ГЕОГИДРОФОН Российский патент 2004 года по МПК G01V1/18 

Изобретение относится к морской геологии и гидрологии и может быть использовано для контроля и измерения параметров сейсмических и гидрологических процессов, протекающих в морях и океанах.

Известен геогидрофон [1], то есть смешанный сейсмоприемник, включающий в себя одновременно геофон и гидрофон. При этом в качестве геофона в аналоге [1] используется датчик ускорения с инерционной массой. Вокруг геофона коаксиально расположен гидрофон. С геофоном жестко связан приемный сейсмический штырь.

Таким образом, с помощью геогидрофона [1] возможно работать с одним и тем же прибором, как в качестве гидрофона, так и в качестве геофона в зависимости от условий его эксплуатации.

Недостатком аналога [1] является отсутствие оптического выходного сигнала и необходимость наличия двух независимых приборов для восприятия ускорения и звукового давления соответственно в твердой и жидкой средах.

Известен датчик ускорения [2] с оптическим выходным сигналом, который может использоваться в качестве геогидрофона, т.е. применяться для измерения параметров сейсмических или гидроакустических колебаний. Данный геогидрофон принят за прототип.

Прототип содержит инерционную массу, упругую подложку и волоконно-оптический интерферометр, выполненный в виде оптически согласованных источника когерентного света, двух идентичных волоконных катушек и фотоприемника, а также источник питания, блок вторичной аппаратуры и регистратор, при этом первая волоконная катушка намотана с натягом на упругую подложку [2].

Недостатком прототипа является то, что сейсмические колебания с его помощью можно регистрировать лишь в одном направлении, а акустические - только в двух направлениях.

Техническим результатом, полученным от внедрения изобретения, является устранение данного недостатка прототипа. То есть обеспечение возможности регистрации сейсмических или акустических колебаний соответственно в твердой и жидкой средах изотропно во всех направлениях.

Данный технический результат достигают за счет того, что известный геогидрофон, содержащий инерционную массу и волоконно-оптический интерферометр, выполненный в виде оптически согласованных источника когерентного света, двух идентичных волоконных катушек и фотоприемника, а также источник питания, блок вторичной аппаратуры и регистратор, при этом первая волоконная катушка интерферометра намотана с натягом на упругую подложку, дополнительно содержит надводный центр управления, соединенный кабель-тросом с упругой подложкой, а также сферический поплавок нейтральной или положительной плавучести, на наружную поверхность которого намотана вторая волоконная катушка, при этом упругая подложка выполнена в виде полой сферы, а инерционная масса - в виде шара, расположенного внутри этой сферы, причем наружные диаметры сферических поплавка и упругой подложки одинаковы, к нижней части упругой подложки прикреплен штырь, а на ее наружную поверхность с волоконной катушкой нанесено защитное звуконепроницаемое покрытие, при этом источник питания и регистратор расположены на надводном центре управления, а источник когерентного света, фотоприемник, фазосдвигающее устройство и вторичная аппаратура - внутри поплавка нейтральной или положительной плавучести, механически соединенном гибким кабель-тросом с упругой подложкой.

В качестве звукопоглощающего покрытия используют пористую резину.

Сферическая упругая подложка может быть заполнена жидкостью, преимущественно водой или маслом.

Инерционная масса может быть подвешена на упругих подвесах в центральной части полой сферической упругой подложки.

Изобретение поясняется чертежами, на фиг.1 которого представлена конструктивная схема геогидрофона, а на фиг.2 - его оптикоэлектронная схема.

Геогидрофон содержит инерционную массу 1 (фиг.1) и упругую подложку 2, выполненные соответственно в виде сферической поверхности (полой сферы) и шара. Причем шаровая инерционная масса 1 расположена внутри сферической упругой подложки 2, которая может быть заполнена воздухом, водой и маслом.

В одном из вариантов выполнения геогидрофона инерционная масса 1 может быть подвешена внутри упругой подложки 2 на упругих подвесах 3.

К нижней части упругой подложки 2 прикреплен штырь 4, являющийся приемником сейсмических колебаний и одновременно якорным устройством геогидрофона.

В верхней части упругой подложки 2 прикреплен кабель-трос 5, соединяющий подводную часть прибора с надводным центром управления (на чертежах не показан).

Геогидрофон включает также в себя поплавок 6 нейтральной или положительной плавучести сферической формы, наружный диаметр которого равен наружному диаметру сферической подложки 2. Поплавок 6 соединен гибким кабель-тросом 7 с упругой подложкой 2 (на чертежах через кабель-трос 5).

На наружные поверхности подложки 2 и поплавка 6 намотаны две волоконные катушки 8, 9 волоконно-оптического интерферометра (фиг.2), включающего также в себя источник 10 когерентного света, фотоприемник 11 и фазосдвигающее устройство 12 (на фиг.2 показана схема интерферометра Цендера-Маха).

Выход фотоприемника 11 через вторичную аппаратуру 13 подключен к регистратору 14.

Волоконная катушка 8 намотана на упругую подложку 2 с натягом для увеличения чувствительности к сейсмоколебаниям.

Наружная поверхность сферической упругой подложки 2 покрыта защитным звуконепроницаемым покрытием 15 (фиг.1), выполненным, например, на основе пористой резины.

Вторичная аппаратура 13 может включать в себя, например, усилитель фототока и полосовой фильтр.

Имеется также источник питания (на чертежах не показан), расположенный вместе с регистратором 14 на надводном центре управления (на чертежах не показан).

Регистратор 14 может быть выполнен в виде измерителя амплитуды сигнала или в виде частотомера (как правило, одновременно того и другого).

Электрическая связь источника питания и регистратора 14 с другими элементами геогидрофона осуществляется по кабель-тросу 5. При этом гибкий кабель-трос 7 включает внутри себя также оптический кабель для оптической связи волоконных катушек 8, 9 в интерферометре.

В зависимости от амплитуды регистрируемых сейсмических колебаний инерционная масса 1 может находиться в свободном состоянии в сферической упругой подложке 2 или быть подвижной на подвесах 3 в центре сферической подложки 2. Жесткость подвесов 3 задается в зависимости от амплитуды регистрируемых сейсмоколебаний. Кроме того, для увеличения амплитуды регистрируемых колебаний сферическая подложка 2 также заполняется той или иной по вязкости жидкостью (водой или маслом).

В зависимости от амплитуды входного сигнала в режиме сейсмоприемника интерферометр геогидрофона может работать в режиме регистрации величины фототока, пропорциональной возникающей на выходе разности фаз интерферирующих лучей, или в режиме счета интерференционных полос. В первом случае начальную разность фаз интерферирующих лучей устанавливают с помощью фазосдвигающего устройства 12 равной 90°.

Одинаковая форма и размеры упругой подложки 2 и поплавка 6 необходимы для минимизации влияний посторонних факторов на работу геогидрофона в режиме сейсмоприемника или гидрофона.

При работе в режиме сейсмоприемника геогидрофон опускают на морское дно 16. Штырь 4 геогидрофона при этом глубоко вклинивается в морскую породу, являясь одновременно и якорным устройством, и приемником сейсмоколебаний.

Поплавок 6 нейтральной или положительной плавучести не контактирует с морским дном 16, находясь в морской среде 17 (фиг.1).

Сейсмоколебания морского дна 16 воздействуют через штырь 4 на инерционную массу 1, которая будет смещаться внутри упругой подложки 2 и ударяться о ее внутренние стенки. Возникающие при ударах вибрационные и акустические колебания будут восприниматься волоконной катушкой 8 интерферометра. В этом случае волоконная катушка 9 интерферометра является опорной.

На выходе фотоприемника 11 в зависимости от амплитуды сейсмоколебаний будут присутствовать или амплитудный или частотный сигнал (амплитудный - при малом входном сигнале, частотный - при большом).

При этом в первом случае воздействие морских шумов на опорную волоконную катушку 9 не допускается (должно быть малым).

При большой величине сейсмосигнала, когда входной сигнал интерферометра получается в виде интерференционных пиков, воздействие морских шумов на опорную волоконную катушку 9 практически не оказывает влияния на величину выходного сигнала.

При работе в режиме гидрофона сейсмоколебания на исследуемой акватории морского дна 16 должны отсутствовать.

В данном режиме волоконная катушка 9 интерферометра является измерительной, а волоконная катушка 8 - опорной.

Гидрофон прибора работает только в режиме малой величины входного сигнала, который смещает разность фаз интерферирующих лучей не более 45° (режим квазилинейного преобразования).

Гидрологические факторы: температура, глубина, соленость, плотность воды не оказывают влияния на результаты измерений как параметров сейсмических, так и гидроакустических колебаний, поскольку обе катушки интерферометра находятся в одинаковых условиях.

Конструкция геогидрофона позволяет с помощью одного и того же прибора регистрировать сейсмические или гидроакустические колебания, распространяющиеся с любых направлений в исследуемых средах, чем достигается поставленный технический результат.

Источники информации

1. Заявка 2543692 Франции, кл. G 01 V 1/16, G 01 V 1/18, 1984.

2. Патент 2115933 РФ, кл. G 01 P 15/08, 1998 - прототип.

Изобретение относится к морской геологии и гидрологии и может быть использовано для контроля и измерения параметров сейсмических и гидрологических процессов, протекающих в морях и океанах. Сущность: на наружной поверхности упругой сферической подложки намотана с натягом первая волоконная катушка интерферометра. На сферический поплавок того же диаметра намотана вторая волоконная катушка интерферометра. Внутри упругой подложки размещена шаровая инерционная масса. Упругая подложка с волоконной катушкой покрыта звуконепроницаемым покрытием. Внизу упругой подложки присоединен штырь-приемник сейсмических колебаний. Первая и вторая волоконные катушки интерферометра используются в качестве измерительной или опорной в зависимости от режима работы как сейсмоприемника или как гидрофона. Технический результат: обеспечение возможности регистрации сейсмических или акустических колебаний соответственно в твердой и жидкой средах во всех направлениях. 3 з.п. ф-лы, 2 ил.

1. Геогидрофон содержит инерционную массу, упругую подложку и волоконно-оптический интерферометр, выполненный в виде оптически согласованных источника когерентного света, двух идентичных волоконных катушек и фотоприемника, а также источник питания, блок вторичной аппаратуры и регистратор, при этом первая волоконная катушка интерферометра намотана с натягом на упругую подложку, отличающийся тем, что дополнительно содержит надводный центр управления, соединенный кабель-тросом с упругой подложкой, а также сферический поплавок нейтральной или положительной плавучести, на наружную поверхность которого намотана вторая волоконная катушка, при этом упругая подложка выполнена в виде полой сферы, а инерционная масса - в виде шара, расположенного внутри этой сферы, причем наружные диаметры сферических поплавка и упругой подложки одинаковы, к нижней части упругой подложки прикреплен штырь, а на ее наружную поверхность с волоконной катушкой нанесено защитное звуконепроницаемое покрытие, при этом источник питания и регистратор расположены на надводном центре управления, а источник когерентного света, фотоприемник, фазосдвигающее устройство и вторичная аппаратура - внутри поплавка нейтральной или положительной плавучести, механически соединенного гибким кабель-тросом с упругой подложкой.2. Геогидрофон по п.1, отличающийся тем, что в качестве звукопоглощающего покрытия используется пористая резина.3. Геогидрофон по п.1, отличающийся тем, что сферическая упругая подложка заполнена жидкостью, преимущественно водой или маслом.4. Геогидрофон по п.1, отличающийся тем, что инерционная масса подвешена на упругих подвесах в центральной части полой сферической упругой подложки.