Лазерный баллистический гравиметр

Полезная модель относится к области гравиметрии и предназначена для измерения абсолютного значения ускорения свободного падения. Лазерный баллистический гравиметр содержит баллистический блок, реализующий свободное падение пробного тела, оптический уголковый отражатель, установленный на пробном теле, лазерный интерферометр на базе твердотельного, стабилизированного по йоду Nd:YAG/I₂ лазера с рабочей длиной волны 532 нм. и измерительно-вычислительную систему. Предлагаемый гравиметр обеспечивает возможность проведения высокоточных измерений в полевых условиях.

Полезная модель относится к области гравиметрии и предназначена для измерения абсолютного значения ускорения свободного падения.

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.

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.

Недостатком известных устройств является недостаточно высокая точность измерений, обусловленная нестабильностью длины волны малогабаритных гелий-неоновых лазеров.

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.

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.

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.

Задачей предлагаемой полезной модели является устранение указанных недостатков, а именно: создание высокоточного, с улучшенными эксплуатационными характеристиками лазерного гравиметра для проведения измерений в полевых условиях.

Достигаемые технические результаты полезной модели - высокая точность измерений, возможность применения и удобство эксплуатации прибора в полевых условиях.

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/I ₂ - лазера с рабочей длиной волны 532 нм.

На фиг.1 представлена структурная схема гравиметра, на фиг.2 - оптическая схема интерферометра.

Лазерный баллистический гравиметр содержит: баллистический блок 1 со свободно падающим пробным телом несущим оптический уголковый отражатель 2, Nd:YAG/I ₂ - 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.

Работает устройство следующим образом.

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.

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.

Результатом интерференции опорного и отраженного от падающего тела лучей является появление на выходе интерферометра последовательности чередующихся максимумов и минимумов интенсивности излучения.

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.

По сравнению с лазерами, используемыми в известных баллистических гравиметрах, достоинствами предлагаемого оптического стандарта длины на основе Nd:YAG/I ₂ - лазера с кольцевой схемой резонатора и внутрирезонаторным удвоением частоты являются:

- высокая стабильность частоты, исключающая необходимость ее периодической поверки, требующей значительных затрат средств и времени;

- отсутствие модуляции выходного излучения, за счет чего повышается точность измерений;

- высокая выходная мощность лазера, обусловливающая возможность значительного (в 5-10 раз) увеличения соотношения сигнал/шум выходного сигнала;

- 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.

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.

При проведении испытаний питание прибора осуществлялось от автомобильного аккумулятора, от передвижного дизель-генератора на 220 V, а также от стационарной внешней сети 220 В.

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.

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.