5):601–604. DOI: 10.7868/S0869565215170181.
MiniSERIES Operating Manual miniCTD miniSVP miniTIDE 0660880d 2019. Valeport Ltd.
Smirnov S. V. O raschete seishevykh kolebanii srednei chasti zaliva Petra Velikogo. Sib zhurn vychisl matematiki. 2014;17(2):203–216. DOI: 10.1134/S1995423914020104.
Смирнов С. В. О расчете сейшевых колебаний средней части залива Петра Великого Сиб. журн. вычисл. Математики. 2014;17(2):203–216. DOI: 10.1134/S1995423914020104.
АВТОРЫ
Иванов М. П., Тихоокеанский океанологический институт им. В. И. Ильичёва Дальневосточного отделения Российской академии наук, Владивосток, Россия.
ORCID: 0000-0003-3178-2634
Долгих С. Г., д. т. н., Тихоокеанский океанологический институт им. В. И. Ильичёва Дальневосточного отделения Российской академии наук, Владивосток, Россия.
ORCID: 0000-0001-9828-5929
М. П. Иванов, С. Г. Долгих
Тихоокеанский океанологический институт им. В. И. Ильичёва ДВО РАН, г. Владивосток, Россия
В работе представлена методика определения коэффициента преобразования натурных данных лазерно-интерференционных приборов, созданных на основе равноплечих и неравноплечих интерферометров Майкельсона, в значения вариаций давления гидросферы при регистрации морского волнения. На основе сопоставления экспериментальных данных, полученных в бухтах Приморского края в разных диапазонах периодов волн и на разных глубинах, показано, что наблюдается сильная зависимость коэффициента пересчета размерностей от глубины погружения.
Ключевые слова: лазерно-интерференционные приборы, лазерный измеритель вариаций давления гидросферы, измеритель скорости звука с датчиком давления и температуры, морское волнение
Статья получена: 30.05.2023
Статья принята:15.07.2023
ВВЕДЕНИЕ
Ранее, в начале 2000-х годов, сотрудниками лаборатории «Физики геосфер» ТОИ ДВО РАН были разработаны гидрофизические лазерно-интерференционные приемные системы для регистрации вариаций давления гидросферы. Это уникальные лазерно-интерференционные приборы, созданные на основе равноплечих и неравноплечих интерферометров Майкельсона [1]. С расширением перечня решаемых задач конструкции приборов претерпели множество изменений, появились модификации: лазерный измеритель вариаций давления гидросферы [2], лазерные гидрофоны [3, 4], автономный лазерный измеритель колебаний давления [5].
В качестве источников света во всех перечисленных модификациях приборов регистрации давления гидросферы используются два типа лазеров: частотно-стабилизированный гелий неоновый лазер и полупроводниковый лазер. Применение полупроводникового лазера позволило значительно сократить массогабаритные характеристики приборов. Все лазерно-интерференционные приемные системы были апробированы в различных акваториях: на МЭС ТОИ ДВО РАН «м. Шульца» на юге Приморского края, на «м. Свободный» (о. Сахалин) и в акваториях других бухт. Широкий диапазон частот, от 0 (условно) до 1 000 Гц, и высокая точность, около 1 мПа, позволяют регистрировать вариации давления гидросферы прямыми методами, что значительно повышает ценность полученных натурных данных.
Использование гидрофизических лазерно-интерференционных приемных систем дало возможность изучить периоды собственных колебаний бухт залива Посьета Японского моря [6], взаимодействие низкочастотных гидроакустических волн с ветровыми морскими волнами [7], динамику ветровых волн при движении по шельфу убывающей глубины [8], особенности возникновения морских инфрагравитационных волн [9], взаимодействие морских внутренних волн и атмосферных депрессий [10] и некоторые другие природные явления. При решении этих научных задач основное внимание уделялось значениям периодов морского волнения и приращению амплитуд. Для расчета высоты морского волнения применялись теоретические расчеты и лабораторные стенды.
Чувствительным элементом лазерно-интерференционных приемных систем является круглая мембрана, жестко закрепленная по периметру. В зависимости от изменения давления на дне изменяется величина прогиба центра мембраны, что определяется лазерно-интерференционным методом. Для определения вариаций давления необходимо пересчитать значения перемещений, определяемых лазерно-интерференционными приборами в единицах измерения длин и регистрируемых в единицах напряжения на пьезотолкателях мембраны в вольтах, в паскали, единицы измерения давления. Параметр, связывающий размерности, называется коэффициентом пересчета, и он вычисляется для каждого прибора экспериментально. Процедура определения коэффициента пересчета стандартная, для этого лазерные измерители вариаций давления гидросферы (ЛИВДГ) погружаются в бассейне, вода в котором сначала прибывает, увеличивая давление, а затем уходит, снижая давление.
За прошедшие годы появились новые задачи, решение которых требовало иного уровня чувствительности используемых приборов. Для расширения границ применения лазерно-интерференционных приборов в области регистраций давления гидросферы необходимо рассчитать коэффициент преобразования натурных данных ЛИВДГ. Для этого, а также для определения зависимости коэффициента пересчета натурных данных от условий измерений были проведены серии экспериментов в различных бухтах Приморского края. Схема эксперимента предполагала установку ЛИВДГ совместно с измерителем скорости звук Mini SVP фирмы Valeport с датчиком давления и температуры (ЗОНД) [11], причем измерения проводили на различных глубинах. Результаты, полученные с обоих приборов, сопоставляли и группировали по волнам, имеющим разные периоды. Для каждой группы волн был рассчитан коэффициент преобразования натурных данных ЛИВДГ в зависимости от глубины погружения.
Эксперимент
В качестве приемных измерительных систем в экспериментальных исследованиях использовали лазерный измеритель вариаций давления гидросферы и измеритель скорости звука Mini SVP фирмы Valeport (рис. 1). Для синхронизации ЗОНД (2) был закреплен на измерительный модуль лазерно-интерференционного прибора (1) и установлен на дно. Перед установкой приборы были синхронизированы с помощью часов точного времени. Оптическая схема ЛИВДГ создана на основе модернизированного неравноплечего интерферометра Майкельсона с использованием в качестве источника света частотно-стабилизированного гелий-неонового лазера фирмы Melles Griot, обеспечивающего стабильность частоты излучения 10–9. Как и во всех лазерно-интерференционных приборах в данной установке цифровой системой регистрации (5) измеряется разность между эталонным плечом интерферометра и измерительным. Излучение в эталонном плече интерферометра проходит оптический путь от делительной пластины до зеркал, закрепленных на пьезокерамических основаниях (4). И обратно. Излучение в измерительном плече интерферометра проходит оптический путь от делительной пластины до системы «кошкин глаз», состоящей из линзы (6) и зеркала, жестко закрепленного в центре гибкой мембраны (7). Возвращаясь на делительную пластину оба луча смешиваются и падают на фотоприемник, образуя интерференционную картину.
Чувствительным элементом ЛИВДГ является круглая мембрана, закрепленная по краю. Она устанавливается в нейтральное положение в момент постановки прибора на дно. Это достигается благодаря системе компенсации, включающей компенсационную камеру, клапан (8) и емкость с воздухом (1). В момент погружения прибора клапан открывается и под действием давления воды воздух из емкости начинает поступать в компенсационную камеру, выравнивая давление в камере с давлением, действующим на мембрану с другой стороны. После достижения рабочей глубины клапан закрывается, и прибор начинает регистрировать вариации давления гидросферы на мембрану. Под действием давления воды мембрана прогибается, меняя оптическую длину измерительного плеча. Система регистрации, установленная в измерительном модуле, компенсирует изменение длины измерительного плеча, меняя длину эталонного плеча. Для этого служит пьезокерамический цилиндр, на который подается напряжение. Изменение напряжения фиксируется цифровой системой регистрации и передается на пишущий компьютер, установленный в модуле автономизации. Экспериментальные данные поступают с системы регистрации через автоматический цифровой преобразователь и формируются в виде файлов данных длительностью 1 час с частотой дискретизации 800 Гц.
Результаты совместных измерений лазерного измерителя вариаций давления гидросферы и закрепленного на нем измерителя скорости звука Mini SVP фирмы Valeport плучены в трех бухтах Приморского края на разных глубинах. В бухте Алексеева (о. Попова) приборы были установлен 24.06.2021 г. на глубине 8 м (рис. 2а). В бухте Улисс (г. Владивосток) эксперимент проводился в период с 06.07.2021 г. по 13.07.2021 г., глубина в месте установки составила 7 м (рис. 2 b). В бухте Витязь залива Посьет приборы находились на глубине 5 м в период с 30.06.2022 г. по 01.07.2022 г. (рис. 2 c).
Установленный на измерительном модуле ЗОНД имеет меньшую автономность, при частоте записи 8 Гц она составляет чуть более суток. Данные вариаций давления гидросферы записывались в непрерывном режиме на внутренний накопить прибора с частотой 8 Гц. Для сопоставления экспериментальных данных будем использовать только данные датчика давления.
Обработка и анализ полученных экспериментальных данных
Перед сопоставлением экспериментальных данных приведем записи вариаций давления гидросферы к одному виду. Для этого данные ЛИВГД отфильтруем низкочастотным фильтром с окном Хэмминга длиной 3 000 до частоты 8 Гц и затем продецимируем в 100 раз. Полученные часовые файлы объединим в непрерывный ряд данных. В результате получаем экспериментальные данные ЛИВГД и ЗОНД одинаковой длительностью с частотой дискретизации 8 Гц. При анализе спектров экспериментальных данных были выделены гармоники с периодами от нескольких секунд до нескольких минут. Периоды от 4 до 6 с соответствуют поверхностному ветровому волнению в месте установки прибора, а периоды от 8 до 20 с соответствуют волнам зыби. Так же на записях приборов выделяются колебания с периодами, соответствующими собственным колебаниям бухт, в которых они были установлены. Выберем синхронные участки записей приборов с максимальных корреляций для различных периодов морского волнения для каждой из бухт (рис. 3).
На рис. 3 представлены полученные экспериментальные данные вариаций давления гидросферы двумя приборами для каждой из бухты Сигналы: рис. 3a и рис. 3b соответствуют данным полученным ЗОНД и ЛИВГД в бухте Алексеева (о. Попова), сигналы рис. 3c и рис. 3d получены при постановке приборов в бухте Улисс (г. Владивосток), сигналы рис. 3e и рис. 3d получены при проведении эксперимента в бухте Витязь (залив Посьет). Синий цвет соответствует экспериментальным данным датчика давления измерителя скорости звука Mini SVP, а красный цвет – данным лазерного измерителя вариаций давления гидросферы.
При анализе спектров записей приборов для расчета коэффициента преобразования морское волнение было разделено по группам. На рис. 4 представлены спектры записей приборов морского волнения с периодами от 5,5 до 30 с (левый) и от 100 до 350 с (правый). Разделим по группам волны следующим образом: первая группа с периодами волнения в диапазоне от 5 до 10 с, вторая группа с периодами от 10 до 30 с и третья группа с периодами морского волнения от 100 до 400 с. Вариации морского волнения с данными периодами были зарегистрированы в каждом эксперименте. К четвертой группе отнесем собственные колебания бухт, где были установлены приборы. Данные колебания для различных мест установки приборов варьировались от 600 до 1 100 с.
Выберем несколько цугов волн для каждой группы на записях лазерно-интерференционного прибора и датчика давления измерителя скорости звука с максимальной корреляцией. На рис. 5 представлены синхронные участки записей приборов при их установке в бухте Алексеева (о. Попова). На верхней записи рисунка выделено ветровое волнение с периодом около 6 с, а на нижней записи выделены собственные колебания бухты с периодами около 600 с [12].
Для морского волнения с периодом колебаний от 5 до 10 с было выбрано 20 таких участков для каждой из трех бухт, где были установлены приборы. В результате сопоставления экспериментальных данных двух приборов для данного диапазона периодов при погружении прибора на 5 метров средний коэффициент составил около 10 Па / В, при погружении приборов на глубину 7 метров он составил 26 Па / В, а при установке приборов на глубину 8 метров значение среднего коэффициента составило приблизительно 39 Па/В. По полученным данным была построена зависимость коэффициента преобразования от глубины погружения для морского волнения с периодами от 5 до 10 с (рис. 6а).
Проанализируем вариации давления с периодами от 10 до 30 с. Для данного диапазона периодов было также выбрано 20 участков для каждой из бухт. При сопоставлении экспериментальных данных ЛИВГД и ЗОНД в бухте Витязь (залив Посьет) среднее значение коэффициента составило 11,6 Па / В. При установке приборов в бухте Улисс (г. Владивосток) средний коэффициент равен 29 Па / В, а при сопоставлении данных вариаций давления в бухте Алексеева (о. Попов) он составил 39 Па / В. В результате по полученным экспериментальным данным вариаций давления гидросферы с периодами от 10 до 30 с была построена зависимость данного коэффициента от глубины погружения (рис. 6b).
Рассмотрим морское волнение с периодами от 180 до 360 с. Для этого морского волнения для каждой из трех бухт были выбраны синхронные участки записей приборов с максимальной корреляцией. При сопоставлении значений амплитуд колебаний давления среднее значение коэффициента преобразования для глубины 5 м составило 12,5 Па/В. При постановке приборов на глубине 7 м среднее значение коэффициента составило 29 Па/В. При погружении приборов на глубину 8 м это значение оказалось равным 36 Па/В. По полученным расчетным данным была построена зависимость коэффициента преобразования от глубины погружения для морского волнения с периодами от 180 до 360 с (рис. 6с).
При анализе экспериментальных данных приборов при регистрации собственных колебаний бухт с периодами от 600 до 1 200 с было выбрано около 10 синхронных участков для каждой из бухт. Для данного диапазона периодов при установке измерителей в бухте Витязь (залив Посьет) среднее значение коэффициента составило 11,5 Па / В. Для глубины 7 м среднее значение коэффициента равно 28 Па / В, а при анализе экспериментальных данных, полученных в бухте Алексеева (о. Попова), коэффициент составил 38 Па / В. В результате анализа экспериментальных данных вариаций давления гидросферы при регистрации собственных колебаний бухт была построена зависимость среднего значения коэффициента преобразования от глубины погружения приборов (рис. 6d).
В результате проведенных вычислений была выявлена зависимость коэффициента преобразования данных лазерного измерителя вариаций давления гидросферы от глубины погружения. Для всех исследуемых диапазонов периодов морского волнения рассчитанные коэффициенты преобразования для каждого места постановки приборов проявили примерно одинаковые значения. Наблюдается сильная зависимость коэффициента пересчета размерностей от глубины погружения. В результате среднее значение коэффициента преобразования для бухты Витязь при постановке приборов на глубине 5 м составило 11,6 Па / В, для бухты Улисс при глубине 7 м среднее значение коэффициента преобразования составило 28,1 Па / В, а для бухты Алексеева при постановке приборов на глубине 8 м составило 38 Па/В.
Заключение
В результате анализа экспериментальных данных лазерного измерителя вариаций давления гидросферы и датчика давления измерителя скорости звука Mini SVP фирмы Valeport был вычислен коэффициент преобразования данных лазерно-интерференционного прибора в зависимости от глубины погружения. Исследования проводились в трех бухтах Приморского края на разных глубинах. В бухте Витязь (залив Посьет) на глубине 5 м, в бухте Улисс (г. Владивосток) на глубине 7 м и на глубине 8 м в бухте Алексеева (о. Попова). Для каждой из бухт были выбраны синхронные участки записей приборов с максимальной корреляцией для разных диапазонов периодов морского волнения. Всего было выбрано четыре диапазона периодов от ветрового волнения до собственных колебаний бухт, где были установлены приборы. Из полученных данных был определен коэффициент пересчета данных с ЛИВДГ из размерности напряжения, выраженную в вольтах, в размерность давления, выраженную в паскалях. Так, при глубине 5 м он составил примерно 11,6 Па / В, при глубине 7 м средний коэффициент преобразования был равен 28,1 Па / В, а при постановке приборов на глубину 8 м его значение составило 38 Па / В.
Рассчитанный коэффициент преобразования позволит расширить границы применения лазерных измерителей вариаций давления гидросферы различных модификаций. Для более точного определения коэффициента преобразования экспериментальных данных лазерно-интерференционного прибора в дальнейшем необходимо провести исследования на больших глубинах. Такие исследование планируется провести в бухте Витязь (залив Посьет) на глубинах от 10 до 20 м летом-осенью 2023 года.
Благодарность
Исследования выполнены при частичной финансовой поддержке РНФ проект № 22-27-00678 «Микродеформации земной коры, вызванные морскими инфрагравитационными волнами по данным лазерно-интерференционных приборов».
REFERENCES
Dolgikh G. I., Budrin S. S., Dolgikh S. G., Plotnikov A. A., CHupin V. A., SHvets V. A., IAkovenko S. V. Hydrophysical Laser Interference Receiving Systems: Features And Application. Photonics Russia. 2019;13 (7): 658–668. DOI: 10.22184/1993‑7296.FRos.2019.13.7.658.668.
Долгих Г. И., Будрин С. С., Долгих С. Г., Плотников А. А., Чупин В. А., Швец В. А., Яковенко С. В. Гидрофизические лазерно-интерференционные приемные системы: конструктивные особенности и области применения. Фотоника. 2019;13 (7): 658–668. DOI: 10.22184/1993‑7296.FRos.2019.13.7.658.668.
Dolgikh G. I., Dolgikh S. G., Kovalev S. N., SHvets V. A., CHupin V. A., IAkovenko S. V. Lazernyi izmeritel variatsii davleniia gidrosfery. Pribory i tekhnika eksperimenta. 2005; 6: 137–138.
Долгих Г. И., Долгих С. Г., Ковалев С. Н., Швец В. А., Чупин В. А., Яковенко С. В. Лазерный измеритель вариаций давления гидросферы. Приборы и техника эксперимента. 2005; 6: 137–138.
Dolgikh G. I., Plotnikov A. A., SHvets V. A. Lazernyi gidrofon. Pribory i tekhnika eksperimenta. 2007; 1:159–160.
Долгих Г. И., Плотников А. А., Швец В. А. Лазерный гидрофон. Приборы и техника эксперимента. 2007; 1:159–160.
Dolgikh G. I., Dolgikh S. G., Plotnikov A. A., CHupin V. A., IAkovenko S. V. Lazernyi gidrofon na osnove zelenogo lazera LCM-S‑11. Pribory i tekhnika eksperimenta. 2013; 5: 140–141.DOI: 10.7868/S0032816213040216.
Долгих Г. И., Долгих С. Г., Плотников А. А., Чупин В. А., Яковенко С. В. Лазерный гидрофон на основе зеленого лазера LCM-S‑11. Приборы и техника эксперимента. 2013; 5: 140–141.DOI: 10.7868/S0032816213040216.
Dolgikh G. I., Budrin S. S., SHvets V. A., IAkovenko S. V. Autonomous laser Pressure fluctuation meter. Photonics Russia. 2019;13(4):372–381. DOI: 10.22184/1993‑7296.FRos.2019.13.4.372.380.
Долгих Г. И., Будрин С. С., Швец В. А., Яковенко С. В. Автономный лазерный измеритель колебаний. Фотоника. 2019;13(4):372–381. DOI: 10.22184/1993‑7296.FRos.2019.13.4.372.380.
Dolgikh G. I., Dolgikh S. G., Smirnov S. V., CHupin V. A., SHvets V. A., IAkovenko S. V. Infrazvukovye kolebaniia iaponskogo moria. Doklady Akademii nauk. 2011;441(1):98–102.
Долгих Г. И., Долгих С. Г., Смирнов С. В., Чупин В. А., Швец В. А., Яковенко С. В. Инфразвуковые колебания японского моря. Доклады Академии наук. 2011;441(1):98–102.
Dolgikh G. I., Plotnikov A. A., Dolgikh S. G., CHupin V. A., IAkovenko S. V. Vzaimodeistvie nizkochastotnykh gidroakusticheskikh voln s vetrovymi morskimi volnami. Doklady Akademii nauk. 2010;430(2):257–260.
Долгих Г. И., Плотников А. А., Долгих С. Г., Чупин В. А., Яковенко С. В. Взаимодействие низкочастотных гидроакустических волн с ветровыми морскими волнами. Доклады Академии наук. 2010;430(2):257–260.
Dolgikh G. I., Budrin S. S., Dolgikh S. G., Ovcharenko V. V., Plotnikov A. A., CHupin V. A., SHvets V. A., IAkovenko S. V. Dinamika vetrovykh voln pri dvizhenii po shelfu ubyvaiushchei glubiny. Doklady akademii nauk. 2012;447(4):445–449.
Долгих Г. И., Будрин С. С., Долгих С. Г., Овчаренко В. В., Плотников А. А., Чупин В. А., Швец В. А., Яковенко С. В. Динамика ветровых волн при движении по шельфу убывающей глубины. Доклады академии наук. 2012;447(4):445–449.
Dolgikh G. I., Plotnikov A. A. Osobennosti vozniknoveniia morskikh infragravitatsionnykh voln. Meteorologiia i gidrologiia. 2018;8:33–38.
Долгих Г. И., Плотников А. А. Особенности возникновения морских инфрагравитационных волн. Метеорология и гидрология. 2018;8:33–38.
Dolgikh G. I., Budrin S. S., Dolgikh S. G., Ovcharenko V. V., CHupin V. A., SHvets V. A., IAkovenko S. V. Morskie vnutrennie volny i atmosfernye depressii. Doklady Akademii nauk. 2015;462(5):601–604. DOI: 10.7868/S0869565215170181.
Долгих Г. И., Будрин С. С., Долгих С. Г., Овчаренко В. В., Чупин В. А., Швец В. А., Яковенко С. В. Морские внутренние волны и атмосферные депрессии. Доклады Академии наук. 2015;462(5):601–604. DOI: 10.7868/S0869565215170181.
MiniSERIES Operating Manual miniCTD miniSVP miniTIDE 0660880d 2019. Valeport Ltd.
Smirnov S. V. O raschete seishevykh kolebanii srednei chasti zaliva Petra Velikogo. Sib zhurn vychisl matematiki. 2014;17(2):203–216. DOI: 10.1134/S1995423914020104.
Смирнов С. В. О расчете сейшевых колебаний средней части залива Петра Великого Сиб. журн. вычисл. Математики. 2014;17(2):203–216. DOI: 10.1134/S1995423914020104.
АВТОРЫ
Иванов М. П., Тихоокеанский океанологический институт им. В. И. Ильичёва Дальневосточного отделения Российской академии наук, Владивосток, Россия.
ORCID: 0000-0003-3178-2634
Долгих С. Г., д. т. н., Тихоокеанский океанологический институт им. В. И. Ильичёва Дальневосточного отделения Российской академии наук, Владивосток, Россия.
ORCID: 0000-0001-9828-5929
Отзывы читателей
