eng
Выпуск #4/2017
Г.И.Долгих, С.С.Будрин, С.Г.Долгих, В.А Чупин, С.В.Яковенко
Особенности применения мобильного лазерного деформографа в зимних условиях
Особенности применения мобильного лазерного деформографа в зимних условиях
Просмотры: 3205
Технологии освоения арктических ресурсов нуждаются в результатах фундаментальных исследований структуры и состава морской земной коры как шельфовых, так и глубоководных, покрытых льдом арктических акваторий. Рассмотрены особенности применения мобильного лазерного деформографа поверхностного типа для решения подобных задач. Приведены результаты эксперимента по определению скоростных характеристик волн, генерируемых низкочастотным гидроакустическим излучателем, создающим в воде гармонические и сложные фазоманипулированные сигналы.
DOI: 10.22184/1993-7296.2017.64.4.86.91
DOI: 10.22184/1993-7296.2017.64.4.86.91
Теги: convolution hydroacoustic radiator inversion mobile laser strainmeter model of sea crust phase-shift signal гидроакустический излучатель инверсия мобильный лазерный деформограф модель морской земной коры свертка фазоманипулированный сигнал
ВВЕДЕНИЕ
В связи с необходимостью освоения Арктики перед учеными стоят задачи различного направления по выполнению ряда фундаментальных исследований с дальнейшим выходом полученных результатов в прикладную область с разработкой технологий и методик освоения арктических ресурсов. Одной из злободневных задач является задача по изучению структуры и состава морской земной коры как шельфовых, так и глубоководных покрытых льдом арктических акваторий. В настоящее время для этих целей в большей степени подходят активные и пассивные акустические методы [1–7]. Активные акустические методы ориентированы на применение низкочастотных гидроакустических излучателей, способных генерировать в воде сигналы различной сложности. В отличие от использования пневмопушек, взрывных источников и стримеров, применение гидроакустических излучателей является наиболее экологически безопасным для окружающей среды и биоты. В настоящее время в одной из главных технологий по изучению структуры и состава морской земной коры с целью поиска полезных ископаемых приемные системы располагаются в виде распределенных по дну датчиков. Такое расположение приемных систем является сложной задачей для покрытых льдом акваторий, особенно без его предварительного разрушения. Для преодоления данного затруднения возможно расположение приемных систем во льду [6] или на берегу [2–4].
В работах [2–4] в качестве приемных систем используются стационарные лазерные деформографы, расположенные на берегу м. Шульца Японского моря. Лазерные деформографы созданы по схеме интерферометра Майкельсона с использованием в качестве источника излучения частотно-стабилизированных гелий-неоновых лазеров. Рабочие плечи лазерных деформографов имеют длины 52,5 и 17,5 м [8, 9]. В совокупности они составляют двухкоординатный лазерный деформограф [9], который можно использовать для пеленгования различных источников естественного и искусственного происхождений [10].
Стационарные лазерные деформографы невозможно использовать для решения инверсионных задач многих акваторий. Для решения различных задач не требующих высокого метрологического обеспечения был создан мобильный лазерный деформограф [11], длина рабочего плеча которого варьируется в зависимости от поставленных задач. В качестве источника излучения в мобильном лазерном деформографе используется частотно-стабилизированный гелий-неоновый лазер фирмы Melles Griot, имеющий долговременную стабильность в девятом знаке. В данной статье рассмотрены особенности применения мобильного лазерного деформографа в зимних условиях для решения задач по изучению структуры и состава морской земной коры.
ОПИСАНИЕ ЭКСПЕРИМЕНТА И ПОЛУЧЕННЫХ РЕЗУЛЬТАТОВ
Перед началом эксперимента на берегу Амурского залива Японского моря в точке с координатами 43°11,754′ СШ и 131°55,141′ ВД был установлен мобильный лазерный деформограф, см. рис.1. В термостабилизированном помещении 1, в котором поддерживалась температура с точностью 0,5 град, располагалась основная часть интерферометра Майкельсона. Она состояла из: 1) лазера; 2) коллиматора; 3) делительной пластины ПИ‑100; 4) двух плоскопараллельных зеркал, закрепленных на пьезокерамических цилиндрах раскачки и системы сброса уровней; 5) системы экстремального регулирования, предназначенной для управления работой интерферометра. Уголковый отражатель размещался в термоизолированном боксе 2. Между точками 1 и 2 луч лазера распространялся в пен пропиленовых трубах (3). Компьютер с аналого-цифровым преобразователем размещался в отапливаемом помещении 4, в котором также находился оператор. Вся аппаратура запитывалась от переносного генератора, обеспечивающего на выходе стабильное переменное напряжение величиной 220 В. Цифровая система регистрации лазерного деформографа регистрировала изменение расстояния между основным узлом интерферометра (точка 1) и уголковым отражателем (точка 2) с точностью 0,3 нм. При длине измерительного плеча, равной 6 м, предельная чувствительность мобильного лазерного деформографа составляла величину .
На расстоянии 3150 м от места постановки мобильного лазерного деформографа в точке с координатами 43° 12,391′ СШ и 131° 52,984′ ВД в пропиленную лунку на глубину 12 м был спущен низкочастотный гидроакустический излучатель электромагнитного типа, который создавал в воде гармонические и сложные фазоманипулированные (М-последовательности) сигналы с центральной частотой 33 Гц. Низкочастотный гидроакустический излучатель является основным элементом излучающей системы, в которую дополнительно входят рама для подвеса излучателя, кабель-шланг с контрольным манометром, источник электропитания, электронасос, контрольный гидрофон, два калибровочных акселерометра, цифро-аналоговый преобразователь, ноутбук. В качестве первичных источников постоянного тока используется батарея последовательно соединенных (в количестве от 3 до 6 штук, в зависимости от необходимой мощности) кислотных аккумуляторов напряжением по 12 В, емкостью 90 А · ч. Источник питания представляет собой мостовой ключевой усилитель, выполненный на двух полумостовых IGBT-модулях, снабженный компенсирующей батареей конденсаторов 420 мкФ, защитным автоматом и амперметром постоянного тока. Максимальное эффективное звуковое давление, которое способна выдавать излучающая система, составляет 3 500 Па (191 дБ/1 мкПа). Вся дополнительная аппаратура излучающей системы располагалась в стоящем на льду микроавтобусе. Схема эксперимента приведена на рис.2.
Перед началом эксперимента на компьютере была построена модель сигнала, состоящая из тонового сигнала длительностью 300 с, паузой 30 с и одного фазоманипулированного сигнала. Излучающий пакет был общей длительностью 485 с. Дополнительно после каждой серии излучения отдельно выполнялось излучение одного фазоманипулированного сигнала. На рис.3 приведены динамические спектрограммы записей контрольного гидрофона и мобильного лазерного деформографа при работе гидроакустического излучателя.
Полученные записи контрольного гидрофона и мобильного лазерного деформографа были подвергнуты дополнительной обработке в лаборатории, которая сводилась к свертке записи контрольного гидрофона с записью лазерного деформографа. Один из результатов свертки представлен на рис.4. Применение систем точного времени в излучающей системе и в мобильном лазерном деформографе позволило объективно оценить времена приходов зарегистрированных сигналов с точностью 1 мс. Уверенно было зарегистрировано три прихода с временными промежутками от начала излучения 0,924; 1,270 и 1,526 с. По временам приходов сигналов и расстоянию между точками излучения и приема были определены вероятные минимальные скорости их распространения: 3 400, 2 480 и 2 060 м/с. Можно предположить, что: 1) сигнал, распространяющийся со скоростью 2 480 м/с, соответствует затухающей волне Рэлея, распространяющейся по границе "вода-дно"; 2) сигнал, распространяющийся со скоростью 3 400 м/с, соответствует волне Лява, распространяющейся по границе "донные осадки – базальт". Интересен сигнал, имеющий скорость распространения 2 060 м/с. Он может быть связан либо с ледяным покровом и обусловлен изгибной модой, либо его можно приписать поверхностной волне (аналог волны Рэлея затухающего типа), распространяющейся по границе "лед – водный слой".
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
В ходе выполнения экспериментальных работ на льду и берегу Амурского залива Японского моря была отработана методика эксплуатации мобильного лазерного деформографа в зимних условиях при отрицательных температурах воздуха. По полученным экспериментальным данным были определены минимальные скорости трех сигналов, распространяющихся от места излучения до берега, которые равны 3400, 2480 и 2060 м/с. Полученные результаты проведенного эксперимента продемонстрировали большие возможности данной технологии по изучению структуры и состава морской земной коры покрытых льдом арктических акваторий.
Работа выполнена при частичной финансовой поддержке программы "Дальний Восток" и РФФИ (грант 16-29-02023 офи_м, модернизация аппаратуры и проведение эксперимента).
ЛИТЕРАТУРА
1. Авербах В. С., Боголюбов Б. Н., Заславский Ю. М. и др. Применение сложных фазоманипулированных сигналов для сеймоакустического зондирования грунта гидроакустическим источником. – Акустический журнал, 1999, т. 45, № 1, с. 5–12.
2. Долгих Г. И., Долгих С. Г., Пивоваров А. А., Самченко А. Н., Чупин В. А., Швырев А. Н., Ярощук И. О. О перспективах применения лазерных деформографов для диагностики морского дна. – Доклады Академии наук, 2013, т. 452, № 3, с. 321–325.
3. Чупин В. А., Долгих Г. И. Развитие технологии диагностики морского дна с помощью низкочастотных гидроакустических излучателей и береговых лазерных деформографов. – Вестник ДВО РАН, 2015, № 6, с. 90–95.
4. Долгих Г. И., Привалов В. Е. Лазерная физика. Фундаментальные и прикладные исследования. – Владивосток: ООО "Рея", 2016.
5. Ball Justin S., Godin Oleg A., Evers Laslo G., Lv Cheng. Long-range correlations of microseism-band pressure fluctuations in the ocean. – Geophys. J. Int., 2016, v.206, p.825–834.
6. Преснов Д. А., Жостков Р. А., Шуруп А. С., Собисевич А. Л. Натурные наблюдения сейсмоакустических волн в условиях покрытого льдом водоема. – Известия РАН. Сер. физическая, 2017, т. 8, № 1, c. 76–80.
7. Diez A., Bromirski P. D., Gerstoft P., Stephen R. A., Anthony R. E., Aster R. C., Cai C., Wiens D. A., Nyblade A. Ice shelf structure derived from dispersion curve analysis of ambient seismic noise, Ross Ice Shelf, Antarctica. – Geophys. J. Int., 2016, v.205, p.785–795.
8. Долгих Г. И., Валентин Д. И., Долгих С. Г., Ковалев С. Н., Корень И. А., Овчаренко В. В., Фищенко В. К. Применение лазерных деформографов вертикальной и горизонтальной ориентаций в геофизических исследованиях переходных зон. – Физика Земли, 2002, № 8, с. 69–73.
9. Долгих Г. И., Ковалев С. Н., Корень И. А., Овчаренко В. В. Двухкоординатный лазерный деформограф. – Физика Земли, 1998, № 11, с. 76–81.
10. Бородин А. Е., Долгих А. Г., Долгих Г. И., Фищенко В. К. Регистрация сейсмоакустических сигналов надводного судна двухкоординатным лазерным деформографом. – Акустический журнал, 2016, т. 62, № 1, с. 59–69.
В связи с необходимостью освоения Арктики перед учеными стоят задачи различного направления по выполнению ряда фундаментальных исследований с дальнейшим выходом полученных результатов в прикладную область с разработкой технологий и методик освоения арктических ресурсов. Одной из злободневных задач является задача по изучению структуры и состава морской земной коры как шельфовых, так и глубоководных покрытых льдом арктических акваторий. В настоящее время для этих целей в большей степени подходят активные и пассивные акустические методы [1–7]. Активные акустические методы ориентированы на применение низкочастотных гидроакустических излучателей, способных генерировать в воде сигналы различной сложности. В отличие от использования пневмопушек, взрывных источников и стримеров, применение гидроакустических излучателей является наиболее экологически безопасным для окружающей среды и биоты. В настоящее время в одной из главных технологий по изучению структуры и состава морской земной коры с целью поиска полезных ископаемых приемные системы располагаются в виде распределенных по дну датчиков. Такое расположение приемных систем является сложной задачей для покрытых льдом акваторий, особенно без его предварительного разрушения. Для преодоления данного затруднения возможно расположение приемных систем во льду [6] или на берегу [2–4].
В работах [2–4] в качестве приемных систем используются стационарные лазерные деформографы, расположенные на берегу м. Шульца Японского моря. Лазерные деформографы созданы по схеме интерферометра Майкельсона с использованием в качестве источника излучения частотно-стабилизированных гелий-неоновых лазеров. Рабочие плечи лазерных деформографов имеют длины 52,5 и 17,5 м [8, 9]. В совокупности они составляют двухкоординатный лазерный деформограф [9], который можно использовать для пеленгования различных источников естественного и искусственного происхождений [10].
Стационарные лазерные деформографы невозможно использовать для решения инверсионных задач многих акваторий. Для решения различных задач не требующих высокого метрологического обеспечения был создан мобильный лазерный деформограф [11], длина рабочего плеча которого варьируется в зависимости от поставленных задач. В качестве источника излучения в мобильном лазерном деформографе используется частотно-стабилизированный гелий-неоновый лазер фирмы Melles Griot, имеющий долговременную стабильность в девятом знаке. В данной статье рассмотрены особенности применения мобильного лазерного деформографа в зимних условиях для решения задач по изучению структуры и состава морской земной коры.
ОПИСАНИЕ ЭКСПЕРИМЕНТА И ПОЛУЧЕННЫХ РЕЗУЛЬТАТОВ
Перед началом эксперимента на берегу Амурского залива Японского моря в точке с координатами 43°11,754′ СШ и 131°55,141′ ВД был установлен мобильный лазерный деформограф, см. рис.1. В термостабилизированном помещении 1, в котором поддерживалась температура с точностью 0,5 град, располагалась основная часть интерферометра Майкельсона. Она состояла из: 1) лазера; 2) коллиматора; 3) делительной пластины ПИ‑100; 4) двух плоскопараллельных зеркал, закрепленных на пьезокерамических цилиндрах раскачки и системы сброса уровней; 5) системы экстремального регулирования, предназначенной для управления работой интерферометра. Уголковый отражатель размещался в термоизолированном боксе 2. Между точками 1 и 2 луч лазера распространялся в пен пропиленовых трубах (3). Компьютер с аналого-цифровым преобразователем размещался в отапливаемом помещении 4, в котором также находился оператор. Вся аппаратура запитывалась от переносного генератора, обеспечивающего на выходе стабильное переменное напряжение величиной 220 В. Цифровая система регистрации лазерного деформографа регистрировала изменение расстояния между основным узлом интерферометра (точка 1) и уголковым отражателем (точка 2) с точностью 0,3 нм. При длине измерительного плеча, равной 6 м, предельная чувствительность мобильного лазерного деформографа составляла величину .
На расстоянии 3150 м от места постановки мобильного лазерного деформографа в точке с координатами 43° 12,391′ СШ и 131° 52,984′ ВД в пропиленную лунку на глубину 12 м был спущен низкочастотный гидроакустический излучатель электромагнитного типа, который создавал в воде гармонические и сложные фазоманипулированные (М-последовательности) сигналы с центральной частотой 33 Гц. Низкочастотный гидроакустический излучатель является основным элементом излучающей системы, в которую дополнительно входят рама для подвеса излучателя, кабель-шланг с контрольным манометром, источник электропитания, электронасос, контрольный гидрофон, два калибровочных акселерометра, цифро-аналоговый преобразователь, ноутбук. В качестве первичных источников постоянного тока используется батарея последовательно соединенных (в количестве от 3 до 6 штук, в зависимости от необходимой мощности) кислотных аккумуляторов напряжением по 12 В, емкостью 90 А · ч. Источник питания представляет собой мостовой ключевой усилитель, выполненный на двух полумостовых IGBT-модулях, снабженный компенсирующей батареей конденсаторов 420 мкФ, защитным автоматом и амперметром постоянного тока. Максимальное эффективное звуковое давление, которое способна выдавать излучающая система, составляет 3 500 Па (191 дБ/1 мкПа). Вся дополнительная аппаратура излучающей системы располагалась в стоящем на льду микроавтобусе. Схема эксперимента приведена на рис.2.
Перед началом эксперимента на компьютере была построена модель сигнала, состоящая из тонового сигнала длительностью 300 с, паузой 30 с и одного фазоманипулированного сигнала. Излучающий пакет был общей длительностью 485 с. Дополнительно после каждой серии излучения отдельно выполнялось излучение одного фазоманипулированного сигнала. На рис.3 приведены динамические спектрограммы записей контрольного гидрофона и мобильного лазерного деформографа при работе гидроакустического излучателя.
Полученные записи контрольного гидрофона и мобильного лазерного деформографа были подвергнуты дополнительной обработке в лаборатории, которая сводилась к свертке записи контрольного гидрофона с записью лазерного деформографа. Один из результатов свертки представлен на рис.4. Применение систем точного времени в излучающей системе и в мобильном лазерном деформографе позволило объективно оценить времена приходов зарегистрированных сигналов с точностью 1 мс. Уверенно было зарегистрировано три прихода с временными промежутками от начала излучения 0,924; 1,270 и 1,526 с. По временам приходов сигналов и расстоянию между точками излучения и приема были определены вероятные минимальные скорости их распространения: 3 400, 2 480 и 2 060 м/с. Можно предположить, что: 1) сигнал, распространяющийся со скоростью 2 480 м/с, соответствует затухающей волне Рэлея, распространяющейся по границе "вода-дно"; 2) сигнал, распространяющийся со скоростью 3 400 м/с, соответствует волне Лява, распространяющейся по границе "донные осадки – базальт". Интересен сигнал, имеющий скорость распространения 2 060 м/с. Он может быть связан либо с ледяным покровом и обусловлен изгибной модой, либо его можно приписать поверхностной волне (аналог волны Рэлея затухающего типа), распространяющейся по границе "лед – водный слой".
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
В ходе выполнения экспериментальных работ на льду и берегу Амурского залива Японского моря была отработана методика эксплуатации мобильного лазерного деформографа в зимних условиях при отрицательных температурах воздуха. По полученным экспериментальным данным были определены минимальные скорости трех сигналов, распространяющихся от места излучения до берега, которые равны 3400, 2480 и 2060 м/с. Полученные результаты проведенного эксперимента продемонстрировали большие возможности данной технологии по изучению структуры и состава морской земной коры покрытых льдом арктических акваторий.
Работа выполнена при частичной финансовой поддержке программы "Дальний Восток" и РФФИ (грант 16-29-02023 офи_м, модернизация аппаратуры и проведение эксперимента).
ЛИТЕРАТУРА
1. Авербах В. С., Боголюбов Б. Н., Заславский Ю. М. и др. Применение сложных фазоманипулированных сигналов для сеймоакустического зондирования грунта гидроакустическим источником. – Акустический журнал, 1999, т. 45, № 1, с. 5–12.
2. Долгих Г. И., Долгих С. Г., Пивоваров А. А., Самченко А. Н., Чупин В. А., Швырев А. Н., Ярощук И. О. О перспективах применения лазерных деформографов для диагностики морского дна. – Доклады Академии наук, 2013, т. 452, № 3, с. 321–325.
3. Чупин В. А., Долгих Г. И. Развитие технологии диагностики морского дна с помощью низкочастотных гидроакустических излучателей и береговых лазерных деформографов. – Вестник ДВО РАН, 2015, № 6, с. 90–95.
4. Долгих Г. И., Привалов В. Е. Лазерная физика. Фундаментальные и прикладные исследования. – Владивосток: ООО "Рея", 2016.
5. Ball Justin S., Godin Oleg A., Evers Laslo G., Lv Cheng. Long-range correlations of microseism-band pressure fluctuations in the ocean. – Geophys. J. Int., 2016, v.206, p.825–834.
6. Преснов Д. А., Жостков Р. А., Шуруп А. С., Собисевич А. Л. Натурные наблюдения сейсмоакустических волн в условиях покрытого льдом водоема. – Известия РАН. Сер. физическая, 2017, т. 8, № 1, c. 76–80.
7. Diez A., Bromirski P. D., Gerstoft P., Stephen R. A., Anthony R. E., Aster R. C., Cai C., Wiens D. A., Nyblade A. Ice shelf structure derived from dispersion curve analysis of ambient seismic noise, Ross Ice Shelf, Antarctica. – Geophys. J. Int., 2016, v.205, p.785–795.
8. Долгих Г. И., Валентин Д. И., Долгих С. Г., Ковалев С. Н., Корень И. А., Овчаренко В. В., Фищенко В. К. Применение лазерных деформографов вертикальной и горизонтальной ориентаций в геофизических исследованиях переходных зон. – Физика Земли, 2002, № 8, с. 69–73.
9. Долгих Г. И., Ковалев С. Н., Корень И. А., Овчаренко В. В. Двухкоординатный лазерный деформограф. – Физика Земли, 1998, № 11, с. 76–81.
10. Бородин А. Е., Долгих А. Г., Долгих Г. И., Фищенко В. К. Регистрация сейсмоакустических сигналов надводного судна двухкоординатным лазерным деформографом. – Акустический журнал, 2016, т. 62, № 1, с. 59–69.
Отзывы читателей
