автореферат диссертации по , 05.00.00, диссертация на тему:Разработка сенсорной модели больших кольцевых лазеров и их использование в сейсмических исследованиях

62 11/9

Технический Университет Мюнхена

Разработка сенсорной модели больших кольцевых лазеров и их использование в сейсмических исследованиях

Александр Александрович Великосельцев

Утвержденная Факультетом Строительства и Геодезии Технического Университета Мюнхена копия диссертации на соискание ученой степени

Доктор-Инженер

Председатель: Проф. Др.-Инж. Т. А. Вундерлих Рецензенты:

1. Проф. Др.-Инж. У. Шрайбер

2. Проф. Др.-Инж. Р. Руммель

3. Проф. Др. Ю. В. Филатов

Диссертация была представлена на рассмотрение в Технический Университет Мюнхена 6 апреля 2005 года и принята Факультетом Строительства и Геодезии 6 Июня 2005 года.

Резюме

Общая модель работы кольцевого лазера адаптирована применительно к большим лазерным гироскопам С-П и О. Расширенный набор данных дополнительных датчиков используется для моделирования и анализа работы лазерного гироскопа на долговременных реализациях. Производится оценка инструментальных ошибок и эффектов ориентации для последующей их компенсации. Инструментальная стабильность улучшена примерно на порядок для реализаций длительностью до 70 дней. Это дает возможность выделить на фоне инструментального дрейфа малые периодические сигналы геофизической природы.

Рассмотрены возможность и особенности применения лазерных гироскопов в сейсмологии. Приведены основные принципы конструирования ОЕОэепзог, системы измерения сейсмического вращательного движения, и проанализированы вращательные сейсмограммы, полученные на различных больших лазерных гироскопах. Проведен анализ различных методов получения частоты биений с учетом особенностей сигналов землетрясений, и разработана ключевая технология получения вращательных сейсмограмм. Также выработан оптимальный метод съема информации, удовлетворяющий требованиям сейсмологии.

Приведены процедуры установки кольцевого лазера, его выставки и общей подготовки к работе комплекса ОЕС^ешог. Проанализированы вращательные сейсмограммы, полученные на лазерных гироскопах ОЕОзешог и О и приведено сравнение их с показаниями стандартных сейсмометров. Обсуждается ценность вЕОзешог, как автономного сейсмологического измерительного комплекса.

Содержание

1. ВВЕДЕНИЕ.....................................................................................................1

1.1 Большие лазерные гироскопы...........................................................................1

1.2 Точностные характеристики лазерных гироскопов.......................................1

1.3 Применение больших лазерных гироскопов в геодезии.................................2

1.4 Моделирование выходных данных лазерных гироскопов.............................3

2. МОДЕЛЬ ЛАЗЕРНОГО ГИРОСКОПА..........................................................4

2.1 The RLG operation theory....................................................................................4

2.2 Модель ошибок лазерного гироскопа...............................................................5

2.2.1 Поправки к масштабному коэффициенту......................................................6

2.2.2 Сдвиг нуля.......................................................................................................7

2.2.3 Обратное рассеяние.........................................................................................7

2.2.4 Изменение поляризации в лазерных гироскопах...........................................9

2.3 Построение модели............................................................................................11

2.3.1 Однородное и неоднородное уширение.......................................................11

2.3.2 Функция дисперсии плазмы.............................. ............................................12

2.3.3 Стабильность оптической частоты...............................................................13

2.3.4 Выходная мощность и коэффициент усиления...........................................15

2.3.5 Формирование модели..................................................................................16

3. ПРИМЕНЕНИЕ МОДЕЛИ ОШИБОК К БЛГ C-II И G..................................19

3.1 Результаты для БЛГ C-II..................................................................................19

3.2 Результаты для БЛГ G......................................................................................27

4. ОРИЕНТАЦИЯ ЛАЗЕРНОГО ГИРОСКОПА...............................................36

4.1 Суточное движение полюса............................... ...............................................36

4.2 Приливные силы Земли и океана............................. ........................................38

4.3 Геофизические сигналы измеряемые лазерным гироскопом......................40

4.4 Обсуждение результатов для БЛГ G и C-II....................................................41

5. ЛАЗЕРНЫЕ ГИРОСКОПЫ В СЕЙСМОЛОГИЧЕСКИХ ИССЛЕДОВАНИЯХ.........................................................................................43

5.1 Введение..............................................................................................................43

5.2 Теория сейсмического вращения.....................................................................44

5.3 Условия регистрации землетрясений лазерными гироскопами.................47

5.3.1 Механическая конструкция..........................................................................47

5.3.2 Вклад наклона в изменения вращения.........................................................48

5.3.3 Возможные ограничения накладываемые исходным сигналом..................49

6. КОНСТРУКЦИЯ GEOSENSOR....................................................................51

6.1 Конструкция лазерного гироскопа..................................................................52

6.2 Дополнительные датчики.................................................................................54

6.3 Методы съема информации..............................................................................55

6.3.1 Счетчики частоты и периода........................................................................56

6.3.2 Авторегрессионный анализ..........................................................................56

6.3.3 Частотная демодуляция................................................................................57

6.3.4 Сравнительный анализ трех методов...........................................................58

6.4 Реализация временных меток..........................................................................60

6.5 Структура файла данных.................................................................................61

6.6 Структура комплекса GEOsensor....................................................................61

6.7 Сборка и установка системы............................................................................62

7. РЕЗУЛЬТАТЫ И ОБСУЖДЕНИЕ................................................................64

7.1 Результаты полученные на БЛГ G..................................................................65

7.1.1 Землетрясение на Хоккайдо..........................................................................67

7.1.2 Землетрясение в Бишофсхофене..................................................................71

7.2 Обсуждение результатов полученных на БЛГ GEOsensor...........................72

8 СРАВНЕНИЕ БЛГ С ДРУГИМИ СРЕДСТВАМИ ИЗМЕРЕНИЙ.................76

8.1 Пара антипараллельных маятниковых сейсмометров (TAPS)...................76

8.2 Волоконно-оптические гироскопы..................................................................77

8.3 Сейсмическая сеть.............................................................................................78

9. ЗАКЛЮЧЕНИЕ.............................................................................................81

ЛИТЕРАТУРА...................................................................................................83

Список иллюстраций

Рисунок 1: Геометрический путь луча, распространяющегося в почти плоском

контуре резонатора. Угол ß зависит от возвышения зеркала В (В-В')...................9

Рисунок 2: Зависимость соотношения компонент поляризации от возвышения

углового зеркала.........................................................................................................10

Рисунок 3: Доплеровская (Гауссова) линияуширения Wo и Лорещевалиния Wl... 12

Рисунок 4: Вещественная и мнимая части функции дисперсии плазмы.................13

Рисунок 5: Измерения частоты биений БЛГ C-II, полученные в марте 2001

(черная кривая) и соответствующая модельная реализация (серая кривая).........20

Рисунок 6: Разность измеренной и смоделированной частот биений...................20

Рисунок 7: Вклад сдвига нуля в выходной сигнал БЛГ C-II согласно модели для

реализации, начатой 13 марта 2001 года................................................................21

Рисунок 8: Вклад обратного рассеяния в выходной сигнал БЛГ C-II согласно

модели для реализации, начатой 13 марта 2001 года.............................................21

Рисунок 9: Температура блока резонатора БЛГ C-II для реализации, начатой 13

марта 2001 года........................................................................................................22

Рисунок 10: Разность интенсивностей встречных волн БЛГ C-II для реализации,

начатой 13 марта 2001 года....................................................................................22

Рисунок 11: Измерения частоты биений, полученные в сентябре-ноябре 2001

(серая кривая) и соответствующая модельная реализация (черная кривая).........24

Рисунок 12: Разность измеренной и смоделированной частот биений..................25

Рисунок 13: Измерения частоты биений, полученные в июле 2002 (серая кривая) и

соответствующая модельная реализация (черная кривая).....................................26

Рисунок 14: Измерения частоты биений, полученные в октябре-ноябре 2003

(серая кривая) и соответствующая модельная реализация (черная кривая).........26

Рисунок 15: Изменения мощностей встречных лучей и, соответственно, частоты биений, при варьировании уровня мощности питающего генератора.. 28 Рисунок 16: Измерения частоты биений, полученные в ноябре 2001 (серая кривая)

и соответствующая модельная реализация (черная кривая)...................................31

Рисунок 17: Разность измеренной и смоделированной частот биений..................32

Рисунок 18: Измерения частоты биений, полученные марте-апреле 2002 (серая

кривая) и соответствующая модельная реализация (черная кривая)....................32

Рисунок 19: Разность измеренной и смоделированной частот биений..................33

Figure 20: Измерения частоты биений, полученные в Апреле 2002 (серая кривая) и

соответствующая модельная реализация (черная кривая).....................................33

Рисунок 21: Разность измеренной и смоделированной частот биений..................34

Рисунок 22: Измерения частоты биений, полученные в июле 2002 (серая кривая) и

соответствующая модельная реализация (черная кривая).....................................34

Рисунок 23: Разность измеренной и смоделированной частот биений..................35

Рисунок 24: Вариации Аллана частоты биений БЛГ C-II, GO и G..........................35

Рисунок 25: Пример рассчитанного движения полюса длительностью один месяц.

Максимальная угловая амплитуда - 94.5 нанорадиан..............................................38

Рисунок 26: Вклад суточного движения полюса (серая кривая) и наклона прибора относительно местной вертикали (черная кривая) для временного периода с

16.11.2001...................................................................................................................39

Рисунок 27: Наложение частоты биении, скорректированноймоделыо ошибок (серая кривая) и рассчитанного геофизического сигнала (черная кривая).............40

Рисунок 28: Скорости колебаний грунта и вращательная скорость, вызванные землетрясением в северном Алжире, 21.05.03, М=6.8. Записи произведены

сейсмометром БТ5-2 и БЛГ С в Веттцелле.............................................................43

Рисунок 29: Карта землетрясений, зарегистрированных БЛГ О в Веттцелле в

течении 2003-2004 годов...........................................................................................44

Рисунок 30: Определение поперечной компоненты сейсмической волны...............46

Рисунок 31: Сравнение показаний двух БЛГ при землетрясении на Фиджи,

19.08.2002, М=7.7......................................................................................................48

Рисунок 32: Скорость вращения (серая кривая) и преобразованный наклон (черная кривая), зарегистрированные при землетрясении в северном Алжире, 21.05.2003,

М=6.8.........................................................................................................................49

Рисунок 33: Вращательные сейсмограммы землетрясения в Новой Зеландии,

полученные с разными интервалами оценки частоты............................................50

Рисунок 34: Вращательные сейсмограммы землетрясения в Новой Зеландии,

полученные с разными интервалами оценки частоты............................................50

Рисунок 35: Принципиальная схема СЕОхетог.......................................................51

Рисунок 36: Конструкция лазерного гироскопа в составе СЕОнетог. Общий вид

(слева), вид углового отсека (справа).......................................................................52

Рисунок 37: Схема сложения лучей: С1¥-луч идущий по часовой стрелке, С СIV-луч идущий против часовой стрелки, М-угловое зеркало резонатора, КМ1 и ЯМ2

- отражающие зеркала............................................................................................53

Рисунок 38: Внутренний вид углового отсека: юстировочные винты зеркал (I),

путь лазерного луча (II), фотодетектор (III)..........................................................54

Рисунок 39: Выходной сигнал фотодетектора БЛГ С-П во время землетрясения

на Фиджи...................................................................................................................55

Рисунок 40: Оценки частоты биений методом АЯ(2) для различного числа циклов

и смещений нуля фотодетектора............................................................................57

Рисунок 41: Сравнение оценок частоты биений, полученных методами АЩ2) и

частотной демодуляции на низкочастотных вращательных сигналах.................58

Рисунок 42: Сравнение оценок частоты биений, полученных с счетчика частоты и методом частотной демодуляции на низкочастотных вращательных сигналах

....................................................................................................................................59

Рисунок 43: Сравнение оценок частоты биений, полученных с счетчика частоты и методом частотной демодуляции на высокочастотных вращательных сигналах

....................................................................................................................................59

Рисунок 44: Сравнение оценок частоты биений, полученных методами АЩ2) и

частотной демодуляции на высокочастотных вращательных сигналах..............60

Рисунок 45: Блок-схема комплекса ОЕОяетог........................................................62

Рисунок 46: Инсталляция БЛГ ОЕОяетог на станции Веттцелль........................63

Рисунок 47: Вращательная сейсмограмма землетрясения в Вогезене, полученная

на БЛГ О с использованием частотного демодулятора.........................................66

Рисунок 48: Вращательная сейсмограмма землетрясения на Хоккайдо, полученная посредством частотной демодуляции (ЧД - черная кривая) и счетчика частоты

(СЧ- серая кривая)....................................................................................................66

Рисунок 49: Спектр землетрясения на Хоккайдо....................................................67

Рисунок 50: Спектр землетрясения в Вогезене........................................................67

Рисунок 51: Скорость вращения (серая кривая) и поперечное ускорение (черная

кривая) при землетрясении на Хоккайдо. Приход Р-Б волны...................................68

Рисунок 52: Скорость вращения (серая кривая) и поперечное ускорение (черная кривая) при землетрясении на Хоккайдо. Приход поверхностной волны...............68

Рисунок 53: Скорость вращения (серая кривая) и поперечное ускорение (черная кривая) при землетрясении на Хоккайдо. Наблюдаются максимальные амплитуды

вращения и расхождения между сигналами............................................................69

Рисунок 54: Скорость вращения (серая кривая) и поперечное ускорение (черная кривая) при землетрясении на Хоккайдо. Последняя часть реализации с

наибольшими расхождениями между сигналами по фазе и амплитуде.................69

Рисунок 55: Сравнение скорости вращения и поперечного ускорения для

землетрясения на Хоккайдо......................................................................................70

Рисунок 56: Сравнение синтетической и реальной вращательных сейсмограмм

для землетрясения на Хоккайдо................................................................................71

Рисунок 57: Сравнение вращательных сейсмограмм, полученных посредством

частотной демодуляции и АЩ2) при землетрясении в Бишофсхофене.................72

Рисунок 58: Сравнение вращательных сейсмограмм, полученных на БЛГ СЕ08етог и О (СЧ- счетчик частоты).................................................................73

Рисунок 59: Сравнение спектров АЯ(2) и частотного демодулятора для местного

землетрясения............................................................................................................74

Рисунок 60: Сравнение вращательных сейсмограмм, полученных на БЛГ ОЕОь-ешог (АЩ2) - серая кривая) и О (частотный демодулятор -тонкая черная кривая, счетчик частоты - толстая черная кривая); сдвиг по оси ординат

добавлен искусственно..............................................................................................75

Рисунок 61: Проект сейсмической лаборатории.....................................................76

Рисунок 62: Измерение вращения с помощью сейсмической сети..........................79

Рисунок 63: Карта расположения сейсмической сети, где сейсмометры отмечены треугольниками и литерой БЫ (где N-порядковый номер), ЯЬ -лазерный гироскоп О..................................................................................................80

Список таблиц

Таблица 1: Характеристики существующих больших лазерных гироскопов...........2

Таблица 2: Значения сдвига нуля и коэффициента обратного рассеяния БЛГ C-II

для реализации, начатой 13 марта 2001 года..........................................................19

Таблица 3: Значения параметров модели ошибок БЛГ C-II для реализации,

начатой в сентябре 2001 года..................................................................................24

Таблица 4: Значения параметров модели ошибок БЛГ C-II для реализации,

начатой в июле 2002 года.........................................................................................25

Таблица 5: Значения параметров модели ошибок БЛГ C-II для реализации,

начатой в октябре 2003 года....................................................................................27

Таблица 6: Свод параметров модели, полученных для трех реализаций БЛГ G. ...29

Таблица 7: Свод параметров модели для недавней реализации БЛГ G...................30

Таблица 8: Параметры зарегистрированных землетрясений.................................64

1. Введение

1.1 Большие лазерные гироскопы

На сегодняшний день лазерные гироскопы занимают одну из ведущих позиций в области инерциальной навигации и управления движением благодаря своему широкому динамическому диапазону, высокой точности, малым массогабаритным характеристикам и отсутствию движущихся частей в конструкции [3]. Принцип работы лазерного гироскопа (ЛГ) основывается на эффекте Саньяка, при котором два световых луча, распространяющихся в противоположные стороны внутри замкнутого вращающегося контура, �