CC BY
20
УДК 534:621.382
АКУСТООПТИЧЕСКАЯ ИНФОРМАЦИОННАЯ СИСТЕМА ИНФРАНИЗКИХ ЧАСТОТ
Марат Саматович Хайретдинов
Институт вычислительной математики и математической геофизики СО РАН, 630090, Россия, г. Новосибирск, пр. Академика Лаврентьева, 6, главный научный сотрудник, тел. (383)330-87-43, е-mail: [email protected]; Новосибирский государственный технический университет, 630073, Россия, г. Новосибирск, пр. К. Маркса, 20, доктор технических наук
Борис Викторович Поллер
Институт лазерной физики СО РАН, 630090, Россия, г. Новосибирск, пр. Академика Лаврентьева, 15б, зав. лабораторией, тел. (383)306-28-20, e-mail: [email protected]; Новосибирский государственный технический университет, 630073, Россия, г. Новосибирск, пр. К. Маркса, 20, доктор технических наук
Александр Викторович Бритвин
Институт лазерной физики СО РАН, 630090, Россия, г. Новосибирск, пр. Академика Лаврентьева, 15б, научный сотрудник, тел. (383)306-28-20, e-mail: [email protected]
Галина Федоровна Седухина
Институт вычислительной математики и математической геофизики СО РАН, Россия, г. Новосибирск, пр. Академика Лаврентьева, 6, научный сотрудник, тел. (383)330-87-43, е-mail: [email protected]
Приводятся краткое обоснование и характеристика созданной авторами акустооптиче-ской информационной системы инфранизких частот. Приводятся результаты натурных экспериментов по сравнительной регистрации акустических колебаний акустическими и лазерными приемниками.
Ключевые слова: акустические колебания, акустооптическая система, инфранизкие частоты, сейсмический вибратор, лазерная измерительная линия, натурные эксперименты.
ACOUSTO-OPTICAL INFRA-LOW FREQUENCY INFORMATION SYSTEM
Marat S. Hayretdinov
Institute of calculus mathematics and mathematical geophysics of the Siberian office of the Russian Academy of Sciences, 630090, Russia, Novosibirsk, 6 Аkademik Lavrentiev Prospect, chief researcher, tel. (383)330-87-43, e-mail: [email protected]; Novosibirsk State Technical University, 630073, Russia, Novosibirsk, K. Marks pr., 20, D. Sc.
Boris V. Poehler
Institute of laser physics of the Siberian office of the Russian Academy of Sciences, 630090, Russia, Novosibirsk, 15b Аkademik Lavrentiev Prospect, head of the laboratory, tel. (383)306-28-20, e-mail: [email protected]; Novosibirsk State Technical University, 630073, Russia, Novosibirsk, K. Marks pr., 20, D. Sc.
Alexander V. Britvin
Institute of laser physics of the Siberian office of the Russian Academy of Sciences, 630090, Russia, Novosibirsk, 15b Аkademik Lavrentiev Prospect, research associate, tel. (383)306-28-20, e-mail: [email protected]
Galina F. Sedukhina
Institute of calculus mathematics and mathematical geophysics of the Siberian office of the Russian Academy of Sciences, 630090, Russia, Novosibirsk, 6 Аkademik Lavrentiev Prospect, research associate, tel. (383)330-87-43, e-mail: [email protected]
The short characteristic created by authors of ultralow frequencies acousto-optic systems is resulted. Results of natural experiments on comparative registration of acoustic oscillations by acoustic and laser s of receivers are resulted.
Key words: acoustic oscillations, acousto-optic system, ultralow frequencies, seismic vibrator, laser measuring line, experimental works.
Вопросы акустооптического взаимодействия имеют давнюю историю и связаны они в основном с изучением дифракции света в ультразвуковом и радиочастотном диапазонах [1-3]. При этом практически неисследованными остаются вопросы акустооптического взаимодействия в области инфранизких частот. Это обусловлено отсутствием специальных акустических излучателей в этом диапазоне частот. В тоже время сегодня существуют сейсмические вибраторы, которые способны наряду с сейсмическим волнами в земле излучать ин-франизкочастотные акустические колебания в атмосфере. К ним, в частности, относятся центробежные вибраторы ЦВ-100 и ЦВ-40 [4]. Акустические колебания от них регистрируются на удалениях в несколько десятков километров. Несомненно, это открывает возможности проведения экспериментальных исследований по акустооптическим взаимодействиям в рассматриваемых диапазонах частот. Этим определяется интерес авторов данной работы к проведению исследований по акустооптическим взаимодействиям в инфранизком диапазоне частот.
В основе регистрации акустических колебаний в атмосфере с помощью лазерного луча лежат процессы, связанные с волновым возмущением лазерного излучения внешним акустическим полем. Возмущенная атмосфера в локальных точках пространства обуславливает изменение параметров распространения лазерного излучения, включая характеристики поглощения и рассеяния. Следствием этого могут быть вариации скорости распространения световых волн, их фазо-частотных характеристик, определяющих возможности «лучевого приема» акустических колебаний. Условия осуществимости такого приема, основанные на соотношениях параметров внешнего акустического поля и измерительных колебаний, определяются следующими соотношениями:
v/w>> cQ/v, Ljrl >>1, 1/d > 0,82
где v, c0, cm - угловая частота, средняя скорость и амплитуда параметрического измерения скорости распространения колебаний в измерительном луче; L, d - длина и диаметр измерительного луча;
со, Л, и - угловая частота, длина волны и скорость распространения внешних акустических колебаний;
r l - радиус пространственной корреляции неоднородностей среды.
Пусть внешнее поле задается в виде плоской синусоидальной волны: x(t) = A sin(ct - к r), где r - радиус-вектор, к - волновой вектор и |к| = к = с/и.
При выполнении условия Л » Л0, где Л0 - длина волны в измерительном луче, имеет место модуляция скорости распространения измерительной волны: c(t) = c0 ± cm sin(ct - к r). Здесь c0 - скорость распространения колебаний в измерительном луче при отсутствии возмущений.
Амплитуда волновых возмущений связана с амплитудой Am изменения параметра, влияющего на скорость распространения в канальных участках лу-
' dc(t) А
ча, соотношением cm =--Am .
dA
Приведенные соотношения определяют требования к оптимальным условиям регистрации акустических колебаний с помощью лазерной измерительной линии. Исследование отмеченных характеристик усугубляется влиянием состояния атмосферы, характеризуемой атмосферным давлением, температурой, концентрацией частиц и др. В этих условиях важное значение приобретают экспериментальные исследования.
Для проведения исследований авторами создан макет акусто-оптической информационной системы (рис. 1) в составе сейсмического вибратора ЦВ-40 (акустического излучателя), оптического стенда, включающего в себя лазерного излучателя и приемника лазерного излучения.
Дополнительно включены комплекс многоканальной цифровой регистрации сейсмических и акустических сигналов с помощью сейсмо- и акустических датчиков, научная метеостанция «Oregon» модели LW301. Основные предпосылки к созданию подобной системы обусловлены методикой проведения экспериментальных работ, предусматривающей выполнение строго повторяющихся во времени актов излучения и регистрации акустических колебаний с учетом влияния метеопараметров в окружающей атмосфере. Структура оптического стенда регистрации сигналов представлена на рис. 2.
Регистрирующие сейсмостанции Лазерный
излучатель
Метеостанция
б)
Рис. 1. Компоненты акустооптической системы
Излучатель
Генератор
Аккумулятор
ОС
ОС
Фотодиод - » Усилитель
1 к 1 к
Аккумулятор Регистратор
ОС - оптическая схема
Рис. 2. Структурная схема оптического стенда
Генератор формирует последовательность управляющих электрических импульсов с заданными частотой, длительностью и током. Сигналы подаются на излучатель для формирования оптических импульсов (рис. 3).
Рис. 3. Запись оптического сигнала с несущей 1 кГц, модулированного по амплитуде акустическим сигналом и внешним шумом
В экспериментах в качестве лазерного излучателя использовался лазерный диод ИЛПИ-107 с длиной волны 850-930 нм, мощностью излучения до 6 Вт, частотой повторения импульсов 1 кГц, расходимостью излучения по углу 5°. Приемник излучения собран на основе фотодиода КФД-113А2, имеющего спектральный диапазон от 400 до 1100 нм, чувствительность в рабочем диапазоне 0,5 А/Вт, эффективная фоточувствительная площадь фотодиода 2,75 мм , коэффициент усиления операционного усилителя 10 000, собирающая излучение линза диаметром 38 мм и фокусным расстоянием 28 мм. Регистрация сигнала осуществлялась USB осциллографом-приставкой АСК-3116 (Фирмы Ак-таком) с записью файлов на компьютер. С помощью акустосейсмического комплекса оцениваются уровни акустического давления, вносимого акустическими излучателями вдоль трассы прокладки лазерной измерительной линии, а также скорости сейсмических колебаний. Для учета влияния метеопараметров на распространение акустических и световых волн осуществляется регулярный контроль направления и скорости ветра, температуры и влажности окружающего воздуха, а также атмосферного давления.
С помощью созданной акустооптической системы были выполнены полевые эксперименты по регистрации, обработке и анализу результатов акустооп-тических взаимодействий. Частный пример регистрации монохроматических акустических колебаний от вибратора ЦВ-40 на частотах 8; 8,5; 9; 9,5; 10; 10,5 Гц с использованием высокоразрешающей спектральной обработки представлен на рис.4; в верхней части рисунка представлены спектры с выходов трех акустических датчиков, последовательно расположенных с шагом 50 м; в нижней части - спектры на выходе лазерной измерительной линии. Результаты соответствуют расстоянию «излучатель-приемник» 920 м, базе лазерного луча
302 м, скорости ветра 7 м/с (ветер навстречу фронту распространения волны от источника).
Рис. 4. Быстровский полигон: спектры акустических и оптических сигналов
Предварительные эксперименты с лазерной линией позволили уточнить статистические характеристики фоновых помех в атмосфере и собственных шумов фотоприемника для подготовки последующих измерений.
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1. Корпел А. Акустооптика- Acousto-optics - М.: Мир, 1993.
2. Дамон Р., Мэлон В., Мак-Магон Д. Взаимодействие света с ультразвуком:явление и применение // Физическая акустика. - М.:Мир, 1974. -Т.7.
3. ТакерДж., Рэмптон В. Гиперзвук в физике твердого тела.- М.: Мир, 1975.
4. Алексеев А.С., Глинский Б.М., Ковалевский В.В., Хайретдинов М.С. и др. Активная сейсмология с мощными вибрационными источниками / Отв. ред. Г.М. Цибульчик. - Новосибирск: ИВМиМГ СО РАН, Филиал "Гео" Издательства СО РАН, 2004. - 387с.
© М. С. Хайретдинов, Б. В. Поллер, А. В. Бритвин, Г. Ф. Седухина, 2016
