RU99194U1

RU99194U1 - LASER BALLISTIC GRAVIMETER

Info

Publication number: RU99194U1
Application number: RU2010128388/28U
Authority: RU
Inventors: Евгений Николаевич Калиш; Максим Викторович Охапкин; Михаил Николаевич Скворцов; Юрий Федорович Стусь
Original assignee: Общество с ограниченной ответственностью "Гравиметрическая компания"
Priority date: 2010-07-08
Filing date: 2010-07-08
Publication date: 2010-11-10

Abstract

Лазерный баллистический гравиметр, содержащий баллистический блок, реализующий свободное падение пробного тела, лазерный интерферометр с оптическим уголковым отражателем, установленным на пробном теле, и измерительно-вычислительную систему, отличающийся тем, что в качестве источника света интерферометра используют оптический стандарт длины на базе твердотельного, стабилизированного по йоду Nd:YAG/I2 лазера с рабочей длиной волны 532 нм. A laser ballistic gravimeter containing a ballistic unit that implements free fall of a test body, a laser interferometer with an optical angle reflector mounted on a test body, and a measuring and computing system, characterized in that an optical standard of length based on solid-state stabilized is used as the light source of the interferometer by iodine Nd: YAG / I2 laser with a working wavelength of 532 nm.

Description

Полезная модель относится к области гравиметрии и предназначена для измерения абсолютного значения ускорения свободного падения.The utility model relates to the field of gravimetry and is intended to measure the absolute value of the acceleration of gravity.

Известны устройства (см., например, Справочник геофизика./Под ред. Мудрецовой Е.А., Веселова К.Е., М.: Недра, 1990; патент США №5351122, МПК G01P 3/38, публ. 27.09. 1994) для измерения абсолютных значений ускорения свободного падения, так называемые "баллистические гравиметры", содержащие баллистический блок, представляющий собой вакуумную трубу, в которой может свободно падать пробное тело, несущее оптический уголковый отражатель, интерферометр Майкельсона на основе гелий-неонового лазера, отслеживающий перемещение пробного тела, и измерительно-вычислительную систему, осуществляющую измерение интервалов пути и времени пробного тела в процессе его свободного падения и последующее вычисление по результатам этих измерений абсолютного значения ускорения свободного падения, а также управление работой изделия.Known devices (see, for example, Handbook of Geophysics. / Ed. Mudretsova EA, Veselova KE, M .: Nedra, 1990; US patent No. 5351122, IPC G01P 3/38, publ. September 27, 1994 ) to measure the absolute values of the acceleration of gravity, the so-called "ballistic gravimeters" containing a ballistic unit, which is a vacuum tube in which a test body carrying an optical angle reflector can freely fall, a Michelson interferometer based on a helium-neon laser that tracks the movement of the test body, and measuring and computing a system that measures the intervals of the path and time of the test body in the process of its free fall and subsequent calculation of the absolute value of the acceleration of free fall from these measurements, as well as control the operation of the product.

Принцип действия баллистического гравиметра заключается в измерении с помощью лазерного интерферометра расстояний, пройденных свободно падающим в вакууме пробным телом за заданные временные интервалы, и последующем вычислении по результатам измерений значения ускорения.The principle of operation of a ballistic gravimeter consists in measuring with a laser interferometer the distances traveled by a test body falling freely in a vacuum over specified time intervals, and then calculating the acceleration value from the measurement results.

Недостатком известных устройств является недостаточно высокая точность измерений, обусловленная нестабильностью длины волны малогабаритных гелий-неоновых лазеров.A disadvantage of the known devices is the insufficiently high measurement accuracy due to the instability of the wavelength of small helium-neon lasers.

Более высокую точность обеспечивает устройство для измерения абсолютного значения ускорения силы тяжести (см., например, Арнаутов Г.П., Калиш и др. Лазерный баллистический гравиметр ГАБЛ-М и результаты наблюдений силы тяжести. /Ж. Автометрия, 1994. №3, с.3-11), содержащее баллистический блок, реализующий свободное падение пробного тела с установленным на нем оптическим уголковым отражателем, оптически связанный с уголковым отражателем интерферометр с источником света на основе газового гелий-неонового лазера и измерительно-вычислительный блок.The device for measuring the absolute value of the acceleration of gravity provides higher accuracy (see, for example, Arnautov GP, Kalish et al. Laser ballistic gravimeter GABL-M and the results of observations of gravity. / J. Autometry, 1994. No. 3, p. 3-11), containing a ballistic unit that implements free fall of a test body with an optical corner reflector mounted on it, an interferometer optically coupled to the corner reflector with a light source based on a gas helium-neon laser, and a measurement and computing unit to.

Однако для обеспечения высокой точности известного гравиметра, в процессе измерений необходимо периодически сравнивать (и при необходимости корректировать) длину волны излучения рабочего гелий-неонового лазера с высокоточным эталоном.However, to ensure the high accuracy of the known gravimeter, it is necessary to periodically compare (and if necessary correct) the wavelength of the radiation of a working helium-neon laser with a high-precision standard.

Указанное обстоятельство обусловливает ряд недостатков известного гравиметра - значительные неудобства при работе с гравиметром из-за громоздкости применяемой аппаратуры и повышенной сложности ее обслуживания, практическая невозможность проведения измерений в полевых условиях, потенциальная возможность появления дополнительной погрешности измерений из-за незамеченного ухода длины волны рабочего излучения.This circumstance causes a number of drawbacks of the known gravimeter - significant inconvenience when working with the gravimeter due to the cumbersomeness of the equipment used and the increased complexity of its maintenance, the practical impossibility of taking measurements in the field, the potential for additional measurement errors due to the undetected departure of the working radiation wavelength.

Задачей предлагаемой полезной модели является устранение указанных недостатков, а именно: создание высокоточного, с улучшенными эксплуатационными характеристиками лазерного гравиметра для проведения измерений в полевых условиях.The objective of the proposed utility model is to eliminate these drawbacks, namely: the creation of a high-precision, with improved performance characteristics of a laser gravimeter for measurements in the field.

Достигаемые технические результаты полезной модели - высокая точность измерений, возможность применения и удобство эксплуатации прибора в полевых условиях.The achieved technical results of the utility model are high measurement accuracy, the possibility of application and ease of use of the device in the field.

Указанные технические результаты достигаются за счет того, что в лазерном баллистическом гравиметре, содержащем баллистический блок, реализующий свободное падение пробного тела, лазерный интерферометр с оптическим уголковым отражателем, установленным на пробном теле, и измерительно-вычислительную систему, в качестве источника света интерферометра используется оптический стандарт длины на базе твердотельного, стабилизированного по йоду Nd:YAG/I₂ - лазера с рабочей длиной волны 532 нм.These technical results are achieved due to the fact that in a laser ballistic gravimeter containing a ballistic unit that implements free fall of the test body, a laser interferometer with an optical angle reflector mounted on the test body, and a measuring and computing system, the optical standard is used as the light source of the interferometer lengths based on a solid-state iodine-stabilized Nd: YAG / I ₂ laser with a working wavelength of 532 nm.

На фиг.1 представлена структурная схема гравиметра, на фиг.2 - оптическая схема интерферометра.Figure 1 presents the structural diagram of the gravimeter, figure 2 is an optical diagram of the interferometer.

Лазерный баллистический гравиметр содержит: баллистический блок 1 со свободно падающим пробным телом несущим оптический уголковый отражатель 2, Nd:YAG/I₂ - лазер 3, интерферометр, образованный лучеделителем 4, отражателем 2 и референтным уголковым отражателем 5, контрольно-измерительный блок 6, систему виброзащиты 7, оптоволоконные кабели 8 и 9.The laser ballistic gravimeter contains: a ballistic unit 1 with a freely falling test body carrying an optical angle reflector 2, Nd: YAG / I ₂ - laser 3, an interferometer formed by a beam splitter 4, reflector 2 and a reference angle reflector 5, control and measuring unit 6, system vibration protection 7, fiber optic cables 8 and 9.

Работает устройство следующим образом.The device operates as follows.

Пробное тело, несущее уголковый оптический отражатель 2, в вакуумной трубе баллистического блока 1 устанавливается в начальное положение. По стартовому сигналу пробное тело начинает свободное падение, в течение которого производится измерение пройденных интервалов пути и времени их прохождения.A test body carrying a corner optical reflector 2, in the vacuum tube of the ballistic unit 1 is set to the initial position. According to the start signal, the test body begins a free fall, during which the measured distance of the path and the time of their passage are measured.

Оптическая система выполнена по схеме модифицированного интерферометра Майкельсона с линейным расположением лучей относительно измерительного и референтного плеч. Излучение лазера 3 вводится в оптическую систему с помощью входного оптоволоконного кабеля 8 с сохранением поляризации и направляется на лучеделитель 4, представляющий собой стеклянную плоскопараллельную пластину с двухсторонним светорасщепляющим напылением. На передней плоскости лучеделителя излучение разделяется на два луча. Отраженный луч через входное окно вакуумной камеры направляется на уголковый отражатель 2, а другая половина излучения проходит сквозь стекло пластины лучеделителя 4 и является опорным плечом интерферометра. Отраженный от уголкового отражателя 2 луч проходит через прозрачную (без напыления) часть пластины 4 и попадает на референтный уголковый отражатель 6, после отражения от которого, направляется на напыленную часть лучеделителя 2, где интерферирует с опорным лучом. Проинтерферировавшие лучи по выходному световолоконному кабелю 9 поступают на фотоприемник, расположенный в контрольно-измерительном блоке 6 гравиметра.The optical system is designed according to a modified Michelson interferometer with a linear arrangement of rays relative to the measuring and reference arms. The radiation of the laser 3 is introduced into the optical system using the input fiber optic cable 8 while maintaining polarization and is directed to the beam splitter 4, which is a glass plane-parallel plate with double-sided light-splitting sputtering. On the front plane of the beam splitter, the radiation is divided into two beams. The reflected beam through the input window of the vacuum chamber is directed to the corner reflector 2, and the other half of the radiation passes through the glass plate of the beam splitter 4 and is the supporting arm of the interferometer. The beam reflected from the corner reflector 2 passes through the transparent (without spraying) part of the plate 4 and enters the reference corner reflector 6, after reflection from which it is directed to the sprayed part of the beam splitter 2, where it interferes with the reference beam. The interfering rays through the output fiber optic cable 9 are fed to a photodetector located in the control and measuring unit 6 of the gravimeter.

Результатом интерференции опорного и отраженного от падающего тела лучей является появление на выходе интерферометра последовательности чередующихся максимумов и минимумов интенсивности излучения.The result of the interference of the reference and reflected rays from the incident body is the appearance at the interferometer output of a sequence of alternating maxima and minima of the radiation intensity.

Таким образом, отслеживающий падение пробного тела лазерный интерферометр дискретизирует пройденный телом путь на полуволновые отрезки, формируя при прохождении каждого отрезка световой импульс. Выходные импульсы интерферометра регистрируются и считываются соответствующими устройствами контрольно-измерительного блока. Количество зарегистрированных импульсов определяет расстояние, пройденное телом. По измеренным значениям расстояний и соответствующих им измеренным интервалам времени по известным соотношениям вычисляется ускорение свободного падения.Thus, the laser interferometer that tracks the fall of the test body discretizes the path traveled by the body into half-wave segments, forming a light pulse during each segment. The output pulses of the interferometer are recorded and read by the corresponding devices of the control and measuring unit. The number of detected pulses determines the distance traveled by the body. From the measured values of the distances and the corresponding measured time intervals from the known relations, the acceleration of gravity is calculated.

По сравнению с лазерами, используемыми в известных баллистических гравиметрах, достоинствами предлагаемого оптического стандарта длины на основе Nd:YAG/I₂ - лазера с кольцевой схемой резонатора и внутрирезонаторным удвоением частоты являются:Compared with the lasers used in known ballistic gravimeters, the advantages of the proposed optical standard of length based on Nd: YAG / I ₂ - a laser with a ring resonator circuit and intracavity frequency doubling are:

- высокая стабильность частоты, исключающая необходимость ее периодической поверки, требующей значительных затрат средств и времени;- high frequency stability, eliminating the need for its periodic verification, requiring significant cost and time;

- отсутствие модуляции выходного излучения, за счет чего повышается точность измерений;- lack of modulation of the output radiation, thereby increasing the accuracy of measurements;

- высокая выходная мощность лазера, обусловливающая возможность значительного (в 5-10 раз) увеличения соотношения сигнал/шум выходного сигнала;- high output laser power, which makes it possible to significantly (5-10 times) increase the signal-to-noise ratio of the output signal;

- возможность, за счет большой выходной мощности лазера, использования оптического кабеля для ввода лазерного излучения в интерферометр и вывода полезного сигнала из него, что упрощает настройку и юстировку прибора, позволяет значительно снизить массу и габаритные размеры аппаратуры.- the possibility, due to the large output power of the laser, the use of an optical cable to enter laser radiation into the interferometer and output a useful signal from it, which simplifies the setup and adjustment of the device, can significantly reduce the weight and overall dimensions of the equipment.

Заявляемый в качестве полезной модели абсолютный баллистический лазерный гравиметр, прошел полевые испытания в Горном Алтае и Заполярье - местностях, существенно различающихся по атмосферно-климатическим условиям. Измерения на Алтае проводились в условиях высоких (в пределах 29-31°С) температур воздуха и пониженного (650-655 мм. рт.ст.) атмосферного давления. В противоположность этому при работе в Заполярье температура внешней среды колебались в пределах 0-10°С, а атмосферное давление находилось в пределах 760-770 мм. рт.ст.Declared as a utility model, an absolute ballistic laser gravimeter passed field tests in Gorny Altai and Zapolyarye - areas that significantly differ in atmospheric and climatic conditions. Measurements in Altai were carried out under conditions of high (within 29-31 ° C) air temperatures and low (650-655 mm Hg) atmospheric pressure. In contrast, when working in the Arctic, the ambient temperature fluctuated between 0-10 ° C, and atmospheric pressure was in the range of 760-770 mm. Hg

При проведении испытаний питание прибора осуществлялось от автомобильного аккумулятора, от передвижного дизель-генератора на 220 V, а также от стационарной внешней сети 220 В.During testing, the device was powered from a car battery, from a mobile diesel generator at 220 V, as well as from a stationary external network of 220 V.

Результаты проведенных испытаний показали, что гравиметр сохраняет свои технические и эксплуатационные характеристики в сложных полевых условиях. По результатам измерений установлено, что инструментальная среднеквадратическая погрешность измерения абсолютного значения ускорения силы тяжести гравиметром не превышает ±5×10^-8 м/с².The results of the tests showed that the gravimeter retains its technical and operational characteristics in difficult field conditions. According to the measurement results, it was found that the instrumental mean square error of measuring the absolute value of the acceleration of gravity by a gravimeter does not exceed ± 5 × 10 ^-8 m / s ² .

Claims

A laser ballistic gravimeter containing a ballistic unit that implements free fall of a test body, a laser interferometer with an optical angle reflector mounted on a test body, and a measuring and computing system, characterized in that an optical standard of length based on solid-state stabilized is used as the light source of the interferometer for iodine Nd: YAG / I ₂ laser with a working wavelength of 532 nm.