Разработка и создание лазерно-интерференционных измерителей вариаций давления гидросферы

Плотников, Александр Александрович

Разработка и создание лазерно-интерференционных измерителей вариаций давления гидросферы тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.06 ВАК РФ

Плотников, Александр Александрович АВТОР

кандидата технических наук УЧЕНАЯ СТЕПЕНЬ

Владивосток МЕСТО ЗАЩИТЫ

2013 ГОД ЗАЩИТЫ

01.04.06 КОД ВАК РФ

Диссертация по физике на тему «Разработка и создание лазерно-интерференционных измерителей вариаций давления гидросферы»

Автореферат диссертации на тему "Разработка и создание лазерно-интерференционных измерителей вариаций давления гидросферы"

На правах рукописи

Плотников Александр Александрович

РАЗРАБОТКА И СОЗДАНИЕ ЛАЗЕРНО-ИНТЕРФЕРЕНЦИОННЫХ ИЗМЕРИТЕЛЕЙ ВАРИ АЦИЙ ДАВЛЕНИЯ ГИДРОСФЕРЫ

Специальность 01.04.06 - Акустика

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

янв:::■>,

Владивосток - 2013

005544465

Работа выполнена в Федеральном государственном бюджетном учреждении на Тихоокеанском океанологическом институте им. В.И. Ильичева Дальневосточн отделения Российской академии наук

Научный руководитель:

доктор физико-математических на член-корреспондент Р. Долгих Григорий Иванов

Официальные оппоненты:

доктор технических наук, профес Долгих Валерий Николае

доктор физико-математических наук, професс Короченцев Владимир Иванов

Ведущая организация: Федеральное бюджетное государственное учреждение наук Институт автоматики и процессов управления Дальневосточно отделения Российской академии наук, г. Владивосток

Защита диссертации состоится «24» декабря 2013 г. в 15-00 на заседали диссертационного совета Д005.017.01 при Федеральном государственном бюджетно учреждении науки Тихоокеанском океанологическом институте им. В.И. Ильиче Дальневосточного отделения Российской академии наук по адресу: 690041, Владивосток, ул. Балтийская 43.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Федерального государственног бюджетного учреждения науки Тихоокеанского океанологического института им. В.! Ильичева Дальневосточного отделения Российской академии наук.

Автореферат разослан «23» ноября 2013 г.

Ученый секретарь диссертационного совета

доктор технических наук

Коренбаум Владимир Иль

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы

Для изучения закономерностей возникновения, развития и трансформации гидроакустических колебаний и волн широкого диапазона частот в современной акустике океана используются различные аппаратно-программные установки и комплексы, созданные на основе различных гидроакустических сенсоров, обладающих высокой чувствительностью, но, к сожалению, ограниченным снизу частотным диапазоном. Отсутствие высокочувствительных установок, способных регистрировать гидроакустические возмущения в инфразвуковом диапазоне, способствовало бурному развитию параметрических методов, которые работают только при нелинейном взаимодействии волн различных частотных диапазонов и не в состоянии прояснить природу возникновения гидроакустических процессов инфразвукового диапазона. Для изучения физики их возникновения необходимы установки, которые способны проводить измерения вариаций гидросферного давления в инфразвуковом диапазоне на уровне фоновых колебаний. Ранее на основе лазерно-интерференционных методов был создан макет лазерного измерителя ваприаций давления гидросферы (Г.И. Долгих, С.Г. Долгих, С.Н. Ковалев, В.А. Швец, В.А. Чупин, C.B. Яковенко, 2005), изучение характеристик которого определило дальнейший путь развития данного направления и актуальность настоящей работы, которая связана с задачами создания компактных лазерно-интерференционных систем, обладающих малыми раземерами и низким энергопотреблением и способных измерять вариации гидросферного давления на фоновом уровне в инфразвуковом и звуковом диапазонах, применение которых позволит не только исследовать закономерности возникновения и развития гидроакустических колебаний и волн инфразвукового диапазона, но и изучить особенности взаимодействия гидроакустических волн с гидросферными процессами широкого диапазона частот.

Цель работы и задачи исследования

Цель работы состоит в разработке и создании компактных лазерно-интерференционных систем, способных измерять вариации гидросферного давления на фоновом уровне в инфразвуковом и звуковом диапазонах, которые предназначены для изучения природы возникновения и развития гидроакустических процессов инфразвукового и звукового диапазонов, а также их взаимодействия с разномасштабными морскими процессами.

Для достижения цели работы были поставлены следующие задачи:

1. Разработать и создать компактную лазерно-интерференционную систему на основе полупроводникового лазерного модуля, которая обладает малым энергопотреблением и предназначена для измерения вариаций гидросферного давления в инфразвуковом и звуковом диапазонах с высокой точностью.

2. Разработать и создать лазерно-интерференционную систему на основе стабилизированного по частоте гелий-неонового лазера, обладающую более высокой точностью измерений и устойчивостью к температурным вариациям.

3. Провести испытания разработанных установок. Оценить перспективы их применения при регистрации гидроакустических сигналов различной природы, гидросферных процессов инфразвукового и звукового диапазонов.

Научная новизна

Разработаны и созданы лазерно-интерференционные системы, предназначенные для измерения вариаций гидросферного давления с пороговой чувствительностью не хуже 0,013 Па в частотном диапазоне от статического давления до 1000 Гц. Намечены пути достижения пороговой чувствительности до единиц мкПа за счет оптимизации выбора цифроаналогового преобразователя. В отличие от большинства известных оптических гидрофонов, здесь, в качестве чувствительного элемента используется не оптоволокно, а мембрана, что позволило создать приборы с широким динамическим диапазоном (до 150 дБ), и существенно упростило задачу термостабилизации оптической схемы, необходимой для снижения погрешностей при измерении инфразвуковых колебаний. Помимо этого в данных системах реализованы аппаратно-программные средства повышения точности измерений при использовании источников излучения с низкой стабильностью частоты (полупроводниковый лазерный модуль). Научная новизна данных результатов подтверждена патентом РФ на полезную модель №58216.

С применением созданных лазерно-интерференционных систем проведено несколько экспериментальных работ, в ходе которых получены новые научные результаты.

Научная достоверность, приведенных в диссертации результатов, подтверждена многократными и тщательно проведёнными экспериментами, направленными на исследование характеристик разработанных установок, природы возникновения и развития

колебаний и волн широкого диапазона частот, а также сравнением полученных результатов с литературными данными.

Практическая значимость диссертации определятся поиском методических и технических решений необходимых для создания лазерно-интерференционных измерителей вариаций давления гидросферы. При этом решаются задачи снижения зависимости пороговой чувствительности разрабатываемых приборов от стабильности частоты излучения лазера и вариаций температуры. Научные результаты, изложенные в работе, получены при выполнении программ, проводимых ТОЙ ДВО РАН: ФЦП Мин. Обр. Наук, ЦНТП, грантов РФФИ.

Личный вклад автора

Все расчеты и схемы по лазерному гидрофону и мобильному лазерному измерителю вариаций давления гидросферы сделаны самостоятельно. Также самостоятельно выполнены основные работы по созданию приборов. Автор принимал активное участие в проведение экспериментальных работ с применением разработанных устройств в равной доле с соавторами. Основная работа по обработке и интерпретации данных, представленных в диссертации, выполнена под руководством Г.И. Долгих.

На защиту выносятся:

1. Разработка и создание гидроакустических лазерно-интерференционных систем измерения вариаций давления и методических основ их применения позволяют изучать природу возникновения и развития гидроакустических колебаний и волн инфразвукового и звукового диапазонов на новом прецизионном уровне.

2. Технические решения по улучшению точности измерений вариаций гидросферного давления, которая ограничена стабильностью частоты лазерного излучения и влиянием вариаций температуры на оптическую схему приборов, позволило поднять пороговую чувствительность гидроакустических лазерно-интерференционных систем до 0,013 Па и позволяет рассчитывать на достижение величины пороговой чувствительности в единицы мкПа.

3. Экспериментальные исследования, проведенные с применением разработанных приборов, позволили выявить новые закономерности в распространении низкочастотных гидроакустических сигналов в условиях мелкого моря, во взаимодействии гидроакустических волн с различными гидросферными процессами, в динамике ветровые волн, собственных колебаний бухт и заливов.

Апробация работы

Основные результаты исследований, обобщенные в диссертации, доложены и обсуждены на международных и российских конференциях: «Лазеры. Измерения. Информация» (Санкт-Петербург 2004, 2006, 2007), Сессиях Российского акустического общества (Москва 2006, 2008), конференции молодых учёных «Океанологические исследования» (Владивосток 2007, 2008, 2009, 2011), Всероссийских симпозиумах «Физика геосфер» (Владивосток 2007, 2009, 2011, 2013), Акустический семинар ТОЙ ДВО РАН (2013).

Публикации

Основные результаты по теме диссертации опубликованы в 27 работах, в том числе в статьях журналов, входящих в перечень российских рецензируемых научных журналов, которых должны быть опубликованы основные научные результаты диссертаций соискание ученых степеней доктора и кандидата наук. В рамках диссертационной работ получено 2 патента на полезную модель.

Структура и объем работы

Диссертация состоит из введения, трех глав и заключения, изложенных на 114 страницах, содержит 38 рисунков и список литературы из 97 наименований.

Благодарности

В подготовке данной работы автору оказали помощь сотрудники лаборатории 2/1 «Физики Геосфер» ТОЙ ДВО РАН. Самой неоценимой была помощь моего научного руководителя Долгих Григория Ивановича.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении сформулирована тема диссертации, ее цели и задачи, обоснована ее актуальность, научная новизна, достоверность выводов и практическая значимость.

В первом разделе "Обзор традиционных измерителей волновых полей гидросферы" проводится обзор современного состояния измерительной аппаратуры океанологии.

В подразделе 1.1 приводится информация о гидроакустической и океанологической аппаратуре, которая для удобства описания делится по области применения на аппаратуру для звукового и инфразвукового диапазонов, а по типу конструкций на гидрофоны и

гидрофонные комплексы, измерители уровня, а также установки, собранные на основе лазерно-интерференционных схем.

В подразделе 1.2 подробно рассматриваются гидрофоны и гидрофонные комплексы, разнообразные измерители уровня. Определяются их сильные и слабые стороны, на основе чего делается вывод о том, что все эти приборы имеют хотя бы одно из следующих ограничений: малая точность измерений, узкий частотный или динамический диапазоны. В связи с этим ставится задача по поиску новых методов для разработки высокоточных и широкополосных детекторов для их применения в гидроакустике и океанологии.

Подраздел 1.3 посвящен изучению современного состояния применения лазерно-интерференционных установок измерения вариаций давления в гидроакустических и океанологических исследованиях. В первой части рассмотрены оптоволоконные датчики интерференционного типа. Далее приводится описание устройств без применения волокна, способных проводить измерения с высокой точностью в широком диапазоне частот. Данные приборы имеют ряд существенных недостатков: большие размеры и вес, зависимость точности измерений от изменений температуры и качества источника лазерного излучения.

В подразделе 1.4 приводятся основные выводы первой главы, сформулирована задача по разработке и созданию гидроакустических лазерно-интерференционных систем на основе использования современных лазерно-интерференционных методов.

Во втором разделе "Лазерный гидрофон и мобильный лазерный измеритель вариаций давления гидросферы" проводится подробное описание разработанных и созданных лазерно-интерференционных измерителей вариаций давления гидросферы.

В подразделе 2.1 дана вводная информация, сформулированы цели и задачи, которые решены в данной главе.

В подразделе 2.2 описаны оптико-электронные, механические и электрические части лазерного гидрофона, корпус которого изготовлен из нержавеющей стали в виде цилиндра. Внутри корпуса расположен интерферометр, цифровая система регистрации и компенсационная камера (рисунок 1). Чувствительным элементом лазерного гидрофона является мембрана с закрепленным в ее центре зеркалом. Мембрана расположена в корпусе прибора таким образом, что одна сторона ее контактирует с водой, а на другой закреплено зеркало, которое является составной частью измерительного плеча интерферометра (интерферометр имеет два плеча - опорное и измерительное). Зеркало с

внутренней частью мембраны находится в компенсационной камере, которая нужна для уравнивания внешнего гидросферного давления с давлением воздуха в компенсационной камере за счёт притока воздуха в камеру при погружении или оттока воздуха из камеры при её поднятии. |

Лазерный гидрофон функционирует следующим образом. При погружении на заданную глубину срабатывает клапан компенсационной камеры и по мере погружения | воздух из резинового внешнего резервуара поступает в компенсационную камеру, удерживая мембрану в нейтральном положении. При достижении заданной глубины клапан перекрывает шланг, соединяющий компенсационную камеру с внешним резервуаром, и прибор начинает работать. Изменения гидросферного давления приводят к смещению центра мембраны относительно нейтрального положения. Данное смещение вызывает изменение яркости интерференционной картины, которое регистрируется фотоприемником. С фотоприёмника ток поступает на один из входов цифровой системы : регистрации, в которой вырабатывается эталонный сигнал. При сравнении сигнала, поступающего с резонансного усилителя, с эталонным сигналом определяется фаза и величина компенсирующего напряжения, которая подаётся на пьезокерамический преобразователь компенсации с приклеенным к нему зеркалом эталонного плеча интерферометра. Под действием этого напряжения пьезокерамический преобразователь деформируется, меняя длину оптического пути в опорном плече интерферометра, поддерживая постоянным разность хода лучей в опорном и измерительном плечах прибора, тем самым удерживая интерференционную картину на одном из максимумов. При достижении смещения пьезокерамического преобразователя величины равной половине длины волны лазерного излучения ключи в системе сброса уровней закорачиваются, напряжение на пьезокерамике сбрасывается в ноль и происходит переброс сигнала с одного интерференционного максимума на соседний (направление | сброса определяется фазой сигнала). Таким образом, полезный сигнал состоит из суммы количества сбросов (разной полярности) и величины компенсирующего смещения пьезокерамического преобразователя после последнего сброса. Этот сигнал пропорционален изменению гидросферного давления на мембране. |

Оптическая схема лазерного гидрофона построена по схеме модифицированного интерферометра Майкельсона равноплечего типа. В качестве источника излучения используется полупроводниковый лазерный модуль типа КЬМ-650/20, который имеет

низкую стабильность частоты порядка 10 "4

1 - корпус, 2 - шланги системы компенсации внешнего давления, 3 - эластичная емкость, 4 - область компенсационной камеры, 5 - мембрана, 6 - оптическое окно, 7 -плоско-параллельная делительная пластина, 8 - линза ,9 - фотодиод, 10 - клапан, 11 -полупроводниковый лазерный модуль, 12 - пьезокерамический преобразователь раскачки, 13 - дополнительное зеркало, 14 - пьезокерамический преобразователь компенсации, 15 - система регистрации

Вариации давления, которые измеряет лазерный гидрофон, можно рассчитать по

формуле для круглой мембраны, зажатой на краях:

АП 16-А/-Л3-Я

ЛР =-;-г>

З-а-ст2)-«4

где: Д1 - смещение центра мембраны, И - толщина мембраны, Е - модуль Юнга, о — коэффициент Пуассона, Я - диаметр мембраны.

Смещение центра мембраны можно вычислить с помощью следующего выражения:

где £ - разность оптического хода в плечах интерферометра, - стабильность частоты.

Точность определения величины смещения центра мембраны зависит от применяемых методов интерферометрии и характеристик цифровой системы регистрации и достигает величины порядка 0,1 нм. Теоретически предельная величина равна 1 пм.

Таким образом, при использовании мембраны со следующими параметрами Л=5 см, Л=0,5 мм, £=2,1-10'Н/м2, <7=0,25, точность измерений вариаций давления гидросферы будет равна 2,4-103 Па. При использовании мембраны большего диаметра и меньшей толщины повышается точность прибора.

Проанализировав выражение А1 = Ь~, можно сказать, что на точность измерения

величины смещения центра мембраны (Д/), влияет как стабильность частоты лазерного .Ди.

излучения (—), так и оптическая разность хода в плечах интерферометра Ь. То есть,

меняя оптическую разность хода в плечах интерферометра, мы меняем точность измерения. Имея интерферометр, с длиной измерительного плеча 4 и 4 опорного, определим £ как ¿=|4~4|. Таким образом, получается, что лучшая точность измерения

Л1 будет наблюдаться при условии4 =4. В реальных условиях невозможно достигнуть абсолютного равенства плеч, поэтому мы будем говорить о равенстве с определенной точностью. Например, при уравнивании плеч интерферометра с точность 1(Г4 м, точность измерения лазерного гидрофона при использовании полупроводникового лазера и мембраны из нержавеющей стали со следующими параметрами 7?=5 см, /1=0,5 мм, Я=2,1-10'Н/м2, сг=0,25, составит 0,24 Па. Данная величина является пороговой чувствительностью прибора.

Для уравнивания плеч интерферометр был оборудован дополнительным устройством, схематично представленным на рисунке 2. Зеркало раскачки и компенсации (8), закрепленное на пьезокерамических цилиндрах (9) и (10), установлено на подвижной платформе, которая посредством юстированного винта может перемещаться в направлении строго параллельном опорному лучу. Юстированный винт имеет очень мелкую резьбу, что позволяет выставлять длину опорного плеча интерферометра с точностью не менее 1(г5м. Процесс уравнивания плеч интерферометра делится на два этапа. На первом этапе с помощью метрического измерительного устройства определяется местоположение подвижной платформы, при котором длина опорного плеча будет

примерно равна длине измерительного, и с помощью винта юстировки её устанавливаем в это положение. Точность такой настройки может достигать 10~3м. На втором этапе добиваемся большей точности равенства плеч. Для этого, на пьезокерамический преобразователь настройки, подается напряжение специальной формы (с генератора сигналов (1)), фиксированной частоты и амплитуды, что приводит к колебанию длины плеч интерферометра. При этом мембрана (5) не нагружена, смещения в ее рабочей плоскости близки к нулю. Следовательно, в данном случае, выходной сигнал прибора, будет колебаться относительно нуля (с частотой сигнала, подаваемого на пьезокерамику), на величину пропорциональную оптической разности хода плеч интерферометра Ь . Далее, вращая юстированный винт, мы с еще большей точностью задаем длину опорного плеча интерферометра, стремясь достигнуть минимальной амплитуды колебаний выходного сигнала прибора. Таким методом уравнивается разность плеч интерферометра с точностью, равной величине флуктуаций сигнала, подаваемой на пьезокерамический преобразователь настройки.

Рисунок 2 - Юстировочная схема интерферометра 1 - генератор сигналов, 2 - лазер, 3 - дополнительное зеркало, 4 - пьезокерамика настройки, 5 - мембрана, 6 — фотоприемник, 7- плоскопараллельная делительная пластина, 8 - зеркало раскачки и компенсации, 9 - пьезокерамический преобразователь раскачки, 10 - пьезокерамический преобразователь компенсации, 11-цифровая система регистрации

Система регистрации лазерного гидрофона создана на микропроцессорной основе и выполняет две функции: управляет интерферометром и с помощью демодуляции модулированного входного сигнала формирует выходной сигнал лазерного гидрофона.

Демодуляция построена на основе фазового детектирования модулирующей составляющей и последующего сравнения ее фазы с фазой опорного сигнала. Разрядность системы регистрации определяется разрядностью применяемого цифро-аналогового преобразователя, который формирует компенсирующее напряжение.

Система регистрации относится к системам экстремального регулирования, то есть положение, в которое всегда стремится ее рабочая точка, находится в максимуме интенсивности интерференционной картины. В этом случае система находится в равновесии, изменение разности длин плеч интерферометра равно нулю. Выше отмечалось, что изменения гидросферного давления приводят к смещению центра мембраны, что приводит к изменению длины измерительного плеча интерферометра и уменьшению интенсивности интерференционной картины. Иными словами, рабочая точка системы регистрации смещается с максимума интенсивности в лево или в право. При этом система работает следующем образом: меняя длину опорного плеча интерферометра, возвращает интерференционную картину в максимум интенсивности. Величина, на которую меняется длина опорного плеча, пропорциональна выходному сигналу системы регистрации. В зависимости от того, слева от экстремума находится рабочая точка системы регистрации или справа, делается вывод об увеличении или уменьшении амплитуды выходного сигнала.

Динамический диапазон системы регистрации ограничен длиной волны лазерного излучения ±Л/2 (расстояниями между двумя соседними максимумами интерференционной картины). Для его расширения предусмотрена система сброса уровней (ССУ), которая работает следующим образом: при достижении выходным сигналом прибора значений +[/, соответствующих изменению Д/ = +Л/2, происходит резкое (1 мс) сбрасывание значений ±У в 0, что соответствует перескоку интерференционной картины с одного максимума на другой. При этом и^ = ±и соответствует изменению базы интерферометра на Л/2( Л - длина волны лазерного излучения). Таким образом, организуется динамический диапазон, ограниченный лишь изгибными возможностями мембраны.

На рисунке 3 представлена структурная схема системы регистрации, а в диссертации приведено подробное описание каждого узла.

В подразделе 2.3 описан мобильный лазерный измеритель вариаций давления гидросферы, который является очень близким аналогом вышеописанного лазерного

гидрофона.

Оптическая схема данного прибора выполнена на основе интерферометра Майкельсона неравноплечего типа, которая в связи с использованием другого лазерного модуля имеет отличную от лазерного гидрофона конструкцию.

В качестве источника излучения используется стабилизированный по частоте гелий-неоновый лазер, применение которого позволило достигнуть теоретической точности измерений до 2,4 ■ 1(Г5 Па (при уравнивании плеч интерферометра с точность окапаю " м).

В связи с тем, что гелий-неоновый лазер имеет большие в сравнении с полупроводниковым лазером размеры, вес и энергопотребление, мобильный лазерный измеритель вариаций давления гидросферы проигрывает лазерному гидрофону в плане удобства эксплуатации и энергопотреблении.

И ПР ОГ РУ ССУ

ФД 1 РЭ ' г ЦАП 1 УМ

ПК

Рисунок 3 - Структура цифровой системы регистрации ОГ - опорный генератор; РУ - резонансный усилитель; РЭ - релейный элемент; ЦАП - цифро-аналоговый преобразователь: УМ - усилитель мощности; ССУ - система сброса уровней; И - интерферометр

В подразделе 2.4 обсуждаются погрешности, характерные для лазерного гидрофона и мобильного лазерного измерителя вариаций давления гидросферы.

Теоретически рассчитаны ошибки измерений, обусловленные изменением размера мембраны при изменении температуры, шумами фотоэлектронной аппаратуры и нестабильностью мощности и частоты лазерного излучения.

Погрешность, связанная с изменением длин плеч интерферометра в результате изменений температуры, исследовалась экспериментально. Для этого прибор помещался в камеру, в которой медленно менялась температур, при этом были созданы условия

полной неподвижности центра мембраны (клапан компенсационной камеры был открыт, а сам прибор был установлен на вибростол). Во время эксперимента проводилась запись выходного сигнала прибора и температуры внутри него (рисунок 4). Точность измерений была ограничена разрядностью цифро-аналогового преобразователя и равнялась величине 0,013 Па ( соответственно пороговая чувствительность так же ограничена до величины 0.013 Па). В результате было установлено, что данные погрешности могут быть довольно большими. Например, изменение температуры внутри мобильного лазерного измерителя вариаций давления гидросферы на 7°С привело к дрейфу его выходного сигнала на величину, эквивалентную 0,05 Па (Рисунок 4а, линия под номером 2). Для ее снижения, в последней модификации лазерного гидрофона была реализована оптическая схема с возможностью ее компенсации. Выходной сигнал данного прибора, при изменении температуры внутри него на 7°С, не имел ярко выраженного дрейфа, а имел вид прямой лини (Рисунок 4а, линия под номером 1), что говорит о том, что погрешность вызванная изменением температуры на 7°С не превышала величину 0,013 Па. На основе этого можно сделать вывод о том, что применение модифицированной оптической схемы позволило поднять пороговую чувствительность лазерно-интерференционных измерителей до величины 0,013 Па.

ОД 0,05.

Па

2009 дек 17:33:14

2009 дек 19:24:17

3025 20

2009 дек 17:33:14

2009 дек 19:24:17

Рисунок 4 — Погрешности измерений, обусловленные изменением длин плеч интерферометра в результате изменений температуры а) - запись выходных сигналов приборов (1 - схема с компенсацией температурных погрешностей, 2 - обычная схема); б) - запись изменения температуры

Помимо погрешностей, вызванных изменениями температуры, выполнена оценка погрешности связанной с особенностью конструкции оптической схемы приборов. Речь идет о влиянии на качество интерференционной картины расфокусировки системы «глаз коши» (линза плюс зеркало мембраны), что периодически происходит в результате смещения центра мембраны относительно положения равновесия, которое четко задано величиной фокусного расстояния используемой в приборе линзы.

В подразделе 2.5 обсуждаются вопросы калибровки лазерного гидрофона и мобильного лазерного измерителя вариаций давления гидросферы. В связи с тем, что приборы измеряют давление относительно величины их выходного сигнала в начальный момент измерения, результат калибровки задается как определение величины, на которую изменится их выходной сигнал в результате изменения давления на их мембранах на один паскаль.

Калибровка проводится путем погружения приборов в бассейн заполненный водой. Высота начального уровня воды известна и принята за 0. Идет запись выходного сигнала калибруемого прибора. Далее производится плавное изменение уровня воды на известную величину, которое затем пересчитывается в изменение давления по формуле для

гидростатического давления р = (р - плотность жидкости, g - ускорение свободного падения). Величина изменения уровня воды отслеживается с помощью метрических измерительных систем. На основе данных об изменении уровня воды и напряжения на выходе прибора делается вывод о его чувствительности. На рисунке 5 приведен фрагмент записи лазерного гидрофона, иллюстрирующий изменение его выходного сигнала при плавном увеличении и уменьшении уровня воды в бассейне на полтора сантиметра.

Рисунок 5 - Характер изменения выходного сигнала лазерного гидрофона при изменении на нем давления, эквивалентного изменению уровня столба жидкости на 0,015 м

В разделе 2.6 приведены результаты испытаний разработанных приборов при регистрации гидроакустических сигналов различной сложности (гармонические, свип-сигналы, сложные фазоманипулированные сигналы), генерируемые низкочастотными гидроакустическими излучателями с рабочими частотами около 32, 245 и 321 Гц. При свёртке излучённых сложных сигналов с сигналами, принятыми данными системами были разделены пути прихода сигналов на трассах «излучатель-приёмник», в том числе идентифицирован первый приход сигнала, который распространялся по дну. Приведены демонстрационные записи гидроакустических лазерно-интерференционных систем при регистрации возмущений ветрового и инфрагравитационного диапазонов частот, на основе которых сделаны выводы о том, что лазерный гидрофон и мобильный лазерный измеритель вариаций давления гидросферы могут регистрировать волны с частотами от 0,0009 до 330 Гц и амплитудами от 0,05 до 1000 Па.

В подразделе 2.7 приведены основные выводы главы.

В третьем разделе "Некоторые научные результаты, полученные с применением лазерно-интерференционных измерителей вариаций давления гидросферы" приведены научные результаты, полученные с применением созданных приборов.

В подразделе 3.1 описывается лазерно-интерференционный комплекс, в состав которого входят гидроакустические лазерно-интерференционные системы, рассмотренные в разделе 2.

Подраздел 3.2 посвящен описанию цикла экспериментов направленных на изучение динамики ветровых волн.

Исследования проводились в бухте Витязь залива Петра Великого Японского моря, при этом использовались два пространственно разнесённые гидроакустические лазерно-интерференционные установки. В ходе эксперимента установлено, что бухте Витязь существует два вида ветровых волн: волны, пришедшие извне, и волны, которые генерируются ветром в самой бухте. В целях изучения их динамики были обработаны массивы данных, полученные в августе 2011 г. и январе 2012 г. На основе результатов обработки этих данных оценивался вклад ветра в поверхностное волнение, характерное для бухты Витязь. На основе данных, полученных в январе 2012 года, а так же записей камер видеомониторинга, выявлена четкая корреляция между присутствием и отсутствием ветрового волнения, зарождающегося в бухте и ветром. Так же выявлена связь между наличием этого волнения и ледяного покрова, который периодически пригонялся в бухту

ветром и выгонялся из нее.

С помощью рядов данных, полученных с двух, синхронно работающих приборов установлено, что по мере распространения по шельфу убывающей глубины, ветровая волна при взаимодействии с дном теряет часть своей энергии (передает дну), что приводит к трансформации ее спектра, а энергия в нем перераспределяется в более высокочастотную область (рисунок 6). Величины изменений зависят не только от длины ветровых волн и степени уменьшения глубины, но и от их амплитуд.

Па

134

Па

318

503,2мГи,

1 Гц

503,2 мГи,

1Гц

Рисунок 6 — Спектры волнения двух синхронно работающих приборов

В подразделе 3.3 объектом исследования являются сверхнизкочастотные колебания, регистрируемые в бухте Витязь залива Петра Великого Японского Моря, период которых лежит в интервале от 16 до 18 мин. Данные возмущения идентифицированы как собственные колебания бухты, что было подтверждено при проведении модельных

расчётов, выполненных с применением дифференциально-разностной модели, базирующейся на теории мелкой воды. Полученные в расчетах результаты хорошо совпадают с полученными экспериментальными данными по колебаниям с периодами 17 мин 23 с. Применение описанных лазерно-интерференционных систем позволило установить, что колебания с периодами 16-18 мин регистрируются только в бухте Витязь, а вне бухты, с другой стороны м. Шульца залива Петра Великого, их нет.

Так же, при обработке данных, полученных с помощью лазерно-интерференционных измерителей, установлено, что проходящие через бухту или вблизи бухты циклоны возбуждают в ней колебания соответствующие периоду 17 мин 28 с. Но с течением времени, после действия циклонов, период этих колебаний возрастает, а амплитуда падает. На рисунке 7 показан фрагмент записи и его спектр, полученный в период, когда лазерный измеритель вариаций давления гидросферы регистрировал колебания с периодом 16-18 мин.

42,9 Г • I

2010 сен 05 16:27:00

2010 сен 07 24:04:70

Па 4,5

17 мин 28 с

38,15 МГц

1,04 МГц

2,05 МГц

Рисунок 7 - Фрагмент записи сверхнизкочастотных колебаний бухты Витязь и его

спектр

В подразделе 3.4 приведены результаты экспериментальных работ по изучению природы взаимодействия низкочастотных гидроакустических волн (32, 245 и 321 Гц) с ветровыми морскими волнами.

В подразделе описано три эксперимента. В первом эксперименте в качестве приемной системы использовался лазерный гидрофон, а в качестве источника излучения гидроакустический излучатель с частотой излучения 245 Гц, расстояние между которыми было около 1000 м. Излучатель работал в непрерывном режиме. В месте проведения эксперимента высота ветрового волнения колебалась от 0,1 до 0,3 м. Второй эксперимент полностью повторяет первый, только использовался излучатель с частотой излучения 32 Гц. Параметры волнения сходны с первым экспериментом. В третьем эксперименте были задействованы лазерный измеритель вариаций давления гидросферы и гидроакустический излучатель, работающий на частоте 321.6 Гц. Работа проводилась на шельфе Японского моря в течение пяти суток, расстояние между приборами было 5000 м. Высота ветровой волны во время эксперимента колебалась от 0,5 до 2 м.

Поскольку лазерно-интерференционные измерители обладают широким рабочим диапазоном частот, то в сигналах, принятых в момент излучения, содержатся как гармоники искусственного гидроакустического сигнала, так и гармоники, обусловленные ветровым волнением. Предполагалось, что ветровое волнение модулирует излучённые гидроакустические волны, но после обработки данных всех экспериментов установлено, что морские ветровые волны с амплитудами от 0,2 до 2 м не оказывают модулирующее воздействие на низкочастотные гидроакустические волны с частотами 33, 245, 321 Гц.

В подразделе 3.5 приводятся основные выводы третьей главы.

Заключение

1. На основе не стабилизированного по частоте полупроводникового лазерного модуля был разработан и создан лазерный гидрофон, который позволяет проводить измерения вариаций давления гидросферы и имеет пороговую чувствительность 0,24 Па, в рабочем диапазоне частот от 0 (условно) до 1000 Гц.

2. Предложен и реализован метод уравнивания плеч интерферометра до Ю"4 м, что необходимо для снижения влияния температуры и стабильности частоты излучения лазера на точность прибора.

3. Предложена и реализована конструкция оптической схемы интерферометра, позволяющая снизить влияние температурных флуктуаций до величины, не превышающей 0,013 Па.

4. На основе стабилизированного по частоте гелий-неонового лазера разработан и создан мобильный лазерный измеритель вариаций давления гидросферы, который при функциональной идентичности лазерному гидрофону имеет более высокую пороговую чувствительность измерений до 2,4-10"5 Па.

5. Проведены испытания разработанных гидроакустических лазерно-интерференционных приёмных систем при изучении закономерностей распространения излучённых низкочастотных сигналов на частотах 32, 245 и 321 Гц по трассе «излучатель-приёмник».

6. В процессе обработки данных, полученных с применением разработанных приборов, выявлены новые закономерности в природе ветровых волн, собственных колебаний бухты Витязь и во взаимодействии низкочастотных гидроакустических и ветровых волн.

Список публикаций по теме диссертации

Публикации в центральных изданиях, включенных в перечень российских рецензируемых научных журналов, в которых должны быть опубликованы основные научные результаты диссертаций на соискание ученых степеней доктора и кандидата наук:

1. Долгих Г.И. Технология пеленгации и идентификации опасных гидродинамических процессов Земли на стадии их зарождения и развития / Г.И. Долгих,

A.A. Плотников,. С.С. Будрин, С.Г. Долгих, С.Н. Ковалев, В.В. Овчаренко, В.А. Чупин,

B.А. Швец, C.B. Яковенко // Подводные исследования и робототехника. - 2007. - №1. - С. 46-53.

2. Долгих Г.И. Лазерный измеритель вариаций давления гидросферы в гидроакустических и океанологических исследованиях / Г.И. Долгих, А. А. Плотников,

C.С. Будрин, С.Г. Долгих, С.Н. Ковалёв, В.А. Чупин, В.А. Швец, C.B. Яковенко // Подводные исследования и робототехника. - 2007. - № 1. - С. 40-45.

3. Плотников A.A. Лазерный гидрофон / Г.И. Долгих, A.A. Плотников, В.А. Швец // Приборы и техника эксперимента - 2007. - №1. - С. 159-160.

4. Долгих Г.И. Взаимодействие низкочастотных гидроакустических волн с ветровыми морскими волнами / Г.И. Долгих, A.A. Плотников, С.Г. Долгих, В.А. Чупин, C.B. Яковенко II Доклады Академии наук. - 2010. - Т. 430. - № 2. - С. 257-260.

5. Ковалев С.Н. Измеритель поверхностного волнения/ С.Н. Ковалев, А. А. Плотников // Приборы и техника эксперимента. - 2010. -№ 1. - С. 182-182.

6. Долгих Г.И. Мобильный лазерный измеритель вариаций давления гидросферы / Г.И. Долгих, A.A. Плотников, С.С. Будрин // Приборы и техника эксперимента. - 2011. -№4.-С. 161-162.

7. Долгих Г.И. Лазерно-интерференционные системы измерения распределения гидростатического давления / Г.И. Долгих, С.С. Будрин, С.Г. Долгих, С.Н. Ковалёв, A.A. Плотников, В.А. Чупин, В.А. Швец, C.B. Яковенко // Подводные исследования и робототехника - 2011. - №1. - С. 49-58.

8. Долгих Г.И. Динамика ветровых волн при движении по шельфу убывающей глубины / Г.И. Долгих, С.С. Будрин, С.Г. Долгих, В.В. Овчаренко, A.A. Плотников, В.А. Чупин, В.А. Швец, C.B. Яковенко II Доклады Академии наук. - 2012. - Т. 447. - №4. - С. 445-449.

9. Долгих Г. И. Лазерный гидрофон на основе зеленого лазера LCM-S-11 / Г. И. Долгих, С. Г. Долгих, А. А. Плотников, В. А. Чупин, С. В. Яковенко // Приборы и техника эксперимента — 2013. - №5. — С. 140-141.

Патенты РФ:

10. Лазерно-интерференционный гидрофон: Патент на полезную модель 58216. Российская Федерация: МПК G01L23/06/ Г.И. Долгих, A.A. Плотников / Заявитель и патентообладатель: ТОЙ ДВО РАН - №2006122004/2, заявл.20.06.2006; опубл. 10.11. 2006, Бюл.31. -2 с. : ил.

11. Измеритель поверхностного волнения: Патент на полезную модель 96653. Российская Федерация: МПК G01L23/06/ С.Н. Ковалев, A.A. Плотников // Заявитель и патентообладатель: ТОЙ ДВО РАН - 2010101174/22, заявл. 15.01.2010; опубл. 15.01.2010, Бюл.22. — 2 с. : ил.

Публикации в других изданиях, в том числе в материалах российских и международных конференций:

12. Долгих Г.И. Цифровая система регистрации лазерных установок / Г.И. Долгих, С.Н. Ковалев, A.A. Плотников, В.А. Швец, C.B. Яковенко // Тезисы докладов международной конференции «Лазеры. Измерения. Информация». - Санкт-Петербург. -2004.-С. 21.

13. Долгих Г.И. Лазерно-интерференционный сверхнизкочастотный гидрофон. / Г.И. Долгих, С.С. Будрин, С.Г. Долгих, С.Н. Ковалев, A.A. Плотников, В.А. Чупин, В.А. Швец, C.B. Яковенко // Тезисы докладов конференции «Лазеры. Измерения. Информация». — Санкт-Петербург. - 2006. - С. 41-42.

14. Долгих Г.И. Лазерно-интерференционные методы в гидроакустических системах / Г.И. Долгих, A.A. Плотников // Тезисы докладов международной конференции. «Лазеры. Измерения. Информация». - Санкт-Петербург. - 2007. - С. 6.

15. Долгих Г.И. Лазерный гидрофон: конструктивные и технические возможности / Г.И. Долгих, A.A. Плотников // Всероссийский симпозиум «Физика геосфер» Материалы докладов. - Владивосток: «Дальнаука». - 2007. - С. 59-65.

16. Плотников A.A. Лазерно-интерференционный гидрофон /A.A. Плотников // Тезисы докладов конференции молодых ученых ТОЙ ДВО РАН им. В.И. Ильичева. — Владивосток, ТОЙ ДВО РАН. - 2007. - С. 50.

17. 19. Долгих Г.И. Лазерный гидрофон в гидроакустических и океанологических исследованиях / Г.И. Долгих, С.Г. Долгих, С.Н. Ковалев, A.A. Пивоваров, A.A. Плотников, В.А. Чупин, В.А. Швец, C.B. Яковенко, И.О. Ярощук // Сборник трудов XX сессии РАО - Москва: ГЕОС. - 2008. - Т. 2. - С. 430-433.

18. Долгих Г.И. Лазерный гидрофон в гидроакустических и океанологических исследованиях / Г.И. Долгих, С.Г. Долгих, С.Н. Ковалев, A.A. Плотников, В.А. Чупин, В.А. Швец, C.B. Яковенко // Ежегодник РАО. Акустика неоднородных сред. Сборник научных трудов семинара научной школы проф. С.А. Рыбака. — Троицк: Тровант. — 2008. — Выпуск 9. — С.92-100.

19. Плотников A.A. Исследование инфразвуковых вариаций давления гидросферы прямыми и параметрическими методами / A.A. Плотников // Тезисы докладов

конференции молодых ученых ТОЙ ДВО РАН "Океанологические исследования". -Владивосток. - 2009. - С. 101-102.

20. Долгих Г.И. Поверхностное волнение и гидроакустические волны геосфер / Г.И. Долгих, A.A. Плотников, С.Г. Долгих, В.А. Чупин, C.B. Яковенко // Материалы докладов шестого всероссийского симпозиума «Физика геосфер». - Владивосток: «Дальнаука». -2009.-С. 47-60.

21. Плотников A.A. Проблемы термостабилизации лазерно-интерференционных измерителей вариаций давления гидросферы / A.A. Плотников // Материалы докладов Седьмого Всероссийского симпозиума «Физика геосфер». - Владивосток: «Дальнаука». -2011.-С.214-217.

Плотников Александр Александрович

Разработка и создание лазерно-интерференционных измерителей вариаций давления

гидросферы

Специальность 01.04.06 - Акустика

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Подписано к печати 20.11.2013 г. Формат 60x84/24. Объем 1,0 уч.-изд. л. Тираж 100 экз. Заказ № 112 Отпечатано с авторского оригинал-макета ТОЙ ДВО РАН 690041, г. Владивосток, ул. Балтийская, 43

Текст научной работы диссертации и автореферата по физике, кандидата технических наук, Плотников, Александр Александрович, Владивосток

российская академия наук

дальневосточное отделение федеральное государственное бюджетное учреждение науки тихоокеанский океанологический институт

им. в.и. ильичева

04201455851 На правах рукописи

Плотников Александр Александрович

Разработка и создание лазерно-интерференционных измерителей вариаций

давления гидросферы

Специальность: 01.04.06 - Акустика

диссертация

на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель чл.-корр. РАН, доктор физ.- мат. наук Г.И. Долгих

Владивосток 2013

ОГЛАВЛЕНИЕ

ВВЕДЕНИЕ................................................................................................4

РАЗДЕЛ 1. ОБЗОР ТРАДИЦИОННЫХ ИЗМЕРИТЕЛЕЙ ВОЛНОВЫХ ПОЛЕЙ ГИДРОСФЕР............................................................................13

1.1 Введение......................................................................................13

1.2 Традиционные измерители волновых полей гидросферы..........................15

1.2.1 Гидрофоны..................................................................................15

1.2.2 Измерители уровня.....................................................................18

1.2.3 Неконтактные методы мониторинга инфразвуковых неоднородностей гидросферы...............................................................................29

1.2.4 Недостатки традиционных измерителей морского волнения..................30

1.3 Лазерно-интерференционные методы для мониторинга волновых полей гидросферы..............................................................................31

1.4 Выводы.....................................................................................37

РАЗДЕЛ 2. ЛАЗЕРНЫЙ ГИДРОФОН И МОБИЛЬНЫЙ ЛАЗЕРНЫЙ ИЗМЕРИТЕЛЬ ВАРИАЦИЙ ДАВЛЕНИЯ ГИДРОСФЕРЫ..............................40

2.1 Введение......................................................................................40

2.2 Лазерный гидрофон - конструкция и принцип работы...........................41

2.3 Мобильный лазерный измеритель вариаций давления гидросферы...........59

2.4 Погрешности измерений...............................................................62

2.5 Калибровка...............................................................................70

2.6 Испытания лазерного гидрофона и мобильного лазерного измерителя вариаций давления гидросферы.....................................................74

2.7 Выводы.....................................................................................80

РАЗДЕЛ 3. НЕКОТОРЫЕ НАУЧНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ, ПОЛУЧЕННЫЕ С ПРИМЕНЕНИЕМ ЛАЗЕРНО-ИНТЕРФЕРЕНЦИОННЫХ ИЗМЕРИТЕЛЕЙ

ВАРИАЦИЙ ДАВЛЕНИЯ ГИДРОСФЕРЫ................................................81

3.1 Введение..................................................................................81

3.2 Динамика ветровых волн при движении по шельфу убывающей глубины........................................................................................81

3.3 Инфразвуковые колебания японского моря..........................................88

3.4 Взаимодействие низкочастотных гидроакустических волн с ветровыми морскими волнами........................................................................94

ВЫВОДЫ...............................................................................................102

ЗАКЛЮЧЕНИЕ....................................................................................103

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ.....................................................................104

ВВЕДЕНИЕ

В последние двадцать лет в России активно развивается направление, связанное с применением акустических средств и методов при изучении закономерностей генерации, динамики и трансформации различных геосферных процессов инфразвукового диапазона. Одно из направлений связано с применением гидроакустических методов и средств при изучении и мониторинге разномасштабных океанологических процессов и их взаимодействия. Мониторинг колебаний морской поверхности является одной из важнейших задач современных океанологических исследований. Знание характеристик морского волнения является необходимым условием для успешного решения ряда научных и прикладных задач. Действительно, параметры морского волнения необходимо учитывать при составлении прогнозов погоды [1], подъеме затонувших объектов, подводном строительстве, расчетах характеристик акустических и электромагнитных полей, взаимодействующих с морской поверхностью [2,3], а также при расчете воздействий морского волнения на прибрежные области, гидротехнические сооружения, различные виды морского транспорта и т.д. Некоторые океанологические процессы, такие как волны цунами и блуждающие волны, не смотря на то, что представляют серьезную опасность для жизни человека, до сих пор мало изучены и природа их возникновения является предметом множества споров и дискуссий.

Таким образом, очевидно, что обеспечение качественного мониторинга различных неоднородностей Мирового океана является важной задачей. Поскольку спектр его волновых полей необычайно широк, современная измерительная база гидроакустики и океанологии представлена огромным разнообразием: гидрофоны и гидрофонные комплексы, различные измерители уровня, множество подходов которые можно отнести к неконтактным методам и т.д. Несмотря на то, что все они применяются для решения разнообразных научных и прикладных задач гидроакустики и океанологии, они имеют ограничения в точности измерений, частотном и динамическом диапазонах, что является серьезным препятствиям для более глубокого изучения законов

протекания и зарождения различных гидросферных неоднородностей. Решение многих фундаментальных задач зависит, в первую очередь, от полученных экспериментальных результатов. Качество получаемых результатов зависит от применяемой в исследованиях аппаратуры. Данная аппаратура должна удовлетворять следующим основным трём требованиям: 1) иметь предельную чувствительность, при которой возможны фоновые измерения изучаемых параметров; 2) обладать наивысшим частотным и динамическим диапазонами. Важность данных требований возрастает при изучении природных процессов на этапах их возникновения и развития. В любой области исследования очень сложно определить момент начала возникновения того или иного природного процесса. В океанологии сложность проведения данных исследований связана с тем, что возникающие природные процессы и явления имеют большие временные и пространственные масштабы. Большие временные и пространственные масштабы требуют применения при изучении данных природных процессов аппаратуры, в идеале обладающей неограниченным частотным и динамическим диапазонами при предельно достижимой чувствительности. Предельно достижимая чувствительность определяется межатомным взаимодействием. Можно полагать, что минимальная чувствительность определяется размерами атома, а максимальная - флуктуациями атома. Невозможность создания аппаратуры, удовлетворяющей вышеперечисленным требованиям, привела к бурному применению гидроакустических параметрических методов при проведении исследований природных процессов и явлений, особенно в инфразвуковом диапазоне. Так в океанологии широко применяются высокочувствительные установки, рабочий диапазон частот которых не позволяет выполнять прямые измерения изучаемых параметров в инфразвуковом диапазоне. В этом случае применение параметрических методов возможно только при выполнении одного из следующих условий: 1) нелинейное взаимодействие процессов и явлений различных пространственных и временных масштабов; 2) возбуждение высокочастотных процессов и явлений низкочастотными в среде, обладающей большой нелинейностью. Поверхностный анализ выполнения

данных условий позволяет понять, что при проведении исследований различных процессов на основе применения параметрических методов не может быть и речи об изучении физики процесса их возникновения. Так как взаимодействие процессов и явлений различных временных и пространственных масштабов, или возбуждение высокочастотных процессов и явлений низкочастотными, наблюдается лишь на последних стадиях их развития. Применение различных уровнемеров, мареографов и т.п. в океанологии, не позволяет исследовать процессы и явления на стадии их возникновения, так как они не обладают достаточной чувствительностью.

Чаще всего, при необходимости измерять длину с большой точностью, применяются лазерно-интерференционные методы измерений. Созданные на их основе геофизические установки позволяют проводить мониторинговые измерения с высокой точностью - единицы нанометров, и в широком частотном диапазоне. Кроме того, их особенности позволяют значительно расширить динамический диапазон измеряемых величин. К сожалению, несмотря на то, что данные методы хорошо известны и применяются при решении множества задач, применение их для решения измерительных задач гидроакустики и океанологии очень мало. В основном это волоконные датчики лазерно-интерференционного типа, которые хорошо проявляют себя при регистрации колебаний звукового диапазона и плохо при регистрации инфразвуковых колебаний. Помимо этого разработано очень небольшое число устройств без применения волокна, которые позволяют измерять вариации давления гидросферы с точность не ниже десятков мкПа, и способны работать в диапазоне частот от 0 до 1000 Гц (и выше), но имеют очень сложные, громоздкие и тяжелые конструкции, параметры которых сильно зависят от изменений температуры. При этом их оптические схемы плохо устойчивы к ударным возмущениям (которые возможны при эксплуатации), а сами устройства обычно имеют большую в сравнении с традиционными измерителями стоимость (цена только одного лазера может лежать в пределах 10000 $).

Таким образом, в настоящее время совершенствование измерительных средств гидроакустики и океанологии представляет актуальную задачу. В

этом направлении хорошие перспективы имеют лазерно-интерференционные методы. На данный момент их применение при разработке гидроакустической измерительной аппаратуры мало, что дает большие возможности для исследований и новых разработок.

Цель работы Цель работы состоит в разработке и создании компактных лазерно-интерференционных систем, способных измерять вариации гидросферного давления на фоновом уровне в инфразвуковом и звуковом диапазонах, которые предназначены для изучения природы возникновения и развития гидроакустических процессов инфразвукового и звукового диапазонов, а также их взаимодействия с разномасштабными морскими процессами.

Для достижения цели работы были поставлены следующие задачи:

Актуальность темы. Для изучения закономерностей возникновения, развития и трансформации гидроакустических колебаний и волн широкого диапазона частот в современной акустике океана используются различные аппаратно-программные установки и комплексы, созданные на основе различных гидроакустических сенсоров, обладающих высокой чувствительностью, но, к сожалению, ограниченным снизу частотным диапазоном. Отсутствие высокочувствительных установок, способных регистрировать гидроакустические возмущения в инфразвуковом диапазоне, способствовало бурному развитию параметрических методов, которые работают только при нелинейном взаимодействии волн различных частотных диапазонов и не в состоянии прояснить природу возникновения гидроакустических процессов инфразвукового диапазона. Для изучения физики их возникновения необходимы

установки, которые способны проводить измерения вариаций гидросферного давления в инфразвуковом диапазоне на уровне фоновых колебаний. Ранее на основе лазерно-интерференционных методов был создан макет лазерного измерителя ваприаций давления гидросферы (Г.И. Долгих, С.Г. Долгих, С.Н. Ковалев, В.А. Швец, В.А. Чупин, C.B. Яковенко, 2005), изучение характеристик которого определило дальнейший путь развития данного направления и актуальность настоящей работы, которая связана с задачами создания компактных лазерно-интерференционных систем, обладающих малыми раземерами и низким энергопотреблением и способных измерять вариации гидросферного давления на фоновом уровне в инфразвуковом и звуковом диапазонах, применение которых позволит не только исследовать закономерности возникновения и развития гидроакустических колебаний и волн инфразвукового диапазона, но и изучить особенности взаимодействия гидроакустических волн с гидросферными процессами широкого диапазона частот.

Научная новизна. Разработаны и созданы лазерно-интерференционные системы, предназначенные для измерения вариаций гидросферного давления с пороговой чувствительностью не хуже 0,013 Па в частотном диапазоне от статического давления до 1000 Гц. Намечены пути достижения пороговой чувствительности до единиц мкПа за счет оптимизации выбора цифроаналогового преобразователя. В отличие от большинства известных оптических гидрофонов, здесь, в качестве чувствительного элемента используется не оптоволокно, а мембрана, что позволило создать приборы с широким динамическим диапазоном (до 150 дБ), и существенно упростило задачу термостабилизации оптической схемы, необходимой для снижения погрешностей при измерении инфразвуковых колебаний. Помимо этого в данных системах реализованы аппаратно-программные средства повышения точности измерений при использовании источников излучения с низкой стабильностью частоты (полупроводниковый лазерный модуль). Научная новизна данных результатов подтверждена патентом РФ на полезную модель №58216.

Достоверность результатов, приведенных в диссертации результатов, подтверждена многократными и тщательно проведёнными экспериментами,

направленными на исследование природы возникновения и развития колебаний и волн широкого диапазона частот, а также сравнением полученных результатов с литературными данными и модельно-теоретическими оценками.

Практическая значимость результатов, диссертации определятся поиском методических и технических решений необходимых для создания лазерно-интерференционных измерителей вариаций давления гидросферы. При этом решаются задачи снижения зависимости пороговой чувствительности разрабатываемых приборов от стабильности частоты излучения лазера и вариаций температуры. Научные результаты, изложенные в работе, получены при выполнении программ, проводимых ТОЙ ДВО РАН: ФЦП, ЦНТП, грантов РФФИ.

Апробация работы. Основные результаты исследований, обобщенные в диссертации, доложены и обсуждены на международных и российских конференциях: «Лазеры. Измерения. Информация» (Санкт-Петербург 2004, 2006, 2007), Сессия Российского акустического общества (Москва 2006, 2008), на конференции молодых ученых «Океанологические исследования» (Владивосток 2007, 2008, 2009, 2011), Всероссийской конференции «Физика геосфер» (Владивосток 2007, 2009, 2011, 2013), Акустический семинар ТОЙ ДВО РАН (2013).

Публикации. Основные результаты по теме диссертации опубликованы в 27 работах, в том числе в 9 статьях журналов, входящих в перечень российских рецензируемых научных журналов, в которых должны быть опубликованы основные научные результаты диссертаций на соискание ученых степеней доктора и кандидата наук. В рамках диссертационной работы получено 2 патента на полезную модель.

Личный вклад автора:

Основные положения, выносимые на защиту: