ЛАЗЕРНЫЙ СЕЙСМОМЕТР

Полезная модель относится к измерительной технике, а именно, к измерению деформаций оптическими методами. Может применяться в сейсмологии, геофизике и метрологии для прецизионного измерения сейсмических деформаций от источников как естественного, так и искусственного происхождения.
Известны интерферометрические измерители перемещений и деформаций построенные на основе двух интерферометров Фабри-Перо, выполненных в виде системы из двух корпусов, вложенных один в другой и связанных общей стенкой, причем у одного интерферометра зеркала закреплены на противоположных стенках внешнего корпуса, а у другого - зеркала закреплены на противоположных стенках внутреннего корпуса (а.с. №2060457 кл. G 01 В 11/16, 1996, а.с. №2089848, кл. G 01 В 11/16, 1997). Указанный тип датчиков отличается сложностью из-за применения частотно-стабилизированного лазеров и низкой чувствительностью для малых измерительных баз.
Известен также лазерный стрейн-сейсмограф (Veen H.Van, A laser strain seismometer. Natuurkunde cerste. Reecks-Deel. XXVI, N 1, 1970, p.25), в котором используются два нестабилизированных по частоте газоразрядных лазера, расположенных ортогонально друг другу, с резонаторами, закрепленными на Земле. Регистрируется частота биений смешанных оптических частот лазеров. Недостатком данного устройства является нестабильность выходного сигнала, т.е. частоты биений, обусловленная изменениями окружающей температуры, магнитного поля, разрядного тока, конвекционных потоков, за счет неидентичности воздействия указанных факторов на активные элементы и резонаторы лазеров. К нестабильности приводит также разная скорость старения и изменения газовой среды активных элементов.
Известен лазерно-интерферометрический измеритель конечной разности потенциалов гравитационного поля Земли и ускорения свободного падения (С.Н.Андрианов, А.Б.Балакин, Р.А.Даишев, З.Г.Мурзаханов и др. «Мониторинг геологической среды и скважинные лазерно-интерферометрические измерители конечной разности потенциалов гравитационного поля Земли и ускорения свободного падения». Материалы Первой Всероссийской конференции (10-15 ноября 1997 г.) под ред. Ф.М.Хайретдинова, Г.Е.Кузнецова - Казань, Изд-во Казан. ун-та, 2000.), который может быть использован как сейсмометр и является наиболее близким к предлагаемому по технической сущности и достигаемому эффекту и поэтому выбран в качестве прототипа.
Прототип содержит корпус-основание и закрепленную в нем лазерную активную среду, заключенную между поляризационной разделительной призмой и частично пропускающим зеркалом, за которым установлен поляризатор, а за ним - фотоприемник, к выходам которого подключен блок обработки сигналов. Система зеркал содержит три пары одинаковых отражательных элементов. Первая пара зеркал, установлена на равном расстоянии от точки разделения лучевых трасс в поляризационной призме так, что при попадании на зеркала оптических излучений из призмы, отраженные от соответствующих зеркал лучи направлены на соответствующие зеркала второй пары. Каждое из зеркал второй пары установлено так, чтобы направить лучи от зеркал первой пары к зеркалам третьей пары, отражающие поверхности которых строго перпендикулярны лучевым трассам и обеспечивают автоколлимационное отражение лучей от соответствующих зеркал второй пары. Для стабилизации частоты оптического излучения перед одним из зеркал третьей пары вдоль лучевой трассы установлена поглощающая ячейка. Длины лучевых трасс между зеркалами одинаковы.
Устройство работает следующим образом. Под воздействием лазерной активной среды в резонаторах, образованных системой из полностью отражающих зеркал и частично пропускающим зеркалом, формируются оптические излучения с ортогональными линейными поляризациями ТЕ и ТМ типа, частота у одного из которых стабилизирована и потому постоянна, а у другого - зависит от эффективной длины его резонатора. В результате преобразования излучений фотоприемником на его выходе возникает электрический сигнал, по частоте которого можно судить как о геометрической разности хода лучей, так и о потенциале гравитационного поля Земли.
Недостатками данного устройства являются: низкая чувствительность при измерении линейных перемещений и отсутствие надежных средств снижения конкуренции между генерируемыми излучениями, усиление которой может нарушить работоспособность измерителя.
Решаемая техническая задача - повышение чувствительности измерения сейсмических деформаций.
Решаемая техническая задача в лазерном сейсмометре, содержащем плиту-основание и лазерную активную среду, закрепленную на нем между поляризационной разделительной призмой и частично пропускающим зеркалом, установленном на плите-основании так, что при попадании на него оптического излучения из лазерной активной среды, одну часть излучения зеркало отражает автоколлимационно, а другую пропускает к установленному за зеркалом фотоприемнику, к выходам которого подключен блок измерения разностной частоты, достигается тем, что в его конструкцию введены два зеркала, неподвижно закрепленные на плите-основании на равном расстоянии от точки разделения лучевых трасс в поляризационной призме, и двухстороннее зеркало, закрепленное на пьезоэлементе, подключенном к выходу генератора модуляционных
колебаний, пьезоэлемент с установленным на нем двусторонним зеркалом закреплен на независимом основании так, что при попадании на установленные на плите-основании зеркала оптических излучений из поляризационной призмы, отраженные от соответствующих зеркал лучи направлены навстречу друг другу вдоль общей прямой линии, перпендикулярно которой на равном расстоянии от зеркал с использованием пьезоэлемента и независимого основания установлено двухстороннее зеркало.
На чертеже представлена схема лазерного сейсмометра.
Лазерный сейсмометр содержит плиту-основание 1, выполненную, например, из ситалла, и закрепленную в ее вырезах лазерную активную среду 2, предназначенную для генерации лазерного излучения. Лазерная активная среда 2, например, гелий-неоновая газоразрядная трубка, установлена между поляризационной разделительной призмой (типа призмы Волластона) 3 и частично пропускающим зеркалом 4, установленным в вырезах плиты-основания 1 перпендикулярно направлению распространения оптического излучения из лазерной активной среды 2, перед фотоприемником 5, к выходам которого подключен блок измерения разностной частоты 6.
Первое зеркало 7 и второе зеркало 8 неподвижно закреплены в вырезах плиты-основания 1 на равном расстоянии от точки разделения лучевых трасс, расположенной внутри поляризационной призмы 3. Двухстороннее зеркало 9, закреплено на пьезоэлементе 10, который подключен к выходу генератора модуляционных колебаний 11. Пьезоэлемент 10 с установленным на нем двусторонним зеркалом 9 закреплен на независимом основании 12 так, что при попадании на первое зеркало 7 и второе зеркало 8 оптических излучений из поляризационной призмы 3, отраженные лучи направлены навстречу друг другу вдоль общей прямой линии, перпендикулярно которой на равном расстоянии от первого
зеркала 7 и второго зеркала 8 с использованием пьезоэлемента 10 и независимого основания 12 установлено двухстороннее зеркало 9.
На чертеже также изображены: грунтовое основание 13 и предполагаемое направление распространения сейсмических колебаний 14.
Блок измерения разностной частоты 6 представляет собой электронный частотомер, например, модель 43-81. В качестве генератора модуляционных колебаний 11 может быть использован генератор низкочастотных колебаний, например, модель Г3-131. Угол между исходящими из поляризационной разделительной призмы 3 лучами может быть равен 60°, в таком случае расстояния между поляризационной разделительной призмой 3, первым зеркалом 7 и вторым зеркалом 8 будут одинаковы, а расстояние между двухсторонним зеркалом 9 и зеркалами 7 и 8 будет в два раза меньше этого значения.
Устройство работает следующим образом.
Плиту-основание 1 и независимое основание 12, на котором зафиксирован пьезоэлемент 10 с закрепленным на нем двухсторонним зеркалом 9, устанавливают друг за другом на общем грунтовом основании 13 вдоль предполагаемого направления распространения сейсмических колебаний 14 так, чтобы двухстороннее зеркало 9 находилось на одинаковом расстоянии как от первого зеркала 7, так и от второго зеркала 8, и при этом его поверхность была перпендикулярна общей прямой линии, вдоль которой при помощи первого зеркала 7 и второго зеркала 8 будут направлены оптические излучения из поляризационной разделительной призмы 3.
Цепи питания блока измерения разностной частоты 6, лазерной активной среды 2 и генератора модуляционных колебаний 11, которые на чертеже условно не показаны, подключают к сети, после чего на выходе блока измерения разностной частоты 1 фиксируют результаты измерений.
В результате подключения цепей питания лазерной активной среды 2 формируется оптическое излучение с полным набором поляризаций, которое, выходя из лазерной активной среды 2, попадает на поляризационную разделительную призму 3. Часть оптического излучения с ТЕ-поляризацией после преломления в разделительной призме 3, зеркально отражается от первого зеркала 7, автоколлимационно отражается от двухстороннего зеркала 9, после чего зеркально отражается от первого зеркала 7, преломляется в призме 3, усиливается в лазерной активной среде 2 и автоколлимационно отражается от частично пропускающего зеркала 3, обеспечивая генерацию лазерного излучения ТЕ-поляризации. Другая часть излучения с ТМ-поляризацией после преломления в призме 3 зеркально отражается от второго зеркала 8, автоколлимационно отражается от двухстороннего зеркала 9, после чего зеркально отражается от второго зеркала 8, преломляется в призме 3, проходит через лазерную активную среду 2 и автоколлимационно отражается от частично пропускающего зеркала 4, обеспечивая генерацию излучения ТМ-поляризации. Таким образом, лазерный сейсмометр представляет собой двухрезонаторную лазерную систему с общей лазерной активной средой 2, первый резонатор которой образован частично пропускающим зеркалом 4, поляризационной разделительной призмой 3, первым зеркалом 7 и двухстороннем зеркалом 9, а второй резонатор образован частично пропускающим зеркалом 4, поляризационной разделительной призмой 3, вторым зеркалом 8 и двухстороннем зеркалом 9. В первом резонаторе генерируется оптическое излучение ТЕ-поляризации, а во втором ТМ-поляризации. Самовоспроизводящиеся лучевые трассы первого и второго резонаторов, показанные на схеме соответственно сплошной и пунктирной линиями, с одной стороны от поляризационной разделительной призмы 3 совпадают, а с другой - образуют равнобедренный треугольник в вершинах которого расположены: поляризационная разделительная призма 3, первое зеркало 7 и второе зеркало 8. При этом двухстороннее зеркало 9 расположено на
биссектрисе угла, в вершине которого расположена поляризационная разделительная призма 3. Такое размещение обеспечивает равенство длин первого и второго резонаторов.
Угол между исходящими из поляризационной разделительной призмы 3 лучами может быть равен 60°, и в этом случае расстояния между вершинами треугольника, и, соответственно, между поляризационной разделительной призмой 3, первым зеркалом 7 и вторым зеркалом 8 будут одинаковы, а расстояние между двухсторонним зеркалом 9 и зеркалами 7 и 8 будет, соответственно, меньше него ровно в два раза.
Исходя из особенностей равнобедренного треугольника, как геометрической фигуры, следует, что угол между исходящими из призмы лучами должен быть не более 180°, а углы падения лучей на поверхности зеркал 7 и 8 должны быть одинаковыми. В таком случае обе отражающие поверхности двухстороннего зеркала 9, расположенного на середине той стороны равнобедренного треугольника, которая заключена между первым зеркалом 7 и вторым зеркалом 8, будут перпендикулярны направлению распространения излучений, направленных на двухстороннее зеркало 9 зеркалами 7 и 8.
1
2
1
2
1
2
1
2
0
1
2
1
2
Оптические длины первого l и второго l резонаторов одинаковы: l=l=L, поэтому в отсутствии перемещений двухстороннего зеркала 9 частоты генерации излучений первого ω и второго ω резонаторов совпадают ω=ω=ω, соответственно совпадают и длины излучаемых волн первого λ и второго λ резонаторов λ=λ=λ. Перемещение двухстороннего зеркала 9 на величину Δl под воздействием сейсмических деформаций приводит к изменению геометрических длин как первого, так и второго резонатора. Причем, если для одного из них длина увеличивается на Δl, для другого - длина уменьшается на Δl. Таким образом, перемещение двухстороннего зеркала 9 приводит к возникновению
1
2
разности между частотами оптических излучений первого и второго резонаторов, величина которой линейно зависит от измеряемого перемещения: , где ω и ω - собственные частоты первого и второго резонаторов соответственно, с - скорость света, λ - длина излучаемых волн, L - длина резонаторов, Δl - линейное перемещение двухстороннего зеркала 9. Излучения, выходящие через частично пропускающее зеркало 4, создают на входе фотоприемника 5 интерференционное поле, под воздействием которого в фотоприемнике 5 возникает электрический сигнал с разностной частотой Δω. Сигнал с фотоприемника 5 поступает в блок измерения разностной частоты 6, который предназначен для выделения полезного сигнала с частотой Δω из шумов и определения конкретного значения Δω.
В связи с тем, что генерация оптических излучений происходит в общем объеме активного вещества, между ними возникает конкуренция. В рассматриваемой конструкции данное физическое явление проявляется в ослабленной форме, поскольку взаимодействующие излучения обладают ортогональными поляризациями. Вместе с тем, его воздействие может быть усилено рядом неблагоприятных факторов, таких как высокая разность добротностей резонаторов, низкая энергетическая насыщенность лазерной активной среды 2 и т.д.
Одним из путей для снижения конкуренции между взаимодействующими волнами является использование низкочастотной модуляции, для чего в конструкцию лазерного сейсмометра введен пьезоэлемент 10, механически связанный с двусторонним зеркалом 9. Пьезоэлемент 10 подключен к выходу генератора модуляционных колебаний 11, поэтому, когда гармонический сигнал от генератора модуляционных колебаний 11 поступает на вход пьезоэлемента 10, происходят изменения геометрических длин как первого, так и второго
резонатора, причем если для одного из них длина увеличивается, для другого - длина уменьшается. Соответственно изменяются и частоты генерируемых оптических колебаний, что позволяет снизить конкуренцию между взаимодействующими волнами. Подбирая амплитуду и частоту генератора модуляционных колебаний 11, можно понизить конкуренцию между излучениями ортогональных поляризаций до допустимого уровня.
Таким образом, повышение чувствительности измерения сейсмических деформаций по сравнению с прототипом обусловлено симметричностью изменений сравниваемых частот генерации оптических резонаторов, приводящей к удвоению фиксируемой разностной частоты, а также использованием низкочастотной модуляции, обеспечивающей снижение конкуренции между взаимодействующими волнами.