Результат интеллектуальной деятельности: Лазерно-интерференционный донный сейсмограф

Изобретение относится к области геофизики и может быть использовано для измерения микродеформаций земной коры на дне морей и океанов и изучения пространственно-временной структуры геофизических полей инфразвукового и звукового диапазонов.

Одним из наиболее распространенных средств регистрации сейсмических сигналов на морском дне являются сейсмические стримеры (СССР а.с. №1012168, США п. №4477887, США п. №8493815). Конструктивно сейсмическая коса представляет собой ряд геофонов или гидрофонов, соединенных между собой кабелем. Данная укладывается на дно акватории с борта специального судна, при этом получаемые ее данные по кабелю передаются на судно для последующей обработки. Одним из недостатков таких устройств является невозможность обеспечения жесткого контакта чувствительных элементов косы с дном, что приводит довольно сильному искажению получаемых результатов. Помимо этого большинство сейсмических кос строятся на основе геофонов пьезоэлектрического типа, которые имеют хорошие измерительные характеристики при измерении процессов звукового диапазона, но при этом имеют очень низкую эффективность на частотах ниже 1 Гц. Также к недостаткам использования таких устройств можно отнести неудобство эксплуатации, необходимость в использовании судна и т.д.

Другой ряд устройств разрабатываемых для регистрации сейсмических вол, распространяющихся по дну акваторий, представляют собой разнообразные донные сейсмографы (США п. №4463451, ЕР п. №1217390, РФ п. №76142). Данные системы строятся в основном на основе пьезокерамических чувствительных элементов, что существенно ограничивает их чувствительность и динамический диапазон при измерениях на частотах ниже 1 Гц. Также к недостаткам данных систем можно отнести то, что большинство из них не предназначено для получения данных в реальном времени.

Помимо этого известны попытки создания донных сейсмографов с чувствительным элементом, выполненным на основе оптического волокна. Например, в работе п. CN 101799555 описана система, состоящая 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. Однако в связи с сильной зависимостью параметров волокна от вариаций температуры эти устройства имеют существенные погрешности измерений при работе на низких частотах, а также узкий динамический диапазон.

Одним из наиболее близких по технической сущности к заявленной полезной модели является донный лазерный сейсмограф, описанный в п. РФ №133946 U1. Прибор выполнен в виде двух герметичных камер с плоским основанием, которые соединены между собой световодом. В первой камере находится оптическая система, выполненная по схеме неравноплечего интерферометра Майкельсона, включающая полупроводниковый лазер, коллиматор, делительную пластину, два юстировочных зеркала на пьезокерамических цилиндрах и поворотные зеркала, а во второй - отражатель, который является чувствительным элементом установки. Камеры жестко связаны между собой, а их основания снабжены грунтозацепами. В процессе работы колебания донного грунта вызывают колебания величины расстояния между отражателем и оптической системой, что приводит к колебаниям яркости интерференционной картины, созданной в оптической системе. Данное изменение яркости снимается фотодетектором и передается в цифровую систему регистрации, которая формирует выходной сигнал системы, который по кабельным линиям передается в береговой пункт наблюдения. Такой способ измерений теоретически позволяет измерять колебания донного грунта с точностью до 0.03 нм в диапазоне частот условно от 0 до 1000 Гц. Однако на практике данная установка имеет серьезные недостатки. Первый - это жесткая связь между камерами, которая необходима для сохранения качества интерференционной картины, при установке прибора на дно. При этом чем больше эта жесткость, тем лучше стабильность интерференции. Однако жесткая связь между отражателем и оптической системой существенно ограничивает чувствительность установки. Помимо этого чувствительность зависит и от длины световода - чем он длине, тем она выше. Данное обстоятельство существенно ограничивает применимость установок такого типа, поскольку задача создания интерферометра длинною несколько метров с жесткостью достаточной для сохранения интерференционной картины, при последующем размещении всей системы на дне, невероятна сложна. Также стоит отметить, что данная конструкция измерительной системы в большей степени предназначена для регистрации горизонтальной составляющей колебаний грунта, она, конечно, будет регистрировать вертикальные колебания, но чувствительность к ним у нее значительно ниже, чем к горизонтальным. В то же время наиболее информативной составляющей при изучении микросейсм является как раз вертикальная составляющая.

Техническая проблема состоит в расширении ассортимента донных лазерно-интерференционных измерителей микродеформаций земной коры.

Технический результат - повышение чувствительности к вертикальной составляющей микросмещений земной коры в инфразвуковом диапазоне частот, устойчивость интерференционной картины к эксплуатационным нагрузкам, уменьшение размеров и повышение эксплуатационной надежности.

Данная проблема решается предлагаемой конструкцией донного сейсмографа, герметичный корпус которого содержит систему компенсации давления, оптическую скамью с установленными на ней оптической системой, выполненной по схеме интерферометра Майкельсона, соединенную с цифровой системой регистрации, одно из оснований корпуса снабжено гермовводом, а другое - съемной крышкой, состоящей из жестко соединенных основного и прижимного фланцев с внутренним диаметром меньше диаметра корпуса, между которыми расположена мембрана с закрепленным в центре на обращенной внутрь корпуса стороне зеркалом, при этом основной фланец выполнен с возможностью установки на его поверхности оптической скамьи и снабжен оптическим окном, образующим между окном и мембраной компенсационную камеру для компенсации внешнего давления, а наружная поверхность прижимного фланца снабжена съемной эластичной накладкой с отверстиями, с образованием между накладкой и внутренней поверхностью мембраны защитной камеры для обеспечения контакта мембраны с поверхностью грунта.

За счет предложенной компактной жесткой конструкции, в которой эталонное плечо изолировано от воздействия колебаний грунта, а оптическая система и ее чувствительный элемент находятся в одном корпусе и не разделены между собой световодом, в заявляемом сейсмографе достигается устойчивая к эксплуатационным нагрузкам интерференционная картина, а чувствительность прибора оказывается независимой от размеров сейсмографа (длины измерительного плеча). В то же время при такой конструкции и вертикальной установке прибора он будет иметь максимальную чувствительность к вертикальной составляющей микродеформаций, а поскольку измерительным элементом является только мембрана, сейсмограф в месте его постановки измеряет не относительные, а абсолютные смещения участков дна с учетом передаточных характеристик системы «породы дна - наполнение защитной камеры - мембрана».

На Фиг. приведена одна из возможных схем заявляемого прибора, где 1 - эластичная накладка; 2 - прижимной фланец; 3 - защитная камера; 4 - основной фланец; 5 - корпус прибора; 6 - клапан; 7 - емкость с воздухом; 8, 9 - ножки; 10 - гермоввод для сигнального и силового кабелей; 11 - мембрана; 12 - оптическое окно; 13 - линза; 14 - делительный куб; 15, 16 - котировочные зеркала на пьезокерамических преобразователях; 17 - фотоприемник; 18 - коллиматор; 19 - лазер; 20 - цифровая система регистрации; 21 - оптическая скамья; 22 - компенсационная камера; 23 - соединительные трубки.

Прибор представляет собой герметичный корпус (5), например, из нержавеющей стали или другого пригодного для этой цели материала. Одно из оснований корпуса заглушено съемной крышкой из двух жестко соединенных фланцев: основного (4) и прижимного (2) с внутренним диаметром, меньшим диаметра корпуса. Между фланцами установлена мембрана (11), которая снабжена по центру обращенной внутрь прибора стороне зеркалом (на фиг. не показан) и является чувствительным элементом прибора. Основной фланец (4) выполнен таким образом, чтобы была возможность закрепить на его поверхности оптическую скамью (21), а внутри установить оптическое окно (12), например, ПИ-80, с образованием между окном и мембраной компенсационной камеры (22), служащей для компенсации внешнего давления при установке сейсмографа на дно. Прижимной фланец (2) с наружной стороны снабжен накладкой (1) с отверстиями с образованием между накладкой (1) и мембраной (11) защитной камеры (3), предназначенной для обеспечения контакта мембраны (чувствительного элемента сейсмографа) с грунтом. Второе основание корпуса (5) снабжено гермовводом (10) для сигнального и силового кабеля и системой компенсации давления (6, 7, 23).

Для правильной работы сейсмографа он может быть снабжен стационарными или съемными опорными ножками (8, 9), удерживающими его в вертикальном положении.

Для обеспечения контакта мембраны (11) с дном перед использованием защитная камера (3) заполняется сыпучим минеральным наполнителем, например песком, что одновременно обеспечивает защиту мембраны от повреждений при установке прибора.

Для защиты мембраны от «вдавливания» или «выдавливания» в моменты опускания прибора на дно или его поднятия прибор снабжен системой компенсации внешнего давления, которая может быть выполнена различными способами. Например, на Фиг. представлена система, включающая отсечный клапан (6), емкость с воздухом (7) и соединительные трубки (23). В момент погружения клапан (6) находится в открытом положении и воздух из емкости (7) под действием гидростатического давления поступает в компенсационную камеру (3). Поскольку накладка (1) имеет отверстия, это позволяет воде проникать в наполнитель, то есть в защитную камеру (3). За счет этого, в процессе погружения прибора удерживается равенство давлений на внешней и внутренней стороне мембраны. По достижении прибором дна клапан закрывается и дальнейшие смещения центра мембраны являются измерительной величиной. Таким же способом в обратном направлении поддерживается равенство давлений при поднятии прибора.

Главной измерительной частью прибора является оптическая система, выполненная по схеме интерферометра Майкельсона, которая установлена на оптической скамье (21), жестко прикрепленной к внутренней поверхности основного фланца (4). На Фиг. представлен один из возможных вариантов схемы с использованием неравноплечего интерферометра Майкельсона. Луч лазера (19) расширяется на коллиматоре (18) и далее на делительном кубе (14) делится на два луча, измерительный и опорный. Первый, проходя через линзу (13) и отражаясь от зеркала мембраны (11), снова проходит через линзу (13) и попадает на отражающую грань делительного куба (14). Второй проходит через котировочные зеркала, закрепленные на пьезокерамических основаниях (15 и 16), и также, как и первый, снова попадает в делительный куб (14). Далее оба луча распространяются по одной линии и интерферируют друг с другом.

Работает лазерно-интерференционный донный сейсмограф следующим образом.

Прибор монтируется на дне таким образом, что колебания грунта через эластичную накладку (1) и защитную камеру (2), предварительно плотно заполненную сыпучим минеральным материалом, передаются на мембрану (11). Для обеспечения хорошего контакта с дном устройство нижней частью погружается (закапывается) в грунт. Колебания грунта через защитную камеру вызывают колебания мембраны, а следовательно, смещения центра мембраны и колебания яркости интерференционной картины. Фотоприемник (17) регистрирует эти изменения яркости и передает информацию об измерениях в цифровую систему регистрации (20), которая на их основе формирует сигнал обратной связи и, подавая его на пьезокерамический преобразователь (15), расширяет или сужает базу опорного плеча интерферометра и тем самым удерживает интерференционную картину в максимуме яркости. При этом сигнал обратной связи пропорционален величине колебаний грунта и является выходным сигналом прибора.

В качестве системы регистрации (20) возможно использование системы экстремального регулирования, имеющей возможность учета скачкообразных переходов между соседними интерференционными максимумами и изменения оптической длины проходимой лучами за счет цепи обратной связи, воздействующей на зеркала неподвижных отражателей. Она может быть выполнена, например, на базе микропроцессора ATEMEGA 16.

Точность измерения смещений центра мембраны определяется точностью применяемых лазерно-интерференционных методов. В опытном образце прибора использовали частотно-стабилизированный гелий-неоновый лазер с долговременной стабильностью в девятом знаке. Теоретически применяемые методы интерферометрии позволяют измерять смещения с точностью до 0.315 пм. С учетом применяемой цифровой системы регистрации и двенадцатиразрядных цифро-аналоговых и четырнадцатиразрядных аналого-цифровых преобразователей точность измерения смещения лазерно-интерференционной системы донного типа составляет около 154 пм в частотном диапазоне от 0 до 1000 Гц.

Таким образом, предложенная конструкция сейсмографа решает техническую проблему с достижением заявленного технического результата, а именно повышение чувствительности к вертикальной составляющей микросмещений земной коры в инфразвуковом диапазоне частот, устойчивости интерференционной картины к эксплуатационным нагрузкам, уменьшение размеров и повышение эксплуатационной надежности.