Бурение грунтовых зондов, установка энергетических колодцев

Общий принцип интерференционного метода линейных из­мерений был изложен в § 6. В настоящее время интерферен­ционный метод, осуществленный в оптическом диапазоне, явля­

ется наиболее прецизионным из всех известных методов ли­нейных измерений, и область его применения составляют ра­боты, требующие очень высокой точности. Из таких работ гео­дезического назначения можно указать на следующие:

— работы при сооружении и эксплуатации ряда инженер­ных объектов (радиотелескопы, ускорители и т. п.), где требу­ется прецизионная установка отдельных элементов и контроль за их положением;

— работы, выполняемые с целью изучения деформаций зем­ной коры (на геодинамических полигонах) или дрейфа ледни­ков, требующие высокоточного слежения за малыми смеще­ниями и сдвигами;

— работы по метрологическому обеспечению линейных из­мерений— создание высокоточных базисов, линейных компара­торов и т. п. ‘

При этом используются различные варианты интерферен­ционных измерений. Так, для создания высокоточных базисов применяется, как правило, относительный интерференционный метод, для прецизионной разметки элементов сооружений—аб­солютный метод лазерной интерферометрии, для контроля за положением точек и их взаимным смещением—дифференци­альные измерения абсолютным методом, т. е. измерения не самих расстояний, а их изменений.

Рассмотрим основные аспекты геодезических интерферен­ционных измерений и применяемую аппаратуру.

Абсолютный метод (лазерная интерферометрия больших расстояний). Появление лазеров дало возможность осущест­вить абсолютные интерференционные измерения расстояний, исчисляющихся десятками метров и более. Предельное значе­ние расстояния, как отмечалось в § 6, зависит от длины коге­рентности лазерного излучения. Для используемых в интерфе­рометрах гелий-неоновых лазеров длина когерентности в обыч­ных условиях ограничивается турбулентностью атмосферы и имеет порядок десятков и сотен метров. Современные промыш­ленные лазерные интерферометры могут измерять расстояния до ~60 м.

Лазерный интерферометр представляет собой тот или иной вариант интерферометра Майкельсона, общая схема которого была приведена в § 6 (см. рис. 12). В практических конструк­циях плоские зеркала, чувствительные к юстировке, обяза­тельно заменяют уголковыми отражателями — трипель-приз — мами или, реже, зеркально-линзовыми отражателями. При этом также устраняется обратное влияние отраженного излу­чения на лазер — отраженные пучки не совпадают с падающими, а идут параллельно им (рис. 62) и, как видно из рис. 62, не попадают обратно в лазер, а проходят мимо него (лучи а и б) и могут быть также использованы полезным образом (на­пример, направлены на другой приемник). Для увеличения до­пусков на наклоны и боковые смещения отражателя расши-

7 Заказ № 1936

Рис. 62. Интерферометр Майкельсона с уголковыми отражателями вместо плоских зеркал. ,

ряют диаметр исходного лазерного пучка в 4—8 раз при по­мощи небольшой телескопической системы (коллиматора), устанавливаемой между лазером и светоделителем.

В фокальной плоскости приемной оптической системы обра­зуется интерференционная картина, вид которой зависит от степени параллельности осей падающих на приемник опорного и дистанционного пучков и от расходимости лучей в самих пуч­ках в точке их встречи (от кривизны волновых фронтов).При достаточно строгом совмещении осей пучков наблюдается си­стема чередующихся концентрических темных и светлых колец. Чем меньше угловая расходимость пучков, тем меньше число колец в поле зрения; при очень малой расходимости одно цен­тральное пятно занимает все поле. Если же оси интерфери­рующих пучков не параллельны, то кольца превращаются в по­лосы. При непрерывном перемещении подвижного отражателя будет наблюдаться непрерывное смещение интерференционных полос. Выделив при помощи диафрагмы небольшой участок поля интерференции (в пределах одной полосы), можно на­блюдать непрерывное периодическое изменение интенсивности на этом участке. Полный цикл изменения интенсивности совер­шается при изменении расстояния D на половину длины волны света. Процедура измерения расстояния сводится к перемеще­нию отражателя вдоль всей измеряемой дистанции и счету числа N прошедших полЬс [22], после чего искомая длина вычис­ляется по формуле

. D=±-N = ^-N, (3.58)

где Ко — длина волны света в вакууме; п — фазовый показа­тель преломления воздуха на трассе.

Счет полос в интерферометрах производится автоматически. При падении света на фотоприемник на выходе последнего воз­никает электрический сигнал, который при равномерном дви­жении отражателя изменяется по гармоническому закону, а при неравномерном — имеет вид непериодической последовательно­сти импульсов, соответствующих максимумам интенсивности света. Сигнал с фотоприемника подается на электронную схему счета импульсов. Счет полос должен быть — реверсивным, т. е. учитывающим направление движения отражателя интерферо­метра. При реверсивном счете автоматически исключаются ошибки из-за ложных полос, обусловленных изменениями раз­ности хода вследствие вибраций или колебаний показателя преломления воздуха.

Для осуществления реверсивного счета необходимо иметь два выходных сигнала, сдвинутых по фазе на 90°. Такие сиг­налы обычно получают использованием двух фотоприемников, установленных таким образом, что системы проходящих перед ними интерференционных полос сдвинуты относительно друг друга на 1/4 ширины полосы. Подсчитываемое число импуль­сов N автоматически умножается на половину длины волны излучения, и счетчик выдает непосредственно величину пере­мещения отражателя.

По такой схеме построены лазерные интерферометры пер­вого поколения, в которых используется одночастотный стаби­лизированный лазер. Более совершенны интерферометры второго поколения — интерферометры гетеродинного типа с двухчастотным лазером, в которых измерения (счет импуль­сов) осуществляются на разностной частоте.

Двухчастотный гетеродинный интерферометр. Общий прин­цип построения схемы такого интерферометра описывался в § 6 (см. рис. 14). Здесь мы рассмотрим практически исполь­зуемые варианты схемного решения. Общая схема интерфе­рометра, более детальная, чем приводившаяся на рис. 14, изображена на рис. 63. Лазер 1 излучает две близкие оптиче­ских частоты vi и V2, отличающиеся на величину порядка не­скольких мегагерц, причем излучения частот vi и V2 имеют круговые поляризации с противоположными направлениями вращения. Для этого обычно используется эффект Зеемана — расщепление частоты в магнитном поле. Магнитное поле соз­дается соленоидом, в который помещают активный элемент лазера. Пройдя через соответствующим образом ориентирован­ную четвертьволновую пластинку 2, свет обеих длин волн пре­вращается в линейно-поляризованный с ортогональными на­правлениями поляризации. После расширения пучка коллима­тором 3 часть его отражается полупрозрачной пластинкой 4 на опорный фотоприемник 10, а часть проходит на светоделитель 6У разделяющий падающий на него пучок на две части и на­правляющий их соответственно на неподвижный отражатель 5 и подвижный удаленный отражатель 8, После отражения от

Рис. 63. Общая схема двухчастотного гетеродинного интерферометра

отражателей 5 и 8 пучки соединяются светоделителем 6 и поступают на сигнальный фотоприемник 12.

В соответствии с теоретическим обоснованием, изложенным в § 6, в описываемом интерферометре необходимо обеспечить такие условия, чтобы на поверхностях фотоприемников 10 и 12 происходила интерференция разночастотных колебаний vi и V2. Так как после пластинки Я/4 эти колебания линейно поля­ризованы во взаимно перпендикулярных плоскостях, то для по­лучения интерференции необходимо привести их к одной плос­кости поляризации. Обеспечение этого условия на опорном фо­топриемнике 10 выполняется при помощи устанавливаемого перед ним анализатора 9, ориентированного так, что его ось пропускания составляет углы 45° с направлениями поляриза­ции волн vi и V2 (при такой ориентации достигается равенство амплитуд пропускаемых анализатором составляющих).

Обеспечение необходимых условий интерференции на сиг­нальном фотоприемнике 12 может быть осуществлено двумя способами. В одном из них в качестве светоделителя 6 исполь­зуется обычное полупрозрачное зеркало, и, следовательно, как на неподвижный отражатель 5, так и на подвижный отража­тель 8 поступают колебания обеих частот vi и V2, в результате чего после соединения пучков светоделителем на приемник 12 будут поступать две пары колебаний частот vi и v2 с неизме­ненными поляризациями, как это показано на рис. 64, а. Из рис. 64, а видно, что в одной плоскости поляризации оказыва­ются колебания одинаковых частот, которые и будут интерфе­рировать, в то время как необходимо, чтобы интерферировали колебания разных частот. Чтобы получить нужный результат, в дистанционном пучке устанавливают четвертьволновую пла-

стинку 7 (см. рис. 63), вследствие чего плоскость поляризации дистанционного пучка, дважды прошедшего через нее (в пря­мом и обратном направлениях), поворачивается на 90° [23]. В этом случае (рис. 64, б) в одинаковой плоскости оказываются коле­бания различных частот. Введя анализатор 11 (см. рис. 63), можно выделить ту или другую пару составляющих различных частот и одинаковых поляризаций, пропуская ее на сигналь­ный фотоприемник 12.

Во втором способе в качестве светоделителя используется поляризационная призма (обычно объединенная с неподвиж­ным уголковым отражателем в монолитный оптический блок, рис. 65). Призма осуществляет пространственное разделение пучков по их поляризации: луч одной поляризации проходит через диагональную поверхность, а луч ортогональной поляри­зации отражается от нее. Поэтому на неподвижный и подвиж­ный отражатели направляются излучения разных частот; после отражения они соединяются призмой в один пучок, выходя­щий параллельно входному пучку в противоположном направ­лении. Содержащиеся В ВЫХОДНОМ пучке компоненты VI И V2 по-прежнему имеют ортогональные поляризации, и для обеспе­чения их интерференции необходимо перед подачей такого пучка на сигнальный фотоприемник пропустить его через ори­ентированный под углом 45° анализатор А (см. рис. 65), роль которого аналогична роли анализатора перед опорным фото­приемником.

В результате интерференции на выходах опорного и сигнального фотоприемников возникают сигналы разностной частоты /г= |vj — V21. Как было показано в § 6, разность фаз этих сигналов <р = <рп — ф1 пропорциональна измеряемой ди-

где Nj — число полос, проходящих за время движения отража­теля перед опорным фотоприемником, a N2 — число полос, про­ходящих за то же время перед сигнальным фотоприемником. Из выходных сигналов фотоприемников формируются импульсы и подаются на счетчики / и // (см. рис. 63), подсчитывающие числа N і и N2. Далее осуществляется образование разности и умножение ее на половину длины волны, и результат выдается в виде расстояния.

Для лучшего уяснения работы гетеродинного интерферо­метра обратим внимание на следующее. В отличие от негетеро­динного интерферометра, в котором счет полос возможен только при движении отражателя, так как при неподвижном отражателе нет перемещения полос перед фотоприемником, в гетеродинном интерферометре перемещение полос перед обоими фотоприемниками происходит и при неподвижном от­ражателе (нестационарная интерференция разночастотных ко­лебаний), причем в этом случае скорость перемещения полос dNfdt перед опорным и сигнальным фотоприемниками одина­кова и численно равна разностной частоте F=|vi—V21 (F по­лос в секунду). Поэтому счетчики в опорном и сигнальном ка­налах при неподвижном отражателе будут регистрировать оди­наковое количество полос за любой интервал времени, т. е. Ni = N2. Если же отражатель движется, то в сигнальном канале возникает сдвиг частоты (так же как и в негетеродинном ин­
терферометре при движении отражателя), и скорость переме­щения полос перед сигнальным фотоприемником становится равной F±AF полос в секунду, где AF — величина доплеров­ского сдвига, равная 2 V/X (V — скорость движения отража­теля), а знак перед AF зависит от направления движения. В этом случае величины N{ и N2 за один и тот же интервал времени At = t2—11 будут различны, а именно

лгі=ад)-ад)= ( J	dNl dt = [ Fdt■ dt	(3.62)
f,	иь J ft
fa	fa
лг2=ад)-ад)= Г	dt=~- Г (F±AF)dt, J	(3.63)
и Д* Л
разность
fa	1 и — 1 f AQ dt, 2я ’	(3.64)
N = Ni—N1 = j A Fdt

т. е. разность показаний счетчиков в сигнальном и опорном каналах равна интегралу от доплеровского сдвига частоты, или, другими словами’ интерферометр осуществляет интегриро­вание доплеровского сдвига частоты за время измерения. По­скольку интеграл от круговой частоты есть фаза (2яЛ^), то ре­гистрирующее устройство гетеродинного интерферометра иногда называют кумулятивным (т. е. накопительным, интегрирую­щим) фазометром.

В общем случае отражатель движется неравномерно со ско­ростью V=V(t), и доплеровский сдвиг будет AF(t)= 2V ^ .

К •

Подставляя его в (3.64) и учитывая, что при неравномерном движении D(t) = $V(t)dt, получим

N= [ AF (0 dt=j — f V (іt) dt = j-[D (t2)—D ft)] = , (3.65)

fi fi.

где D — пройденное расстояние. Отметим, что полученная величина не зависит от скорости движения отражателя, и поэтому непостоянство скорости не оказывает влияния на ре­зультат измерений интерферометром. Умножив .подсчитанное число N на Я/2, получим расстояние D.

Точность измерения расстояний лазерными интерферомет­рами. Так как при лазерной интерферометрии со счетом ‘полос определяется обычно только целое число полуволн света на расстоянии D, то последнее может быть измерено с точностью не более чем до половины длины волны, света. Эта потенци­альная точность может быть реализована лишь при условии

безошибочности самой величины Х/2 в формуле D =—N,

чего, разумеется, не бывает в действительности. Если длина волны известна с ошибкой т[24], то это приводит к дополнитель­ной ошибке в расстоянии, равной

. N

mD = т*. — ■

Таким образом, суммарная ошибка складывается из ошибки дискретности счета, равной Я/2, и ошибки, определяемой фор­мулой (3.66) *.

Эта последняя ошибка, как легко показать, воспользовав­шись соотношением X=Xo/n=c/vn, может быть в относительной мере представлена в виде

(3.67)

Таким образом, ошибка в расстоянии, обусловленная не­точным знанием длины волны в воздухе, определяется относи­тельными ошибками частоты и показателя преломления.

Относительная ошибка частоты mjv характеризуется ста­бильностью частоты. Нестабильность частоты является следст­вием многих причин, среди которых можно назвать изменения температуры и давления, конвекцию воздуха, вибрационные эффекты и пр. Все эти факторы вызывают микроизменения оп­тической длины резонатора лазера, что приводит к изменениям частоты излучения. Для стабилизации частоты применяют ме­тоды, основанные на непрерывной подстройке длины резона­тора и уровня мощности излучения. Современные схемы стаби­лизации частоты позволяют относительно простыми методами достичь стабильности порядка 10—®, а применение более слож­ных методов позволяет получить достаточно долговременную (сотни секунд) стабильность порядка 10-10—10-п.

Для минимизации ошибки тп/п (или просто тп, так как для воздуха я^1) необходимо как можно точнее определять показатель преломления воздуха при интерференционных из­мерениях. Строго говоря, нам нужно знать среднеинтегральное значение показателя преломления вдоль всего оптического пути света. При небольших измеряемых расстояниях важна не столько проблема осреднения, сколько проблема точного опре­деления показателя преломления в отдельной точке. В совре­менных интерферометрах показатель преломления определя-

Интерферо­ метр	Страна	Максимальное измеряемое расстояние, м	Точность измерений	Тип схемы	Тип лазера и стабильность частоты
Метрилас М100-Е	Фран­ ция	30	0,3 мкм + + 10-7 о	Негетеродинная	He-Ne 1 мВт, одно­частотный, 10-7
Хьюлетт — Паккард	США	60	5-10-7 D	Гетеродинная с разностью частот 1,8 МГц	He-Ne 120 мкВт, двухчастотный
ДИП-2	СССР	60	5-Ю-7 D	Гетеродинная	He-Ne 20 мкВт, двухчастот­ный, 10“7
ЛА 3002	ЧССР	30	5-10-7	Гетеродинная	He-Ne 0,2 мВт, одночастотный
ипл-зок	СССР	30	1,5- 10-е D	Негетеродинная	He-Ne, одночастотный

ется возможным регистрировать смещения до 0,01 полосы). Для этого применяются весьма чув­ствительные методы электронной регистрации интерференционной картины.

Для дифференциальных изме­рений, кроме интерферометра типа Майкельсона, часто исполь­зуется интерферометр типа Фаб­ри— Перо[25]. На рис. 66 приве­дена типичная схема такого ин­терферометра. Свет от лазера /, пройдя через полупрозрачное зеркало 2, направляется в систему из двух параллельных зер­кал А и В, которая и является собственно интерферометром Фабри—Перо. Зеркало А полупрозрачное, а зеркало В — от­ражающее; оно жестко связано с отслеживаемым объектом. Часть падающего пучка отражается от зеркала А обратно (опорный пучок), а часть проходит к зеркалу В, отражается от него и частично выходит из зеркала Л, соединяясь с опор­ным пучком. (Многократные отражения между зеркалами А и В обеспечивают условия многолучевой интерференции.) Опор­ный и прошедший интерферометр пучки отводятся полупро­зрачным зеркалом 2 на фотодетектор 3. Зеркало А обычно плоское, зеркало В — сферическое с радиусом кривизны, рав­ным расстоянию АВ. Для устранения обратного влияния на лазер предусматривается оптическая развязка по поляризации (не показанная на рисунке), обеспечивающая гашение состав­ляющей, проходящей от интерферометра к лазеру через полу­прозрачную пластинку.

Малейшее смещение зеркала В, установленного на иссле­дуемом объекте, приводит к соответствующему смещению ин­терференционных полос в плоскости приемника.

Особое внимание при дифференциальной интерферометрии уделяется стабилизации частоты излучения лазера и точности учета показателя преломления воздуха на пути света. При ра­боте в открытой атмосфере главным препятствием к достиже­нию необходимой высокой точности измерений являются флук­туации показателя преломления, приводящие к хаотической пульсации интерференционных полос. Для исключения влияния атмосферы лучшим средством является заключение дистанци­онного плеча интерферометра в вакуумированную трубу. При остаточном давлении порядка 10~5 мм рт. ст. отличие показа­теля преломления от единицы составит, как показывает рас­чет, всего 4-Ю-12, т. е. оптическая длина будет равна геомет-

рической даже при длине плеча 1000 м; различие будет состав­лять 40 А, т. е. меньше 0,01 К.

Интерферометры такого типа используются, например, для экспериментальных исследований деформаций земной коры с целью прогноза землетрясений и изучения различных сейсми­ческих явлений. При этом, чем больше база (дистанционное плечо) интерферометра, тем большая чувствительность может быть получена. В случае применения вакуумированной трубы чувствительность практически ограничивается только стабиль­ностью частоты излучения лазера, и при стабильности 10-10 со­ставляет 0,1 мкм на базе 1 км.

Относительные интерференционные измерения. Рассмотрим теперь метод оптического умножения расстояний — так назы­ваемый относительный интерференционный метод, исполь­зуемый для создания высокоточных базисов длиной в сотни метров и интерференционных компараторов, т. е. средств метрологического обеспечения геодезических линейных изме­рений.

Относительный метод, как указывалось в § 6, основан на идее оптического умножения точно известной длины в целое число раз, для реализации которой необходим источник неко­герентного (белого) света. Появление интерференционной кар­тины служит индикатором момента равенства оптических путей двух пучков, один из которых проходит пг раз эталонную длину, а другой — двойное измеряемое расстояние, т. е. инди­катором момента, когда дистанция оказывается кратной эта­лонной длине. .

Для осуществления относительного метода используется интерференционная схема, предложенная в 1930 г. финским геодезистом Вяйсяля. Впоследствии неоднократно предлага­лись различные модификации этой схемы, но принцип действия интерферометра Вяйсяля остался неизменным. Этот принцип иллюстрируется рис. 67. Интерферометр состоит из осветителя О, трех зеркал А! ь М2, М3 и зрительной (приемной) трубы Т. Осветитель содержит источник белого света (обычно лампу накаливания) и коллиматор. Коллимированный пучок света на­правляется на зеркало М2, разделяющее его на два пучка (мо­жет использоваться как деление амплитуды, так и деление волнового фронта). Один пучок проходит к удаленному зер­калу Мз, отражается от него и попадает в зрительную трубу Т. Второй пучок отражается в опорное плечо интерферометра, образованное зеркалами Мі и М2, и после нескольких отраже­ний от них также попадает в зрительную трубу Т.

Исходное расстояние между зеркалами Afi и М2 точно из­вестно. Оно задается при помощи эталона длины — кварцевого жезла, помещаемого между зеркалами. Длина жезла предва­рительно измеряется в метрологической лаборатории абсолют­ным интерференционным методом.

Задача состоит в том, чтобы установить зеркало М3 в такое

Рис. 67. Общая схема интерферометра Вяйсяля

положение, при котором оптические пути опорного и дистанци­онного пучков окажутся равными друг другу. Если do — расстоя­ние между зеркалами М и М2, a D — между зеркалами М2 и Мз, то, как ясно из рис. 67, оптический путь света в дистанци­онном плече (путь от точки А до точки В через зеркало Мз) равен 2Dn/cos а, где п — средний показатель преломления воз­духа в дистанционном плече, а оптический путь в опорном плече (путь от точки А до точки £ между зеркалами Mi и М2) — т • 2d0no/cos а, где т — число отражений света от зеркала Mi, «о — показатель преломления воздуха в опорном плече. Интер­ференционная картина, наблюдаемая в зрительную трубу Т, появляется тогда, когда оптические пути опорного и дистанци­онного плеч уравнены с точностью до длины когерентности бе­лого света, т. е. до 2—3 мкм [26]. В этом случае

2Dn=m •2den0, (3.68)

откуда может быть вычислено расстояние D:

D = md0—[27]. (3.69)

П

Число m из-за небольшой мощности излучения и ограничен­ности размеров зеркал М и М2 обычно не превышает шести. Длина эталона ограничена размером кварцевого жезла и не превышает 1—1,2 м. Поэтому расстояние D составляет 6-8 м.

Такая длина еще недостаточно велика для использования ее в качестве метрологического базиса. Для ее увеличения про­изводят следующий этап умножения, используя эту длину в ка­честве эталона. Теперь опорное плечо образуют между плос­костями М2 и Мз, а концевое зеркало устанавливают дальше по линии хх. Таких последовательных этапов умножения может быть несколько; с каждым следующим этапом кратность (число т) обычно уменьшают из-за возрастания сложности из­мерений. Наибольшая измеренная таким методом длина (к 1982 г.) составляет 864 м (базис в Нуммела, Финляндия) со следующими этапами умножения: 1 МХ6Х4ХЗХЗХ2Х2 = = 864 м.

Относительные интерференционные измерения — исключи­тельно трудоемкая работа, сложная в организационном и тех­ническом отношении и требующая большой и тщательной под­готовки.. Поэтому такие измерения приобретают характер уни­кального эксперимента, и лишь несколько стран располагают интерференционными базисами длиной до 1 км. Значительно меньше усилий требуется для создания интерференционных компараторов — коротких базисов для компарирования инвар­ных проволок, так как в этом случае достаточно двух этапов умножения (например, для постройки базиса длиной 24 м).

При реализации относительных интерференционных изме­рений все элементы интерферометра устанавливаются на фун­даментальных опорах — бетонных столбах или тумбах, за­кладка которых производится после предварительной разбивки трассы. Высокая чувствительность относительного интерферен­ционного метода в то же время доставляет большие трудности при подготовительных работах, предъявляя жесткие требова­ния к точности предварительной установки зеркал и их юсти­ровке. Зеркала должны быть установлены так, чтобы оптиче­ские пути дистанционного и опорного пучков были равны с точ­ностью порядка миллиметра; для этого приходится выполнять предварительные измерения инварными проволоками. Если указанная точность не выдержана, то чрезвычайно затрудня­ется поиск интерференционной картины прй работе интерферо­метра, т. е. точная настройка на условие (3.68).

Отметим, что для измерения расстояний в оптическом диапазоне, кроме рассмотренных выше приборов, могут быть применены дальномерные устройства других типов, несколько отличающиеся по своему принципу работы от традиционных светодальномеров и интерферометров. Однако они пока еще не получили широкого практического применения, и поэтому мы здесь ограничимся лишь упоминанием о них с указанием лите­ратуры, в которой можно почерпнуть более полные сведения. Это следующие устройства:

— светодальномеры с активным отражателем [13, 15, 19];

— лазерные дальномеры на межмодовых биениях [14, 20];

— светодальномеры с обратной связью через измеряемую дистанцию [14, 20];

— лазерные интерферометры с обратной связью [20].

Комментарии запрещены.