Автоматизированные лазерные интерферометры-деформографы для геофизических и сейсмокустических измерений Алешин, Владимир Андреевич

Введение к работе

~~ Актуальность темы. Основными факторами, определяющими перспективность применения лазерных интерферометров-деформографов (в дальнейшем ЛИД), являются: высокая точность интерференционных измерений, простота калибровки, возможность значительного увеличения базы прибора и за счет зтого - повышение чувствительности инструмента, а также расширение динамического и частотного диапазонов измерений.

По всем перечисленным выше параметрам, ЛИД превосходят дефор-мографы механического типа. Современный уровень развития лазерной, электронной и вычислительной техники позволяет создавать уникальные по своим параметрам лазерные деформографы, которые существенно дополняют информацию, получаемую традиционными геофизическими приборами.

Существенное возрастание потока информации, поступающей от ЛИД за счет расширения частотного и динамического диапазонов, приводит к необходимости использования ЭВМ и других средств автоматизации для ускорения процесса сбора и обработки данных с целью повышения качества и информативности измерений.

Применение автоматизированных ЛИД в комплексе с другими геофизическими приборами позволит получать новую ценную информацию в более широком частотном и динамическом диапазонах исследуемых сигналов, что может открыть новые возможности на пути решения задачи поиска предвестников землетрясений.

Разработке принципов построения автоматизированного ЛИД, исследованию его основных узлов и созданию методики измерений, основанной на спектрально-временном анализе регистрируемых процессов посвящена настоящая диссертация.

Цель диссертационной работы. Целью настоящей работы является разработка принципов построения автоматизированного ЛИД, исследование его основных узлов и создание методики измерений, основанной на спектрально-временном анализе регистрируемых процессов.

Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи: I) исследовать He-Ne лазер с дисперсионной автоподстройкой частоты,

выявить дестабилизирующие факторы и показать возможность его применения для высокоточных измерений в протяженных интерферометрах

1. исследовать характеристики аналоговых и цифровых устройств интерференционной регистрации и пути повышения чувствительности, точности и стабильности измерений;

2. разработать на основе лазерных интерферометров, микро-ЭВМ и аппаратуры КАМАК автоматизированный комплекс для сбора и обработки геофизической информации и исследовать параметры комплекса;

3. разработать методику проведения измерений и изучить возможности ЛИД для исследования сейсмоакустических сигналов в диапазоне частот О. I-I50 Гц.

Учитывая широкий частотный и динамический диапазон сигналов, регистрируемых с помощью ЛИД, можно сделать вывод, что эффективная обработка поступающего информационного потока данных возмозша только с примененим ЭВМ и средств автоматизации.

Поэтому в задачу также входило опредение типа ЭВМ, обладающей достаточным быстродействием и объемом оперативной памяти, на основе которой можно было бы создать автоматизированную систему, обеспечивающую проведение спектрального анализа сигналов в частотном диапазоне 0,1-150 Гц в реальном масштабе времени. Очень важно, чтобы при оцифровке сигнала не происходило снижения чувствительности и точности измерений. Кроме того, необходимо иметь возможность обмена информацией с более производительными ЭВМ либо посредством магнитных носителей (магнитные диски или ленты), либо по линии связи через соответствующие интерфейсы.

Научная новизна.

1. Экспериментально исследована и доказана возможность использования He-Se лазера с дисперсионной стабилизацией в ЛИД для высокоточных инторферометрических измерений с относительной чувствительностью 10 -Ю^-11 » при длине измерительной базы 10-100 м.

2. Получены оценки долговременной стабильности частоты лазера и определены коэффициенты токового и мощностного сдвига частоты ОКГ, а также исследованы причины ухудшения параметров выходного излучения лазера и указаны пути устранения этих причин.

3. С помощью автоматизированных ЛИД и методики спектрально-временного анализа выделен полный спектральный состав высокочастот-

ных микросейсмических деформаций в частотном диапазоне 0,1-150 Гц, с амплитудами на уровне Ю^-10 -Ю^-11.

Практическая ценность. - разработан и экспериментально исследован комплект аппаратуры для ЛИЛ, в состав которого входят:лазер с дисперсионной автоподстройкой частоты, обладающий повышенной выходной мощностью 2-3 мВт и относительной частотной нестабильностью Ю^-10- 10^_11за минуты и 10~⁹ за сутіш; устройства регистрации аналогового и цифрового типов, предназначенные для высокоточных интерференционных измерений с чувствительностью до Ю^-10 -Ю^-11 в диапазоне частот Ю^-6 - Ю³ Гц;

предложена и испнтана оптическая схема устройства развязки лазера и интерферометра, позволяющего на 1-2 порядка повысить точность измерений;

разработана методика измерений и написано программное обеспечение для спектрально-временного анализа сигналов, регистрируемых с помощью автоматизированных ЛИД. Выполнены исследования микросейсмических и сейсмоакустичеких сигналов в частотном диапазоне 0,1-150 Гц. Показана эффективность применения ЛИД для подобных исследований.

На защиту выносятся следующие положения.

I.Метод дисперсионной стабилизации частоты He-Ne лазера, работающего в режиме генерации трех частот, обеспечивает проведение интерференционных измерений с инструментальной чувствительностью Ю^-1О-10^_11отн.ед. при длине измерительной базы интерферометра 10-100 м.

2. В ЛИД с базой до 20 м аналоговая следящая система обеспечивает проведение измерений с чувствительностью Ю^-4' периода ин-терферограммы, в динамическом диапазоне однозначной регистрации ± 20 периодов и полосе частот 10 -Ю³ Гц. При базе деформографа свыше 20 м необходимо использовать цифровые устройства регистрации, обладающие большим динамическим диапазоном и более широкой полосой регистрации и обеспечивающие чувствительность измерений 10 -10 .

З.Лвгоматипирснанный ЛИД позволяет исследовать частотную структуру сейсмических и сейсмоакустических сигналов в диапазоне

0,1-150 Гц с относительным частотным разрешением до 5'10~⁴ , в реальном масштабе времени.

4.Методика спектрально-временного анализа, реализуемая с помощью автоматизированных ЛИД, позволяет обнаруживать и изучать микросейсмические и сейсмоакустические сигналы и получать важную информацию об основных характеристиках исследуемых процессов.

Апробация работы. Основные результаты диссертации докладывались на Всесоюзных конференциях "Оптика лазеров" (Ленинград,1982, 1984), на Всемирной выставке молодых изобретателей (НРБ,Пловдив, 1985г.), на Мевдународном симпозиуме "Геодезия - сейсмология: деформации и прогноз (Ереван, 1989), на симпозиуме "Физика и геодинамика деформационных процессов в районах землетрясений" (Потсдам,1985), на конференции "Автоматизация лазерных измерительных систем на базе ЭВМ" (Севастополь, 1988), на конференции "Применение лазерных приборов в судостроении, гидрофизике и метеорологии" (Севастополь, 1989), а также неоднократно обсуждались на научных семинарах ИРЭ АН СССР и использовались в различных организациях ВИМС. ИФВ РАН , ГОИ.

Публикации. По теме работы диссертантом в соавторстве опубликовано 10 печатных работ.

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, пяти глав и заключения, изложена на 107 страницах машинописного текста, включая 39 рисунков и 5 таблиц. Список цитируемой литературы включает 112 наименований.