ДОННЫЙ ЛАЗЕРНЫЙ СЕЙСМОГРАФ

Полезная модель относится к области геофизики и может быть использована для измерения микродеформаций земной коры на дне морей и океанов и изучения пространственно-временной структуры геофизических полей инфразвукового и звукового диапазонов.
Известна автономная донная станция для сейсмических наблюдений (п. RU 2438149 C2, МПК G01V 1/38) предназначенная для сейсмологического мониторинга, изучения полей микросейсм и гидроакустических шумов, а также измерения и регистрации в широком частотном диапазоне сейсмических явлений от местных и удаленных землетрясений на дне морей и океанов. В данной станции для регистрации сейсмических сигналов используют сейсмические и сейсмоакустические датчики. Сейсмические датчики представляют собой велосиметры и имеют три компоненты: две горизонтальные и одну вертикальную, и предназначены для преобразования скорости колебания грунта в электрический сигнал в соответствующем динамическом и частотном диапазоне. Технические характеристики датчиков таковы: частотный диапазон регистрируемых сигналов от 0,03 до 40 Гц. Трехкомпонентный сейсмоакустический датчик предназначен для преобразования третьей производной колебания грунта в электрический сигнал в соответствующем динамическом и частотном диапазонах. Основные технические характеристики датчика: количество сейсмоакустических каналов 3, частотный диапазон 20-1000 Гц, динамический диапазон в полосе 1/3 октавы и центральной частотой 30 Гц.
Известен волоконно-оптический донный сейсмограф (п. CN 101799555 (А), МПК G01V 1/18; G01V 1/38) состоящий из сферической камеры, в которой находится центральный груз с присоединенными к нему волоконно-оптическими акселерометрами. Груз удерживается в центре основной сферической камеры при помощи эластичных подвесов. Главная камера установлена в металлический каркас, который служит для передачи колебаний от дна к сейсмографу. Сигналы от сейсмографа передаются к регистрирующему устройству с помощью волоконно-оптического кабеля.
Наиболее близким к заявляемому является широкополосный донный сейсмограф (в.з. CN №101672927 (А), МПК G01V 1/18; G01V 1/38) состоящий из двух герметичных сферических камер, соединенных между собой платформой, обеспечивающей связь обеих камер с дном. В одной из камер находится аккумуляторный отсек и плата обработки акустических сигналов, в другой камере находится сейсмограф маятникового типа и накопитель информации на который производится запись полученных с сейсмографа данных. Горизонтальное положение сейсмографа обеспечивается карданным подвесом находящимся в той же герметичной камере что и сейсмограф. Коммутация между камерами обеспечивается посредством электрических кабелей. Данный сейсмограф может регистрировать сейсмические колебания в частотном диапазоне от 0,025 до 40 Гц как природного, так и искусственного происхождения. Однако необходимость обеспечения горизонтальности узла сейсмографа значительно усложняет его конструкцию, кроме того, следует отметить невозможность мониторинга сейсмической обстановки в режиме реального времени.
Общим недостатком всех вышеприведенных сейсмографов являются: ограниченные частотный и динамический диапазон, которые не позволяют проводить измерения вариаций микросмещений земной коры в инфразвуковом диапазоне, начиная с частоты 0 Гц (условно) и соответственно не способны регистрировать медленные процессы, которые могут быть предвестниками опасных геодинамических явлений.
Задача заявляемой полезной модели разработка донного сейсмографа для измерений микросмещений земной коры в инфразвуковом диапазоне.
Технический результат - расширение частотного и динамического диапазона измерений микросмещений земной коры в инфразвуковом диапазоне.
Поставленная задача решается донным сейсмографом, состоящим из выполненных с возможностью открытия и соединенных между собой световодом двух герметичных камер, снабженных плоским основанием и оптическими скамьями, на одной из которых установлена оптическая система, выполненная по схеме неравноплечего интерферометра Майкельсона. включающая полупроводниковый лазер, коллиматор, делительную пластину.
два юстировочных зеркала на пьезокерамических цилиндрах, поворотные зеркала и фотодетектор, а на другой уголковый отражатель, при этом сейсмограф содержит систему регистрации, соединенную с фотодетектором и расположенную в одной из камер, а оптические скамьи жестко скреплены с основаниями камер, снабженных грунтозацепами.
Предлагаемая конструкция донного сейсмографа на основе лазерно-интерференциой оптической системы позволяет измерять микросмещения земной коры в частотном диапазоне от 0 до 1000 Гц с точностью до 0,03 нм.
На Фиг.1 изображен общий вид донного сейсмографа: а - вид сверху, б - вид сбоку, где 1 и 2 - герметичные камеры, 3 - световод, 4 - основания камер, 5 - грунтозацепы, 6 - оптическая скамья с оптической системой, 7 - оптическая скамья с у толковым отражателем - 8.
На Фиг.2 - схематично изображена оптическая система, установленная на скамье 6, где 9 - лазер, 10 - коллиматор, 11 - два юстировочных зеркала, установленных на пьезокерамических основаниях (на схеме не показано), 12 - делительная пластина, 13 - поворотные зеркала, 14 - фотодетектор.
Камеры и световод донного сейсмографа могут быть выполнены как из металла, так и из любого подходящего полимерного материала. Камеры могут быть выполнены в виде вертикальных цилиндров, которые снабжены крышками либо цилиндры выполнены с возможностью их отсоединения от основания камер. К основанию камер жестко прикреплены грунтозапепы, конкретное выполнение которых и их количество зависит от характера грунта. Герметизация камер достигается при помощи, например, уплотнителей, находящихся в специальных пазах между корпусом и крышкой, либо между корпусом и основанием.
Сейсмограф работает следующим образом.
Луч стабилизированного полупроводникового лазера (9), пройдя коллиматор (10) и юстировочные зеркала (11), попадает на полупрозрачную делительную пластину (12), на которой разделяется на два луча. Первый луч, пройдя зеркала раскачки и компенсации (13) и полупрозрачную делительную пластину (12), попадают на фотодетектор (14). Второй луч, пройдя световод (3) и отразившись от уголкового отражателя (8), расположенного на оптической скамье (7), и пройдя полупрозрачную делительную пластину (12), попадает на фотодетектор (14). На фотодетекторе (14) на основе обоих лучей настраивается интерференционная картина, изменение которой связано с изменением расстояния между оптической скамьей (6) и отражателем (8). Изменение интерференционной картины регистрируется фотодетектором (14) и преобразуется в электрический сигнал системой регистрации (на фиг.2 не показана), находящейся в одной из герметичных камер. Далее электрический сигнал с помощью сигнального кабеля, подключенного к системе регистрации передается на береговой пост, где осуществляется запись на носитель информации в режиме реального времени. Точность измерения определяется точностью измерения доли интерференционной полосы.
-4
Сейсмограф позволяет измерять вариации интерференционной картины с точностью до 10×λ/2, где λ - длина волны лазера. Был изготовлен опытный образец донного сейсмографа, в котором камеры в виде вертикальных цилиндров высотой 400 мм и диаметром 400 мм и световод в виде трубы диаметром 150 мм и длиной 1500 мм выполнены из полимерного материала. При использовании в донном лазерно-интерференционного сейсмографе зеленого полупроводникового лазера (532 нм) точность измерения примерно равна 0,03 нм в частотном диапазоне от 0 до 1000 Гц.