Лазерный сейсмометр на основе двухрезонаторной системы с общей активной средой тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.11.13, кандидат технических наук Бухаров, Данил Владимирович

• Бухаров, Данил Владимирович
• кандидат технических наук
• 2007

Оглавление диссертации кандидат технических наук Бухаров, Данил Владимирович

ВВЕДЕНИЕ.

ГЛАВА 1. ПРИБОРНАЯ БАЗА СОВРЕМЕННОЙ СЕЙСМОЛОГИИ.

1.1 Задачи сейсмологии на современном этапе.

1.1.1 Прогнозирование сейсмической обстановки.

1.1.2 Сейсмическая разведка полезных ископаемых.

1.2 Параметры сейсмических сигналов и особенности их регистрации.

1.2.1 Классификация сейсмоколебаний и их характерные особенности.

1.2.2 Магнитуда землетрясений.

1.2.3 Амплитуда и период сейсмических колебаний.

1.2.4 Эксплуатационных требования, предъявляемые к сейсмометрическому оборудованию.

1.3 Типы современных сейсмометров.

1.3.1 Ключевые признаки и классификация сейсмометров.

1.3.2 Емкостные сейсмометры.

1.3.3 Магнитоиндукционные сейсмометры.

1.3.4 Пьезоэлектрические сейсмометры.

1.3.5 Электрокинетические преобразователи.

1.3.6 Электродиффузионные датчики.

1.3.7 Лазерные сейсмометры.

1.4 Сравнительные характеристики сейсмометров.

1.5 Постановка задачи исследований.

ГЛАВА 2. СЕЙСМОМЕТР НА ОСНОВЕ ДВУХРЕЗОНАТОРНОГО ЛАЗЕРА С ОБЩЕЙ АКТИВНОЙ СРЕДОЙ.

2.1 Двухрезонаторные лазерные измерительные системы.

2.2 Схема сейсмометра на основе двухрезонаторного лазера и ее характерные особенности.

2.3 Математическая модель лазерного сейсмометра.

2.3.1 Модель двухрезонаторного лазера с общей активной средой.

2.3.2 Преобразование уравнений двухмодового лазера для случая не фиксированной разности частот взаимодействующих волн.

2.3.3 Учёт остаточной деполяризации излучения.

2.3.4 Перекрытие стоячих волн в активной среде.

2.4 Оценка численных значений коэффициентов в уравнениях модели сейсмометра.

2.5 Особенности регистрации сейсмосигналов в лазерном сейсмометре

2.6 Использование модели двухрезонаторного лазера для анализа характеристик гравитационно-волнового детектора «Дулкын».

2.7 Выводы.

ГЛАВА 3. ЧИСЛЕННОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ СЕЙСМОМЕТРА НА ОСНОВЕ ДВУХРЕЗОНАТОРНОГО ЛАЗЕРА И ЕГО МЕТРОЛОГИЧЕСКИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ.

3.1 Алгоритмы численного моделирования и программное обеспечение.

3.1.1 Разработка программы.

3.1.2 Проверка результатов работы программы.

3.2 Результаты моделирования лазерного сейсмометра.

3.2.1 Исследование влияния пространственной связи.

3.2.2 Исследование особенностей затягивания частот генерации в условиях конкуренции.

3.3 Оценка метрологических характеристик.

3.3.1 Чувствительность сейсмометра.

3.3.2 Динамический диапазон.

3.3.3 Частотный диапазон.

3.3.4 Передаточная характеристика.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Лазерный сейсмометр на основе двухрезонаторной системы с общей активной средой»

Актуальность темы

Множество научно-прикладных и социально значимых задач современной геофизики и сейсмологии, таких как мониторинг сейсмической активности, прогнозирование сейсмической обстановки, сейсмическая разведка полезных ископаемых, контроль над ядерными испытаниями и горнопроходческой деятельностью, непосредственно зависят от эффективности используемой измерительной техники. В этой связи особое значение приобретает задача совершенствования характеристик сейсмометров - приборов, непосредственно осуществляющих измерение параметров колебаний земной коры [4, 6, 109].

На сегодняшний день существующие модели сейсмометров позволяют регистрировать широкий спектр механических колебаний различного типа. Вместе с тем чувствительность используемых измерительных средств по-прежнему не всегда достаточна, поэтому в последние годы всё больше внимания в данной области уделяется разработке высокочувствительных приборов на основе лазеров.

В зависимости от принципов работы лазерные сейсмометры можно условно разделить на два класса. В пассивных регистрируемое смещение породы влияет на процесс распространения излучения, а в активных -непосредственно на его генерацию.

Пассивные лазерные сейсмометры конструируются на базе известных схем оптических интерферометров (Фабри-Перо, или Майкельсона), таким образом чтобы величина смещения максимумов и минимумов интерференционной картины была пропорциональна амплитуде сейсмических колебаний. Благодаря использованию стабилизированных источников лазерного излучения, чувствительность современных пассивных лазерных систем определяется прежде всего геометрической длиной плеч интерферометра. Чем больше длина, или «база» таких приборов, тем больше набег фаз и лучше их метрологические характеристики. Наиболее чувствительные «длиннобазовые» интерферометры представляют собой громоздкие и сложные в эксплуатации устройства, которые используются только на специально оборудованных полигонах, или в лабораторных условиях

16, 19,11].

Активные лазерные сейсмометры состоят из одного, или чаще, из двух оптических резонаторов [31, 94]. В них формируются две стоячих волны, частоты которых изменяются в зависимости от смещения одного, или нескольких зеркал, жёстко закреплённых в породе. Таким образом частота биений взаимодействующих излучений оказывается пропорциональна амплитуде регистрируемых колебаний. Такие приборы, в отличие от длиннобазовых интерферометров, довольно компактны. Однако на сегодняшний день чувствительность активных лазерных систем сильно зависит от шумовых характеристик применяемых источников оптического излучения.

Одним из наиболее перспективных способов повышения чувствительности активных лазерных систем является использование двухрезонаторных схем с общим источником излучения, в которых шумовое воздействие на каждую из генерируемых волн компенсируется при регистрации [21,75,7,91, 105].

В этой связи актуальна задача повышение эффективности измерительных систем сейсмологического назначения.

Объектом исследования являются лазерные сейсмометрические системы активного типа, построенные на базе двухрезонаторных оптических схем с общей активной средой.

Цель работы

Целью настоящей работы является разработка и исследование лазерного сейсмометра, обеспечивающего регистрацию сейсмических сигналов сверхмалых амплитуд.

Для достижения поставленной цели решаются следующие задачи:

1. Сопоставительный анализ характеристик современных сейсмометров в целях выявления наиболее перспективных путей улучшения их метрологических параметров.

2. Разработка схемы лазерного сейсмометра повышенной чувствительности на базе двухрезонаторной оптической системы с общей активной средой.

3. Разработка математической модели проектируемого устройства для оценки его метрологических характеристик.

4. Моделирование работы сейсмометра с целью определения особенностей его функционирования и расчётных метрологических характеристик.

5. Разработка системы термостабилизации оптического контура лазерного сейсмометра.

6. Анализ нестабильных режимов работы прибора и выработка рекомендаций по их нейтрализации.

Методы исследований

В работе использованы методы математического моделирования и численного решения нелинейных дифференциальных уравнений, количественные и качественные методы полуклассической теории газовых лазеров, теории переноса излучения, а также теории случайных сигналов.

Достоверность и обоснованность научных выводов и рекомендаций, содержащихся в диссертационной работе, обеспечивается корректным использованием методов математического моделирования, полуклассической теории газовых лазеров, теории переноса излучения, теории случайных сигналов, а также сопоставлением полученных результатов с теоретическими и экспериментальными данными других авторов.

Научная новизна работы заключается в следующем:

1. Предложены:

- схема лазерного сейсмометра на основе двухрезонаторной оптической системы с общей активной средой;

- система термостабилизации оптического контура лазерного сейсмометра, позволяющая существенно снизить порог чувствительности прибора.

2. Разработана математическая модель лазерного сейсмометра, учитывающая ключевые особенности его функционирования.

3. Предложена методика оценки численных значений коэффициентов в уравнениях модели лазерного сейсмометра.

4. Методами численного моделирования изучены особенности взаимодействия волн, генерируемых в резонаторах лазерного сейсмометра с учётом влияния конкуренции и синхронизации.

5. Выявлены возможные механизмы формирования недопустимых для эксплуатации нестабильных режимов работы прибора. Получены расчетные оценки метрологических характеристик и параметров работы прибора.

6. Предложена схема мониторинга нестабильных режимов лазерного сейсмометра на основе параллельной работы прибора и его численной модели.

Практическая ценность

1. Разработана структура лазерного сейсмометра на базе двухрезонаторной оптической системы с общим источником излучения.

2. Разработана математическая модель лазерного сейсмометра. Определены расчетные метрологические характеристики прибора.

3. Разработаны эффективные программные средства для моделирования работы лазерного сейсмометра и системы мониторинга нестабильных режимов.

4. Предложены рекомендации по улучшению работы прибора и схема системы мониторинга нестабильных режимов лазерного сейсмометра на основе параллельной работы прибора и его численной модели.

Апробация работы

Основные положения диссертационной работы и её отдельные результаты докладывались и обсуждались на следующих конференциях:

1. Вторая научно-техническая конференциия студентов и аспирантов памяти В.И. Поповкина - Казань, КГТУ им. А.Н. Туполева, 2001 г.

2. X международная молодежная научная конференция «Туполевские чтения» - Казань, КГТУ им. А.Н. Туполева, 2005 г.

3. XIV международная молодежная научная конференция «Туполевские чтения» - Казань, КГТУ им. А.Н. Туполева, 2007 г.

Публикации

Основное содержание работы опубликовано в 9 печатных работах, включая три патента и одну статью в журнале, рекомендованном ВАК.

Реализация результатов работы

Материалы диссертационной работы использованы:

1. В НИР по договору о научно-техническом сотрудничестве между КГТУ им. А.Н. Туполева и НЦ ГВИ «Дулкын» по теме: «Разработка моделей и численное исследование шумовых характеристик лазерных источников излучения, используемых в гравитационно-волновом детекторе «Дулкын».

2. В учебном процессе КГТУ им. Туполева при подготовке инженеров и магистров по направлению «Радиотехника».

Пути дальнейшей реализации результатов работы

В дальнейшем целесообразно выполнить экспериментальные исследования по изучению особенностей регистрации лазерным сейсмометром упругих механических колебаний в условиях комплексного шумового воздействия от тепловых и вибрационных источников, а также провести практическую оценку эффективности предложенной системы мониторинга нестабильных режимов устройства.

Основные положения, выносимые на защиту

1. Схемы лазерного сейсмометра, на базе двухрезонаторной оптической системы с общей активной средой и устройства для термостабилизации оптического контура лазерного сейсмометра.

2. Модель лазерного сейсмометра с учётом особенностей его функционирования.

3. Результаты моделирования режимов работы лазерного сейсмометра.

4. Система мониторинга нестабильных режимов лазерного сейсмометра на основе параллельной работы прибора и его модели.

5. Результаты исследований, относящиеся к особенностям конкуренции волн в лазерном сейсмометре, поведению разности фаз волн в зоне захвата в зависимости от расстройки мод относительно центра линии, и работе предложенной системы мониторинга в различных условиях.

Структура и объем диссертации

Диссертационная работа состоит из введения, четырёх глав, заключения, библиографического списка и приложений. Общий объём работы 168 страниц. Основной текст диссертации содержит 145 страниц машинописного текста, 53 формулы, 54 рисунка и 11 таблиц. Список литературы содержит 118 наименований.

Заключение диссертации по теме «Приборы и методы контроля природной среды, веществ, материалов и изделий», Бухаров, Данил Владимирович

4.3 Выводы

Для исключения эксплуатации лазерного сейсмометра в нестабильных режимах предлагается оснастить прибор системой мониторинга, которая сможет при помощи быстродействующих элементов компьютерной техники осуществлять диагностику и контроль состояния устройства в режиме реального времени параллельно с регистрацией сейсмических колебаний.

Мониторинг предлагается проводить путём исследования поведения модели прибора, параметры которой определяются экспериментально за счёт измерения значений амплитуд волн в резонаторах работающего сейсмометра.

Разработанный алгоритм мониторинга и оценки режимов лазерного сейсмометра был реализован в виде специализированной программы.

Численные эксперименты, проведённые с использованием данной программы и записей результатов моделирования работы лазерного сейсмометра, полученных ранее, показали, что предложенная система мониторинга позволяет численно оценить допустимость текущего режима работы лазерного сейсмометра и исключить эксплуатацию прибора в нестабильных режимах.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Выполненные исследования позволяют сформулировать основные результаты, полученные в диссертации.

1. На основе сопоставительного анализа существующих образцов сейсмометров показано, что наилучшими показателями по чувствительности, амплитудному и частотному диапазону обладают сейсмометры, построенные на основе лазеров.

2. Предложена схема лазерного сейсмометра на основе двухрезонаторной лазерной системы с общей активной средой, обеспечивающая регистрацию сейсмических сигналов сверхмалых амплитуд.

3. Разработана математическая модель лазерного сейсмометра, учитывающая основные отличительные особенности предложенной оптической системы. Исследованы особенности конкурентного взаимодействия волн, генерируемых в резонаторах лазерного сейсмометра, и процессы, связанные с синхронизацией их частот, что позволило выполнить оценку потенциальных метрологических параметров прибора. В частности, диапазон частот сигналов, регистрируемых сейсмометром, оценивается в пределах от 10"5 Гц до 100 кГц, а чувствительность - порядка 1 МГц/нм.

4. Предложена система компенсации температурного расширения оптического контура лазерного сейсмометра, позволяющая снизить порог чувствительности прибора до величин порядка Ю~10 - 10"12 м.

5. Показано, что в лазерном сейсмометре возможны нестабильные режимы работы. Для исключения работы сейсмометра в подобных режимах предложены схема и алгоритм системы мониторинга нестабильных режимов на основе параллельной работы прибора и его модели, позволяющая повысить

152 достоверность регистрации сейсмических сигналов. Разработаны эффективные программные средства численного моделирования лазерного сейсмометра, позволившие изучить особенности работы предложенной системы мониторинга.

6. Новизна предложенных технических решений подтверждена патентом на полезную модель лазерного сейсмометра и положительными решениями о выдаче патентов на изобретение лазерного сейсмометра и системы термокомпенсации длины его оптического контура.

Полученные в диссертации результаты и разработанные программные средства могут быть использованы при создании экспериментального макета лазерного сейсмометра, а также в ходе дальнейших исследований.

Список литературы диссертационного исследования кандидат технических наук Бухаров, Данил Владимирович, 2007 год

1. Электронный ресурс. www.seismfuture.narod.ru

2. Электронный ресурс. http://www.gosstroy.gov.ru

3. Электронный ресурс. http://www.minatom.ru/

4. Электронный ресурс. www.government.kz

5. Электронный ресурс. www.inauka.ru/

6. Электронный ресурс. www.science.sakhalin.ru

7. Abich К., Schanz L., Balzer Ch. and Toschek P.E. Quenching the Quantum Noise in the Beat Note of a Laser // Laser Physics, Vol. 11, 2001, № 1

8. Adrianov V., Mende V. Raushen von Eingangsverstärkern fur elektromechanische Messwertaufnehmer // Messen, Steuern, Regeln. 1980. N 3.

9. Berkley Seismological Lab Электронный ресурс. seismo.berkeley.edu

10. Block В., Moore R.D. Measurements in the Earth mode frequency by an electrostatic sensing and feedback gravimeter// J. Geophys. Res. 1966 r. Vol. 71, N 18.

11. Dubrov M. N., Alyoshin V.A., Yakovlev A.P.//Gerlands Beitr.Geophysik, 1989, v.98.

12. Farooqui S.Z., Karim M., et al //Astrophys.and Space Sei., 1998, v.258, N1-2.

13. Geer J.M., Shah H.C. Terra non firma.Understanding and preparing for Earthquakes. New York: W.H. Freeman and Company, 1984.14. http://www.iss.niiit.ru/

14. Lamb W.E., Phys. Rev. 134, A1429 50 (1964)

15. Levine J. //Ann. Rev. Earth Planet. Sei., 1977, v.5.

16. Spenser M.B., Lamb W.E., Laser with a Transmitting Window Jr. Phys. Rev. A, 5, 884(1972).

17. Spenser M.B., Lamb W.E., Theory of Two Coupled Lasers Jr. Phys. Rev. A, 5, 893 (1972).

18. Takemoto S. //Bull. Disas. Prev. Res. Inst., Kyoto Univ., 1979, v.29, Part 2, N262.

19. Tsuchida E., Sato H. Direct method of laser parameter analysis using laser oscillator. "Jap. J. Appl. Phys.", 1988, № 12, 2286.

20. White A.D. Laser cavities with increased axial mode separation. // The Bell Syst. Techn., V/ XLV, 1966, № 2, pp. 339 343

21. Алешин В.А., Дубров М.Н. //Квантовая электроника, 1977, т.4, №10.

22. Алешин В.А., Дубров М.Н. //ОМП, 1979, №9

23. Аппаратура и методика сейсмометрических наблюдений под ред. Борисевич Е.С. М., «Наука», 1966 г.

24. Аппаратура м методика сейсмометрических наблюдений в СССР. ред. З.И. Аранович: Изд-во "Наука", М. 1974 г

25. Аранович З.И., Меламуд А .Я., Негребецкий С.А., Трапезников Н.Л., Кушнир Г.С. Анализ некоторых характеристик сейсмологической информации и методических требований к системам регистрации, Сб. Сейсмические приборы, вып. 13, М., Наука, 1980 г.

26. Байкальский филиал геофизической службы Электронный ресурс. -http://www.seis-bykl.ru/

27. Башилов И.П., Рыбкин И.С., Опекунова Е.А., Измайлов К.Г. Цифровой скважинный трёхкомпонентный сейсмометр ЦСТС, Сб. Сейсмические приборы, вып. 24, М., Наука, 1993 г.

28. Белов А.Л., Бункин Ф.В., Яковенко С.И. Усиление спонтанного излучения без резонатора при рекомбинационной накачке. «Квантовая электроника», 1987, №1

29. Беляев. В.П., Девяткин И.И., Мартынов В.Ф., Фёдоров А.Ф. Некоторые применения газовых лазеров. М: Знание, 1970 г.

30. Беляков A.C. Магнитоупругий акустический сейсмометр, Сб. Сейсмические приборы, вып. 24, М., Наука, 1993 г.

31. Болознев В.В. Функциональные преобразователи на основе связанных генераторов. М.: Радио и связь, 1982.

32. Болознев В.В., Марданов P.M., Польский Ю.Е. Взаимная синхронизация 4M генераторов. Радиотехника и электроника, 1971, №6

33. Болознев В.В., Функциональные преобразователи на основе связанных генераторов. -М.: Радио и связь, 1982.

34. Бухаров Д.В., Воронов В.И. Взаимодействие волн в двухрезонаторном газовом лазере с общей активной средой Электронное приборостроение. Научно-практический сборник. Выпуск 6(40) Казань, ЗАО «Новое знание», 2004.

35. Бухаров Д.В., Воронов В.И. Исследование взаимодействия волн в оптической системе гравитационно-волнового детектора «Дулкын». Материалы докладов X международной молодежной научной конференции «Туполевские чтения» Казань, Изд. КГТУ, 2005.

36. Бухаров Д.В., Воронов В.И. Моделирование кольцевого лазера с помощью пакета MathCAD Материалы второй научно-технической конференции студентов и аспирантов Казань: ЗАО «Новое знание», 2001.

37. Бухаров Д.В., Воронов В.И. Оценка параметров полуклассической модели газовых лазеров по экспериментальным данным Вестник КГТУ им. А.Н. Туполева Казань, Изд. КГТУ, 2003.

38. Бухаров Д.В., Воронов В.И. Пульсации интенсивности излучения в двухрезонаторном газовом лазере с общей активной средой Электронное приборостроение. Научно-практический сборник. Выпуск 2(43) Казань, ЗАО «Новое знание», 2005.

39. Бухаров Д.В., Воронов В.И. Разработка моделей и численное исследование шумовых характеристик лазерных источников излучения, используемых в гравитационно-волновом детекторе «Дулкын». Отчет Казань 2005 г.

40. Бухаров Д.В., Воронов В.И. Расчётные характеристики сейсмометра на основе двухрезонаторного лазера. Материалы докладов XIV международной молодежной научной конференции «Туполевские чтения» Казань, Изд. КГТУ, 2007.

41. В.К. Хмелевской Геофизические методы исследования земной коры. -Дубна, Международный университет природы, общества и человека "Дубна", 1997 г.

42. В.Ф. Козяр, Д.В. Белоконь, Н.В. Козяр, H.A. Смирнов Акустические исследования в нефтегазовых скважинах состояние и направления развития // НТВ "Каротажник". Тверь: ГЕРС. 2000. Вып. 63.

43. Вардья В.П., Дубров М.Н., Коршунов И.П., Матвеев Р.Ф. //Радиотехника и электроника, 1978, т.23, N10

44. Введение в молекулярную электронику. Под ред. Лидоренко Н.С. М., Энергоиздат, 1984 г.

45. Ветчинкин А.Н. Электронный сейсмограф с емкостным датчиком // Изв. АН СССР. Сер. геофиз. 1962 г. №4

46. Википедия Электронный ресурс. ru.wikipedia.org

47. Викулин А. В. Физика волнового сейсмического процесса -Петропаавловск-Камчатский, 2003 г.

48. Виртуальный фонд естественнонаучных и научно-технических эффектов "Эффективная физика" Электронный ресурс. www.effects.ru

49. Волновые и флуктационные процессы в лазерах под ред. Климонтовича Ю.Л. , М., «Наука», 1974 г.

50. Воронов В.И. Дис.к.ф.-м.н., Казань, КГУ им. В.И.Ульянова-Ленина, 197453