Криогенно-оптический датчик для высокочувствительных гравитационных измерений

Представлено концепцію нового кріогеннооптичного датчика, орієнтованого на застосування в космічній галузі, геодинаміці та фундаментальних експериментах. Основою датчика є магнітний підвіс з левітуючим пробним тілом, високоточний оптичний реєстратор механічних координат левітуючого тіла і система о...

Повний опис

Збережено в:

Бібліографічні деталі
Дата:	2006
Автори:	Козорез, В.В., Малицкий, Р.А., Пардалос, П.М., Удовицкая, Е.Г., Ходаковский, В.М., Исмаили, Х.М., Черемных, О.К., Яценко, В.А., Яценко, Л.П.
Формат:	Стаття
Мова:	Russian
Опубліковано:	Інститут кібернетики ім. В.М. Глушкова НАН України 2006
Назва видання:	Проблемы управления и информатики
Онлайн доступ:	https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/206768
Теги:	Додати тег Немає тегів, Будьте першим, хто поставить тег для цього запису!
Назва журналу:	Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine
Цитувати:	Криогенно-оптический датчик для высокочувствительных гравитационных измерений / В.В. Козорез, Р.А. Малицкий, П.М. Пардалос, А.М. Негрийко, Е.Г. Удовицкая, В.М. Ходаковский, Х.М. Исмаили, О.К. Черемных, В.А. Яценко, Л.П. Яценко // Проблемы управления и информатики. — 2006. — № 1-2. — С. 271-284. — Бібліогр.: 14 назв. — рос.

Репозитарії

Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine

id	irk-123456789-206768
record_format	dspace
spelling	irk-123456789-2067682025-09-25T00:17:27Z Криогенно-оптический датчик для высокочувствительных гравитационных измерений Кріогенно-оптичний датчик для високочутливих гравітаційних вимірювань A Cryogenic-Optical Sensor for Highly Sensitive Gravitational Measurements Козорез, В.В. Малицкий, Р.А. Пардалос, П.М. Удовицкая, Е.Г. Ходаковский, В.М. Исмаили, Х.М. Черемных, О.К. Яценко, В.А. Яценко, Л.П. Представлено концепцію нового кріогеннооптичного датчика, орієнтованого на застосування в космічній галузі, геодинаміці та фундаментальних експериментах. Основою датчика є магнітний підвіс з левітуючим пробним тілом, високоточний оптичний реєстратор механічних координат левітуючого тіла і система обробки сигналів. Як система реєстрації переміщень пробного тіла використовується інтерферометр типу Майкельсона, створений з використанням лазерного діода і одномодового оптичного волокна. Узгодження довжини когерентності лазерного діода і різниці оптичних довжин плечей інтерферометрадозволило усунути когерентні шуми, обумовлені інтерференцією паразитних відбиттів. Мінімальне реєстроване переміщення пробного тіла становило 0,1 нм. Описано конструкцію датчика і наведено результати експериментальних досліджень магнітного підвісу разом з оптичним інтерферометричним датчиком переміщень із субнанометровою чутливістю. The conception of new cryogenic-optical sensor for applications in space, geodynamics and basic experiments is described. The sensor is based on magnetic suspension with levitating probe body, precise optical detector of probe body position and signal processing system. The Michelson interferometer based on laser diode and singlemode optical fiber was used as probe body displacement sensor. The parasitic interference noises were appreciably suppressed by matching of laser diode radiation coherence length and optical path differences in interferometer. The minimal detected displacement of probe body was 0,1 nm. The design of sensor and mathematical model of superconducting suspension dynamics are described. The results of experimental tests of magnetic suspension and optical interferometric sensor displacements with sub-nanometer sensitivity are presented. Работа выполнена при поддержке Украинского научно-технологического центра в рамках проекта U039k 2006 Article Криогенно-оптический датчик для высокочувствительных гравитационных измерений / В.В. Козорез, Р.А. Малицкий, П.М. Пардалос, А.М. Негрийко, Е.Г. Удовицкая, В.М. Ходаковский, Х.М. Исмаили, О.К. Черемных, В.А. Яценко, Л.П. Яценко // Проблемы управления и информатики. — 2006. — № 1-2. — С. 271-284. — Бібліогр.: 14 назв. — рос. 0572-2691 https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/206768 519.815 ru Проблемы управления и информатики application/pdf Інститут кібернетики ім. В.М. Глушкова НАН України
institution	Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine
collection	DSpace DC
language	Russian
description	Представлено концепцію нового кріогеннооптичного датчика, орієнтованого на застосування в космічній галузі, геодинаміці та фундаментальних експериментах. Основою датчика є магнітний підвіс з левітуючим пробним тілом, високоточний оптичний реєстратор механічних координат левітуючого тіла і система обробки сигналів. Як система реєстрації переміщень пробного тіла використовується інтерферометр типу Майкельсона, створений з використанням лазерного діода і одномодового оптичного волокна. Узгодження довжини когерентності лазерного діода і різниці оптичних довжин плечей інтерферометрадозволило усунути когерентні шуми, обумовлені інтерференцією паразитних відбиттів. Мінімальне реєстроване переміщення пробного тіла становило 0,1 нм. Описано конструкцію датчика і наведено результати експериментальних досліджень магнітного підвісу разом з оптичним інтерферометричним датчиком переміщень із субнанометровою чутливістю.
format	Article
author	Козорез, В.В. Малицкий, Р.А. Пардалос, П.М. Удовицкая, Е.Г. Ходаковский, В.М. Исмаили, Х.М. Черемных, О.К. Яценко, В.А. Яценко, Л.П.
spellingShingle	Козорез, В.В. Малицкий, Р.А. Пардалос, П.М. Удовицкая, Е.Г. Ходаковский, В.М. Исмаили, Х.М. Черемных, О.К. Яценко, В.А. Яценко, Л.П. Криогенно-оптический датчик для высокочувствительных гравитационных измерений Проблемы управления и информатики
author_facet	Козорез, В.В. Малицкий, Р.А. Пардалос, П.М. Удовицкая, Е.Г. Ходаковский, В.М. Исмаили, Х.М. Черемных, О.К. Яценко, В.А. Яценко, Л.П.
author_sort	Козорез, В.В.
title	Криогенно-оптический датчик для высокочувствительных гравитационных измерений
title_short	Криогенно-оптический датчик для высокочувствительных гравитационных измерений
title_full	Криогенно-оптический датчик для высокочувствительных гравитационных измерений
title_fullStr	Криогенно-оптический датчик для высокочувствительных гравитационных измерений
title_full_unstemmed	Криогенно-оптический датчик для высокочувствительных гравитационных измерений
title_sort	криогенно-оптический датчик для высокочувствительных гравитационных измерений
publisher	Інститут кібернетики ім. В.М. Глушкова НАН України
publishDate	2006
url	https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/206768
citation_txt	Криогенно-оптический датчик для высокочувствительных гравитационных измерений / В.В. Козорез, Р.А. Малицкий, П.М. Пардалос, А.М. Негрийко, Е.Г. Удовицкая, В.М. Ходаковский, Х.М. Исмаили, О.К. Черемных, В.А. Яценко, Л.П. Яценко // Проблемы управления и информатики. — 2006. — № 1-2. — С. 271-284. — Бібліогр.: 14 назв. — рос.
series	Проблемы управления и информатики
work_keys_str_mv	AT kozorezvv kriogennooptičeskijdatčikdlâvysokočuvstvitelʹnyhgravitacionnyhizmerenij AT malickijra kriogennooptičeskijdatčikdlâvysokočuvstvitelʹnyhgravitacionnyhizmerenij AT pardalospm kriogennooptičeskijdatčikdlâvysokočuvstvitelʹnyhgravitacionnyhizmerenij AT udovickaâeg kriogennooptičeskijdatčikdlâvysokočuvstvitelʹnyhgravitacionnyhizmerenij AT hodakovskijvm kriogennooptičeskijdatčikdlâvysokočuvstvitelʹnyhgravitacionnyhizmerenij AT ismailihm kriogennooptičeskijdatčikdlâvysokočuvstvitelʹnyhgravitacionnyhizmerenij AT čeremnyhok kriogennooptičeskijdatčikdlâvysokočuvstvitelʹnyhgravitacionnyhizmerenij AT âcenkova kriogennooptičeskijdatčikdlâvysokočuvstvitelʹnyhgravitacionnyhizmerenij AT âcenkolp kriogennooptičeskijdatčikdlâvysokočuvstvitelʹnyhgravitacionnyhizmerenij AT kozorezvv kríogennooptičnijdatčikdlâvisokočutlivihgravítacíjnihvimírûvanʹ AT malickijra kríogennooptičnijdatčikdlâvisokočutlivihgravítacíjnihvimírûvanʹ AT pardalospm kríogennooptičnijdatčikdlâvisokočutlivihgravítacíjnihvimírûvanʹ AT udovickaâeg kríogennooptičnijdatčikdlâvisokočutlivihgravítacíjnihvimírûvanʹ AT hodakovskijvm kríogennooptičnijdatčikdlâvisokočutlivihgravítacíjnihvimírûvanʹ AT ismailihm kríogennooptičnijdatčikdlâvisokočutlivihgravítacíjnihvimírûvanʹ AT čeremnyhok kríogennooptičnijdatčikdlâvisokočutlivihgravítacíjnihvimírûvanʹ AT âcenkova kríogennooptičnijdatčikdlâvisokočutlivihgravítacíjnihvimírûvanʹ AT âcenkolp kríogennooptičnijdatčikdlâvisokočutlivihgravítacíjnihvimírûvanʹ AT kozorezvv acryogenicopticalsensorforhighlysensitivegravitationalmeasurements AT malickijra acryogenicopticalsensorforhighlysensitivegravitationalmeasurements AT pardalospm acryogenicopticalsensorforhighlysensitivegravitationalmeasurements AT udovickaâeg acryogenicopticalsensorforhighlysensitivegravitationalmeasurements AT hodakovskijvm acryogenicopticalsensorforhighlysensitivegravitationalmeasurements AT ismailihm acryogenicopticalsensorforhighlysensitivegravitationalmeasurements AT čeremnyhok acryogenicopticalsensorforhighlysensitivegravitationalmeasurements AT âcenkova acryogenicopticalsensorforhighlysensitivegravitationalmeasurements AT âcenkolp acryogenicopticalsensorforhighlysensitivegravitationalmeasurements
first_indexed	2025-09-26T01:14:06Z
last_indexed	2025-09-26T01:14:06Z
_version_	1844287107145662464
fulltext	© В.В. КОЗОРЕЗ, Р.А. МАЛИЦКИЙ, П.М. ПАРДАЛОС, А.М. НЕГРИЙКО, Е.Г. УДОВИЦКАЯ, В.М. ХОДАКОВСКИЙ, Х.М. ИСМАИЛИ, О.К. ЧЕРЕМНЫХ, В.А. ЯЦЕНКО, Л.П. ЯЦЕНКО, 2006 Проблемы управления и информатики, 2006, № 1–2 271 УДК 519.815 В.В. Козорез, Р.А. Малицкий, П.М. Пардалос, А.М. Негрийко, Е.Г. Удовицкая, В.М. Ходаковский, Х.М. Исмаили, О.К. Черемных, В.А. Яценко, Л.П. Яценко КРИОГЕННО-ОПТИЧЕСКИЙ ДАТЧИК ДЛЯ ВЫСОКОЧУВСТВИТЕЛЬНЫХ ГРАВИТАЦИОННЫХ ИЗМЕРЕНИЙ∗ Введение Дистанционное зондирование гравитационных аномалий — одна из быстро развивающихся технологий. Это индустрия многих миллионов долларов, количе- ство отдаленных тематических изображений разных участков Земли постоянно растет. Решение многих практических проблем зависит от широкомасштабного использования измеряющих систем и принципов, на основе которых они функци- онируют. Эти проблемы включают мониторинг природных ресурсов на основе анализа гравитационных аномалий, изучение глобальных геодинамических про- цессов, гравитационного поля Земли, движения полюсов Земли и др. Чтобы уве- личить точность наблюдений, определения местоположения и ориентации для долговременных авиаполетов и плаваний подводных аппаратов, необходимо знать гравитационное поле Земли, включая его аномалии. Детальная информация о гравитационном поле Земли необходима также многим отраслям и прикладным наукам (космические исследования, геология, навигация, наука о форме Земли). Действительно, точное и быстрое детектирование геодинамических процессов позволяет получить данные относительно зарождения и развития критических ло- кальных и глобальных экологических состояний. Другая практическая проблема заключается в потребности получения информации о неразведанных полезных ископаемых Земли. Гравиметр — это весьма тонкий инструмент [1–3] для измерения ускорения притяжения g. В настоящее время точность наилучших стационарных наземных гравиметров составляет 810− g, для гравиметров морского базирования — 710− g, а для авиационных — 610− g. Большая часть гравиметров, которые выпускаются промышленностью, основаны на свойствах растянутой пружины или упругих свойствах пружин, изготовленных из кварца или других специальных сплавов. Их точность недостаточна для решения указанных проблем. Поскольку точность гра- виметров на основе традиционных принципов в настоящее время практически до- стигла теоретического предела, многие разработчики на протяжении последних десятилетий пытаются использовать нетрадиционные подходы в попытках со- здать суперточные гравиметры [2, 3]. Эти попытки можно сгруппировать по спо- собу неконтактного подвешивания чувствительной массы гравиметра, по исполь- зованию электрических или магнитных сил для осуществления обратной связи, по методам измерения смещений чувствительной массы гравиметра (системы опти- ческой регистрации, емкостные датчики, сверхпроводящие квантовые интерфе- ренционные датчики (СКВИД) на основе эффекта Джозефсона и т.д.), а также по компьютерным методам обработки сигналов. Скачок в совершенствовании этих приборов стал возможен благодаря интенсификации разработок сверхпроводящих гравиметров. В работе [4], где в деталях описан сверхпроводящий гравиметр, от- ∗ Работа выполнена при поддержке Украинского научно-технологического центра в рамках про- екта U039k. 272 ISSN 0572-2691 мечается, что его базовая конструкция остается неизменной на протяжении почти тридцати лет с момента первой публикации [1]. Свободное состояние (левитация) чувствительной массы этого гравиметра достигается на основе эффекта Браунбе- ка–Мейснера [5, 6]. Альтернативная возможность подвеса пробного тела базируется на явлении магнитной левитации [5–7]. Исследования в этом направлении начались в конце 1960-х как естественное следствие развития низкотемпературной прикладной сверхпроводимости, теории электромеханического превращения энергии и мето- дов теории управления. Для левитации характерен минимум магнитной потенци- альной энергии как функции расстояния. Цель данной работы состоит в изложении результатов разработки чувстви- тельного элемента и метода оценки гравитационного возмущения, действующего на левитирующее пробное тело. Описывается концепция криогенно-оптического датчика, представлена его конструкция, приводится математическая модель ди- намики сверхпроводящего подвеса и анализируется его устойчивость. Представ- лены результаты экспериментальных исследований магнитного подвеса совмест- но с оптическим итерферометрическим датчиком перемещений с субнанометро- вой чувствительностью. 1. Концепция криогенно-оптического датчика Датчик основывается на особенностях левитации пробного тела, измерении его смещения и способе обработки сигнала [7–13]. Во-первых, это новый тип сверхпроводящего подвеса пробного тела высокочувствительного гравиметра в свободном состоянии. Известные сверхпроводящие подвесы [1–3] используют концепцию левитации на основе эффекта Браунбека–Мейснера [4], когда устой- чивое магнитное удержание без контакта с другими телами возникает благодаря идеальному диамагнетизму сверхпроводника, который обеспечивает выталкива- ние из своего объема магнитного поля другого магнита, например сверхпроводя- щей катушки, запитанной незатухающим током. Пробное тело известных грави- метров представляет собой, как правило, сплошную сферу. Новая концепция использует не диамагнетизм сверхпроводника, а нулевое сопротивление сверх- проводника в виде тонкого замкнутого витка, например кольца. При определен- ных условиях благодаря проявлению феномена левитации такое кольцо может стойко зависать в свободном состоянии, невзирая на то что его диамагнетизм практически не проявляется и, согласно известным физическим принципам, дела- ет подвес неработоспособным. Другая особенность — лазерный метод измерения смещений пробного тела, тогда как у известных сверхпроводящих гравиметров, как правило, для этой цели используют датчики на основе эффекта Джозефсона (сверхпроводящие квантовые интерферометрические датчики). Третья особен- ность состоит в использовании современных методов обработки сигналов для вы- деления на фоне значительных по величине шумов очень малого возмущения, от- вечающего параметрам измеряемого гравитационного поля. Сверхпроводящий гравиметр представляет собой датчик пружинного типа, в котором в качестве аналога механической пружины выступает магнитная воз- вращающая сила, действующая на пробное сверхпроводящее тело в неоднород- ном магнитном поле сверхпроводящих колец или постоянного магнита. Благодаря высокой стабильности сверхпроводящих токов создается высокостабильная без- диссипативная пружина. В равновесии пробное тело левитирует в положении, где гравитационная сила уравновешена магнитной силой, действующей в противопо- ложном направлении. При изменении гравитации пробное тело начинает сдви- гаться с этой нулевой позиции и электронный датчик смещения регистрирует сигнал ошибки. Изменением тока в управляющем кольце система автоподстройки создает дополнительное магнитное поле, пропорциональное этому сигналу, ко- Проблемы управления и информатики, 2006, № 1–2 273 торое удерживает пробное тело в нулевом положении. Поскольку возвращаю- щая сила линейна по току, то измерение тока в управляющем кольце обеспечи- вает линейные измерения изменений силы гравитации. В чувствительном элементе (рис. 1) пробная масса имела форму цилиндра, на котором размещались сверхпроводящие кольца и зеркало для интерферометриче- ских измерений. К этому цилиндру крепятся дополнительные конструктивные элементы, необходимые по технологическим соображениям. Жидкий азот Жидкий гелий Левитирующее пробное тело Постоянный магнит Oптическое волокно Рис. 1 Эффективное использование преимуществ систем с магнитной подвеской, имеющих практически неограниченную чувствительность, требует соответству- ющей системы регистрации смещения пробного тела. В чувствительном элементе положение пробного тела предложено определять при помощи лазерного сенсо- ра. Это позволяет исключить возможные возмущения положения пробного тела электрическими и магнитными полями в отличие от обычных сенсоров, которые использовались в таких системах прежде. Современные интерферометрические методы и динамические эффекты в лазерной генерации, вызванные слабыми внешними сигналами, используются для детектирования сверхмалых перемеще- ний пробного тела. Интерферометрический метод может обеспечить точность измерения координат пробного тела не хуже 0,1 нм, что достаточно для дости- жения необходимой чувствительности датчика. Нами отобраны и реализованы экспериментальные схемы с лазерными детекторами смещения, которые обеспе- чивают измерение смещений пробного тела и преобразование сигнала в цифро- вую форму для последующей обработки. Показано, что оптический датчик на ос- нове диодного лазера с внешним резонатором в качестве источника монохрома- тического излучения и одномодового оптоволокна как канала транспортировки света к пробному телу с сохранением когерентности оптического излучения удо- влетворяет необходимым требованиям. Обрабатывать сигналы криогенно-оптического гравиметра предложено в не- сколько этапов. Первый этап состоит в компенсации шумов, влияющих на осно- вание прибора. Второй этап ориентирован на использование обратной динамиче- ской модели датчика [8]. Адаптивная цифровая фильтрация осуществляется на третьем этапе обработки. Сочетание подвески свободной чувствительной массы, оптической регистрационной системы и новых средств обработки сигнала позво- ляет наделить прибор новыми динамическими свойствами. 2. Конструкция чувствительного элемента Общий вид опто-криогенного датчика представлен на рис. 2. Магнитная си- стема подвески из четырех наборов удерживающих постоянных магнитов показа- на на рис. 3. Магнитный подвес — коаксиален, т.е. удерживающие магниты сме- щены из коаксиальной позиции на позиции, когда их оси параллельны оси подве- са. Из разных вариантов количества удерживающих магнитов (два, три, четыре) 274 ISSN 0572-2691 выбрана система из четырех редкоземельных постоянных магнитов с вертикаль- ной осью. Каждый магнит в горизонтальной плоскости имеет прямоугольную форму. Вертикальные магнитные оси четырех наборов магнитов сдвинуты от оси подвеса так, что образовалось пространство размером 18 мм в диаметре для раз- мещения оптического датчика. Проблема невертикальности положения подве- шенной свободной пробной массы, возникшая в результате неодинаковых маг- нитных свойств наборов постоянных магнитов, решается двумя изменениями конструкции. Одно из них — увеличение «колебательности» пробной массы, дру- гое сводится к тонкому ферромагнитному кольцу, что компенсировало азиму- тальную неоднородность магнитного поля подвеса. Рис. 2 Рис. 3 После теоретических и экспериментальных исследований подвеса, оптиче- ского датчика и программного обеспечения проанализирована целесообразность реализации выбранной конструкции в целом. В части подвеса основные работы касаются изменений конструкции магнитной системы, когда вместо размещения удерживающих магнитов на оси подвеса они должны были быть смещены от вер- тикальной оси для размещения на ней оптического лазерного датчика. Конструкция магнитного подвеса (рис. 3) включает четыре набора постоян- ных редкоземельных магнитов, вертикальные оси которых сдвинуты от оси под- веса в четырех радиальных направлениях. Конструкция пробной массы имеет два ниобий-титановых кольца. Верхняя плоскость пробного тела отполирована для использования в качестве отражающей плоскости для лазерных лучей. Левитаци- онный зазор в зависимости от массы пробного тела составлял 7–15 мм. На основе этой рабочей модели проведены теоретические и экспериментальные исследова- ния совместной работы системы подвес–регистрация. Проанализировано влияние физического состояния гелия (жидкость или газ) на совместную работу системы Проблемы управления и информатики, 2006, № 1–2 275 подвес–регистрация. Изучено влияние пассивного фильтра на точность измере- ний, а также факторы, влияющие на уменьшение жесткости подвеса, в частности наличие дополнительной ферромагнитной массы на свободной пробной массе. На рис. 4 показана магнитная система подвески и оптическая система измерения ме- ханических координат. Рис. 4 3. Система обработки сигналов Система обработки сигналов состоит из адаптивного компенсатора, обрат- ной динамической модели датчика [8], адаптивного фильтра Калмана и цифрово- го фильтра. Вместо обратной модели датчика может использоваться нейросеть специального типа. Программное обеспечение включает алгоритмы оценивания гравитационного возмущения, 12-мерную численную модель подвеса, подсистему взаимодействия ядра программы с базой данных, а также средства взаимодей- ствия с датчиком. Предусмотрено последовательное включение новых программ- ных модулей, которые разработаны на основе С++ и MATLAB. В программное обеспечение включены специальные средства для существенного уменьшения уровней внутренних и генерируемых светом шумов с учетом особенностей опти- ческого детектора. Реализован ряд усовершенствований, рассчитанных на анализ шумов. Это позволило оценить характеристики интенсивности шума оптического измерителя координат. Получена корреляционная функция и спектральная плотность шума с учетом процессов фильтрации в интерферометре и модуляции волнового фронта. Анализ включает учет модуляции дробового шума как специального случая про- явления шума. Для детектирования сигнала, искаженного дробовым шумом, было найдено отношение сигнал-шум как функции модуляционных параметров и по- строена процедура его оптимизации. Алгоритм адаптивной компенсации шума базируется на методах глобальной оптимизации. Он позволяет извлекать полезную информацию из зашумленного оптического сигнала в реальном масштабе времени и допускает использование двух типов сенсоров. Первичный сенсор формирует зашумленный исходный сиг- нал. Вторичный сенсор измеряет шум, который некоррелирован с полезным сиг- налом и коррелирован с шумом в первичном сенсоре. Нейросетевые алгоритмы анализа сигналов и оценивания гравитационного возмущения основываются на использовании энтропии. Для построения алгорит- ма идентификации динамики пробного тела предложена процедура минимизации энтропии ошибки с учетом влияния длины временнόго окна. Аналитически пока- зано, что хотя минимум энтропии может оказаться локальным, глобальный мини- мум величины энтропии может быть найден при использовании текущих значе- ний информации. Нейросеть ингибиторного типа применена для оценивания по- ложения левитирующего тела в пространстве. 276 ISSN 0572-2691 Проведено тестирование программного обеспечения совместно с датчиком и получены оценки точности измерения. Они основаны на последовательной обра- ботке «оптимальный фильтр — обратная модель датчика — адаптивный фильтр Калмана». В процессе тестирования программного обеспечения использовались следующие характеристики: отношение стандартных отклонений, средняя квад- ратическая погрешность оценки и коэффициент корреляции сигнала без шума и оцененного сигнала. 4. Лазерный датчик перемещений для сверхпроводящего гравиметра Последние достижения в разработке диодных лазеров и в оптоволоконной технологии, прогресс в развитии методов лазерной интерферометрии предлагает альтернативу обычно используемым электронным датчикам смещений. Исполь- зование волоконно-оптических интерферометров имеет ряд важных потенциаль- ных достоинств [10–14], обеспечивая: 1) возможность создания линейного высо- кочувствительного детектора смещений; 2) абсолютные измерения смещений с естественным масштабом — длиной волны лазерного излучения; 3) динамический диапазон, достаточный для регистрации наибольших сейсмических возмущений; 4) минимальный электрический шум; 5) минимальные размеры и относительную легкость производства, отсутствие электромагнитного и теплового шумов; 6) воз- можность уменьшения дрейфов при использовании частотно-стабилизированных лазеров. 4.1. Конструкция оптической измерительной системы. В сверхпроводя- щем гравиметре, исследуемом в данной работе, движения пробного тела изуча- лось при помощи оптического датчика — лазерного волоконно-оптического ин- терферометра. Лазерный интерферометр выполнен на основе одномодового опти- ческого волокна длиной 5 м, что позволяет удобно размещать лазерно-оптический блок по отношению к криогенному. Пробное тело имеет форму цилиндра, на ко- тором размещено зеркало для интерферометрических измерений. Схема вставки в криостат с головкой оптического датчика, установленной на опорной плоскости, и с левитирующим пробным телом представлена на рис. 5. Головка оптического датчика Опорная плоскость Зеркальная поверхность левитирующего пробного тела Рис. 5 Общая схема оптической измерительной системы показана на рис. 6. Она включает в себя: источник лазерного излучения; волоконно-оптический кабель; фотоприемник; систему регистрации сигнала; систему контроля параметров ла- зерного излучения. Основные элементы системы: 1 — криостат со вставкой, на которой смонтиро- вана оптическая головка; 2 — оптический кабель; 3 — фокусирующий объектив; 4 — лазерная головка с лазерным диодом; 5 — блок питания лазерного диода; 6 — блок стабилизации температуры; 7 — интерферометр Фабри–Перо ИФП-1; 8 — экран; 9 — синхронный детектор; 10 — аналого-цифровой преобразователь (АЦП); 11 — модулятор; 12 — компьютер. Проблемы управления и информатики, 2006, № 1–2 277 1 2 3 8 9 11 10 12 6 4 5 7 Рис. 6 Излучение лазерного диода вводится в оптоволокно при помощи коллими- рующего объектива. Опорный пучок интерферометра формируется путем отра- жения части лазерного излучения, которое вводится в волокно, от выходного тор- ца световода, а сигнальный — отражением от полированной алюминиевой по- верхности пробного тела. Поскольку для снижения чувствительности прибора к угловым отклонениям пробного тела выходная коллимирующая оптика не уста- навливалась, амплитуда сигнального пучка быстро уменьшается с увеличением расстояния от выходного торца световода до пробного тела. Нормальным рабо- чим диапазоном считаются расстояния в интервале 0,2–0,8 мм. Опорный и сигнальный пучки возвращаются по световоду обратно в лазерно- оптический блок, отражаются от светоделительного зеркала и регистрируются фотоприемником. Источник лазерного излучения создан на базе полупроводникового непре- рывного лазера HL6320G производства фирмы Hitachi (длина волны излучения 635 нм, выходная мощность 10 мВт). Лазер монтируется в лазерную головку с термоэлектрическим охлаждением TCLDM9 фирмы Thorlabs Inc., которое позво- ляет установить диоды с диаметром корпуса 9 мм и 5,6 мм, допускает модуляцию тока питания в диапазоне частот от 100 кГц до 1 ГГц и прецизионное управление температурой лазерного диода. Для питания лазера используется электронный блок LDC-500-EC (Thorlabs Inc.), который дает возможность устанавливать ток лазерного диода в диапазоне от нуля до 500 мА с точностью ±0,2 мА. Шум в ча- стотном интервале 10 Гц–10 МГц не превышает 5 мкА. Блок питания имеет ре- жим контроля мощности излучения лазера, реализуемый посредством встроенно- го в корпус лазерного диода фотодетектора. Ток питания лазерного диода может модулироваться внешним генератором в диапазоне частот от постоянного тока до 150 кГц, коэффициент модуляции 50 мА/В. Температура лазерного диода стабилизируется при помощи термоэлектриче- ского холодильника, встроенного в лазерную головку, который управляется бло- ком термостабилизации TEC2000-EC (Thorlabs Inc.). Стабильность температуры составляет 0,001 °С, точность установки — 0,01 °С. В составе интерферометра использован волоконно-оптический одномодо- вый кабель P-3224-FC-5 (Thorlabs Inc.). Длина кабеля — 5 м, диаметр сердечни- ка — 4 мкм, диаметр оболочки — 125 мкм, с двух концов — керамические нако- нечники, числовая апертура — 0,12, длина волны отсечки — 620 нм. Со стороны лазера излучение вводится в оптоволокно при помощи коллимирующего объектива F230FFC-B (Thorlabs Inc.), диаметр которого — 3,8 мм, числовая апертура — 0,55 и фокусное расстояние — 4,5 мм. Оптика просветлена в диапазоне 600–1050 нм. 278 ISSN 0572-2691 В качестве фотоприемника используется кремниевый фотодиод PDA55-EC (Thorlabs Inc.) с большой площадью приемного окна (13 мм2), малошумящим уси- лителем, коэффициент усиления которого регулируется от 1,5 ·104 до 1,5 ·106 В/А. При минимальном коэффициенте усиления полоса пропускания приемника со- ставляет минимум 10 МГц. Сигнал от фотоприемника подается или прямо на 12-разрядный АЦП типа MC-PC20, или сначала на синхронный детектор для повышения отношения сиг- нала к шуму, а потом через АЦП на персональный компьютер. Для формирования опорного сигнала для синхронного детектора и модуляции сигнала интерферен- ции используется модулятор, формирующий переменный сигнал высокого напряжения для подачи на пьезоэлемент для модуляции положения референтной плоскости интерферометра. Система регистрации позволяет записывать непре- рывный сигнал длительностью 16 с. 4.2. Свойства оптоволоконного интерференционного датчика и его пре- дельная чувствительность. 4.2.1. Сигнал интерференции. Интенсивность света, которая регистрируется фотоприемником, зависит от расстояния x между пробным телом и концом свето- вода и может быть представлена в виде: .4cos)()1(2)1( 111100             λ πχΓ−+−+= xRRRTTRRRRII (1) Здесь I — интенсивность света на фотоприемнике, 0I — интенсивность лазер- ного излучения, введенного в световод, 0R — коэффициент отражения делитель- ной пластины, 1R — коэффициент отражения торца световода, R — коэффици- ент отражения поверхности пробного тела, T — эффективность сбора, отражен- ного от поверхности пробного тела световодом, )(χΓ — функция корреляции лазерного излучения ,/( clπ=χ l = 2x — разность хода сигнального и опорного лучей, lc — длина когерентности лазерного излучения, ,ν∆=cl c — скорость света, Δν — ширина спектра излучения лазера). В случае белого частотного шума спектр излучения лазера имеет лоренцевскую форму, а функция корреляции .)(exp)( χ−=χΓ 4.2.2. Влияние когерентности лазерного излучения. Таким образом, ин- терференция возможна, если разность хода лучей меньше длины когерентности. Длина когерентности существенно зависит от типа лазера. Например, для газово- го одномодового лазера она составляет величину ≈cl 3 км, тогда как для лазер- ных диодов, которые использовались в описываемых экспериментах, эта величи- на меньше 1 см. Относительная малость длины когерентности для лазерных дио- дов играет очень важную роль в работе представленного лазерного измерителя. В реальности кроме интерференции между волнами, отраженными от пробного тела и от торца световода, может наблюдаться еще целый ряд других интерфе- ренций (например, интерференция волн, отраженных от входного и выходного торцов световода, и др.). Эта интерференция — нежелательный паразитный эф- фект, который может существенно исказить полезный сигнал. Важно, что в разра- ботанной схеме только полезный сигнал возникает при минимальной разности хода интерферирующих волн, тогда как для всех остальных разность хода содер- жит длину световода, которая в данном эксперименте составляет 5 м. Поэтому можно ожидать, что при использовании «плохих» лазеров с малой длиной коге- рентности (но большей, чем расстояние от торца световода к пробному телу) по- лезный сигнал не будет искажаться паразитной интерференцией. В то же время использование «хороших» газовых лазеров приведет к существенному искажению сигнала. Проблемы управления и информатики, 2006, № 1–2 279 Этот вывод подтвержден экспериментальным тестированием оптического измерителя для двух случаев, когда использовались в качестве источника He-Ne- лазер и лазерный диод. Рис. 7 иллюстрирует необходимость использования лазе- ров с низкой когерентностью. На этом рисунке верхняя кривая показывает сигнал интерференции в случае газового лазера, нижняя — сигнал интерференции для лазерного диода. В первом случае интерференционная картина искажена из-за па- разитных отражений, тогда как во втором наблюдается идеальная синусоидальная зависимость сигнала при изменении положения пробного тела. Лазерный диод He-Ne-лазер 0 0,2 0,6 0,8 1 0,4 1,8 1,9 2 2,1 2,2 2,3 2,4 0 0,2 0,6 0,8 1 0,4 6 6,5 7 7,5 8 V ∆L /λ Рис. 7 4.2.3. Чувствительность метода. Для экспериментального определения ми- нимальной величины перемещения пробного тела, которое может регистриро- ваться разработанным оптическим датчиком, использована экспериментальная схема, показанная на рис. 8. Зеркало, моделирующее пробное тело, закреплено на пьезоэлементе, на который подается постоянное напряжение для контролирован- ного перемещения зеркала с субнанометровой точностью. Величина смещения зеркала определяется по величине приложенного напряжения исходя из того, что смещение зеркала на половину длины волны излучения лазера (λ / 2 ≈ 0,32 мкм) происходит при напряжении 48 В. 1 2 3 4 8 ° К интерферометру Рис. 8 Схема калибровки чувствительности оптического датчика состоит из cледу- ющих элементов: 1 — пьезоэлемент, 2 — зеркало, закрепленное на пьезоэлементе, 3 — оптическая головка датчика, 4 — источник напряжения. Входной торец опто- волокна срезан под углом 8°. 280 ISSN 0572-2691 Чувствительность интерферометра определяется при настройке на область наибольшей крутизны зависимости сигнала от смещения зеркала. На рис. 9, а показано изменение сигнала фотоприемника при ступенчатом смещении зеркала с шагом 8 нм, а на рис. 9, б — с шагом 0,8 нм. Как видно из рис. 9, при уменьшении шага перемещения зеркала до 0,8 нм существенно увели- чивается влияние шумов на регистрируемый сигнал. 0 1 2 3 t, с 1 С иг на л фо то де те кт ор а 0 1 2 3 t, с 1 С иг на л фо то де те кт ор а а б Рис. 9 4.2.4. Использование модуляционной методики для повышения чувстви- тельности. Анализ шума оптической измерительной системы показал, что с увеличением частоты наблюдения спектральная плотность шума быстро уменьшается, достигая при частотах выше 5 кГц постоянного значения, которое на два порядка меньше спектральной плотности на низких частотах. Поэтому для повышения точности оптического датчика можно использовать модуляци- онную методику, которая дает возможность перенести частоту регистрации в ту область спектра, где шумы системы минимальны. Согласно (1), зависимость сигнала интерференции от положения зеркала x можно записать в виде уравнения ,2sin kxbaS += (2) где ,/2 λπ=k a и b — константы. Для того чтобы устранить не зависящую от ко- ординаты составляющую сигнала a, которая дает основной вклад в низкочастот- ные флуктуации, расстояние до пробного тела модулируется с частотой Ω, ).cos(0 txxx Ω∆+= Сигнал регистрируем на частоте модуляции (или на утроен- ной частоте) согласно выражению ,)(cos)( /2 0 dttktSsk ϕ+Ω= ∫ Ωπ (3) где k = 1,3. После интегрирования получаем соответственно )2cos(cos)2,1(01 xkkbJs ∆ϕ∆= (4) и , )2(2 )2( )( )2(2 2coscos 0 12 1 3         ∆ ∆ −∆− ∆ ∆ ∆ϕ= xk xkJ xkJ xk xkJ xkbs (5) где )(zJ n — функция Бесселя. На рис. 10 приведены зависимости амплитуд сигнала 1s первой и третьей гармоник от индекса модуляции, нормированных на b (сплошная кривая) и 3s (пунктир), от величины ./ λ∆= xp Для максимальной величины сигнала 1s сле- дует выбирать ,147,0 λ=∆x а для 3s — .334,0 λ=∆x Эффективность модуляционной методики экспериментально проверена пу- тем изменения положения зеркала (или положения оптической головки датчика) с частотой 65 Гц и амплитудой около 0,1 мкм. Сигнал с фотоприемника подавался Проблемы управления и информатики, 2006, № 1–2 281 на селективный усилитель, синхронный детектор, интегратор и регистрировался компьютером. Сигнал регистрировался на частоте 65 Гц в узкой полосе частот (время усреднения 1 с), так что отношение сигнала к шуму значительно выросло (см. рис. 10). На рис. 11 показано изменение сигнала при ступенчатом смещении зеркала с шагом 0,8 нм. Видно, что применение модуляционной методики даже при не очень высокой частоте модуляции ведет к значительному уменьшению шумов и, следовательно, к существенному увеличению чувствительности метода. Как следует из рис. 11, разработанный датчик позволяет регистрировать смеще- ния на уровне 0,1 нм. – 0,2 0 0,2 0,4 0,6 s/b 0,2 0,4 0,6 0,8 1 p Рис. 10 0 2 4 6 t, c 0,8 нм – 400 – 350 – 300 – 250 – 200 – 150 – 100 S, мВ 7 Рис. 11 4.3. Модельные эксперименты. В связи с высокой стоимостью криогенных экспериментов при относительно недолгих сеансах левитации в газовой фазе не- обходимые технические решения отрабатывались с использованием моделей, ко- торые с максимальной приближенностью воссоздают реальные рабочие условия сверхпроводящего гравиметра. Поскольку собственная частота разработанного пробного тела составляла единицы герц, была реализована схема, которая воссо- здавала динамику движения пробного тела путем размещения отражающего зер- кала на плавающей основе. Можно показать, что вертикальные колебания тела площади S, плавающего на поверхности жидкости плотности ρ, описываются уравнением гармонического осциллятора вида ,gSxxm ρ= (6) где m — масcа поплавка с зеркалом, ρ — плотность жидкости, g — ускорение земного тяготения. Собственная частота такой системы определяется соотноше- нием mgS /ρ=ω и может легко изменяться путем выбора соответствующих значений параметров системы. Для модельных экспериментов использована си- стема, в которой m =0,05 кг, ρ =103 кг/м3 (вода), поплавок имеет форму цилиндра диаметром 50 мм. Частота колебаний такой системы составляет около 3 Гц. На рис. 12 представлен сигнал оптического датчика в случае, когда амплиту- да колебаний составляет около 1 мкм. Видно, что в течение периода колебаний 282 ISSN 0572-2691 поверхность зеркала смещается на несколько полуволн и сигнал соответствует за- висимости (1), в которой расстояние меняется по гармоническому закону. Мо- дельные эксперименты показали, что разработанная система позволяет регистри- ровать при соответствующей математической обработке полученных данных ко- лебательное движение пробного тела с амплитудой больше или сравнимой с длиной волны. t, c S, мВ 5,8 5,9 6 6,1 6,2 6,3 1,24 1,26 1,28 1,30 1,32 1,34 Рис. 12 4.4. Эксперименты с пробным телом, левитирующим в парах жидкого гелия. В экспериментах с левитирующим телом для устранения возмущающих факторов, связанных с действием сжиженного гелия на динамику пробного тела, реализован режим левитации пробного тела в газовой среде. Пробное тело, охла- жденное жидким гелием, левитировало в магнитном поле, а уровень жидкого гелия уменьшался со временем и в какой-то момент оказывался ниже нижнего края. При этом на некоторое время сохранялась сверхпроводимость колец и пробное тело удерживалось в режиме левитации еще некоторое время, как пра- вило до 15 минут. На рис. 13 представлен сигнал интерференции в случае левити- рующего пробного тела (а–в — фрагменты (0,2 с) последовательных 16-секунд- ных регистраций сигнала интерференции, которые осуществлялись через 3–5 мин. одна за другой; левитирующее пробное тело находится в газовом окружении без прямого контакта с жидким гелием; г — левитирующее пробное тело находится в прямом контакте с жидким гелием). Из этого рисунка видно, что в случае, когда тело находится в атмосфере газообразного гелия, его движение достаточно регу- лярное и наблюдаются типичные интерференционные максимумы, соответству- ющие перемещению на половину длины волны. В то же время движение в жид- ком гелии выглядит хаотическим, что обусловлено сильным возмущающим дей- ствием кипящего жидкого гелия на пробное тело. t, c S, мВ 6 6,02 6,04 6,06 6,08 6,10 6,12 6,14 6,16 6,18 6,20 6,63 6,65 6,67 6,69 6,71 а t, c S, мВ 6,63 6,65 6,67 6,69 6,71 6 6,02 6,04 6,06 6,08 6,10 6,12 6,14 6,16 6,18 6,20 б Проблемы управления и информатики, 2006, № 1–2 283 t, c S, мВ 6 6,02 6,04 6,06 6,08 6,10 6,12 6,14 6,16 6,18 6,20 6,64 6,66 6,68 6,70 6,72 6,74 в t, c S, мВ 6 6,02 6,04 6,06 6,08 6,10 6,12 6,14 6,16 6,18 6,20 6,80 6,84 6,88 6,92 6,94 г Рис. 13 Выводы Разработан и экспериментально исследован гравиметрический датчик на основе оптического измерителя, магнитного подвеса сверхпроводящего пробно- го тела и системы обработки сигналов. Использование оптического датчика позволяет существенно повысить точность измерения вариаций величины g. Ис- следована работа датчика в условиях криогенных температур, разработаны схе- мы сбора и обработки данных. При помощи этого датчика изучена динамика ле- витирующего пробного тела в различном окружении (сжиженный гелий, холод- ные пары гелия и др.). По результатам исследований проведена доработка его элементов с целью повышения чувствительности и снижения уровня шумов. Разработан, создан и исследован оптический интерферометрический датчик перемещений с субнанометровой чувствительностью. В ходе исследования при помощи датчика динамики колебаний пробного тела с микронными амплитуда- ми показано, что предложенный и экспериментально реализованный метод детек- тирования малых смещений пробного тела обеспечивает возможность его исполь- зования в сверхпроводящих гравиметрах при адекватных параметрах чувстви- тельного элемента гравиметра. Достигнутая чувствительность оптического датчика позволяет регистрировать минимальное смещение пробного тела порядка 0,1 нм, что при собственной частоте колебаний пробного тела 0,2 Гц дает возмож- ность детектировать изменение ускорения земного тяготения на уровне 10−10 g. В.В. Козоріз, Р.А. Малицький, П.М. Пардалос, А.М. Негрійко, О.Г. Удовицька, В.М. Ходаковський, Х.М. Ісмаілі, О.К. Черемних, В.О. Яценко, Л.П. Яценко КРІОГЕННО-ОПТИЧНИЙ ДАТЧИК ДЛЯ ВИСОКОЧУТЛИВИХ ГРАВІТАЦІЙНИХ ВИМІРЮВАНЬ Представлено концепцію нового кріогенно-оптичного датчика, орієнтованого на застосування в космічній галузі, геодинаміці та фундаментальних експери- ментах. Основою датчика є магнітний підвіс з левітуючим пробним тілом, ви- сокоточний оптичний реєстратор механічних координат левітуючого тіла і сис- тема обробки сигналів. Як система реєстрації переміщень пробного тіла вико- ристовується інтерферометр типу Майкельсона, створений з використанням лазерного діода і одномодового оптичного волокна. Узгодження довжини коге- рентності лазерного діода і різниці оптичних довжин плечей інтерферометра 284 ISSN 0572-2691 дозволило усунути когерентні шуми, обумовлені інтерференцією паразитних відбиттів. Мінімальне реєстроване переміщення пробного тіла становило 0,1 нм. Описано конструкцію датчика і наведено результати експерименталь- них досліджень магнітного підвісу разом з оптичним інтерферометричним дат- чиком переміщень із субнанометровою чутливістю. V.V. Kozorez, R.A. Malitskiy, P.M. Pardalos, A.M. Negriyko, E.G. Udovitskaya, V.M. Khodakovskiy, Kh.M. Ismaili, O.K. Cheremnykh, V.A. Yatsenko, L.P. Yatsenko CRYOGENIC-OPTICAL SENSOR FOR HIGH- SENSITIVE GRAVITATIONAL MEASUREMENTS The conception of new cryogenic-optical sensor for applications in space, geodyna- mics and basic experiments is described. The sensor is based on magnetic suspension with levitating probe body, precise optical detector of probe body position and signal processing system. The Michelson interferometer based on laser diode and single- mode optical fiber was used as probe body displacement sensor. The parasitic inter- ference noises were appreciably suppressed by matching of laser diode radiation co- herence length and optical path differences in interferometer. The minimal detected displacement of probe body was 0,1 nm. The design of sensor and mathematical model of superconducting suspension dynamics are described. The results of experi- mental tests of magnetic suspension and optical interferometric sensor displacements with sub-nanometer sensitivity are presented. 1. Prothero W.A., Goodkind J.M. A superconducting gravimeter // Rev. Sci. Instr. — 1968. — 39, N 9. — P. 1257–1261. 2. Goodkind J.M., Warburton R.J. Superconductivity applied to gravimetry // IEEE Trans. Magn. MAG. — 1975. — 11, N 2. — P. 708–711. 3. Goodkind J.M. The superconducting gravimeter // Rev. Sci. Instrum. — 1999. — 70, N 11. — P. 4131–4152. 4. Moon F.C. Superconducting levitation : Application to bearings and magnetic transportation. — New York : John Willey & Sons, 1994. — 295 p. 5. Козорез В.В. Динамические системы свободных магнитно взаимодействующих тел. — Ки- ев : Наук. думка, 1981. — 140 с. 6. Kozoriz V. Novel magnetic levitation and propulsion phenomena. — Zaporizhya : Motor-Sich Publisher, 1999. — 271 p. 7. Yatsenko V., Pardalos P. Global optimization of cryogenic-optical sensor, in sensors, systems, and next-generation satellites / Ed. by. K.W.H. Fujisada, J. Lirie // Proc. SPIE. Vol. 4550. — 2001. — P. 433–441. 8. Pardalos P., Knopov P., Uryasev S., Yatsenko V. Optimal estimation of signal parameters using bilinear observations // Optimization and Related Topics / Ed. by A. Rubinov, B. Glover. — Dortrecht; Boston; London : Kluwer Acad. Publ. — 2001. — P. 103–116. 9. Yatsenko V., Pardalos P., Principe J. Cryogenic-optical sensor for the higly sensitive gravity me- ters : Advance sensor, systems and next-generation satellites // Proc. SPIE. Vol. 4881. — 2003. — P. 549–558. 10. Yatsenko V., Principe J. Cryogenic sensor for space operation // Ibid. Vol. 5088. — 2003. — P. 135–145. 11. Yatsenko V. Functional structure of the cryogenic optical sensor and mathematical modeling of signal // Ibid. Vol. 5172. — 2003. — P. 97–107. 12. Розробка кріогенно-оптичного датчика для високочутливих гравітаційних вимірювань / В. Яценко, Т. Бекмуратов, Т. Бідюк, В. Бойко, В. Козоріз, О. Козоріз, С. Живило, В. Кунцевич, Х. Ісмаілі, О. Набієв, А. Негрійко, О. Черемних, Л. Яценко, Н. Плішко // Кос- мічна наука і технологія. — 2003. — 9, № 5/6. — С. 71–75. 13. Kozorez O., Kozorеz V., Ljashko O., Tkachenko R. About the free body dynamics in the case of gravitational interaction and magnetic interaction of quasi coaxial super conductive rings // Доп. НАН України. — 2004. — № 12. — С. 69–72. 14. Zumberge M., Berger J., Wielandt E. Experiments with an optical seismometer // Eos Trans. AGU, 84(46), Fall Meet. Suppl. Abstract S52C-0144, 2003. — http://www.agu.org/meetings/ fm03. Получено 30.12.2005 Введение 1. Концепция криогенно-оптического датчика 2. Конструкция чувствительного элемента 3. Система обработки сигналов 4. Лазерный датчик перемещений для сверхпроводящего гравиметра Выводы

Криогенно-оптический датчик для высокочувствительных гравитационных измерений

Репозитарії

Схожі ресурси