Введение к работе
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 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
На сегодняшний день существующие модели сейсмометров позволяют регистрировать широкий спектр механических колебаний 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 - пассивные и активные 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 (база) таких приборов, тем больше набег фаз и лучше их метрологические характеристики.
Активные лазерные сейсмометры состоят из одного или чаще - из двух оптических резонаторов 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 активных элементов
Одним из наиболее перспективных способов повышения чувствительности активных лазерных систем является использование двухрезонаторных схем с общим источником излучения, в которых шумовое воздействие от источника на каждую из генерируемых волн компенсируется при регистрации.
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:
Сопоставительный анализ характеристик современных сейсмометров в целях выявления наиболее перспективных путей улучшения их метрологических параметров.
Разработка схемы лазерного сейсмометра повышенной чувствительности на базе двухрезонаторной оптической системы с общей активной средой.
Разработка математической модели проектируемого устройства для оценки его метрологических характеристик.
Моделирование работы сейсмометра с целью определения особенностей его функционирования и расчётных метрологических характеристик
Разработка системы термостабилизации оптического контура лазерного сейсмометра.
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
Разработана математическая модель лазерного сейсмометра, учитывающая ключевые особенности его функционирования
Предложена методика оценки численных значений коэффициентов в уравнениях модели лазерного сейсмометра
Методами численного моделирования изучены особенности взаимодействия волн, генерируемых в резонаторах лазерного сейсмометра с учётом влияния конкуренции и синхронизации
Выявлены возможные механизмы формирования недопустимых для эксплуатации нестабильных режимов работы прибора Получены расчетные оценки метрологических характеристик и параметров работы прибора
Предложена схема мониторинга нестабильных режимов лазерного сейсмометра на основе параллельной работы прибора и его численной модели
Практическая ценность
Разработана структура лазерного сейсмометра на базе двухрезонаторной оптической системы с общим источником излучения.
Разработана математическая модель лазерного сейсмометра Определены расчетные метрологические характеристики прибора
Разработаны эффективные программные средства для моделирования работы лазерного сейсмометра и системы мониторинга нестабильных режимов
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 ее" отдельные результаты докладывались и обсуждались на следующих конференциях.
1. Вторая научно-техническая конференция студентов и аспирантов памяти В И Поповкина - Казань, КГТУ им АН Туполева, 2001 г
X международная молодежная научная конференция «Туполевские чтения» - Казань, КГТУ им АН Туполева, 2005 г
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
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»
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 упругих механических колебаний в условиях комплексного шумового воздействия от тепловых и вибрационных источников Провести практическую оценку эффективности системы мониторинга нестабильных режимов лазерного сейсмометра
Основные положения, выносимые на защиту
Схемы лазерного сейсмометра, на базе двухрезонаторной оптической системы с общей активной средой и устройства для термостабилизации оптического контура лазерного сейсмометра
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
