CC BY
68
УДК 550.312
Г.П. Арнаутов, Е.Н. Калиш, Ю.Ф. Стусь, М.Г. Смирнов Институт автоматики и электрометрии СО РАН, Новосибирск
МОНИТОРИНГ ВАРИАЦИЙ ГРАВИТАЦИОННОГО ПОЛЯ МОДЕРНИЗИРОВАННЫМ БАЛЛИСТИЧЕСКИМ ГРАВИМЕТРОМ
Введение
С появлением высокостабильных источников когерентного излучения (лазеров) баллистический метод измерения абсолютного значения ускорения силы тяжести g стал наиболее точным и перспективным для дальнейшего развития. Абсолютное значение g определяют этим методом по результатам измерения интервалов времени Т^ за которые свободно падающее тело (СПТ) проходит в вакуумированной камере заданные интервалы пути ^ при ^ =
1,...,К). Вычисляемое по результатам измерений интервалов ^ и Т значение g
определяет величину ускорения силы тяжести в точке, находящейся внутри интервала измерений. В схеме этих измерений используется лазерный интерферометр, т. е. мерой пути служит длина волны лазера, стабилизированного по атомному реперу в спектре его излучения. Мерой интервалов времени являются сигналы прецизионного (например, рубидиевого) стандарта частоты.
Применение лазерных интерферометров для измерения интервалов пути свободного падения тела имеет свою специфику: точность измерения длин должна быть на один-два порядка выше, чем у обычных измерителей перемещений, при значительно более высокой частоте (до 10-12 МГц) интерференционного сигнала. Вследствие этого появляются новые источники ошибок, требующие исследования и разработки способов снижения их влияния на точность измерений.
Непосредственное освещение интерферометра стабилизированным лазером с йодной ячейкой поглощения вносит в результат измерений дополнительную погрешность, определяемую шириной спектра излучения, воспроизводимостью и долговременной стабильностью частоты оптического стандарта. Еще один фактор - ограниченные поперечные размеры пучка лазерного излучения - также может быть источником ошибок определения g. Распространение такого пучка сопровождается дополнительными (по сравнению с интерференцией плоских волн) дифракционными фазовыми сдвигами.
Исходя из требования получения минимальных значений ошибок, обусловленных параметрами используемого излучения при измерении ускорения силы тяжести g, был спроектирован и изготовлен Nd:YAG/І2 оптический стандарт частоты, предназначенный для использования в баллистическом гравиметре.
Модернизация интерферометра
Принципиальным отличием новой оптической схемы гравиметра ГАБЛ-П от применявшейся ранее является использование одного лазера вместо
двух: основного (рабочего) и контрольного лазера с йодной ячейкой внутри резонатора [1].
Оптическая схема интерферометра приведена на рис. 1.
Рис. 1. 1 - лазер со встроенным блоком стабилизации; 2 - коллиматор; 3 -светоделитель; 4 - СПТ; 5 - зеркало; 6 - референтный уголковый отражатель; 7 - апертурная диафрагма фотоприёмника; 8 - фотоприёмник; 9 - камера
В качестве источника света в интерферометре применен разработанный в Институте лазерной физики СО РАН оптический стандарт частоты 1ЬР ^/532-1 на базе Nd:YAG/I2 - лазера с длиной волны излучения А=532 нм с внутрирезонаторным удвоением частоты излучения и системы стабилизации по резонансам насыщенного поглощения в молекулярном йоде [2]. Новый оптический стандарт обладает следующими достоинствами:
- Высокой выходной мощностью излучения (более 5 мВт), что позволяет существенно улучшить соотношение сигнал/шум выходного сигнала;
- Отсутствием модуляции выходного излучения, вносящей дополнительную погрешность в определение гравитационного ускорения (в отличие от стабилизированных по йоду гелий-неоновых лазеров).
Основные параметры ГЬР 12/532-1 системы:
Выходная мощность во внешнюю оптическую схему >5мВт
Относительная стабильность частоты не хуже 10-10.
Относительная воспроизводимость частоты не хуже 2х 10-10.
Частота лазера при стабилизации
по резонансу а1 R(56), 32-0 563259651950±50 кГц
Модовый состав TEM00q
Поляризация Линейная
Повышение точности выставления вертикали в оптической системе гравиметра
Несовпадение направления луча в измерительном плече интерферометра с направлением движения отражателя (в нашем случае с вертикалью) на угол Ф приводит к косинусной погрешности в измерении перемещения: AS = S(1 - cos ф). Такую же погрешность имеет и значение гравитационного
2
ускорения Ag = g(1 - cos ф) « -g ф.
В предыдущих модификациях гравиметров операция выставления вертикали по жидкому зеркалу сводилась к выравниванию на сетке телескопа пучков по яркости, при этом точность совмещения была -10". Погрешность измерения составляла ~1,2-10-9.
В модернизированном интерферометре используется способ выставления вертикали по контролю смещения следа измерительного луча в плоскости ПЗС - матрицы Web-камеры в процессе падения пробного тела.
Получаемое изображение передается в компьютер через USB-порт. Далее, используя соответствующие программы, можно проводить контроль соответствия вертикальности лазерного луча с направлением движения падающего тела.
Проведённые расчёты и эксперименты показали, что при диаметре пучка 240 пикселей и пути падения 0,68 метра смещению на 2 пикселя соответствует изменение положения уголкового отражателя в плоскости X0Y на 26,7 мкм, что соответствует наклону измерительного плеча интерферометра на 3,9-10-5 рад (~ 8 угловых секунд). При этом относительная погрешность определения g не превышает 8-10-10.
Модернизированный счетно-вычислительный блок гравиметра
Счетно-вычислительный блок обеспечивает измерение абсолютного значения ускорения силы тяжести со среднеквадратической погрешностью,
о л
не превышающей ± 5-10- м/с (5 мкГал) при разрешающей способности измерения интервалов времени ~ 100 пикосекунд и числе отсчетов интервалов пути и времени за один бросок свободно падающего тела - до 2000.
Длительность одного цикла измерений и требуемая циклограмма работы (определяется характеристиками механического блока гравиметра) могут изменяться програмным образом в широких пределах. Габаритные размеры блока 504x70x389 мм, масса - 3,5 кг.
Счетно-вычислительный блок интегрирован с блоком управления гравиметром и через USB-порт связан с компьютером типа ноутбук. В измерительно-вычислительной системе лазерного баллистического гравиметра выполнены все необходимые схемы (усилители, счетчики, делители, АЦП, ЦАП и др.) для реализации метода многих отсчетов. Сбор и буферизация результатов измерений из электронно-счетного блока, организация циклограммы управления гравиметром и передача в главный
компьютер результатов измерений и показаний датчиков атмосферного давления и температуры осуществляется микроконтроллером. Программное обеспечение (ПО) позволяет в широких пределах менять параметры циклограммы работы баллистического блока, осуществляет статистическую обработку результатов измерений, вычисление и внесение необходимых поправок. Кроме того, ПО позволяет производить просмотр полученных результатов как по единичному броску, так и по любой серии бросков, производить перерасчет результатов при измененных параметрах и уменьшении числа измеренных интервалов как в начале, так и в конце падения уголкового отражателя.
Основной проблемой, в решении которой участвуют авторы статьи, является исследование динамики деформационных процессов в сейсмоактивных регионах Центральной Азии и в очаговых зонах крупных землетрясений (координатор проекта - академик С.В. Гольдин). Решение этой проблемы существенно зависит от экспериментальных данных о современных движениях земной коры в точке наблюдений. Одной из основных компонент этих движений являются вертикальные движения земной поверхности. Нами показано [3], что наиболее точно эту компоненту движения можно определить по результатам высокопрецизионных гравиметрических измерений.
Высокая точность измерений значений Дg гравиметрами типа ГАБЛ позволяет регистрировать изменения высоты пункта наблюдений с погрешностью не более 1 см. Для оценки связи вариаций Дg с изменениями высоты пункта на ДН нами было принято, что Дg = уДН (у - вертикальный градиент силы тяжести, нормальное значение которого для Земли равно приблизительно 309 мкГал/м). При Дg = 3 мкГал и у = 309 мкГал/м ДН = Дg/y ~ 1 см. Такая точность измерения ДН гравиметрическим методом
превосходит точность измерения вертикальной составляющей смещений спутниковыми глобальными позиционными системами типа GPS. Совместное использование гравиметрических и GPS наблюдений повышает точность и надежность измерений вертикальных движений земной коры.
В 2006 году измерениями с модернизированным гравиметром ГАБЛ-П заложена основа для мониторинга вариаций Дg в Ханты-мансийском автономном национальном округе (созданы 3 опорных пункта гравиметрической сети) и на о. Сахалин. Впервые проведены измерения на гравиметрическом пункте Южно-Сахалинска (в здании Института морской геологии и геофизики ДВО РАН), результаты которых показаны на рис. 2.
Дата
Рис. 2. Результаты гравиметрических измерений в Южно-Сахалинске
Здесь сплошная линия - теоретическое значение приливных изменений ускорения силы тяжести, точками показаны результаты измерения вариаций Дg лазерным гравиметром. За нулевую точку отсчета экспериментальных значений Дg принято средневзвешенное значение g, определенное после вычитания теоретических значений приливных вариаций Дg. Это значение в дальнейших мониторинговых наблюдениях будет исходным при исследованиях неприливных вариаций Дg. Характерной особенностью результатов проведенных измерений является сравнительно большой уровень вибросейсмических помех на данном пункте Южно-Сахалинска.
В 2006 году продолжен также мониторинг гравитационного поля в сейсмоактивных регионах юга Сибири модернизированным гравиметром ГАБЛ-П. Представляют большой интерес результаты измерения вариаций ускорения силы тяжести Дg в геофизической обсерватории Горного Алтая «Кайтанак», которая находится в 230 км от эпицентра Чуйского землетрясения 2003 года. Зарегистрировано уменьшение Дg на этом пункте в 2005 году, затем его возрастание в 2006 году. Причиной зарегистрированных изменений Дg на пункте «Кайтанак» могут быть знакопеременные вертикальные движения земной коры со скоростью до 7 см в год.
В 2006 году зарегистрировано возрастание Дg на пункте «Талая» в Байкальской рифтовой зоне (БРЗ) на 12±3 мкГал по отношению к значению 2005 года, что может быть вызвано опусканием пункта наблюдения на 4±1 см, а изменений наклонов и деформаций, превосходящих погрешность измерений, не обнаружено. При этом установлено, что такие движения определяются характером землетрясения: для землетрясения рифтового типа (главная компонента - растяжение) вертикальная компонента является основной, что и отразилось в изменениях поля силы тяжести. Результаты измерений вариаций Дg в Горном Алтае и БРЗ уникальны: впервые определены значения этих вариаций до и после землетрясения.
1. Высокопрецизионное измерение ускорения силы тяжести лазерным интерферометрическим способом / Г.П. Арнаутов и др. // Приборы.- 2003.- № 6 (36).
2. Применение Nd-YAG/І2 - лазера в качестве оптического стандарта длины в баллистическом гравиметре / Ю.Ф. Стусь и др.// Сб. материалов междунар. науч. конгр. «ГЕ0-Сибирь-2006». Т. 4. Специализированное приборостроение, метрология, теплофизика, микротехника. Новосибирск: СГГА, 2006.
3. Экспериментальное исследование вариаций ускорения силы тяжести абсолютными лазерными гравиметрами / Г.П. Арнаутов // Автометрия. - 2004. - Т. 40, № 6.
© Г.П. Арнаутов, Е.Н. Калиш, Ю.Ф. Стусь, М.Г. Смирнов, 2007
