ЛАЗЕРНЫЙ БАЛЛИСТИЧЕСКИЙ ГРАВИМЕТР

Полезная модель относится к области гравиметрии и предназначена для измерения абсолютного значения ускорения свободного падения.
Известны устройства (см., например, Справочник геофизика./Под ред. Мудрецовой Е.А., Веселова К.Е., М.: Недра, 1990; патент США №5351122, МПК G01P 3/38, публ. 27.09. 1994) для измерения абсолютных значений ускорения свободного падения, так называемые "баллистические гравиметры", содержащие баллистический блок, представляющий собой вакуумную трубу, в которой может свободно падать пробное тело, несущее оптический уголковый отражатель, интерферометр Майкельсона на основе гелий-неонового лазера, отслеживающий перемещение пробного тела, и измерительно-вычислительную систему, осуществляющую измерение интервалов пути и времени пробного тела в процессе его свободного падения и последующее вычисление по результатам этих измерений абсолютного значения ускорения свободного падения, а также управление работой изделия.
Принцип действия баллистического гравиметра заключается в измерении с помощью лазерного интерферометра расстояний, пройденных свободно падающим в вакууме пробным телом за заданные временные интервалы, и последующем вычислении по результатам измерений значения ускорения.
Недостатком известных устройств является недостаточно высокая точность измерений, обусловленная нестабильностью длины волны малогабаритных гелий-неоновых лазеров.
Более высокую точность обеспечивает устройство для измерения абсолютного значения ускорения силы тяжести (см., например, Арнаутов Г.П., Калиш и др. Лазерный баллистический гравиметр ГАБЛ-М и результаты наблюдений силы тяжести. /Ж. Автометрия, 1994. №3, с.3-11), содержащее баллистический блок, реализующий свободное падение пробного тела с установленным на нем оптическим уголковым отражателем, оптически связанный с уголковым отражателем интерферометр с источником света на основе газового гелий-неонового лазера и измерительно-вычислительный блок.
Однако для обеспечения высокой точности известного гравиметра, в процессе измерений необходимо периодически сравнивать (и при необходимости корректировать) длину волны излучения рабочего гелий-неонового лазера с высокоточным эталоном.
Указанное обстоятельство обусловливает ряд недостатков известного гравиметра - значительные неудобства при работе с гравиметром из-за громоздкости применяемой аппаратуры и повышенной сложности ее обслуживания, практическая невозможность проведения измерений в полевых условиях, потенциальная возможность появления дополнительной погрешности измерений из-за незамеченного ухода длины волны рабочего излучения.
Задачей предлагаемой полезной модели является устранение указанных недостатков, а именно: создание высокоточного, с улучшенными эксплуатационными характеристиками лазерного гравиметра для проведения измерений в полевых условиях.
Достигаемые технические результаты полезной модели - высокая точность измерений, возможность применения и удобство эксплуатации прибора в полевых условиях.
2
Указанные технические результаты достигаются за счет того, что в лазерном баллистическом гравиметре, содержащем баллистический блок, реализующий свободное падение пробного тела, лазерный интерферометр с оптическим уголковым отражателем, установленным на пробном теле, и измерительно-вычислительную систему, в качестве источника света интерферометра используется оптический стандарт длины на базе твердотельного, стабилизированного по йоду Nd:YAG/I - лазера с рабочей длиной волны 532 нм.
На фиг.1 представлена структурная схема гравиметра, на фиг.2 - оптическая схема интерферометра.
2
Лазерный баллистический гравиметр содержит: баллистический блок 1 со свободно падающим пробным телом несущим оптический уголковый отражатель 2, Nd:YAG/I - лазер 3, интерферометр, образованный лучеделителем 4, отражателем 2 и референтным уголковым отражателем 5, контрольно-измерительный блок 6, систему виброзащиты 7, оптоволоконные кабели 8 и 9.
Работает устройство следующим образом.
Пробное тело, несущее уголковый оптический отражатель 2, в вакуумной трубе баллистического блока 1 устанавливается в начальное положение. По стартовому сигналу пробное тело начинает свободное падение, в течение которого производится измерение пройденных интервалов пути и времени их прохождения.
Оптическая система выполнена по схеме модифицированного интерферометра Майкельсона с линейным расположением лучей относительно измерительного и референтного плеч. Излучение лазера 3 вводится в оптическую систему с помощью входного оптоволоконного кабеля 8 с сохранением поляризации и направляется на лучеделитель 4, представляющий собой стеклянную плоскопараллельную пластину с двухсторонним светорасщепляющим напылением. На передней плоскости лучеделителя излучение разделяется на два луча. Отраженный луч через входное окно вакуумной камеры направляется на уголковый отражатель 2, а другая половина излучения проходит сквозь стекло пластины лучеделителя 4 и является опорным плечом интерферометра. Отраженный от уголкового отражателя 2 луч проходит через прозрачную (без напыления) часть пластины 4 и попадает на референтный уголковый отражатель 6, после отражения от которого, направляется на напыленную часть лучеделителя 2, где интерферирует с опорным лучом. Проинтерферировавшие лучи по выходному световолоконному кабелю 9 поступают на фотоприемник, расположенный в контрольно-измерительном блоке 6 гравиметра.
Результатом интерференции опорного и отраженного от падающего тела лучей является появление на выходе интерферометра последовательности чередующихся максимумов и минимумов интенсивности излучения.
Таким образом, отслеживающий падение пробного тела лазерный интерферометр дискретизирует пройденный телом путь на полуволновые отрезки, формируя при прохождении каждого отрезка световой импульс. Выходные импульсы интерферометра регистрируются и считываются соответствующими устройствами контрольно-измерительного блока. Количество зарегистрированных импульсов определяет расстояние, пройденное телом. По измеренным значениям расстояний и соответствующих им измеренным интервалам времени по известным соотношениям вычисляется ускорение свободного падения.
2
По сравнению с лазерами, используемыми в известных баллистических гравиметрах, достоинствами предлагаемого оптического стандарта длины на основе Nd:YAG/I - лазера с кольцевой схемой резонатора и внутрирезонаторным удвоением частоты являются:
- высокая стабильность частоты, исключающая необходимость ее периодической поверки, требующей значительных затрат средств и времени;
- отсутствие модуляции выходного излучения, за счет чего повышается точность измерений;
- высокая выходная мощность лазера, обусловливающая возможность значительного (в 5-10 раз) увеличения соотношения сигнал/шум выходного сигнала;
- возможность, за счет большой выходной мощности лазера, использования оптического кабеля для ввода лазерного излучения в интерферометр и вывода полезного сигнала из него, что упрощает настройку и юстировку прибора, позволяет значительно снизить массу и габаритные размеры аппаратуры.
Заявляемый в качестве полезной модели абсолютный баллистический лазерный гравиметр, прошел полевые испытания в Горном Алтае и Заполярье - местностях, существенно различающихся по атмосферно-климатическим условиям. Измерения на Алтае проводились в условиях высоких (в пределах 29-31°С) температур воздуха и пониженного (650-655 мм. рт.ст.) атмосферного давления. В противоположность этому при работе в Заполярье температура внешней среды колебались в пределах 0-10°С, а атмосферное давление находилось в пределах 760-770 мм. рт.ст.
При проведении испытаний питание прибора осуществлялось от автомобильного аккумулятора, от передвижного дизель-генератора на 220 V, а также от стационарной внешней сети 220 В.
-8
2
Результаты проведенных испытаний показали, что гравиметр сохраняет свои технические и эксплуатационные характеристики в сложных полевых условиях. По результатам измерений установлено, что инструментальная среднеквадратическая погрешность измерения абсолютного значения ускорения силы тяжести гравиметром не превышает ±5×10 м/с.