CC BY
18Управляемый реверсивный счетчик в схеме длиннобазового гетеродинного интерферометра
Алешин В. А.(1), Дубров М. Н.(тМ139@ке216тк^и )(1), Чиж С. В.(2)
(1) Институт радиотехники и электроники РАН (2) Московский государственный университет леса
Решается задача построения регистрирующего устройства гетеродинного интерферометра на основе реверсивного счетчика с цифровым автоматическим управлением. Проведено исследование его работы в схемах длиннобазовых лазерных интерферометров-деформографов как в открытой турбулентной атмосфере, так и в стабильных условиях подземного лучевода. Показано, что цифровые системы регистрации по сравнению с аналоговыми обладают более высоким быстродействием и помехоустойчивостью. Созданные инструментальные средства и разработанные методы позволяют измерять вариации оптической длины на трассах протяженностью до 850 м, исследовать сейсмические колебания земной поверхности. Достигнуто экспериментальное разрешение гетеродинного интерферометра порядка 10(-12) относительных единиц.
1. Введение
Лазерные интерферометрические устройства для высокоточного измерения пространственных деформаций протяженных объектов - лазерные деформографы в настоящее время применяются в геофизике и сейсмологии [1-3], в технологических испытаниях и в научных исследованиях при постановке фундаментальных физических экспериментов [3,4]. В отличие от лазерных интерферометров широкого назначения, используемых в точном машиностроении и электронной технике, авиа- и судостроении, в инженерной геодезии и строительстве, здесь требуется предельно высокое разрешение инструмента при сохранении широкого динамического диапазона измеряемых перемещений. Повышенная точность и помехоустойчивость интерферометров-деформографов необходимы, в частности, при разработке современных методов калибровки и верификации прецизионной сейсмометрической и деформографической аппаратуры [1,3]. Лазерные приборы совместно с другими геофизическими датчиками используются при решении задач, связанных с регистрацией и определением параметров геодинамических волновых полей [5], с изучением новых особенностей распространения сейсмических сигналов [6].
Наряду с оптической схемой лазерного деформогорафа, его метрологические характеристики во многом определяются электронными устройствами считывания и регистрации интерферометрических данных. Целью настоящей работы является исследование и проведение испытаний одного из важных элементов помехоустойчивого лазерного интерферометра-деформографа, а именно, реверсивного счетчика с цифровым управлением, осуществляющего высокоточную регистрацию перемещения интерференционных полос. (Исходные данные: частота переключения счетчика не менее 10 МГц; временное разрешение по совпадению
входных импульсов 0,2 мкс; напряжение питания +5 В; уровень входных сигналов 0,4 -2,4 В; режимы управляемого счета ± 8; ± 64; ± 512 импульсов).
2. Интерферометры и системы регистрации
Лазерный интерферометрический датчик деформаций состоит из: оптического интерферометра, источника когерентного излучения - лазера и системы регистрации перемещений интерферограммы. Длина волны лазерного излучения одновременно является эталоном, с которым сравнивается длина исследуемого объекта или его перемещение. По принципу построения оптической схемы лазерные интерферометры можно разделить на два класса - гомодинные и гетеродинные интерферометры. В первом случае используется одна оптическая частота стабилизированного лазера, а для высокоточного измерения перемещений интерферограммы применяются, как правило, аналоговые системы регистрации. Примерами таких инструментов могут служить классические схемы интерферометров Майкельсона и Фабри-Перо. Гетеродинные интерферометры в своей работе используют две оптические частоты, например, в опорном и в измерительном каналах, а регистрация перемещений интерферограммы осуществляется на промежуточной (разностной) радиочастоте. В качестве источника света применяют два отдельных лазера либо один двухчастотный лазер, или же -одночастотный лазер, часть излучения которого сдвигается по частоте радиооптическим модулятором.
Аналоговые системы регистрации гомодинных интерферометров обладают высоким разрешением: до 10(-3) - 10(-5) периода интерферограммы [7], но их частотный диапазон ограничен механическими свойствами используемых элементов (вибрационные гальванометры работают на частотах до 10 кГц). Кроме того, эти системы чувствительны к воздействиям таких внешних мешающих факторов, как флуктуации пучка, нестабильность оптических элементов интерферометра и др.
Цифровые системы регистрации обладают более широким частотным диапазоном и повышенной помехоустойчивостью. Существуют системы цифровой регистрации гомодинного типа, позволяющие измерять перемещения интерферограммы с точностью до 0,25 - 0,12 периода. Однако наиболее высокоточными являются системы регистрации гетеродинных интерферометров. Рассмотрим их устройство более подробно.
Рис. 1. Двухлучевой гетеродинный интерферометр-деформограф: 1 - фазовый модулятор; 2 - генератор пилообразного напряжения; 3 - селективный фотоприемник; 4 - усилитель-ограничитель; 5 - реверсивный счетчик; 6 - регистрирующее устройство; 7 - лазер; 8 - светоделители; 9 - уголковые отражатели; 10 - зеркала
На рис.1 приведена блок-схема гетеродинного лазерного интерферометра, используемого нами для измерения вариаций оптической длины атмосферных трасс [8]. В качестве источника излучения служит лазер, который имеет гауссово
распределение поля в поперечном сечении. Такое распределение по сравнению с другими распределениями поля в сечении пучка обеспечивает его минимальную угловую расходимость. Это позволяет передавать лазерное излучение на большие расстояния при сравнительно небольших габаритах оптических узлов.
Система регистрации гетеродинного интерферометра (рис. 1) работает следующим образом. Фазовый модулятор 1, подключенный к генератору пилообразного напряжения 2, осуществляет сдвиг оптической частоты лазера в опорном плече и интерферометра. Бегущая во времени интерферограмма, образованная при сложении опорного пучка и пучка в измерительном плече L , подается на селективный фотоприемник 3, на выходе которого выделяется промежуточная радиочастота. Усилитель-ограничитель 4 служит для устранения амплитудных искажений интерференционного сигнала, вызванных турбулентностью атмосферы, нестабильностью поворотных оптических элементов и пр. Фаза 5 интерференционного сигнала и ( t ) :
несет информацию о временных изменениях оптической длины L измерительного плеча интерферометра:
Величина этого фазового сдвига измеряется широкодиапазонным фазометрическим устройством, включающим реверсивный счетчик 5 и регистратор 6 (рис. 1).
3. Реверсивный счетчик с цифровым управлением
Для работы гетеродинной системы регистрации интерферометра требуется реверсивный счетчик двух последовательностей импульсов. Одна из них - опорная и формируется генератором пилоообразного напряжения. Вторая последовательность -измерительная и образуется интерференционным сигналом ( 1 ) .
Существуют промышленные реверсивные счетчики, например, программный счетчик Ф5007. Однако, для решения поставленной задачи такие приборы не могут быть использованы без их дополнительной модернизации. Кроме того, измерительная система оказывается громоздкой и потребляет значительное количество электроэнергии. Для применения в описанных гетеродинных интерферометрах спроектирован нестандартный помехоустойчивый реверсивный счетчик с электронным цифровым управлением.
Структурная схема счетчика приведена на рис.2. Счетчик состоит из четырех блоков 1-4, образующих схему собственно счетчика, задающего строб-генератора и блока 5 для вывода результатов измерений.
и (t) = и0 cos(at +5)
( 1 )
5 = и) / X , X = 633 нм - длина волны лазера
( 2 )
Самописец АЦП, компьютер
Рис. 2. Реверсивный счетчик с цифровым управлением: 1 - логический блок, 2 - блок счета импульсов, 3 - блок индикации, 4 - блок управления, 5 - цифро-аналоговый преобразователь
При совпадении по времени импульсов на входах А и Б счетчика возникают помехи в его работе (сбои, неустойчивые переключения разрядов), связанные с одновременным приходом счетных импульсов на оба входа счетчика. Для разнесения входных импульсов по времени используется логический блок 1. Его работа синхронизируется строб-генератором. Временное разрешение входных импульсов задается частотой этого генератора, которая выбрана равной 5 МГц.
Блок счета импульсов 2 предназначен для счета «+» А и «-» Б входных импульсов и выполнен на последовательно включенных четырехразрядных двоичных счетчиках серии К155ИЕ7.
Блок индикации 3 служит для обеспечения работы визуальной светодиодной индикации и вывода данных результата измерений.
Блок управления 4 предназначен для задания режима счета интерференционных полос и позволяет реализовывать три режима счета: ± 8; ± 64; ± 512 импульсов. В схеме также предусмотрен режим ручного управления, предназначенный для проверки работоспособности и калибровки системы регистрации интерферометра.
Конструктивно счетчик выполнен в виде отдельной печатной платы, которая может быть встроена в электронную аппаратуру. В качестве элементной базы разработанного реверсивного счетчика выбраны ТТЛ микросхемы серии К155, как наиболее подходящие по заданным параметрам. Основные технические характеристики счетчика: частота переключения не менее 10 МГц; временное разрешение по совпадению входных импульсов 0,2 мкс; напряжение питания +5 В; уровень входных сигналов 0,4 - 2,4 В; емкость счетчика 2**(4К) , где N - число последовательно включенных четырехразрядных двоичных счетчиков К155ИЕ7.
4. Испытания гетеродинных систем регистрации на основе управляемого
реверсивного счетчика
Применение лазерных интерферометров для измерения взаимных перемещений объектов, разнесенных на большие расстояния, открыло путь к созданию уникальных инструментов для исследования оптических свойств атмосферы и для проведения высокоточных геофизических наблюдений.
Цифровые системы интерференционной регистрации на основе разработанного управляемого реверсивного счетчика использовались нами в гетеродинных
интерферометрах для исследования вариаций оптической длины открытых атмосферных трасс и для измерения деформаций земной поверхности.
Лазерные измерители деформаций позволяют изучать глубинное строение Земли, проявления ее сейсмической активности, разрабатывать методы прогнозирования землетрясений. Эти приборы совместно с сейсмометрическими установками используются при решении задач, связанных с регистрацией и определением параметров сейсмических сигналов естественного и техногенного происхождения. Эффективность деформографа, в том числе отношение сигнал/шум, повышается при увеличении длины измерительного плеча. Высокими метрологическими характеристиками обладают лазерные интерферометры-деформографы, использующие в качестве эталона длину волны стабилизированного по частоте лазера. Современные лазеры имеют длину когерентности порядка 10(9) м и, следовательно, позволяют проводить интерферометрические измерения при практически неограниченной оптической разности хода в плечах интерферометра.
В наших экспериментах при исследовании вариаций интегральной оптической плотности атмосферных трасс длина измерительного плеча двухлучевого гетеродинного интерферометра (рис.1) изменялась от 100 м до 500 м. Использование в качестве опорного плеча и отрезка подземной лучеводной линии [9] такой же длины позволяло проводить измерения с нестабилизированным по частоте лазером. Управляемый реверсивный счетчик применялся нами также и в схеме помехоустойчивого измерителя на основе трехзеркального лазерного интерферометра [10]. Гетеродинная система регистрации обеспечивала устойчивые результаты измерения вариаций оптической длины на атмосферных трассах протяженностью до 850 м в видимом диапазоне длин волн (X = 633 нм).
На рис.3 показаны примеры записи сигнала на выходе реверсивного счетчика и цифро-аналогового преобразователя в схемах различных гетеродинных интерферометров. Для записи рис.3а 850-метровая трасса лазерного пучка в измерительном плече трехзеркального интерферометра проходила в турбулентной атмосфере на открытой местности на высоте от 2 м до 5 м над поверхностью земли. Апертура передающего телескопа около 40 мм, а отражателя типа «кошачий глаз» -около 160 мм.
Рис. 3. Результаты испытаний реверсивного счетчика с электронным управлением:
Рис.3 а) длина оптической трассы в атмосфере 850 м; высота 2-5 м над поверхностью земли; длительность записи - 30 секунд; + - механическое возмущение дальнего отражателя
На приведенной записи, выполненной в период стабильного состояния атмосферы, видно, что турбулентные флуктуации оптической длины составляют единицы микрон в диапазоне периодов 1-10 секунд. Диапазон автоматического управления реверсивного счетчика ± 64 импульса (± 64 X /2) позволяет на фоне случайных вариаций оптической плотности воздуха одновременно наблюдать также и квазипериодические колебания удаленного отражателя с частотой около 1 Гц и
двойной амплитудой порядка 10 мкм (~30 X / 2) , вызванные его механическим возмущением. При возрастании амплитуды случайных флуктуаций свыше 20 мкм счетчик работает в режиме автоматического управления, отслеживая средний уровень флуктуирующего сигнала в практически неограниченном динамическом диапазоне. Такой режим работы счетчика поясняет запись сигнала (рис.3 б) на выходе системы регистрации лазерного интерферометра, используемого нами для сейсмических наблюдений.
+ 8Ш
12000
А О
3000-
12 мин
Рис.3 б) длина подземного гетеродинного интерферометра - 100 м; диапазон регистрации ± 8 X / 2 (± 2,5 мкм); длительность записи - 12 минут; начало записи -21.05.2003, 13 ч 38 м GMT
В условиях подземного лучевода, где размещаются измерительные плечи 100-метрового и 300-метрового геофизических интерферометров [11], амплитуда флуктуаций оптической длины становится меньше 1 мкм, поэтому диапазон автоматического управления реверсивного счетчика выбирается равным ± 8 импульсов (± 8 X /2). Средний уровень выходного сигнала системы регистрации задается установкой четырех младших разрядов счетчика в начальное состояние «8». При превышении какого либо из крайних состояний счетчика: «15» в сторону уменьшения сигнала или «0» - в сторону его увеличения, счетчик автоматической командой установки переводится в начальное состояние, и процесс регистрации продолжается с нового среднего уровня выходного сигнала. Таким способом могут быть измерены как значительные по величине деформации (перемещения удаленного отражателя), так и микросейсмические колебания почвы (рис.3в), амплитуда которых меньше одного периода интерферограммы, т.е. меньше X / 2. При этом помехозащищенность системы регистрации выражается в том, что снижение амплитуды Uo интерференционного сигнала (1) на выходе фотоприемника в десятки раз не ухудшает точность системы регистрации, пока не достигнут порог неустойчивости.
10900 10400 9900 9400
8900
Рис. 3 в) увеличенный фрагмент А на записи рис.3б длительностью 12 секунд: дискретность отсчета по времени 0,165 с, по амплитуде - 0,4 нм
Запись результатов измерений выполняется с помощью автоматизированной системы, включающей ПЭВМ и аналого-цифровой преобразователь АЦП (рис.2) для ввода электрического сигнала от системы регистрации интерферометра. Результаты, приведенные на рис.3(б и в), получены с помощью 14-разрядного двоичного АЦП, обладающего временным быстродействием 40 мкс. Дискретность оцифровки амплитуды сигнала в пересчете на перемещение интерферограммы составляет 0,4 нм, что при длине измерительного плеча 100 м соответствует относительной разрешающей способности интерферометра б L / L = 4 х 10(-12).
4. Выводы
В работе решена задача построения регистрирующего устройства гетеродинного интерферометра на основе помехоустойчивого реверсивного счетчика с цифровым автоматическим управлением. Проведено исследование его работы в схемах длиннобазовых лазерных интерферометров-деформографов, работающих как в открытой турбулентной атмосфере, так и в стабильных условиях подземного лучевода.
Показано, что цифровые системы регистрации по сравнению с аналоговыми обладают более высоким быстродействием и помехоустойчивостью. Для исследования интенсивных сейсмических и акустических сигналов цифровая система регистрации оказывается предпочтительнее.
Созданные инструментальные средства и разработанные методы позволяют проводить интерферометрические измерения вариаций оптической длины на трассах протяженностью до 850 м. Достигнуто экспериментальное разрешение гетеродинного интерферометра порядка 4 х 10(-12) относительных единиц при длине измерительного плеча 100 м. Регистрирующие устройства обладают практически неограниченными динамическим и частотным диапазонами.
Результаты работы могут быть использованы при выполнении деформографических наблюдений в геофизике и инженерной геодезии, в измерительных системах, где требуется повышенная точность позиционирования, в частности, при разработке прецизионных устройств в компьютерной технике, в микро -и наноэлектронике, в прецизионной сейсмометрии.
Работа выполнена при поддержке РФФИ, проект №02-05-64720.
Литература
1. Матвеев Р.Ф. и др. Проведение фундаментальных геофизических исследований многокомпонентной системой широкополосных лазерных деформографов, Информационный бюллетень РФФИ, 4 (1996), 5, с.491.
2. Долгих Г.И. Исследование волновых полей океана и литосферы лазерно-интерференционными методами. Владивосток: Дальнаука, 2000, 160 с.
3. Zadro M., Braitenberg C. Measurement and Interpretation of Tilt-Strain Gauges in Seismically Active Areas, Earth-Science Reviews, 1999, v.47, Iss.3-4, pp.151-187.
4. Ando M. et al Stable Operation of a 300-m Laser Interferometer with Sufficient Sensitivity to detect Gravitational-Wave Events within Our Galaxy, Phys. Rev. Lett., 2001, V.86, N18, pp.3950-3954.
5. Dubrov M.N. et al. Strain, tilt, and gravity monitoring of long period and seismogravity oscillations. Proceeding of the Ninth International Symposium on Recent Crustal Movements CRCM'98, Nov. 14-19, 1998, Cairo, Egypt, NRIAG, 2000, v.1, pp.167-178.
6. Алешин В. А. и др. О регистрации быстро распространяющихся компонент сейсмических сигналов лазерным деформографом, Вулканология и сейсмология, 2004, вып.1.
7. Дубров М.Н., Алешин В. А. Высокоточные лазерные интерферометры в многокомпонентных измерительных системах, Журнал радиоэлектроники (электронный журнал), 2000, N10, http://jre.cplire.ru/jre/oct00/4/text.html
8. Дубров М.Н. и др. Применение лазерных интерферометров-деформографов в метрологии больших длин, Измерительная техника, 1990, №5, с.17-19.
9. Матвеев Р.Ф. и др. Подземный лучевод как высокостабильная линия связи и уникальный физический инструмент, в сб. "Радиотехника, электроника и связь на рубеже тысячелетия", Труды 55-й Научной сессии, посвященной Дню радио, 17-19 мая 2000 г., Москва, РНТО РЭиС, 2000, с. 164-165.
10. Алешин В.А., Дубров М.Н. Измерительная система с трехзеркальным лазером-интерферометром, Авт. св. №896392, G 01 B 9/02, 1985, БИ №8.
11. Дубров М.Н. и др. Исследование когерентности излучения и чувствительности длиннобазовых лазерных интерферометров, Электронный журнал "Исследовано в России", 12, 2077-2085, 2002. http//zhurnal.ape.relarn.ru/articles/2002/187.pdf
