CC BY
90
Вестник ДВО РАН. 2016. № 4
УДК 681.787
Ю Н. КУЛЬЧИН, О Т. КАМЕНЕВ, Ю.С. ПЕТРОВ, В.А. КОЛЧИНСКИЙ
Волоконно-оптические интерферометрические приемники слабых сейсмосигналов
Рассмотрены волоконно-оптические вертикальный и горизонтальный сейсмоприемники на основе интерферометра Маха—Цендера. Оригинальная конструкция чувствительного элемента обеспечивает пороговую чувствительность к сейсмоускорению 10-7м/с2 для вертикального сейсмоприемника и пороговую чувствительность к смещениям 10-9 м для горизонтального сейсмоприемника. Стабильность работы интерферометра Маха—Цендера обеспечивается применением системы активной стабилизации рабочей точки. Показана возможность применения разработанных сейсмоприемников для наземной регистрации слабых сейсмосигналов, формируемых проходящими вблизи побережья морскими судами.
Ключевые слова: сейсмоприемник, волоконно-оптический датчик, интерферометр Маха—Цендера.
Fiber-optic interferometric seismometers for weak seismic signals registration. Yu.N. KULCHIN, O.T. KAMENEV, Yu.S. PETROV, V.A. KOLCHINSKIY (Institute for Automation and Control Processes, FEB RAS, Vladivostok).
The vertical and horizontal seismometers based on fiber-optic Mach—Zender interferometer are proposed and tested. The original design of .sensing element allows obtaining threshold sensitivity 107 m/s2 to seismic load for vertical seismometer and threshold sensitivity 10-9m to shifts for horizontal seismometer. Stability ofMach-Zender interferometer is provided by application of active stabilization system of the working point. The possibility of application seismic receivers for registration of weak seismic signals from sea ships sailing near the shore is demonstrated.
Key words: seismometer, fiber-optic sensor, Mach-Zender interferometer.
В любом сейсмоприемнике регистрация сейсмосигналов в конечном счете сводится к регистрации смещений точек поверхности, на которой он установлен. Оптическая интерферометрия является одним из наиболее чувствительных методов регистрации смещений [3]. Чувствительность интерферометра ограничена уровнем шумов фотодетектора и может быть чрезвычайно высокой: теоретически достижимый уровень чувствительности к перемещениям составляет величину порядка 1,1 х 10-16 м/Гц1/2 для оптического излучения мощностью 10 мВт и длиной волны 500 нм [7]. Применение для построения интерферометра волоконно-оптической элементной базы обеспечивает возможность создания компактных высокочувствительных сейсмоприемников. Дополнительное увеличение чувствительности волоконно-оптических интерферометрических датчиков может быть обеспечено за счет применения многовиткового чувствительного элемента [1, 2]. Среди существующих интерферометрических схем на волоконно-оптической элементной базе наиболее просто реализуется двуплечевой интерферометр Маха-Цендера. Именно этой схеме было отдано предпочтение при создании волоконно-оптических приемников слабых сейсмосигналов.
КУЛЬЧИН Юрий Николаевич - академик, директор, *КАМЕНЕВ Олег Тимурович - доктор физико-математических наук, ведущий научный сотрудник, ПЕТРОВ Юрий Сергеевич - младший научный сотрудник, КОЛЧИНСКИЙ Владислав Андреевич - инженер-программист (Институт автоматики и процессов управления ДВО РАН, Владивосток). *Е-таП: [email protected]
Рис. 1. Схема волоконно-оптического сейсмоприемника на основе интерферометра Маха-Цендера. 1 - полупроводниковый лазер; 2 - волоконный световод; 3, 7 - Y-разветвители; 4 - пьезокерамический модулятор; 5 - усилитель; 6 - многовитковый чувствительный элемент; 8 - фотоприемник; 9 - аналого-цифровой преобразователь; 10 - компьютер; 11 - цифро-аналоговый преобразователь
Принцип действия волоконно-оптического сейсмоприемника на основе интерферометра Маха-Цендера представлен блок-схемой на рис. 1. Излучение от инфракрасного полупроводникового лазера (1) мощностью 1 мВт вводится в оптоволокно (2). Далее в У-разветвителе (3) излучение разделяется на два световых пучка, каждый из которых попадает в отдельное плечо интерферометра. В опорном плече установлен пьезокерами-ческий модулятор (4) с устройством управления (5), используемый в системе активной стабилизации положения рабочей точки. Другое плечо (измерительное) содержит много-витковый чувствительный элемент (6). На выходе интерферометра излучение обоих плеч интерферирует в У-разветвителе (7) и направляется на фотоприемник (8). Далее сигнал через аналого-цифровой преобразователь (9) поступает на персональный компьютер (10), который через цифро-аналоговый преобразователь (11) управляет работой модулятора. Возникающая вследствие этого обратная связь обеспечивает работу интерферометра в квадратурном режиме, при котором интерферометр имеет максимальную чувствительность [4].
Верхняя половина цилиндра
Волоконный световод
Нижняя половина цилиндра
Инертная масса
Г1
б
1 ^ | 1' А « • * •
Рис. 2. Конструкция многовиткового чувствительного элемента (а) и фотография вертикального сейсмоприемника (б)
а
Многовитковый чувствительный элемент (МЧЭ) состоит из разомкнутого цилиндра, на который намотан волоконный световод измерительного плеча интерферометра [6]. У МЧЭ вертикального сейсмоприемника верхняя половина цилиндра жестко закреплена на корпусе сейсмоприемника (рис. 2). К нижней половине цилиндра крепится инертная масса. Объединенная масса нижней части цилиндра и инертной массы, подвешенная на витках волоконного световода, образует механическую колебательную систему, которая способна совершать колебания под действием распространяющихся в земной коре сейсмических волн. У МЧЭ горизонтального сейсмоприемника неподвижная половина цилиндра жестко закреплена вместе с корпусом в одной точке контролируемой поверхности, подвижная половина - на конце протяженного троса, второй конец которого соединен со второй точкой поверхности (рис. 3).
Рис. 3. Конструкция многовитко-вого чувствительного элемента (а) и фотография горизонтального сейсмоприемника (б). 1 - стойка для крепления троса, 2 - трос, 3 - герметичный корпус, 4 - подвижная половина цилиндра, 5 - стойка, 6 - жестко закрепленная половина цилиндра, 7 - одно-модовый волоконный световод измерительного плеча интерферометра
В квадратурном режиме работы рабочая точка интерферометра находится на линейном участке передаточной характеристики. В этом случае в вертикальном сейсмоприемнике при регистрации вертикальных колебаний поверхности амплитуда колебаний напряжения на выходе фотоприемника прямо пропорциональна амплитуде сейсмоускорения [5]. Таким образом, вертикальный сейсмоприемник является акселерометром. Пороговая чувствительность вертикального сейсмоприемника равна 10-7 м/с2. В горизонтальном сейсмо-приемнике напряжение на выходе прямо пропорционально изменению расстояния между точками закрепления. Таким образом, горизонтальный сейсмоприемник является дефор-мометром. Его пороговая чувствительность составляет 10-9 м.
Для проверки возможности регистрации слабых сейсмосигналов были проведены полевые испытания разработанных сейсмоприемников по наземной регистрации сейсмосиг-налов, формируемых морскими судами, проходящими на расстоянии нескольких километров от берега. На рис. 4 представлены полученные в результате проведенных испытаний спектрограммы выходных сигналов вертикального (а) и горизонтального (б) волоконно-оптических сейсмоприемников. На спектрограммах видны треки, соответствующие прохождению крупнотоннажного судна (1) и малогабаритного быстроходного катера (2).
Рис. 4. Спектрограммы выходных сигналов вертикального (а) и горизонтального (б) волоконно-оптических сейсмоприемников. 1 - прохождение крупнотоннажного теплохода; 2 - прохождение быстроходного катера
Таким образом, представленные в настоящей работе волоконно-оптические сейсмо-приемники на основе интерферометра Маха-Цендера открывают перспективы для создания высокочувствительных измерительных систем, предназначенных для решения широкого круга задач, связанных с регистрацией слабых сейсмоакустических сигналов.
ЛИТЕРАТУРА
1. Garcia-Souto J.A., Lamela-Rivera H. Comparative analysis of optical-fibre interferometric sensors versus accelerometers: application to vibrations inside high-power transformers // J. Opt. A: Pure Appl. Opt. 2002. Vol. 4. P. S318-S326.
2. Gardner D.L., Hofler T., Baker S.R., Yarber R.K., Garrett S.L. A fiber-optic interferometric seismometer // J. Lightwave Tech. 1987. Vol. 5, N 7. P. 953-960.
3. Hariharan P. Optical interferometry // Rep. Prog. Physics. 1990. Vol. 54. P. 339-390.
4. Jackson D.A., Priest R., Dandridge A., Tveten A.B. Elimination of drift in a single-mode optical fiber interferometer using a piezoelectrically stretched coiled fiber // Applied Optics. 1980. Vol. 19, N 17. P. 2926-2929.
5. Kamenev O.T., Kulchin Yu.N., Petrov Yu.S., Khiznyak R.V., Romashko R.V. Fiber-optic seismometer on the basis of Mach-Zehnder interferometer // Sensors and Actuators A. 2016. Vol. 244. P. 133-137.
6. Kamenev O.T., Kulchin Yu.N., Petrov Yu.S., Khizhnyak R.V. Use of a fiber-optic Mach-Zehnder interferometer for creating a deformometer with extended gage length // Technical Physics Letters. 2014. Vol. 40, N 2. P. 119-122.
7. Wagner J.W., Spicer J.B. Theoretical noise-limited sensitivity of classical interferometry // J. Opt. Soc. Am. B. 1987. Vol. 4. P. 1316-1326.
