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

• Автор: Великосельцев, Александр Александрович
• Шифр специальности: 05.00.00
• Научная степень: Кандидатская
• Год защиты: 2005
• Место защиты: Мюнхен
• Количество страниц: 85 с. : ил.

Резюме
Общая модель работы кольцевого лазера адаптирована применительно к большим лазерным гироскопам С-П и & 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 ОЕОзешог, 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 ОЕОзепзог. Проанализированы вращательные сейсмограммы, полученные на лазерных гироскопах ОЕОэешог и в и приведено сравнение их с показаниями стандартных сейсмометров. Обсуждается ценность ОЕОзешог, как автономного сейсмологического измерительного комплекса.
Содержание
1. ВВЕДЕНИЕ
1.1 Большие лазерные гироскопы
1.2 Точностные характеристики лазерных гироскопов
1.3 Применение больших лазерных гироскопов в геодезии
1.4 Моделирование выходных данных лазерных гироскопов
2. МОДЕЛЬ ЛАЗЕРНОГО ГИРОСКОПА
2.1 The RLG operation theory
2.2 Модель ошибок лазерного гироскопа
2.2.1 Поправки к масштабному коэффициенту
2.2.2 Сдвиг нуля
2.2.3 Обратное рассеяние
2.2.4 Изменение поляризации в лазерных гироскопах
2.3 Построение модели
2.3.1 Однородное и неоднородное уширение
2.3.2 Функция дисперсии плазмы
2.3.3 Стабильность оптической частоты
2.3.4 Выходная мощность и коэффициент усиления
2.3.5 Формирование модели
3. ПРИМЕНЕНИЕ МОДЕЛИ ОШИБОК К БЛГ С-ll И G
3.1 Результаты для БЛГ C-II
3.2 Результаты для БЛГ G
4. ОРИЕНТАЦИЯ ЛАЗЕРНОГО ГИРОСКОПА
4.1 Суточное движение полюса
4.2 Приливные силы Земли и океана
4.3 Геофизические сигналы измеряемые лазерным гироскопом
4.4 Обсуждение результатов для БЛГ G и C-II
5. ЛАЗЕРНЫЕ ГИРОСКОПЫ В СЕЙСМОЛОГИЧЕСКИХ ИССЛЕДОВАНИЯХ
5.1 Введение
5.2 Теория сейсмического вращения
5.3 Условия регистрации землетрясений лазерными гироскопами
5.3.1 Механическая конструкция
5.3.2 Вклад наклона в изменения вращения
5.3.3 Возможные ограничения накладываемые исходным сигналом
6. КОНСТРУКЦИЯ GEOSENSOR
6.1 Конструкция лазерного гироскопа
6.2 Дополнительные датчики
6.3 Методы съема информации
6.3.1 Счетчики частоты и периода
6.3.2 Авторегрессионный анализ
6.3.3 Частотная демодуляция
6.3.4 Сравнительный анализ трех методов
6.4 Реализация временных меток
6.5 Структура файла данных
6.6 Структура комплекса GEOsensor
6.7 Сборка и установка системы
7. РЕЗУЛЬТАТЫ И ОБСУЖДЕНИЕ
7.1 Результаты полученные на БЛГ G
7.1.1 Землетрясение на Хоккайдо
7.1.2 Землетрясение в Бишофсхофене
7.2 Обсуждение результатов полученных на БЛГ GEOsensor
8 СРАВНЕНИЕ БЛГ С ДРУГИМИ СРЕДСТВАМИ ИЗМЕРЕНИЙ
8.1 Пара антипараллельных маятниковых сейсмометров (TAPS)
8.2 Волоконно-оптические гироскопы
8.3 Сейсмическая сеть
9. ЗАКЛЮЧЕНИЕ
ЛИТЕРАТУРА
на рассеянии и снижение добротности контура, что подтверждается измерением времени жизни фотона в резонаторе.
Таблица 5: Значения параметров модели ошибок БЛГ С-П для реализации, начатой в октябре 2003 года.
Av0 [кГц] kvT [МГц/К] г є [радиан] Alsr [Гц2]
763 -1.432 1.592-10"7 3.14 0.

Очевидно, что распределение величин параметров модели БЛГ C-II существенно варьируется от реализации к реализации. Значение параметра начального смещения частоты невелико, так как он отражает лишь местонахождение частоты генерации относительно центра линии на начало записи данных. То же самое верное для фазы обратного рассеяния, взятой за постоянную величину в течении всей реализации. Значения же температурной зависимости частоты и амплитуды обратного рассеяния варьируются в пределах от 50кГц/К до 7МГц/К и от 10 до 10'7 соответственно. Такие значительные флуктуации параметров могут быть вызваны гибкостью процедуры минимизации, которая подстраивает эти параметры для получения наилучшего минимума. Необходимо наличие опорной величины для обеспечения хорошей сходимости данных и получения правдоподобных параметров модели ошибок. Такой опорной величиной могло бы стать прямое измерение частоты генерации, являющейся образующим звеном в модели.
3.2 Результаты для БЛГ G
Лазерный гироскоп G имеет в 16 раз большую площадь по сравнению с С-И и, следовательно, обладает гораздо более высокой чувствительностью. Значительный масштабный коэффициент и горизонтальное расположение контура резонатора в подземной лаборатории станции Веттцелль позволяют получить частоту биений из-за вращения Земли равную 348.636 Гц. Как правило, существенных вариаций выходного сигнала из-за флуктуаций атмосферного давления и температуры в БЛГ G не наблюдается. Практически отсутствует модуляция из-за связи встречных волн через обратное рассеяние. Так как используемые в БЛГ G зеркала имеют характеристики, сходные с зеркалами других БЛГ, предполагается, что в данном случае увеличение периметра выступает механизмом снижения влияния обратного рассеяния на выходной сигнал.
Это позволяет избежать сложностей, вытекающих из нелинейности [39] обратного рассеяния как источника погрешности лазерного гироскопа, оставляя на рассмотрение лишь сдвиг нуля в качестве доминирующего источника дрейфа БЛГ. Вследствие этих упрощений выражение для частоты биений приобретает вид:
Af = К ()+ КАр + А/0 (52)
где КА описывает влияние активной среды на масштабный коэффициент, а А/0 -сдвиг нуля из-за амплитудной невзаимности в резонаторе. Последний член является основным источником погрешности БЛГ G. Это выдающийся успех в деле конструирования таких приборов. Источник наблюдаемой амплитудной невзаимности пока недостаточно понятен. БЛГ G сконструирован таким образом, чтобы избежать любой асимметрии в направлении распространения встречных