eng
Выпуск #6/2016
С.Долгих, Г.Долгих, В.Чупин, С.Яковенко
Применение мобильного лазерного деформографа
Применение мобильного лазерного деформографа
Просмотры: 6357
Представлены результаты сейсмических исследований, которые позволяют говорить о высокой производительности мобильного лазерного деформографа.
DOI:10.22184/1993-7296.2016.60.6.82.87
DOI:10.22184/1993-7296.2016.60.6.82.87
ВВЕДЕНИЕ
В настоящее время в Тихоокеанском океанологическом институте имени В.И.Ильичева ДВО РАН (ТОИ ДВО РАН) для исследований используют различные интерферометры, позволяющие проводить измерения низкочастотных и сверхнизкочастотных вариаций микросмещений фонового уровня [1,2]. Однако большинство из этих приборов громоздки, сложны в установке и требуют при эксплуатации постоянного контроля оператора [3]. Для устранения этих проблем был сконструирован мобильный лазерный деформограф на основе неравноплечего интерферометра Майкельсона с применением современных лазерно-интерференционных методов [4]. Прибор включает в себя электронную систему регистрации, которая фиксирует изменение разности длин плеч интерферометра. Задача деформографа – обеспечить мобильность работы при сохранении высокой точности измерения низкочастотных и сверхнизкочастотных вариаций микросмещений фонового уровня. Прибор отличается компактностью, легкостью настройки, надёжностью, возможностью работать автономно продолжительное время при малых затратах потребляемой энергии, и при этом небольшой стоимостью.
УСТРОЙСТВО МОБИЛЬНОГО ЛАЗЕРНОГО ДЕФОРМОГРАФА
Оптическая часть мобильного лазерного деформографа разработана на основе неравноплечего интерферометра Майкельсона и похожа на соответствующий узел деформографов, созданных ранее [5, 6]. В качестве источника света используется частотно-стабилизированный лазер производства Melles Griot, долговременная стабильность которого составляет 10–9–10–10. Весь путь луча лазера между отражателем и интерференционным узлом расположен в световоде из полипропиленовых труб. Отражатель смонтирован на упругом основании. Для проведения измерений используют поляризованный лазерный пучок, который затем делится на два пучка. Один из них проходит по измеряемому плечу, другой – по эталонному. Измерительная часть луча идет по световоду, попадает на отражатель и возвращается обратно на полупрозрачную пластину. Эталонная часть луча проходит через юстировочный узел и возвращается на полупрозрачную пластину. Юстировочный узел состоит из зеркал, закрепленных на пьезокерамических основаниях. Затем эти два луча совмещают и получают интерференционную картину, изменения которой оценивают посредством фотоэлектронной аппаратуры. Пятно с интерференционной картиной анализируется с помощью фотодиода системы регистрации. Задачей данного прибора является регистрация вариаций микродеформаций земной коры в частотном диапазоне от 0 (условно) до 10 000 Гц с точностью 0,3 нм в практически неограниченном динамическом диапазоне.
ПРИМЕНЕНИЕ МОБИЛЬНОГО ЛАЗЕРНОГО ДЕФОРМОГРАФА
Для измерения фонового уровня геофизических шумов и определения основных параметров резонансных объектов в звуковом и инфразвуковом диапазонах недалеко от г. Находка был установлен мобильный лазерный деформограф. На рис.1 приведена карта сервиса "Планета Земля" с точкой установки прибора. Координаты установки измерительной скамьи деформографа – 42°52,560′N, 132°48,643′E. Координаты отражателя – 42°52,562′N, 132°48,639′E.
Деформограф был установлен на поверхности Земли с заглублением фундамента оптической скамьи до скальной породы. Конструкция прибора была изолирована от воздействия окружающей среды. На рис.2 приведен общий рабочий вид установки. В деформограф была встроена цифровая система регистрации, являющаяся собственной разработкой ТОИ ДВО РАН. Данный модуль относится к системам экстремального регулирования и управляет работой интерферометров, поддерживая интерференционную картину на максимуме интенсивности с помощью пьезокерамических элементов в цепи обратной связи. При достижении края динамического диапазона, обусловленного цикличной сменой экстремумов интерференционной картины, система регистрации формирует импульс сброса, обнуляя подаваемое на пьезокерамику напряжение. Таким образом достигается расширение динамического диапазона прибора. Величина подаваемого напряжения на пьезокерамику и количество импульсов сброса в конкретный момент времени соответствуют изменению оптической разности хода в плечах интерферометров. При этом сама разность хода линейно связана со смещением земной коры. Эта информация в цифровом виде по линии связи поступает в компьютер, где записывается на жесткий диск с заданной частотой дискретизации.
Принцип измерения разности хода на базе лазерных деформографов построен так же, как и у деформографов, обеспечивающих подобную или лучшую чувствительность. При этом хорошая стабильность температуры, давления, влажности, учет их вариаций в измерениях, небольшой диапазон подаваемых напряжений на пьезокерамику (до 198 В) позволяют исключить ошибки измерений, возникающие из-за таких паразитных явлений, как крип и гистерезис пьезокерамики при работе деформографов в диапазоне от 0 (условно) до 1 000 Гц.
В ходе работы была сделана запись микродеформаций земной коры длительностью более трех суток. На рис.3 представлен фрагмент записи лазерного деформографа длительностью около 14 часов.
Из записи (рис.4) выделены микросейсмические колебания с периодами около 8, 10 и 12 с, которые соответствуют ветровому волнению Японского моря в бухте Восток. За время сбора данных над местом установки лазерного деформографа проходил циклон, сопровождающийся сильным ветром и дождем. В это время на записи лазерного деформографа появились колебания с периодом 22,5 с, которые были вызваны сильным ветровым давлением.
При проведении эксперимента с динамическими воздействиями типа удар на грунт в районе проведения измерений были получены записи соответствующих колебательных процессов. Эксперимент был проведен с ударными нагрузками двух типов: многократные стуки (5 ударов с паузой около 1 с на дистанциях 30–100 м) и мощные разовые удары по грунту в местах выхода на поверхность скальной породы. Для того чтобы исключить колебательную реакцию компонентов измерительного комплекса на возмущения, последние проводились на удалении более 100 м от оборудования. На рис.5 приведен пример участка записи, где отражены результаты эксперимента с пятикратным повторением. Каждое из воздействий представляет собой затухающий во времени процесс.
Расчеты добротности для многократных ударных воздействий приведены в таблице. Анализ центральной частоты затухающих колебаний процесса показал, что она совпадает с частотой колебаний, возбуждаемой при естественных процессах, т. е. 29,3 Гц, что говорит о возбуждении того же резонатора.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
На основе современных лазерно-интерференционных методов сконструирован мобильный лазерный деформограф, который хорошо проявил себя при сейсмических исследованиях. В ходе исследований недалеко от города Находка удалось зарегистрировать естественные и искусственные процессы звукового и инфразвукового диапазонов на фоновом уровне.
Работа выполнена при частичной поддержке РНФ (соглашение 14–17–00041).
ЛИТЕРАТУРА
1. Долгих Г.И., Долгих С.Г., Овчаренко В.В., Чупин В.А., Швец В.А., Яковенко С.В. Лазерный деформограф с точностью на уровне пикометров. – Приборы и техника эксперимента, 2013, № 2, с.138–139.
2. Давыдов А.В., Долгих Г.И. Регистрация сверхнизкочастотных колебаний 52,5-м лазерным деформографом. – Физика Земли, 1995, № 3, с.64–67.
3. Долгих Г.И. Лазерно-интерференционный комплекс. – Сейсмические приборы, 2003, т. 39, с.13–27.
4. Долгих С.Г. Мобильный лазерный интерферометр. – Приборы и техника эксперимента, 2010, № 1, с.174–175.
5. Долгих Г.И., Валентин Д.И., Долгих С.Г., Ковалёв С.Н., Корень И.А., Овчаренко В.В., Фищенко В.К. Применение лазерных деформографов вертикальной и горизонтальной ориентаций в геофизических исследованиях переходных зон. – Физика Земли, 2002, № 8, с.69–73.
6. Долгих Г.И. Принципы построения однокоординатных лазерных деформографов. – Письма в ЖТФ, 2011, т. 37, вып.5, с.24–30.
В настоящее время в Тихоокеанском океанологическом институте имени В.И.Ильичева ДВО РАН (ТОИ ДВО РАН) для исследований используют различные интерферометры, позволяющие проводить измерения низкочастотных и сверхнизкочастотных вариаций микросмещений фонового уровня [1,2]. Однако большинство из этих приборов громоздки, сложны в установке и требуют при эксплуатации постоянного контроля оператора [3]. Для устранения этих проблем был сконструирован мобильный лазерный деформограф на основе неравноплечего интерферометра Майкельсона с применением современных лазерно-интерференционных методов [4]. Прибор включает в себя электронную систему регистрации, которая фиксирует изменение разности длин плеч интерферометра. Задача деформографа – обеспечить мобильность работы при сохранении высокой точности измерения низкочастотных и сверхнизкочастотных вариаций микросмещений фонового уровня. Прибор отличается компактностью, легкостью настройки, надёжностью, возможностью работать автономно продолжительное время при малых затратах потребляемой энергии, и при этом небольшой стоимостью.
УСТРОЙСТВО МОБИЛЬНОГО ЛАЗЕРНОГО ДЕФОРМОГРАФА
Оптическая часть мобильного лазерного деформографа разработана на основе неравноплечего интерферометра Майкельсона и похожа на соответствующий узел деформографов, созданных ранее [5, 6]. В качестве источника света используется частотно-стабилизированный лазер производства Melles Griot, долговременная стабильность которого составляет 10–9–10–10. Весь путь луча лазера между отражателем и интерференционным узлом расположен в световоде из полипропиленовых труб. Отражатель смонтирован на упругом основании. Для проведения измерений используют поляризованный лазерный пучок, который затем делится на два пучка. Один из них проходит по измеряемому плечу, другой – по эталонному. Измерительная часть луча идет по световоду, попадает на отражатель и возвращается обратно на полупрозрачную пластину. Эталонная часть луча проходит через юстировочный узел и возвращается на полупрозрачную пластину. Юстировочный узел состоит из зеркал, закрепленных на пьезокерамических основаниях. Затем эти два луча совмещают и получают интерференционную картину, изменения которой оценивают посредством фотоэлектронной аппаратуры. Пятно с интерференционной картиной анализируется с помощью фотодиода системы регистрации. Задачей данного прибора является регистрация вариаций микродеформаций земной коры в частотном диапазоне от 0 (условно) до 10 000 Гц с точностью 0,3 нм в практически неограниченном динамическом диапазоне.
ПРИМЕНЕНИЕ МОБИЛЬНОГО ЛАЗЕРНОГО ДЕФОРМОГРАФА
Для измерения фонового уровня геофизических шумов и определения основных параметров резонансных объектов в звуковом и инфразвуковом диапазонах недалеко от г. Находка был установлен мобильный лазерный деформограф. На рис.1 приведена карта сервиса "Планета Земля" с точкой установки прибора. Координаты установки измерительной скамьи деформографа – 42°52,560′N, 132°48,643′E. Координаты отражателя – 42°52,562′N, 132°48,639′E.
Деформограф был установлен на поверхности Земли с заглублением фундамента оптической скамьи до скальной породы. Конструкция прибора была изолирована от воздействия окружающей среды. На рис.2 приведен общий рабочий вид установки. В деформограф была встроена цифровая система регистрации, являющаяся собственной разработкой ТОИ ДВО РАН. Данный модуль относится к системам экстремального регулирования и управляет работой интерферометров, поддерживая интерференционную картину на максимуме интенсивности с помощью пьезокерамических элементов в цепи обратной связи. При достижении края динамического диапазона, обусловленного цикличной сменой экстремумов интерференционной картины, система регистрации формирует импульс сброса, обнуляя подаваемое на пьезокерамику напряжение. Таким образом достигается расширение динамического диапазона прибора. Величина подаваемого напряжения на пьезокерамику и количество импульсов сброса в конкретный момент времени соответствуют изменению оптической разности хода в плечах интерферометров. При этом сама разность хода линейно связана со смещением земной коры. Эта информация в цифровом виде по линии связи поступает в компьютер, где записывается на жесткий диск с заданной частотой дискретизации.
Принцип измерения разности хода на базе лазерных деформографов построен так же, как и у деформографов, обеспечивающих подобную или лучшую чувствительность. При этом хорошая стабильность температуры, давления, влажности, учет их вариаций в измерениях, небольшой диапазон подаваемых напряжений на пьезокерамику (до 198 В) позволяют исключить ошибки измерений, возникающие из-за таких паразитных явлений, как крип и гистерезис пьезокерамики при работе деформографов в диапазоне от 0 (условно) до 1 000 Гц.
В ходе работы была сделана запись микродеформаций земной коры длительностью более трех суток. На рис.3 представлен фрагмент записи лазерного деформографа длительностью около 14 часов.
Из записи (рис.4) выделены микросейсмические колебания с периодами около 8, 10 и 12 с, которые соответствуют ветровому волнению Японского моря в бухте Восток. За время сбора данных над местом установки лазерного деформографа проходил циклон, сопровождающийся сильным ветром и дождем. В это время на записи лазерного деформографа появились колебания с периодом 22,5 с, которые были вызваны сильным ветровым давлением.
При проведении эксперимента с динамическими воздействиями типа удар на грунт в районе проведения измерений были получены записи соответствующих колебательных процессов. Эксперимент был проведен с ударными нагрузками двух типов: многократные стуки (5 ударов с паузой около 1 с на дистанциях 30–100 м) и мощные разовые удары по грунту в местах выхода на поверхность скальной породы. Для того чтобы исключить колебательную реакцию компонентов измерительного комплекса на возмущения, последние проводились на удалении более 100 м от оборудования. На рис.5 приведен пример участка записи, где отражены результаты эксперимента с пятикратным повторением. Каждое из воздействий представляет собой затухающий во времени процесс.
Расчеты добротности для многократных ударных воздействий приведены в таблице. Анализ центральной частоты затухающих колебаний процесса показал, что она совпадает с частотой колебаний, возбуждаемой при естественных процессах, т. е. 29,3 Гц, что говорит о возбуждении того же резонатора.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
На основе современных лазерно-интерференционных методов сконструирован мобильный лазерный деформограф, который хорошо проявил себя при сейсмических исследованиях. В ходе исследований недалеко от города Находка удалось зарегистрировать естественные и искусственные процессы звукового и инфразвукового диапазонов на фоновом уровне.
Работа выполнена при частичной поддержке РНФ (соглашение 14–17–00041).
ЛИТЕРАТУРА
1. Долгих Г.И., Долгих С.Г., Овчаренко В.В., Чупин В.А., Швец В.А., Яковенко С.В. Лазерный деформограф с точностью на уровне пикометров. – Приборы и техника эксперимента, 2013, № 2, с.138–139.
2. Давыдов А.В., Долгих Г.И. Регистрация сверхнизкочастотных колебаний 52,5-м лазерным деформографом. – Физика Земли, 1995, № 3, с.64–67.
3. Долгих Г.И. Лазерно-интерференционный комплекс. – Сейсмические приборы, 2003, т. 39, с.13–27.
4. Долгих С.Г. Мобильный лазерный интерферометр. – Приборы и техника эксперимента, 2010, № 1, с.174–175.
5. Долгих Г.И., Валентин Д.И., Долгих С.Г., Ковалёв С.Н., Корень И.А., Овчаренко В.В., Фищенко В.К. Применение лазерных деформографов вертикальной и горизонтальной ориентаций в геофизических исследованиях переходных зон. – Физика Земли, 2002, № 8, с.69–73.
6. Долгих Г.И. Принципы построения однокоординатных лазерных деформографов. – Письма в ЖТФ, 2011, т. 37, вып.5, с.24–30.
Отзывы читателей
