Документ взят из кэша поисковой машины. Адрес оригинального документа : http://astrometric.sai.msu.ru/~sasha/izvesran.txt Дата изменения: Wed Oct 6 19:18:38 2004 Дата индексирования: Mon Oct 1 23:28:23 2012 Кодировка: koi8-r

УДК 550.34

В.К. Милюков, В.Н. Руденко, Б.С. Клячко, А.М. Карт и А.В. Мясников

Широкополосный лазерный интерферометр
для мониторинга деформаций Земли

Аннотация
Описаны устройство и технические параметры созданного ГАИШ МГУ и
введенного в режим непрерывной службы на Северном Кавказе
большебазового (75 м) лазерного интерферометра, предназначенного для
исследования литосферных деформаций в широком диапазоне частот.
Данные режимных наблюдений используются для изучения некоторых
геофизических и астрофизических задач.

1. Введение
Большебазовые лазерные интерферометры являются наиболее
совершенными приборами для измерения относительных изменений
расстояний между двумя точками. Частотный диапазон лазерных
интерферометров начинается практически от нуля герц и ограничивается
сверху лишь быстродействием применяемой электроники, что в принципе
может составлять десятки мегагерц. Динамический диапазон большебазовых
лазерных интерферометров также практически неограничен, а порог
чувствительности к относительным изменениям расстояния на несколько
порядков превосходит другие приборы. Важным достоинством лазерных
интерферометров является наличие внутреннего эталона длины, в качестве
которого используется известная с высокой точностью длина волны лазерного
излучения.
Указанные свойства большебазовых лазерных интерферометров
позволяют использовать их для решения широкого круга фундаментальных и
прикладных геофизических задач в качестве деформографов.
С целью проведения режимных деформографических наблюдений в
широкой полосе частот Государственный астрономический институт им.
Штернберга ввел в действие лазерный интерферометр-деформограф.
Интерферометр расположен в Баксанском ущелье (Кабардино-Балкария) [1,2].
Баксанское ущелье находится в зоне сочленения Скифской плиты и
складчатой системы Большого Кавказа, в районе одного из главных его
разломов. Особый интерес представляет Эльбрусский массив, ограниченный с
севера Тырныаузской глубинной разломной зоной. Интерферометр
установлен в подземной штольне Баксанской нейтринной обсерватории в 30
км на юго-запад от г.Тырныауза и в 25 км от горы Эльбрус. Интерферометр
смонтирован на отметке 650 м на глубине 400 м вдоль штольни "Главная",
пройденной в глубину горного массива (гора Андырчи) до 4200 м. Координаты
интерферометра: широта 43o12' , долгота - 42о43' , азимут - 150о37'.

2. Устройство прибора
Оптическая схема интерферометра представляет собой двухпроходный
(N=2) неравноплечный интерферометр Майкельсона, работающий в режиме
разнесенных пучков, который реализуется применением в качестве
отражающих элементов триппельпризменных отражателей. Длина большого
(измерительного) плеча интерферометра равна 75 м (соответственно,
оптическая длина 150 м), длина малого (опорного) плеча - 0.3 м.
В качестве источника излучения используется частотно
стабизизированный He-Ne лазер ЛГН-303, работающий на двух ортогонально
поляризованных модах излучения. Длина волны излучения 0.63 мкм, мощность
2 мВт, относительная нестабильность частоты лазерного излучения за 8 часов
непрерывной работы не хуже 10-9. Излучение лазера модулируется на частоте
60 кГц путем электро-механической модуляции резонатора лазера.
Оптические части интерферометра смонтированы в двух вакуумных
цилиндрических камерах. Камеры соединены между собой посредством трех
сильфонов и вакуумных труб диаметром 30 см, образующих светопровод.
Таким образом, оптические плечи интерферометра полностью вакуумированы.
Общий откачиваемый объем составляет величину порядка 6 м3. Давление в
стационарном режиме удерживается на уровне 5х10-5 торр.
Блок излучения (лазер и телескопическая система) и вакуумные камеры,
содержащие оптику интерферометра, смонтированы на трех независимых
фундаментах. Посредством механических конструкций и опорных
фундаментов оптические элементы интерферометра жестко связаны с
коренной скальной породой и не имеют прямого контакта со штольней.
Общая функциональная схема интерферометра представлена на рис 1.

3. Система регистрации
Электронная система регистрации обеспечивает работу
интерферометра в широком диапазоне частот: от сверхнизких (ограниченных
только длиной ряда непрерывных наблюдений) до тысяч герц. Основой такой
системы является система слежения за интерференционной полосой
компенсационного типа с внутренней модуляцией. Выходное излучение
интерферометра (интерференционная картина с прямыми полосами) с
помощью линзы направляется на электромеханический гальванометр.
Отражаясь поворотным зеркалом, пучок направляется на растр, период
которого равен периоду интерференционной картины. Затем он фокусируется
еще одной линзой и падает на щель фотоприемника. Сигнал рассогласования
(сигнал обратной связи) удерживает рабочую точку в минимуме
интерференционной полосы, что обеспечивает максимальную
чувствительность при заданном уровне флуктуаций мощности лазера и
дробовых шумов. Этот же сигнал является сигналом открытого выхода
интерферометра.
Вариации измерительного плеча интерферометра приводят к
смещениям интерференционной картины. Система обратной связи
компенсирует это смещение поворотом зеркала гальванометра, возвращая
рабочую точку в исходное положение. Когда величина смещения превышает
установленный порог удержания рабочей точки (обычно он равен одной
интерференционной полосе, т.е. 0.3 мкм), устройство сброса переводит
систему в новое положение равновесия (минимум следующей
интерференционной полосы).
Режимные наблюдения деформаций обеспечиваются в двух частотных
диапазонах: от 0 до 0.1 Гц, это так называемый "геофизический" канал; и в
полосе 0.5 Гц на частоте 1.62 кГц (мониторинг квадратурных компонент) -
высокочастотный ("астрофизический") канал. Высокочастотный канал
интерферометра состоит из двух синхронных детекторов с несущей частотой
1.62 кГц и двух фильтров Баттерворта ФНЧ второго порядка с частотой среза
0.5 Гц.
Система обеспечивает также регистрацию давления и температуры.

4. Наблюдения
В режиме непрерывного мониторинга деформаций Земли
интерферометр работает с начала 1993 года. База данных содержит
информацию о деформациях с марта 1993 года по настоящее время и состоит
из непрерывных фрагментов, разделенных пропусками, обусловленными, в
основном, техническими причинами. Результативность, характеризующая все
время наблюдений (отношение времени, покрытого данными, ко всему
календарному времени), показана на рис. 2. На рис. 3 представлена
усредненная оценка спектральной плотности мощности деформаций,
выраженная в Гц-1 в диапазоне частот Гц [3]. В основу оценки
положены экспериментальные данные, полученные в период с 7 марта 1993
года по 9 января 1994 года. Общий характер спектра соответствует
фликкерному поведению шумов, спектр мощности падает от значений 10-12 Гц-
1 для частот ~ 10-5 Гц до значений 10-28 Гц-1 на частотах ~ 103 Гц. Имеется два
ярко выраженных максимума, соответствующие суточным и полусуточным
приливным волнам, причем спектральный пик полусуточной волны превышает
спектральный пик суточной волны. Экспериментальные оценки усредненных
амплитуд деформаций для суточной и полусуточной составляющих равны
и . Нормальные (теоретические) значения амплитуд
приливных деформаций, вычисленные для места расположения Баксанского
интерферометра в предположении сферически однородной Земли и значений
чисел Лява h=0.6 и Шида l=0.07, равны для О1: и для М2: ,
что несколько меньше, чем наблюдаемые. Это различие может быть
объяснено расположением интерферометра вблизи зоны разлома. Рис. 3
демонстрирует, что на фоне общего падения мощности ее дисперсия
возрастает в области частот 10-500 Гц, что объясняется, очевидно,
техногенной природой шумов в этом диапазоне. В силу длительности ряда
наблюдений (10 месяцев), положенного в основу оценки спектральной
плотности, она может рассматриваться как фоновый уровень сейсмического
шума в широком диапазоне частот. Таким образом, полученная оценка
спектральной плотности устанавливает нижний порог для возможного
детектирования геофизических сигналов в данном регионе.

5. Геофизика
Долговременные наблюдения деформаций в тектонически активном
регионе позволяют исследовать динамическое состояние геофизической
cреды. Динамическое состояние литосферы в значительной степени
определяется состоянием системы неоднородностей (трещин, разломов),
степенью их устойчивости. Когда эта система далека от потери устойчивости,
соответстующая область геофизической среды подчиняется линейным
представлениям механики сплошных сред. Вблизи неустойчивости
геофизическая среда становится сильно нелинейной, и небольшие изменения
напряжений могут приводить к значительным изменениям деформаций.
Следовательно, соотношение "напряжение - деформация" может служить
индикатором динамического состояния геофизической среды. Приливные
изменения напряжений, например, могут служить в качестве "узкополосного"
зондирующего процесса, а вариации деформаций, обусловленные этими
приливными напряжениями (реакция породы), могут быть использованы для
изучения перехода среды в нестабильное состояние.
Другой индикатор состояния среды связан с изменением режима
излучения средой сейсмической энергии. На старших масштабных уровнях это
выражается в вариациях сейсмического режима, а на младших - в изменении
акустической эмиссии (АЭ). Широкополосный лазерный деформограф
позволяет исследовать характер связи АЭ с длиннопериодными процессами и
использовать его изменения для индикации состояния среды.
Данные обоих каналов Баксанского интерферометра используются для
исследования этих геофизических задач [4]. Наблюденные деформации и
теоретически вычисленные приливные напряжения были подвергнуты
полосовой фильтрации узкополосным нуль-фазовым фильтром для
выделения группы полусуточных приливных гармоник. Отфильтрованные ряды
далее подвергались регрессионному анализу в скользящем временном окне.
При этом внутри окна рассчитывалась функция взаимной корреляции, и
выводился параметр регрессии, соответствующий ее максимуму (параметр
регрессии имеет смысл отношения эффективного упругого модуля в точке
наблюдения к его модельному значению, заложенному в программу расчета
приливных деформаций). Были найдены вариации параметра регресии с
двухнедельными и недельными периодами [5]. Природа этих вариаций
изучается.
Для изучения связи акустической эмиссии с низкочастотными
деформациями применялся многомерный корреляционный анализ. Такой
статистический подход может дать дополнительную информацию о
параметрах геофизической среды и статистических свойствах когерентных
шумов.

6. Астрофизика
Высокочастотный канал интерферометра может рассматриваться как
гравитационная антенна на свободных массах, так как продольные
собственные частоты зеркал, жестко закрепленных на скальной породе, много
меньше 1.62 кГц (несущей частоты выходного сигнала канала). Оценка
чувствительности этого канала, выраженная в Гц-1/2 показана на рис 4.
Достигнутый уровень Гц-1/2 близок к уровню чувствительности
неохлаждаемых твердотельных детекторов.
"Гравитационный" сигнал интерферометра (под "гравитационным"
сигналом продразумевается аномальное поведение выходного сигнала
высокочастотного канала) использовался для поиска корреляции с данными
BATSE каталога, содержащего информацию о космических гамма-вспышках
[6,7]. Совместный анализ гравитационных данных с другими
астрофизическими данными определяет новый взгляд на стратегию
гравитационно-волнового экмперимента, который традиционно
ориентировался на поиск совпадающих событий пространственно-
разнесенных гравитационных детекторов.

Работа поддержана Российским фондом фундаментальных
исследований, грант N 96-05-65334 и Государственной научно-технической
программой "Физика высоких энергий".


Список литературы
1. Буклерский А.В., Карт А.М., Клячко В.С., Кравчук В.К., Милюков В.К.,
Мележников И.В., Мясников А.В., Нестеров В.В., Руденко В.Н. //
Измерительная техника, 1995, N 10, С.5.
2. Rudenko V.N., Milyukov V.K., Nesterov V.V., Ivanov I.P. // Astronomical &.
Astrophysical Transactions, 1994, V.5, P.93.
3. Милюков В.К, Кравчук В.К. // Вестник МГУ, сер.3, Физика, астрономия, 1996,
N 2, С.73.
4. Ponomarev A.V., Milyukov V.K., Smirnov V.B. // Abstr. of the First Congress of
the Balkan Geophysics Society, Athens, Greece, 1996, P. 494.
5. Gusev A.V., Milyukov V.K., Ponomarev A.V., Vinogradov M.P. // Abstr. of the 29th
General Assembly of the International Association of Seismology and Physics of
the Earth Interior, Thessaloniki, Greece, 1997, P. 222.
6. Виногроадов М.П., Гусев А.В., Милюков В.К. // Вестник МГУ, сер. 3, Физика,
астрономия, 1997, N 5, С. 37.
7. Виноградов М.П., Гусев А.В., Милюков В.К. // Вестник МГУ, сер. 3 Физика,
астрономия, 1997, N 6, С. 33.