RU2581076C2 - Method and device for remote gravimetric probing - Google Patents

Abstract

FIELD: measuring equipment.

SUBSTANCE: invention relates to geophysics and is intended for determination of free fall acceleration g_z and its spatial characteristics g_φ both on Earth surface and on surfaces of other planets. For determination of free fall acceleration g_z and its spatial characteristics g_φ use is made of a measuring device equipped with a zero-indicator sensor and gradient sensors installed on a disc located in the positioning device with a possibility of rotation. Method of performing a gravimetric probing consists in obtaining, with the help of a measuring device of a 3D time plot g_φ and comparing of the obtained time plot with “normal time plot” in order to detect an abnormal area on the 3D-time plot. This method provides for a possibility to obtain a volumetric characteristic of the gravitational field; at that, the range of measured values of gravitational acceleration is not limited.

EFFECT: technical result of the alleged invention consists in the improvement of accuracy and informativity of gravimetric measurements.

14 cl, 11 dwg

Description

Настоящее изобретение относится к области физики, в частности к гравиметрии, и может быть использовано при проведении геофизических исследований, результаты которых востребованы в астрономии, геодезии и геологии при проведении геофизических работ.The present invention relates to the field of physics, in particular to gravimetry, and can be used in geophysical research, the results of which are in demand in astronomy, geodesy and geology in geophysical work.

Известен динамический способ дистанционного гравиметрического зондирования Земли, описанный в источнике http://osmangravi1y.far.ru/osnovproekt.htm, который реализуют посредством измерения орбиты находящегося в невесомости центра масс спутника, перемещающегося в эквипотенциальной (далее - уровневой) поверхности. Траектория спутника за длительное время описывает поверхность, близкую к сфере, геометрия которой связана с геометрией уровенной поверхности гравитационного потенциала на высоте движения спутника. При этом начало геоцентрических координат расположено в центре масс Земли, а ось Z совпадает с ее осью вращения. Повышение точности измерений осуществляют посредством измерения градиентов в разных вариантах на высоте движения спутника (например, используют систему спутник - спутник) и вычисляют потенциальную характеристику поля. Вычитая из полученной сферы значения нормального поля, характеризующего гравиметрическую фигуру Земли, рассчитанную для нормальной траектории движения спутника, получают аномалию ускорения свободного падения ±Δg_z, которую проецируют на поверхность геоида. Геоид определяют как уровенную поверхность, совпадающую со средней поверхностью океана, не возмущенную приливами, волнами и течениями. Достигнутое разрешение спутниковой гравиметрии составляет 25 км и не может характеризовать объекты в недрах Земли меньших размеров, информация о которых востребована во многих областях науки и народного хозяйства.A known dynamic method for remote gravimetric sensing of the Earth is described in the source http://osmangravi1y.far.ru/osnovproekt.htm, which is implemented by measuring the orbit of the center of mass of a satellite located in zero gravity, moving in an equipotential (hereinafter - level) surface. For a long time, the satellite’s trajectory describes a surface close to a sphere whose geometry is connected with the geometry of the level surface of the gravitational potential at the satellite’s altitude. In this case, the origin of geocentric coordinates is located in the center of mass of the Earth, and the Z axis coincides with its axis of rotation. Improving the accuracy of measurements is carried out by measuring gradients in different versions at the height of the satellite (for example, using the satellite-satellite system) and calculate the potential field characteristic. Subtracting from the obtained sphere the values of the normal field characterizing the gravimetric figure of the Earth, calculated for the normal trajectory of the satellite’s motion, we obtain the gravity anomaly ± Δg _z , which is projected onto the surface of the geoid. A geoid is defined as a level surface that coincides with the middle surface of the ocean, not disturbed by tides, waves and currents. The achieved resolution of satellite gravimetry is 25 km and cannot characterize objects in the bowels of the Earth of smaller sizes, information about which is in demand in many fields of science and the national economy.

Наиболее близким по совокупности существенных признаков к заявленному изобретению является динамический способ и реализующее его устройство, предназначенные для измерения ускорения свободного падения g_z и его составляющих по направлениям g_φ на пункте наблюдения, расположенном на поверхности Земли, описанные в патенте RU 2504803 (заявки RU 2011147512 и WO 2013/077771).The closest set of essential features to the claimed invention is a dynamic method and a device that implements it, designed to measure the acceleration of gravity g _z and its components in the directions g _φ at the observation point located on the Earth’s surface, described in patent RU 2504803 (application RU 2011147512 and WO 2013/077771).

Способ заключается в том, что ускорение g_z дополняют мерой сравнения - значением центростремительного ускорения а_ц и регистрируют угловую скорость вращения ω в интервале времени, в котором модули радиус-векторов g_z и а_ц в верхней точке траектории равномерного вращения пробной массы равны и разнонаправлены и пробная масса находится в невесомости. По угловой скорости вращения со вычисляют значения ускорения свободного падения g_z=ω²R. Способ динамический - единицей измерения является время (сек).The method consists in the fact that the acceleration g _{z is} supplemented by a comparison measure — the centripetal acceleration value a _c and the angular velocity of rotation ω is recorded in the time interval in which the modules of the radius vectors g _z and a _c are equal and multidirectional at the upper point of the trajectory of uniform rotation of the test and the trial mass is in zero gravity. According to the angular velocity of rotation с, the values of the gravitational acceleration g _z = ω ² R are calculated. The method is dynamic - the unit of measurement is time (sec).

Одновременно регистрируют значения составляющих по направлениям g_φ в виде мгновенных значений сигнала гравиметрического датчика (далее потенциал-датчика), преобразующего силу, действующую на пробную массу датчика m(g_φ±а_ц), в электрический сигнал. В результате получают потенциальную характеристику напряженности гравитационного поля в плоскости вращения датчика, охарактеризованную в условных единицах, в виде полярного графика 360° - кардиоиды g_φ. Серия кардиоид по разным азимутам ориентации плоскости вращения с общим вектором g_z, после вычитания значения меры сравнения а_ц, характеризует 3D-годограф g_φ - сферу, отображающую распределение гравитационного потенциала на пункте наблюдения, расположенном на земной поверхности. Сопоставляя наблюденный 3D-годограф g_φ с «нормальным 3D-годографом g_φ», представляющим правильную сферу, выявляют аномальные отклонения ±Δg_φ. Нормальный 3D-годограф g_φ в любой плоскости вращения с вектором g_z - полярный график 0-180°, рассчитанный по формуле g_φ=g_zcos_φ, имеет общий полюс «0» с кардиоидой и соответствует однородному полупространству на пикете наблюдения. Измерения выполняют измерительной установкой, содержащей потенциальный и ноль-индикаторный датчики с пробными массами и пьезоэлектрическими преобразователями, установленными на диске в координатном устройстве с возможностью вращения. Устройство обеспечивает проведение измерений с постоянной угловой скоростью ω вращения датчиков по заданным азимутам вращения.At the same time, the values of the components in the directions g _φ are recorded in the form of instantaneous values of the signal of the gravimetric sensor (hereinafter referred to as the potential sensor), which converts the force acting on the probe mass of the sensor m (g _φ ± а _ц ) into an electrical signal. The result is a potential characteristic of the gravitational field in the plane of rotation of the sensor, characterized in arbitrary units, in the form of a polar graph of 360 ° - cardioids g _φ . A series of cardioids in different azimuths of the orientation of the rotation plane with the common vector g _z , after subtracting the value of the comparison measure a _C , characterizes the 3D hodograph g _φ - a sphere that displays the distribution of the gravitational potential at the observation point located on the earth's surface. Comparing the observed 3D hodograph g _φ with the “normal 3D hodograph g _φ ” representing the correct sphere, abnormal deviations ± Δg _φ are revealed. The normal 3D hodograph g _φ in any plane of rotation with the vector g _z — the polar graph 0-180 °, calculated by the formula g _φ = g _z cos _φ , has a common pole “0” with a cardioid and corresponds to a homogeneous half-space at the observation station. Measurements are carried out by a measuring installation containing potential and zero-indicator sensors with test masses and piezoelectric transducers mounted on a disk in a coordinate device with the possibility of rotation. The device provides measurements with a constant angular velocity ω of rotation of the sensors at given azimuths of rotation.

Недостатком способа является то, что измеряют абсолютные значения модулей радиус-векторов по направлениям g_φ относительно нулевого значения в полюсе, которые превышают значения выявляемых аномалий в 10⁸ и более раз, что не может обеспечивать высокой точности измерений.The disadvantage of this method is that they measure the absolute values of the modules of radius vectors in the directions g _φ relative to the zero value in the pole, which exceed the values of the detected anomalies by 10 ⁸ or more times, which cannot ensure high accuracy of measurements.

Задачей, на решение которой направлено изобретение, является разработка способа и усовершенствование устройства, повышающее точность и информативность гравиметрических измерений на земной поверхности и других планет.The task to which the invention is directed, is to develop a method and improve the device, increasing the accuracy and information content of gravimetric measurements on the earth's surface and other planets.

Поставленную задачу решают способом дистанционного гравиметрического зондирования, который реализуют на пунктах наблюдения (ПК), расположенных на земной поверхности (или иной планеты). В комплекс измерений входит определение результирующего вектора ускорения свободного падения g_z, его составляющих по направления g_φ и определение пространственного положения плотностной неоднородности в недрах, охарактеризованной на поверхности аномалией.The problem is solved by the method of remote gravimetric sensing, which is implemented at observation points (PC) located on the earth's surface (or another planet). The measurement complex includes determining the resulting free fall acceleration vector g _z , its components along the direction g _φ, and determining the spatial position of the density inhomogeneity in the bowels, characterized by an anomaly on the surface.

Определение g_z осуществляют посредством измерения угловой скорости ω равномерного вращения ноль-индикаторного датчика по траектории постоянного радиуса. Измеряют время Т сек полного оборота ноль-индикаторного датчика и вычисляют угловую скорость ω=2π/Т - рад/с. Угловую скорость измеряют в интервале времени, в котором векторы g_z и а_ц в верхней точке траектории вращения пробной массы датчика равны между собой, разнонаправлены и пробная масса находится в невесомости. При этих условиях центростремительное ускорение а_ц компенсирует ускорение свободного падения g_z в одной верхней точке траектории. По угловой скорости вычисляют значение ускорения свободного падения g_z=а_ц=ω²R, где R=const - радиус вращения ноль-индикаторного датчика.The determination of g _{z is} carried out by measuring the angular velocity ω of uniform rotation of the zero-indicator sensor along a constant radius path. Measure the time T sec of a complete revolution of the zero-indicator sensor and calculate the angular velocity ω = 2π / T - rad / s. The angular velocity is measured in the time interval in which the vectors g _z and a _c at the upper point of the trajectory of rotation of the probe mass of the sensor are equal to each other, multidirectional and the probe mass is in zero gravity. Under these conditions, the centripetal acceleration a _c compensates for the acceleration of gravity g _z at one upper point of the trajectory. From the angular velocity, the value of the acceleration of gravity is calculated g _z = а _ц = ω ² R, where R = const is the radius of rotation of the zero-indicator sensor.

Определение составляющих результирующего вектора по направлениям g_φ осуществляют посредством измерения градиента напряженности гравитационного поля по траектории вращения градиент-датчика, которым оснащают измерительное устройство. Измерения осуществляют в условных единицах мгновенных значений непрерывного потока частотного электрического сигнала и последующего вычисления потенциальных значений ее точек. Выполняют измерения в сферических координатах (g_φ, θ, φ) с началом координат в центре вращения градиент-датчика. Где: g_φ - модуль вектора ускорения свободного падения g_z по направлению φ, определенный в условных единицах разности частоты: φ - зенитный угол; θ - азимутальный угол плоскости вращения с векторами g_φ и g_z. Ось X направлена по меридиану точки наблюдения в северном направлении. При этом сила F=m(g_φ±а_ц), действующая на каждую пробную массу m₁ и m₂ градиент-датчика, на всей траектории направлена по радиусу в центр вращения пробных масс, расположенный на оси вращения устройства, а вектор ускорения свободного падения g_z направлен в центр масс Земли. Тангенциальная составляющая ускорений при равномерном вращении отсутствует. При этом используют многоканальный частотный компаратор или прецизионный частотомер, стабилизированный стандартным сигналом спутниковых систем ГЛОНАСС/GPS. Градиент-датчик имеет две пробные массы, установленные на пьезоэлектрических преобразователях, равноудаленных от центра вращения и смещенных относительно друг друга на расстояние L=const. График градиента характеризуют средними дискретными значениями разности частоты в точках, равномерно распределенных по траектории вращения, которые вычисляют в пределах установленного интервала усреднения. Детальность графика градиента увеличивают, уменьшая размеры интервала усреднения и увеличивая количество дискретных значений по траектории вращения. По результатам измерения в прямом и обратном направлении вращения градиент-датчика вычисляют средние дискретные значения, характеризующие точки графиков градиента кардиоиды в заданном азимуте плоскости вращения. Последовательно суммируют усредненные дискретные значения градиента с шагом, которым проведены измерения градиента, и вычисляют средние дискретные значения точек кардиоиды в относительных единицах. Из полученной кардиоиды вычитают значение меры сравнения а_ц и получают измеренный годограф g_φ по направлениям. Сопоставляя измеренный годограф g_φ с «нормальным годографом», рассчитанным по g_φ=g_zcosφ, выявляют аномальные интервалы годографа ±Δg_φ. Положительными значениями +Δg_φ характеризуют аномальные интервалы с избыточной плотностью неоднородности. Отрицательными значениями -Δg_φ - аномалии с меньшей плотностью неоднородности относительно вмещающих пород и аномалии, вызванные влиянием планет. Границы локального аномального интервала на годографе g_φ лежат в пределах сектора с вершиной в центре вращения градиент-датчика. Аномальный интервал на годографе характеризуют центральным углом и осью аномального интервала с вектором аномалии r. По серии измерений в разных азимутах вращения диска устанавливают углы азимутальных границ исследуемой аномальной неоднородности в недрах. Детализируют выявленную аномальную неоднородность посредством проведения измерений в дополнительных плоскостях вращения, уточняют границы аномальной области и положение результирующего вектора гр.The components of the resulting vector in the directions g _φ are determined by measuring the gradient of the gravitational field along the rotation path of the gradient sensor with which the measuring device is equipped. Measurements are carried out in arbitrary units of instantaneous values of a continuous flow of a frequency electrical signal and the subsequent calculation of the potential values of its points. Measure in spherical coordinates (g _φ , θ, φ) with the origin at the center of rotation of the gradient sensor. Where: g _φ is the absolute value of the acceleration vector g _z in the direction φ, defined in arbitrary units of the frequency difference: φ is the zenith angle; θ is the azimuthal angle of the plane of rotation with vectors g _φ and g _z . The X axis is directed along the meridian of the observation point in a northerly direction. The force F = m (g _φ ± a _u) acting on each trial mass m ₁ and m ₂ gradient sensor, the entire trajectory directed radially in the test masses rotation center located on the rotation axis of the device, and the acceleration vector free the fall g _{z is} directed to the center of mass of the earth. The tangential component of accelerations with uniform rotation is absent. In this case, a multi-channel frequency comparator or a precision frequency meter stabilized by a standard signal of GLONASS / GPS satellite systems is used. The gradient sensor has two test masses mounted on piezoelectric transducers equidistant from the center of rotation and offset relative to each other by a distance L = const. The gradient graph is characterized by discrete mean values of the frequency difference at points evenly distributed along the rotation path, which are calculated within the established averaging interval. The detail of the gradient graph is increased by decreasing the size of the averaging interval and increasing the number of discrete values along the rotation path. Based on the measurement results in the forward and reverse directions of rotation of the gradient sensor, the average discrete values are calculated that characterize the points of the graphs of the gradient of the cardioid in a given azimuth of the plane of rotation. Consistently summarize the averaged discrete values of the gradient with the step by which the gradient was measured, and calculate the average discrete values of the points of the cardioid in relative units. From the resulting value is subtracted cardioid measures comparison and _q and the measured travel time curve obtained by g _φ directions. Comparing the measured hodograph g _φ with the “normal hodograph” calculated from g _φ = g _z cosφ, the abnormal hodograph intervals ± Δg _{φ are} revealed. Positive values + Δg _φ characterize abnormal intervals with an excess density of heterogeneity. Negative values of -Δg _φ are anomalies with a lower density of heterogeneity relative to the host rocks and anomalies caused by the influence of the planets. The boundaries of the local anomalous interval on the hodograph g _φ lie within the sector with a vertex in the center of rotation of the gradient sensor. The abnormal interval on the hodograph is characterized by the central angle and axis of the abnormal interval with the anomaly vector r. Using a series of measurements in different azimuths of the disk rotation, the angles of the azimuthal boundaries of the investigated anomalous heterogeneity in the bowels are established. The detected anomalous heterogeneity is detailed by taking measurements in additional rotation planes, the boundaries of the anomalous region and the position of the resulting vector gr are refined.

Каждое направление φ 3D-кардиоиды охарактеризовано двумя радиус-векторами, лежащими на оной прямой с общей точкой «0». Как сумма g_φ+а_ц в нижней части траектории вращения градиент-датчика, и как разность g_φ-а_ц в верхней части траектории вращения. Объединяют аномальные интервалы в нижней и верхней частях траектории вращения.Each direction φ of the 3D cardioid is characterized by two radius vectors lying on this line with a common point “0”. As the sum of g _φ + а _ц in the lower part of the rotation path of the gradient sensor, and as the difference g _φ -а _ц in the upper part of the rotation path. Combine abnormal intervals in the lower and upper parts of the rotation path.

Объединение аномалий интервалов выполняют посредством проецирования аномальных приращений на нормальный годограф g_φ и суммирования их модулей. Это увеличивает рельефность аномалии и, соответственно, повышает качество измерений. По серии годографов с аномальными интервалами определяют результирующий вектор аномальной области r_р на 3D-годографе g_φ. Пространственное положение результирующего вектора r_р аномальной области на 3D-годографе g_φ характеризуют в сферических координатах (r, Θ, φ) с началом координат в центре вращения пробных масс градиент-датчика.Combining the anomalies of the intervals is performed by projecting the anomalous increments on the normal travel time curve g _φ and summing their modules. This increases the relief of the anomaly and, accordingly, improves the quality of measurements. The series of hodographs with abnormal intervals determine the resulting vector of the anomalous region r _p on the 3D hodograph g _φ . The spatial position of the resulting vector r _{r of the} anomalous region on the 3D hodograph g _{φ is} characterized in spherical coordinates (r, Θ, φ) with the origin at the center of rotation of the probe masses of the gradient sensor.

Определяют цену условной единицы измерения k между средним значением ускорения свободного падения g_z, например, наногал, и средним значением условной единицы разности частоты Δf_1-2, которыми охарактеризован результирующий вектор g_z. Для этого вычисляют частное от деления значения g_z в наногалах на значение g_z в условных единицах. По коэффициенту пропорциональности к пересчитывают значения модулей аномальных приращений ±Δg_φ, модуля результирующего вектора аномалии r_р и его проекции на уровенную плоскость ХОУ и ось Z в дольные единицы ускорения свободного падении - наногал.The price of a conventional unit of measurement k is determined between the average value of the acceleration of gravity g _z , for example, nanogal, and the average value of the conventional unit of the frequency difference Δf _1-2 , which characterizes the resulting vector g _z . For this, the quotient of dividing the values of g _z in nanogals by the value of g _z in arbitrary units is calculated. The proportionality coefficient k recalculates the values of the absolute values of the anomalous increments ± Δg _φ , the absolute value of the resulting anomaly vector r _r and its projection onto the level plane of the HOA and the Z axis into fractional units of acceleration of free fall - the nanogal.

Способ дистанционного гравиметрического зондирования реализуют посредством определения пространственного положения и геометрических параметров плотностной неоднородности, охарактеризованной на поверхности Земли гравиметрической аномалией. При этом определяют координаты центра масс неоднородности посредством установления местоположения точки пересечения осевых линий с результирующими векторами аномалий r_p, определенными на нескольких пунктах наблюдения, расположенными на разных расстояниях относительно центра масс неоднородности. Контуры неоднородности в земных недрах определяют посредством проецирования границ аномальных интервалов 3D-годографа g_φ по направлению центра масс в земных недрах, и отображают на схематических разрезах и планах, выполненных в принятом масштабе. В итоге получают объемный контур области неоднородности, общий для нескольких секторов, определенный на разных пунктах наблюдения в виде пространственной идеализированной модели. Характерные сечения модели отображают на карте и разрезах с геологической информацией. При интерпретации результатов работ анализируют изменения формы и площади аномальной области на 3D-годографах g_φ от одной точки наблюдения к другой, изменение пространственного положения результирующего вектора r_р и его проекций от пункта к пункту наблюдения, их значений и другие признаки.The method of remote gravimetric sounding is implemented by determining the spatial position and geometric parameters of the density inhomogeneity, characterized by a gravimetric anomaly on the Earth's surface. In this case, the coordinates of the center of mass of the heterogeneity are determined by establishing the location of the point of intersection of the axial lines with the resulting anomaly vectors r _p defined at several observation points located at different distances relative to the center of mass of the heterogeneity. The contours of heterogeneity in the earth's interior are determined by projecting the boundaries of the anomalous intervals of the 3D hodograph g _φ in the direction of the center of mass in the earth's interior, and are displayed on schematic sections and plans made on an accepted scale. As a result, a volume contour of the heterogeneity region is obtained, common for several sectors, defined at different observation points in the form of a spatial idealized model. Characteristic sections of the model are displayed on the map and sections with geological information. When interpreting the results of the work, the changes in the shape and area of the anomalous region on 3D hodographs g _φ from one observation point to another, the spatial position of the resulting vector r _p and its projections from point to point of observation, their values and other signs are analyzed.

Устройство содержит два потенциал-датчика, формирующих градиент-датчик, и ноль-индикаторный датчик, установленные на диске в координатном устройстве с возможность вращения диска. Термин «потенциал-датчик» применен для обозначения способа измерения, обеспечивающего проведение измерений относительно нулевого значения потенциала в общем полюсе «0», принадлежащим кардиоиде и годографу g_φ. Координатное устройство обеспечивает вращение диска в плоскостях, ориентированным по разным азимутам с общей координатной осью Z, с постоянной угловой скоростью ω, постоянным радиусом вращения R датчиков в прямом и обратном направлении вращения. Устройство оснащено прецизионными секундомером и компаратором стабилизированными стандартным сигналом ГЛОНАСС/GPS, усилителем, компьютером, системой управления производством измерений, системой терморегуляции. Ноль-индикаторный датчик и градиент-датчик оснащены независимыми измерительными каналами и подключены к многоканальному частотному компаратору. Градиент-датчик характеризуют «плечом» - расстоянием между центрами масс датчиков L, имеющим постоянную величину. Установку оснащают несколькими градиент-датчиками, имеющими разные значения L.The device contains two potential sensors, forming a gradient sensor, and a zero-indicator sensor installed on the disk in the coordinate device with the possibility of rotation of the disk. The term "potential sensor" is used to denote a measurement method that provides measurements relative to the zero value of the potential in the common pole "0" belonging to the cardioid and hodograph g _φ . The coordinate device provides rotation of the disk in planes oriented in different azimuths with a common coordinate axis Z, with a constant angular velocity ω, a constant radius of rotation R of the sensors in the forward and reverse directions of rotation. The device is equipped with a precision stopwatch and a comparator stabilized with a standard GLONASS / GPS signal, an amplifier, a computer, a measurement control system, and a thermal control system. The zero-indicator sensor and the gradient sensor are equipped with independent measuring channels and are connected to a multi-channel frequency comparator. The gradient sensor is characterized by a “shoulder” - the distance between the centers of mass of the sensors L, which has a constant value. The installation is equipped with several gradient sensors having different L.

В основе решения поставленной задачи лежат известные из теории гравиразведки, метрологии и практического применения способы измерения гравитационного поля, описанные в источниках. В частности:The solution to this problem is based on the methods known from the theory of gravity exploration, metrology and practical application for measuring the gravitational field described in the sources. In particular:

1. Из источника http://osmangravity.far.ru/osnovproekt.htm известен способ спутникового дистанционного гравиметрического зондирования при исследовании глобального гравитационного поля Земли. Способ реализуют посредством измерения радиуса вращения центра масс спутника относительно центра масс Земли. Значения радиуса R изменяется под действием изменяющихся значений ускорения свободного падения g_z на земной поверхности. При этом центр тяжести спутника постоянно находится в невесомости под действием центробежного ускорения, компенсирующего ускорение свободного падения g_z. По физической сущности центробежное ускорение а_ц является мерой сравнения, которую рассчитывают по формуле а_ц=ω²R=v²/R, где v - мгновенная линейная скорость спутника. Определяют параметры движения спутника по орбите, в том числе: мгновенное значение линейной скорости v и ускорения, радиус вращения R и координаты спутника. Одновременно определяют параметры геоида, где используют методы альтиметрии, принцип работы которой основан на измерении времени прохождения электромагнитного излучения. В качестве средства измерения применяют атомные часы, обеспечивающие измерение времени с точностью 10^-14-10^-15 сек. Результаты измерений получают в геоцентрических координатах, с началом координат в центре масс земли. В течение времени радиус-вектор траектории вращения центра масс спутника характеризует уровненную поверхность, близкую к сфере, отображающую распределение гравитационного потенциала земли на высоте его движения. Сопоставляют измеренную сферу с расчетными значениями нормальной гравиметрической фигуры земли на высоте движения спутника, вычисляют аномалию ±Δg_z, представленную разностью между измеренными значениями g_z и расчетными значениями. Аномалию проецируют по направлению радиуса вращения на поверхность геоида.1. From the source http://osmangravity.far.ru/osnovproekt.htm known method of satellite remote gravimetric sensing in the study of the global gravitational field of the Earth. The method is implemented by measuring the radius of rotation of the center of mass of the satellite relative to the center of mass of the Earth. The values of the radius R change under the influence of changing values of the acceleration of gravity g _z on the earth's surface. Moreover, the center of gravity of the satellite is constantly in zero gravity under the action of centrifugal acceleration, which compensates for the acceleration of gravity g _z . According to the physical nature of the centrifugal acceleration a _C is a measure of comparison, which is calculated by the formula a _C = ω ² R = v ² / R, where v is the instantaneous linear velocity of the satellite. The parameters of the satellite’s orbital motion are determined, including: the instantaneous value of the linear velocity v and acceleration, the radius of rotation R and the coordinates of the satellite. At the same time, geoid parameters are determined where altimetry methods are used, the principle of which is based on measuring the propagation time of electromagnetic radiation. An atomic clock is used as a means of measurement, providing time measurement with an accuracy of 10 ^-14 -10 ^-15 sec. The measurement results are obtained in geocentric coordinates, with the origin at the center of mass of the earth. Over time, the radius-vector of the trajectory of rotation of the satellite's center of mass characterizes a level surface close to a sphere, which displays the distribution of the gravitational potential of the earth at the height of its motion. The measured sphere is compared with the calculated values of the normal gravimetric figure of the earth at the satellite altitude, the anomaly ± Δg _z , represented by the difference between the measured values of g _z and the calculated values, is calculated. The anomaly is projected in the direction of the radius of rotation on the surface of the geoid.

Материалы спутникового зондирования Земли отображают топографию границы ядра с мантией, аномальные плотности в нижних частях мантии, особенности строения океанического дна, рельеф фундамента, кольцевые и линейные течения вод океана, крупные плотностные неоднородности в недрах Земли и ряд других физических параметров.The Earth’s satellite sounding materials display the topography of the boundary of the core with the mantle, abnormal densities in the lower parts of the mantle, features of the ocean floor structure, foundation relief, circular and linear ocean currents, large density inhomogeneities in the Earth’s interior, and a number of other physical parameters.

2. Из патента на изобретение RU 2504803 (Заявка RU 2011147512 и WO 2013/077771) известен способ и устройство, предназначенные для измерения ускорения свободного падения g_z и его составляющих по направлениям g_φ на пикете наблюдения, расположенном на поверхности земли. Способ заключается в том, что значение ускорения g_z дополняют мерой сравнения - значением центростремительного ускорения а_ц (то же что компенсация силы тяжести центробежным ускорением). Прецизионным секундомером измеряют угловую скорость ω (рад/с) равномерного вращения потенциал-датчика по круговой траектории постоянного радиуса в интервале времени, в котором модули радиус-векторов g_z и а_ц в верхней точке траектории равномерного вращения пробной массы равны и разнонаправлены. По угловой скорости вычисляют значение центростремительного ускорения (меру сравнения) по формуле: а_ц=ω²R смс^-2, ω=2πТ, где Т, сек - время полного оборота датчика, R - постоянный радиус вращения ноль-индикаторного датчика. Значение ускорения свободного падения рассчитывают по формуле: а_ц=g_z=ω²R смс^-2, где R, см = const. При проведении измерений в условиях постоянной угловой скорости вращения, тангенциальная составляющая ускорения отсутствует.2. From the patent for invention RU 2504803 (Application RU 2011147512 and WO 2013/077771) a method and device are known for measuring acceleration of gravity g _z and its components along directions g _φ at an observation station located on the earth's surface. The method consists in the fact that the acceleration value g _{z is} supplemented by a comparison measure - the value of the centripetal acceleration a _c (the same as the compensation of gravity by centrifugal acceleration). A precision stopwatch measures the angular velocity ω (rad / s) of uniform rotation of the potential sensor along a circular path of constant radius in the time interval in which the modules of radius vectors g _z and a _c at the upper point of the path of uniform rotation of the test mass are equal and multidirectional. Using the angular velocity, the centripetal acceleration value (a measure of comparison) is calculated by the formula: а _Ц = ω ² R sms ^-2 , ω = 2πТ, where T, sec is the time of the sensor’s full revolution, R is the constant radius of rotation of the zero-indicator sensor. The value of the acceleration of gravity is calculated by the formula: and _c = g _z = ω ² R sms ^-2 , where R, cm = const. When taking measurements under conditions of constant angular velocity of rotation, the tangential component of acceleration is absent.

Определение модулей радиус-векторов ускорения по направлениям g_φ=g_zcosφ±а_ц выполняют посредством измерения результирующих векторов g_φ±а_ц в плоскости вращения. Измерения выполняют посредством преобразования силы m(g_φ±а_ц), действующей на пробную массу пьезоэлектрического датчика, в частотный электрический сигнал. Получают полярный график 360° в условных единицах с полюсом «0» в виде кардиоиды, который отображает распределение гравитационного поля на пикете наблюдения. Определение времени Т полного оборота ноль-индикаторного датчика выполняют в интервале времени, в котором g_z=а_ц. При этом каждое направление φ кардиоиды характеризуют двумя значениями точек кардиоиды g_φ±а_ц. Серия кардиоид, определенная по разным плоскостям вращения, с общим вектором g_z характеризует 3D-кардиоид. Вычитают из 3D-кардиоида g_φ значение модуля центростремительного ускорения а_ц (меру сравнения), и получают наблюденную 3D-годограф g_φ сферу, охарактеризованную результирующим радиус-вектором g_z и радиус-векторами по направлениям g_φ. В результате сравнения 3D-годографа с нормальным годографом g_φ, рассчитанным по формуле g_φ=g_zcosφ, выявляют аномальные отклонения ±Δg_φ. 3D-годограф и 3D-кардиоида имеют общие полюс «0» и ось симметрии g_z, лежащие на линии отвеса.The determination of the modules of the acceleration radius vectors in the directions g _φ = g _z cosφ ± a _{c is} carried out by measuring the resulting vectors g _φ ± a _c in the plane of rotation. Measurements are performed by converting the force m (g _φ ± a _c ) acting on the test mass of the piezoelectric sensor into a frequency electrical signal. A polar graph of 360 ° is obtained in arbitrary units with a pole “0” in the form of a cardioid, which displays the distribution of the gravitational field at the observation point. The determination of the time T of a complete revolution of the zero-indicator sensor is performed in the time interval in which g _z = a _c . Moreover, each direction φ of the cardioid is characterized by two values of the points of the cardioid g _φ ± a _c . A series of cardioids, defined by different planes of rotation, with a common vector g _z characterizes a 3D cardioid. Subtract the centripetal acceleration modulus a _c from the 3D cardioid g _φ (measure of comparison) and obtain the observed 3D hodograph g _{φ of the} sphere characterized by the resulting radius vector g _z and radius vectors in the directions g _φ . By comparing the 3D hodograph with the normal hodograph g _φ calculated by the formula g _φ = g _z cosφ, abnormal deviations ± Δg _φ are revealed. The 3D hodograph and the 3D cardioid have a common “0” pole and a symmetry axis g _z lying on the plumb line.

Из сопоставления приведенных выше характеристик способов 1. и 2. видна общность действующих физических законов и способов интерпретации полученных материалов, заложенных в их основе, с отличительными особенностями, зависящими от места расположения центра вращения пробной массы относительно центра масс исследуемого объекта, и, соответственно, начала координат. Это позволяет использовать раннее не использованную возможность повышения точности измерений на пикете наблюдения, посредством измерения градиента по траектории вращения градиент-датчика и последующего вычисления пространственной характеристики гравитационного поля.A comparison of the above characteristics of methods 1. and 2. shows the commonality of the existing physical laws and methods of interpreting the obtained materials, which are based on them, with distinctive features depending on the location of the center of rotation of the test mass relative to the center of mass of the object under study, and, accordingly, the beginning coordinates. This allows you to use the previously unused opportunity to improve the accuracy of measurements at the observation point by measuring the gradient along the rotation path of the gradient sensor and then calculating the spatial characteristics of the gravitational field.

3. Из ист. «Мир электроники, Дж. Фрайден, Современные датчики, Справочник, 2005» известен кварцевый датчик силы с использованием пьезоэффекта. Датчик обладает хорошей линейностью и одиннадцатиразрядным разрешением, имеет частотный выходной сигнал.3. From the source. "The World of Electronics, J. Friden, Modern Sensors, Handbook, 2005" is known for the quartz force sensor using the piezoelectric effect. The sensor has good linearity and eleven-bit resolution, has a frequency output signal.

4. Из ист. tp://future24.ru/fiziki-poluchili-gigantskii-fleksoelekricheskii-effekt известен датчик, содержащий пленку из HoMnO₃ на сапфировой подложке. Флексоэлектрический эффект в полученном материале на 6-7 порядков мощнее, чем тот, который регистрируют при деформации оксидов.4. From ist. tp: //future24.ru/fiziki-poluchili-gigantskii-fleksoelekricheskii-effekt known sensor containing a film of HoMnO ₃ on a sapphire substrate. The flexoelectric effect in the obtained material is 6–7 orders of magnitude more powerful than that recorded during the deformation of oxides.

5. Из ист. http://www.findpatent.ru/patent/223/2236753.html известен приемник-компаратор, предназначенный для определения относительной отстройки частоты опорных генераторов и стандартов частоты и времени, а также для синхронизации частоты генератора по принимаемым сигналам спутниковых радионавигационных систем ГЛОНАСС/GSP и синхронизированным с системной шкалой времени. Относительная погрешность измерения относительной отстройки частоты опорного генератора за 24 часа составляет +1×10^-12.5. From the source. http://www.findpatent.ru/patent/223/2236753.html there is a known comparator receiver designed to determine the relative frequency offset of the reference oscillators and frequency and time standards, as well as to synchronize the generator frequency according to the received signals of the GLONASS satellite radio navigation systems / GSP and synchronized with the system timeline. The relative measurement error of the relative frequency offset of the reference generator for 24 hours is + 1 × 10 ^-12 .

6. Из ист. http://www.vremya-ch.com/rassian/product/indexaDb.html?Razdel=2&Id=20 известен многоканальный компаратор VCH-315, предназначенный для прецизионных измерений частоты. Компаратор имеет погрешность при времени измерения 1 с - ≤1,5×10^-13 и разрешающую способность измерения относительной разности частот 1,0×10^-14. Число измерительных каналов 8.6. From the source. http://www.vremya-ch.com/rassian/product/indexaDb.html?Razdel=2&Id=20 known multichannel comparator VCH-315, designed for precision frequency measurements. The comparator has an error with a measurement time of 1 s - ≤1.5 × 10 ^-13 and a resolution of measuring the relative frequency difference of 1.0 × 10 ^-14 . The number of measuring channels 8.

7. Известны способы повышения точности проводимых измерений, например, изложенные в ист.7. Known methods for improving the accuracy of measurements, for example, set out in East.

http://metrologu.ru/info/metrologia/izmereniya/metody-povyshema-tochnosti-izmereniy, предусмотренные изобретением:http://metrologu.ru/info/metrologia/izmereniya/metody-povyshema-tochnosti-izmereniy provided by the invention:

- контроль метрологических параметров установки осуществляют непосредственно на пикете наблюдения в условиях постоянной скорости вращения пробной массы в уровенной поверхности. При этом гравиметрические датчики регистрирует только центростремительное ускорение а_ц;- control of the metrological parameters of the installation is carried out directly at the observation station under conditions of constant rotation speed of the test mass in the level surface. In this case, only centripetal acceleration a _c registers gravimetric sensors;

- усреднение изменяющегося потока частотного сигнала в пределах интервала дискретизации посредством разделения потока информационного сигнала на дискретные интервалы и усреднения лежащих в его пределах зарегистрированных значений с получением единственного дискретного отсчета;- averaging the changing flow of the frequency signal within the sampling interval by dividing the flow of the information signal into discrete intervals and averaging the recorded values within it to obtain a single discrete count;

- выполнение многократных измерений значения градиента с последующим усреднением результатов при прямом и обратном направлении вращения датчиков и вычисление средних значений;- performing multiple measurements of the gradient value with subsequent averaging of the results with the forward and reverse direction of rotation of the sensors and the calculation of average values;

- автоматизация измерительных процедур и обработки результатов измерений;- automation of measurement procedures and processing of measurement results;

- использование частотного компаратора, реализующего определение показаний гравиметрических датчиков по относительной разности частот выходных сигналов градиент-датчика. При этом компаратор стабилизируют стандартными частотами спутниковых систем ГЛОНАСС/GPS;- the use of a frequency comparator that implements the determination of the readings of gravimetric sensors from the relative frequency difference of the output signals of the gradient sensor. In this case, the comparator is stabilized with standard frequencies of GLONASS / GPS satellite systems;

- измерение времени посредством прецизионного секундомера, стабилизированного спутниковым стандартным сигналом.- time measurement by means of a precision stopwatch stabilized by a satellite standard signal.

Использование в изобретении перечисленных способов обеспечивает высокую точность измерений.The use of the above methods in the invention provides high measurement accuracy.

Полученный технический результат заключается в проведении дистанционного гравиметрического зондирования земных недр (в том числе других планет) с получением пространственной характеристикой гравитационного поля на пункте наблюдения. При аттестованном значении R способ позволяет проводить измерения в абсолютных единицах. Способ не имеет ограничений по диапазону измеряемых значений ускорения свободного падения. Определение пространственных характеристик в единицах измерения ускорения свободного падения и дистанционное зондирование земных недр являются новыми свойствами, расширяющими возможности гравиметрии. Способ и устройство целесообразно использовать при детализации гравиметрических аномалий с определением качественных, а в благоприятных условиях и количественных, параметров исследуемых объектов, мониторинге отрабатываемых газовых и нефтяных месторождений, мониторинге очагов вулканической деятельности, сейсмологии, исследовании карстовых пустот и решении других геолого-геофизических задач, а также задач метрологии и геодезии.The technical result obtained consists in conducting remote gravimetric sensing of the earth's interior (including other planets) with obtaining the spatial characteristic of the gravitational field at the observation point. With a certified value of R, the method allows measurements in absolute units. The method has no restrictions on the range of measured values of the acceleration of gravity. The determination of spatial characteristics in units of measurement of acceleration of gravity and remote sensing of the bowels of the earth are new properties that expand the capabilities of gravimetry. The method and device is advisable to use when detailing gravimetric anomalies with the determination of qualitative, and in favorable conditions and quantitative, parameters of the studied objects, monitoring of gas and oil fields being developed, monitoring of foci of volcanic activity, seismology, studying karst voids and solving other geological and geophysical problems, and also tasks of metrology and geodesy.

Автору не известны технические решения с отличительными признаками предлагаемого технического решения.The author is not aware of technical solutions with the hallmarks of the proposed technical solution.

Сущность изобретения поясняется чертежами.The invention is illustrated by drawings.

На фиг. 1 приведено схематическое изображение устройства 1 измерения ускорения свободного падения g_z и его составляющих g_φ.In FIG. 1 is a schematic illustration of a device 1 for measuring the acceleration of gravity g _z and its components g _φ .

На фиг. 2 приведено схематическое изображение градиент-датчика, где 5 и 6 - пробные массы градиент-датчика, 7 и 8 - пьезоэлектрические преобразователи, 10 - ось симметрии градиент-датчика.In FIG. 2 shows a schematic representation of a gradient sensor, where 5 and 6 are the test masses of the gradient sensor, 7 and 8 are piezoelectric transducers, 10 is the axis of symmetry of the gradient sensor.

На фиг. 3 представлена кардиоида 18 (0-360°) и годограф g_φ по направлениям 33 (0-180°) с палеткой 28 для построения графика кардиоиды и выполнения обратной задачи - определения градиента кардиоиды. Точка 0 является общим полюсом для кардиоиды 18 и годографа 33. Полюс «0» является центром вращения градиент-датчика и ноль-индикаторного датчика. Потенциальные окружности 29 палетки 28 проведены через концы радиус-векторов g_φ±а_ц. Окружность 32 - ось радиусной симметрии палетки 28. Внешняя окружность палетки 28 - условная траектория вращения градиент-датчика. L - «плечо» градиент датчика равное 15°. Интервалы а-b и a₁-b₁ - аномальные интервалы кардиоиды 18.In FIG. Figure 3 shows a cardioid 18 (0-360 °) and a hodograph g _φ along directions 33 (0-180 °) with a palette 28 for plotting a cardioid and performing the inverse task of determining the gradient of a cardioid. Point 0 is the common pole for cardioid 18 and hodograph 33. Pole “0” is the center of rotation of the gradient sensor and the zero-indicator sensor. The potential circles 29 of the pallet 28 are drawn through the ends of the radius vectors g _φ ± a _c . The circle 32 is the axis of radius symmetry of the palette 28. The outer circumference of the palette 28 is the conditional rotation path of the gradient sensor. L - “shoulder” gradient sensor equal to 15 °. The intervals a-b and a ₁ -b ₁ are abnormal intervals of the cardioid 18.

На фиг. 4 приведены нормальные кривые градиента кардиоиды 18, построенные для правого 20 и левого 22 направления вращения градиент-датчика. Аномальные интервалы а-b и a₁-b₁ на графике 19 построены для правого вращения 20 градиент-датчика. Т сек - время полного оборота градиент датчика 360°. 23, 24, 25, 26 и абсцисса 27 - оси симметрии графиков градиента.In FIG. Figure 4 shows the normal gradient curves of cardioids 18, plotted for the right 20 and left 22 directions of rotation of the gradient sensor. Abnormal intervals a-b and a ₁ -b ₁ on the graph 19 are constructed for the right rotation 20 of the gradient sensor. T sec - time of a full revolution of the gradient of the sensor 360 °. 23, 24, 25, 26 and abscissa 27 - axis of symmetry of the gradient graphs.

На фиг. 5 приведена $$\raisebox{1ex}{$1$}\!\left/ \!\raisebox{-1ex}{$2$}\right.$$

кардиоиды 18 и годографа 33 в масштабе 2:1 с выделенными фрагментами 34, 35 с обозначением границ аномальных интервалов а-b и a₁-b₁. Здесь и далее масштаб приведен относительно масштаба на фиг. 3; 36 - ось аномального интервала.In FIG. 5 is given $$\raisebox{1ex}{$\mathrm{one}$}\!\left/ \!\raisebox{-1ex}{$2$}\right.$$

cardioids 18 and hodograph 33 on a 2: 1 scale with selected fragments 34, 35 with the designation of the boundaries of the abnormal intervals a-b and a ₁ -b ₁ . Hereinafter, the scale is shown relative to the scale in FIG. 3; 36 - axis of the abnormal interval.

На фиг. 6 приведен фрагмент 34 с аномальным интервалом а-b кардиоиды 18 в нижнем полупространстве в масштабе 5:1.In FIG. Figure 6 shows fragment 34 with an abnormal interval a-b of cardioid 18 in the lower half-space on a 5: 1 scale.

На фиг. 7 приведен фрагмент 35 кардиоиды в верхнем полупространстве с аномальным интервалом a₁-b₁ в масштабе 10:1.In FIG. Figure 7 shows a fragment of 35 cardioids in the upper half-space with an anomalous interval a ₁ -b ₁ at a scale of 10: 1.

На фиг. 8 приведен фрагмент годографа с аномальным интервалом А-В, представленным значениями 2Δg_φ, в виде суммы значений верхнего и нижнего аномальных интервалов кардиоиды.In FIG. Figure 8 shows a fragment of the hodograph with an abnormal AB interval represented by 2Δg _φ values, as the sum of the values of the upper and lower abnormal intervals of the cardioid.

На фиг. 9 приведен пример определения местоположения геометрических параметров избыточной плотностной неоднородности в земных недрахг Где ρ₁ - плотность неоднородности, вызвавшая аномалию на поверхности; ρ₂ - средняя плотность вмещающих пород; ПК - пункт наблюдения.In FIG. Figure 9 shows an example of determining the location of the geometric parameters of excess density heterogeneity in the Earth’s bowels. Where ρ ₁ is the density of the heterogeneity that caused an anomaly on the surface; ρ ₂ is the average density of the host rocks; PC - observation point.

На фиг. 10 приведен макет 3D-кардиоиды g_φ с 3D-годографом. 3D-кардиоида - потенциальная поверхность, представленная значениями радиус-векторов g_φ±а_ц.In FIG. Figure 10 shows the layout of a 3D cardioid g _φ with a 3D hodograph. A 3D cardioid is a potential surface represented by the values of radius vectors g _φ ± a _c .

На фиг. 11 приведен макет 3D-годографа g_φ с аномальной областью, охарактеризованной результирующим вектором r_p. 40 - ось аномальной области на 3D-годографе.In FIG. Figure 11 shows the layout of a 3D hodograph g _φ with an anomalous region characterized by the resulting vector r _p . 40 - axis of the anomalous region on the 3D hodograph.

Устройство 1 на фиг. 1 дистанционного гравиметрического зондирования содержит два идентичных потенциал-датчика 2 и 3, формирующие градиент-датчик на фиг. 2, установленный на диске 4. Градиент-датчик содержит две пробные массы 5 и 6, закрепленные на пьезоэлектрических преобразователях 7 и 8, которые установлены на диске 4 без возможности перемещения, на расстоянии L между пробными массами. На диске 4 фиг. 2 точкой привязки значения градиента соответствует точка 9, расположенная на оси симметрии 10 градиент-датчика, равноудаленная по радиусу от центра вращения пробных масс 5 и 6. Градиент-датчик установлен на диске 4 с таким расчетом, чтобы переменная сила F=m(g_φ±а_ц), действовала на пробные массы датчиков 2 и 3 по радиусам R₁ и R₂. На диске 4 также установлен ноль-индикаторный датчик 11, например, акселерометр с независимым регистрирующим каналом. В качестве ноль-индикаторного датчика может быть использован один из каналов потенциал-датчика 2 или 3, входящего в состав градиент-датчика. Диск 4 установлен посредством оси 12 в координационном устройстве 13 с возможностью вращения. Устройство 1 оснащено приводом принудительного вращения 14, которое обеспечивает вращение диска 4 с заданной постоянной угловой скоростью со в прямом и обратном направлениях. Координатное устройство 13 выполнено с возможностью поворота диска на осях 15 и 16 (ось 16 не показана), что позволяет выполнять измерения в выбранном пространственном положении плоскости вращения диска.The device 1 in FIG. 1 remote gravity sensing contains two identical potential sensors 2 and 3, forming a gradient sensor in FIG. 2 mounted on the disk 4. The gradient sensor contains two test masses 5 and 6, mounted on the piezoelectric transducers 7 and 8, which are mounted on the disk 4 without the possibility of movement, at a distance L between the test masses. On disk 4 of FIG. 2, the reference point of the gradient value corresponds to point 9, located on the axis of symmetry 10 of the gradient sensor, equidistant in radius from the center of rotation of the test masses 5 and 6. The gradient sensor is mounted on disk 4 so that the variable force F = m (g _φ ± a _c ), acted on the test mass of the sensors 2 and 3 along the radii R ₁ and R ₂ . The disk 4 also has a zero-indicator sensor 11, for example, an accelerometer with an independent recording channel. As a zero-indicator sensor, one of the channels of the potential sensor 2 or 3, which is part of the gradient sensor, can be used. The disk 4 is mounted through the axis 12 in the coordination device 13 with the possibility of rotation. The device 1 is equipped with a forced rotation drive 14, which provides rotation of the disk 4 with a given constant angular velocity with in the forward and reverse directions. The coordinate device 13 is configured to rotate the disk on the axes 15 and 16 (axis 16 is not shown), which allows measurements in the selected spatial position of the plane of rotation of the disk.

Способ дистанционного гравиметрического зондирования реализуют следующим образом. Устройство 1 устанавливают на пункте наблюдения (ПК) и плоскость диска 4 размещают в уровенной поверхности 17 - ХОУ на фиг. 1. При остановленном диске измерительные каналы устройства регистрируют собственную частоту пьезоэлектрических преобразователей f_o градиент-датчика 2 и 3. Проводят контроль метрологических параметров измерительных каналов устройства. Определяют градуировочную характеристику измерительных каналов в диапазоне рабочего интервала угловой скорости вращения. Измерения выполняют в условных единицах мгновенных значений разности частоты Δf_ω, где Δf_ω - измеренная разность частоты между значением выходного сигнала датчика при скорости вращения ω. Измерительные каналы устройства при нахождении градиент-датчика с диском в уровенной плоскости не регистрирует внешних сил, действующих на его пробные массы - регистрирует собственную частоту датчиков - f_o. Диск 4 приводят во вращение и, ступенчато изменяя скорость вращения, устанавливают зависимость условной единицы частотного электрического сигнала от угловой скорости ω в диапазоне рабочего интервала угловой скорости вращения, равно 2а_ц. При этом частоту компаратора f_k синхронизируют стандартным сигналом спутниковых радионавигационных систем ГЛОНАСС/GPS. Измерения выполняют в прямом и обратном направлении вращения диска 4 и вычисляют средние дискретные значения на выбранных режимах скорости вращения. По результатам измерений строят градуировочные графики (не показаны), определяют их линейность в диапазоне рабочих скоростей устройства, равного 2а_ц, и погрешности. При выявлении остаточного дисбаланса, зарегистрированного датчиками в уровенной плоскости вращения, устанавливают причину. Если устранить дисбаланс невозможно, его значение учитывают при обработке результатов измерений. Все измерения проводят в автоматическом режиме.The method of remote gravimetric sensing is implemented as follows. The device 1 is installed at the observation point (PC) and the plane of the disk 4 is placed in the level surface 17 - HOU in FIG. 1. When the disk is stopped, the measuring channels of the device register the natural frequency of the piezoelectric transducers f _o gradient sensor 2 and 3. The metrological parameters of the measuring channels of the device are monitored. Determine the calibration characteristic of the measuring channels in the range of the working interval of the angular velocity of rotation. The measurements are carried out in arbitrary units of instantaneous values of the frequency difference Δf _ω , where Δf _ω is the measured frequency difference between the value of the output signal of the sensor at a speed of rotation ω. The measuring channels of the device when the gradient sensor with the disk is in the level plane does not register external forces acting on its test masses - it registers the sensor’s own frequency - f _o . The disk 4 is driven into rotation and, stepwise changing the speed of rotation, establish the dependence of the conventional unit of the frequency electric signal on the angular velocity ω in the range of the working interval of the angular velocity of rotation, equal to 2A _C. In this case, the frequency of the comparator f _k synchronize the standard signal of the satellite radio navigation systems GLONASS / GPS. The measurements are performed in the forward and reverse directions of rotation of the disk 4 and calculate the average discrete values at the selected modes of rotation speed. By measurements construct calibration curves (not shown) to determine their linear working range of the device velocity equal to 2a _p, and error. If a residual imbalance detected by the sensors in the level plane of rotation is detected, the cause is established. If it is impossible to eliminate the imbalance, its value is taken into account when processing the measurement results. All measurements are carried out automatically.

Диск 4 фиг. 1 устанавливают в плоскость с линией отвеса и приводят во вращение. Определяют потенциальную характеристику гравитационного поля в составе ускорения свободного падения g_z и его составляющих по направлениям g_φ в плоскости вращения диска 4. Измерения g_z и g_φ проводят в интервале времени, в котором показания измерительного канала ноль-индикаторного датчика 11 на фиг. 1, находящегося в верхней точке траектории, равны собственной частот пьезоэлектрического преобразователя. Измерения выполняют в сферических координатах (g_φ, Θ, φ), с началом координат в центре вращения пробных масс датчиков, с координатной осью Z, совпадающей с линией отвеса, и осью X, направленной в северном направлении по меридиану точки наблюдения.Disc 4 of FIG. 1 set in a plane with a plumb line and rotate. The potential characteristic of the gravitational field is determined as part of the acceleration of gravity g _z and its components in the directions g _φ in the plane of rotation of the disk 4. Measurements g _z and g _φ are carried out in the time interval in which the measurement channel readings from the zero-indicator sensor 11 in FIG. 1, located at the top of the trajectory, are equal to the natural frequencies of the piezoelectric transducer. Measurements are performed in spherical coordinates (g _φ , Θ, φ), with the origin at the center of rotation of the probe masses of the sensors, with the coordinate axis Z coinciding with the plumb line, and the X axis directed northward along the meridian of the observation point.

При определении g_z измеряют время Т сек полного оборота ноль-индикаторного датчика в прямом и обратном направлении равномерного вращения диска 4. При этом количество оборотов диска должно быть не менее двух. По среднему значению времени Т сек вычисляют значение угловой скорости ω и по нему определяют значение ускорения свободного падения g_z=ω²R см·с^-2, где R см = const - радиус вращения ноль-индикаторного датчика. За единицу ускорения свободного падения g_z в гравиметрии принят миллигал (мГал), равный 10^-5 м·с^-2 и его дольные единицы. Например, время полного оборота Т сек ноль-индикаторного датчика с радиусом вращения 20 см при определении g_z на полюсе, где значение g_z=983200 мГал, Т составит 0,898515221 с (вычислено по формуле: Т=2π/ω=2π/√g_z/R). На экваторе g_z равно 978000 мГал, Т=0,896136014 с. Таким образом, диапазон времени при измерениях на поверхности Земли, составляет 2379207 нс (898515221-896136014). Диапазон значений g_z на поверхности Земли составляет 983200-978000=5200 мГал. Разделив диапазон g_z на диапазон измеряемого времени полного оборота Т, определяют точность выполняемых измерений. Например, измерение времени с точностью 1 нс (1·10^-9 с) обеспечивает измерение g_z с точностью около 2,2 нГал. Современные средства измерения времени и частоты обеспечивают точность более 10^-12, что уверенно перекрывает наносекундный диапазон. Таким образом, способ позволяет повысить точность измерений на несколько порядков и определять значения ускорения свободного падения g_z и его составляющих по направлениям g_φ с требуемой точностью. В значение g_z вводят поправки и определяют погрешности измерений. Определение результирующего вектора g_z выполняют относительно опорных гравиметрических пунктов с известными значениями g_z, а при аттестованном значении R измерения выполняют в абсолютных единицах.When determining g _z, the time T s of the complete revolution of the zero-indicator sensor in the forward and reverse directions of the uniform rotation of the disk 4 is measured. The number of revolutions of the disk must be at least two. The value of the angular velocity ω is calculated from the average time T sec and the free fall acceleration value g _z = ω ² R cm · s ^{-2 is} calculated from it, where R cm = const is the radius of rotation of the zero-indicator sensor. For gravity acceleration unit g _z in gravimetry, milligal (mGal), equal to 10 ^-5 m · s ^-2 and its fractional units, was taken. For example, the time of a full revolution T sec of a zero-indicator sensor with a radius of rotation of 20 cm when determining g _z at the pole, where g _z = 983200 mGal, T will be 0.898515221 s (calculated by the formula: T = 2π / ω = 2π / √g _z / R). At the equator, g _z is 978000 mGal, T = 0.896136014 s. Thus, the time range when measuring on the Earth's surface is 2379207 ns (898515221-896136014). The range of g _z values on the Earth's surface is 983200-978000 = 5200 mGal. Dividing the range of g _z by the range of the measured time of a full revolution T, determine the accuracy of the measurements. For example, measuring time with an accuracy of 1 ns (1 · 10 ^-9 s) provides a measurement of g _z with an accuracy of about 2.2 nGal. Modern time and frequency measuring instruments provide an accuracy of more than 10 ^-12 , which surely covers the nanosecond range. Thus, the method allows to increase the measurement accuracy by several orders of magnitude and to determine the values of the acceleration of gravity g _z and its components in the directions g _φ with the required accuracy. Corrections are introduced into the value of g _z and the measurement errors are determined. The determination of the resulting vector g _{z is} carried out relative to reference gravimetric points with known values of g _z , and with a certified value of R, measurements are performed in absolute units.

Одновременно с определением g_z измеряют градиент кардиоиды 18 (фиг. 3 и фиг. 5) по траектории вращения градиент-датчика в условных единицах разности частоты Δf_1,2=f₁-f₂, с выходными частотными сигналами пьезодатчиков f₁ и f₂. При этом измерительные каналы устройства регистрируют непрерывный поток высокочастотного цифрового сигнала. Каждый интервал кардиоиды 18, лежащий в пределах одного градуса, характеризуют многими сотнями мгновенных значений, при достаточной характеристике 1-2 значения. Поэтому график градиента характеризуют дискретными значениями разности частоты в точках кардиоиды, равномерно распределенными по траектории вращения в пределах установленного интервала усреднения. Точкой зарегистрированного дискретного значения градиента кардиоиды 18 являются координаты φ в плоскости вращения Θ. На фиг. 4 приведены построенные графическим способом графики градиента 19 - при правом вращении 20, и график градиента 21 - при левом вращении 22. В приведенном примере расстояние L между пробными массами (плечо) градиент-датчика составляет 15° с шагом между точками графика 15°. Графики 19 и 21, за исключением аномальных интервалов а-b и a₁-b₁, представляют «нормальный градиент» кардиоиды 18 и имеют выраженные особенности, в том числе:Simultaneously with the determination of g _z, the gradient of the cardioid 18 is measured (Fig. 3 and Fig. 5) along the rotation path of the gradient sensor in arbitrary units of the frequency difference Δf _1,2 = f ₁ -f ₂ , with the output frequency signals of the piezoelectric sensors f ₁ and f ₂ . In this case, the measuring channels of the device register a continuous stream of high-frequency digital signal. Each interval of cardioid 18, lying within one degree, is characterized by many hundreds of instantaneous values, with a sufficient characteristic of 1-2 values. Therefore, the gradient graph is characterized by discrete values of the frequency difference at the cardioid points uniformly distributed along the rotation path within the established averaging interval. The point of the detected discrete gradient value of the cardioid 18 is the coordinate φ in the plane of rotation Θ. In FIG. Figure 4 shows the graphs of the gradient 19 plotted in a graphical way — for right rotation 20, and the gradient graph 21 — for left rotation 22. In the given example, the distance L between the test masses (shoulder) of the gradient sensor is 15 ° with a step between the points of the graph 15 °. Graphs 19 and 21, with the exception of the abnormal intervals a-b and a ₁ -b ₁ , represent the "normal gradient" of cardioids 18 and have pronounced features, including:

- графики градиента в прямом 19 и обратном 21 направлениях вращения состоят из подобных друг другу 8-модульных интервалов по 90° с осями симметрии 23, 24, 25, 26 и абсциссы 27, а также 4-модульных интервалов по 180° и абсциссы 27;- the gradient graphs in the forward 19 and 21 reverse directions of rotation consist of 8-module intervals of 90 ° similar to each other with axes of symmetry 23, 24, 25, 26 and abscissas 27, as well as 4-module intervals of 180 ° and abscissas 27;

- точки графика 0 и 12 лежат на линии отвеса с результирующим вектором g_z. Градиент в точках 0 и 12 (φ=0 и 180°) равен 0 и не определяется;- points of the graph 0 and 12 lie on the plumb line with the resulting vector g _z . The gradient at points 0 and 12 (φ = 0 and 180 °) is 0 and is not determined;

- точки 6 и 18 охарактеризованы максимальным значением градиента, являются точками перегиба графика градиента, принадлежат уровенной поверхности, и охарактеризованы значениями центростремительного ускорения а_ц.- points 6 and 18 are characterized by the maximum value of the gradient, are the inflection points of the gradient graph, belong to the level surface, and are characterized by the values of centripetal acceleration a _c .

Графики градиентов 19 и 21 кардиоиды 18 построены с помощью палетки 28 на фиг. 3, выполненной следующим образом. Через точки расчетной кардиоиды, соответствующие концам радиус-векторов g_φ=g_zcosφ±а_ц (точки кардиоиды 1, 2…23 на фиг. 3), проведены потенциальные окружности 30 с центром в полюсе «0» кардиоиды 18. Между окружностями 29 проведены обозначенные тонкими линиями окружности 30, которые определяют геометрическое место привязки значений градиента. Расстояние между окружностями 29 соответствует приращению потенциала (градиенту) по радиусу палетки. Например, длина отрезка с-d на фиг. 3 равна разности потенциалов (градиенту) между концами радиус-векторов 15 и 16 кардиоиды с точкой привязки значения градиента 31. В описанном примере расстояние между точками кардиоиды составляет 15°. Внешняя окружность палетки 28 с угловыми значениями соответствует условной траектории градиент-датчика с центром вращения в полюсе кардиоиды «0». Особенностью палетки является наличие оси «радиусной» симметрии 32 - окружности, с точками 6 и 18, со значениями а_ц=g_z кардиоиды, и вектором g_z годографа 33 - точка годографа 12¹. Программа компьютерной обработки материалов измерений содержит алгоритм палетки.Graphs of gradients 19 and 21 of cardioids 18 are plotted using palette 28 in FIG. 3, made as follows. Potential circles 30 centered at the pole “0” of cardioids 18 are drawn through the points of the calculated cardioid corresponding to the ends of the radius vectors g _φ = g _z cosφ ± a _c (points of the cardioid 1, 2 ... 23 in Fig. 3). Between the circles 29 drawn are indicated by thin lines of a circle 30, which determine the geometric location of the binding values of the gradient. The distance between the circles 29 corresponds to the increment of the potential (gradient) along the radius of the palette. For example, the length of the section c-d in FIG. 3 is equal to the potential difference (gradient) between the ends of the radius vectors 15 and 16 of the cardioid with the anchor point of the gradient value 31. In the described example, the distance between the points of the cardioid is 15 °. The outer circumference of the pallet 28 with angular values corresponds to the conditional trajectory of the gradient sensor with the center of rotation at the pole of the cardioid "0". A feature of the palette is the presence of an axis of "radius" symmetry 32 - a circle, with points 6 and 18, with values a _^ = g _{z of the} cardioid, and a vector g _{z of the} hodograph 33 — the point of the hodograph 12 ¹ . The computer program for processing measurement materials contains a palette algorithm.

Детальность графика градиента кардиоиды увеличивают, уменьшая размеры интервала усреднения, и увеличивая количество дискретных значений характеризующих кардиоиду. Например, аномальные интервалы а-b и a₁-b₁ кардиоиды на фиг. 3, 4 и 5 охарактеризованы девятью дискретными значениями, включая точки границ аномального интервала.The detail of the gradient graph of cardioids is increased, decreasing the size of the averaging interval, and increasing the number of discrete values characterizing the cardioid. For example, abnormal intervals a-b and a ₁ -b ₁ cardioids in FIG. 3, 4 and 5 are characterized by nine discrete values, including points of the boundaries of the anomalous interval.

По графикам градиентов 19 и 21 с использованием палетки 28 строят потенциальную характеристику поля на пикете наблюдения - кардиоиду 18, представленную суммой радиус-векторов g_φ±а_ц. Построение кардиоиды выполняют отдельно по каждому направлению вращения градиент-датчика. Последовательно суммируют усредненные дискретные значения градиента от полюса «0» по замкнутому контуру с шагом суммирования равным шагу измерения градиента. В результате получают две кардиоиды, охарактеризованные в условных единицах разности частоты, погрешности которых не ниже погрешностей определения дискретных значений градиента. По полученным кардиоидам в прямом и обратном направлении вращения, вычисляют средние дискретные значения, характеризующие точки измеренной кардиоиды 18.According to the graphs of gradients 19 and 21, using a palette 28, a potential field characteristic is constructed at the observation picket - cardioid 18, represented by the sum of radius vectors g _φ ± a _c . The construction of cardioids is performed separately for each direction of rotation of the gradient sensor. The averaged discrete values of the gradient from the pole “0” are sequentially summed over a closed loop with a summing step equal to the step of measuring the gradient. As a result, two cardioids are obtained, which are characterized in arbitrary units of the frequency difference, the errors of which are not lower than the errors in determining the discrete values of the gradient. From the obtained cardioids in the forward and reverse direction of rotation, the average discrete values characterizing the points of the measured cardioid 18 are calculated.

Каждое направление φ кардиоиды 18, включая результирующий вектор g_z, охарактеризовано двумя разнонаправленными радиус-векторами (g_φ+а_ц)+(g_φ-а_ц), лежащими на одной прямой с общим полюсом «0», суммарное значение модулей которых равно 2g_z=2а_ц=g_z+а_ц, куда входят и аномальные приращения Δg_φ. На фиг. 5 приведен график ½ кардиоиды 18 с годографом 33 в масштабе 2:1 с заштрихованными аномальными интервалами, обозначенными как фрагменты 34 и 35. За единицу относительного масштаба принят масштаб на фиг. 3. В нижней части кардиоиды 18 аномальный интервал а-b выделен в виде фрагмента 34 и сформирован суммой модулей радиус- векторов g_φ+а_ц+Δg_φ,. На фиг. 6 фрагмент 34 приведен в масштабе 5:1. В верхней части кардиоиды аномальный интервал a₁-b₁ охарактеризован разностью g_φ-а_ц-Δg_φ, которая формирует «мнимый» аномальный интервал, обозначенный как фрагмент 35. Аномальный интервал a₁-b₁ зеркально перевернут в полюсе «0» относительно интервала а-b на фрагменте 34, где полюс играет роль фокуса, переворачивающего изображение. Если не учитывать влияния вертикального градиента, измеренные значения Δg_φ в верхнем и нижнем интервалах равны и имеют один и тот же знак. Например, график градиента 19, приведенный на фиг. 4 с аномальными интервалами а-b и a₁-b₁, охарактеризован одинаковыми значениями Δg_φ. Поскольку аномальными интервалами а-b и a₁-b₁ характеризуют одну и ту же неоднородность, объединяют их значения. Объединение выполняют посредством проецирования аномальных приращений радиус-векторов Δg_φ, на нормальный годограф и их суммирования. В результате получают аномальный интервал А-В на годографе 33, охарактеризованный значениями ±2Δg_φ, приведенный на фиг. 8. Описанный прием увеличивает рельефность аномального интервала и, соответственно, повышает качество измерений. Границы локального аномального интервала r на годографе g_φ лежат в пределах сектора с вершиной в центре вращения градиент-датчика. Аномальный интервал на годографе характеризуют центральным углом и осью аномального интервала. Графическая невыразительность аномального интервала a₁-b₁ на фрагменте 35, связана с диапазоном измеряемых модулей радиус-векторов g_φ-а_ц, которые по мере приближения к полюсу стремятся к нулевым величинам. При этом точность дискретных значений интервала a₁-b₁, соответствует точности определения значений в нижней части траектории (интервал а-b), что наглядно демонстрируют графики 19 и 21 градиента кардиоиды на фиг. 4. Наряду с этим, времена между значениями точек кардиоиды (при ω=const) равны. Аномальные приращения, связанные с влиянием планет, имеют отрицательные приращения -Δg_φ. Тот же эффект получают от плотностной неоднородности с меньшей плотностью ρ относительно плотности вмещающих пород. Аномальный интервал а-b и a₁-b₁ характеризуют осью 36 аномального интервала с углом φ и центральным углом. На фиг. 5 - угол φ=26°, и центральный угол - 29°.Each direction φ cardioid 18, including a resultant vector g _z, characterized by two multi-directional radius-vectors (g _φ + a _n) + (g _φ s _q) lying on the same line with a common pole "0", the total value of which is equal moduli 2g _z = 2a _c = g _z + a _c , which also includes abnormal increments Δg _φ . In FIG. 5 is a graph of ½ cardioid 18 with a hodograph 33 in a 2: 1 scale with hatched anomalous intervals, designated as fragments 34 and 35. The scale in FIG. 3. In the lower part of cardioid 18, the abnormal interval a-b is highlighted in the form of fragment 34 and is formed by the sum of the moduli of radius vectors g _φ + a _c + Δg _φ ,. In FIG. 6, fragment 34 is shown on a 5: 1 scale. In the upper part of the cardioid, the anomalous interval a ₁ -b _{1 is} characterized by the difference g _φ -a _c -Δg _φ , which forms the "imaginary" anomalous interval, designated as fragment 35. The anomalous interval a ₁ -b _{1 is} mirrored in the "0" pole relative to interval a-b on fragment 34, where the pole plays the role of a focus that flips the image. If you do not take into account the effects of the vertical gradient, the measured values of Δg _φ in the upper and lower intervals are equal and have the same sign. For example, the graph of gradient 19 shown in FIG. 4 with abnormal intervals a-b and a ₁ -b ₁ , characterized by the same values of Δg _φ . Since the abnormal intervals a-b and a ₁ -b ₁ characterize the same heterogeneity, their values are combined. The combination is performed by projecting the anomalous increments of the radius vectors Δg _φ onto the normal hodograph and summing them. As a result, an abnormal interval AB is obtained on the hodograph 33, characterized by the values ± 2Δg _φ shown in FIG. 8. The described technique increases the relief of the anomalous interval and, accordingly, improves the quality of measurements. The boundaries of the local anomalous interval r on the hodograph g _φ lie within the sector with a vertex in the center of rotation of the gradient sensor. The abnormal interval on the hodograph is characterized by the central angle and axis of the abnormal interval. The graphic inexpressiveness of the anomalous interval a ₁ -b ₁ on fragment 35 is related to the range of measured moduli of radius vectors g _φ -а _ц , which tend to zero values as they approach the pole. Moreover, the accuracy of the discrete values of the interval a ₁ -b ₁ corresponds to the accuracy of determining the values in the lower part of the trajectory (interval a-b), which graphs 19 and 21 of the cardioid gradient in FIG. 4. Along with this, the times between the values of the cardioid points (at ω = const) are equal. The abnormal increments associated with the influence of the planets have negative increments of -Δg _φ . The same effect is obtained from density heterogeneity with a lower density ρ relative to the density of the host rocks. The abnormal interval a-b and a ₁ -b ₁ characterize the axis 36 of the anomalous interval with an angle φ and a central angle. In FIG. 5 - angle φ = 26 °, and the central angle - 29 °.

Определяют цену условной единицы измерения «к», выражающую зависимость единицы ускорения свободного падения g_z от условной единицы, например, наногал/усл. ед.. Цену условной единицы k вычисляют посредством деления среднего значения ускорения свободного падения g_z на среднее значение разности частоты Δf, которыми охарактеризован результирующий вектор g_z в процессе измерений. Используют цену условной единицы k и пересчитывают значения модулей аномальных приращений ±Δg_φ 3D-годографа g_φ, модуль результирующего вектора аномалии r_р и его проекции на уровенную плоскость ХОУ и ось Z в дольные единицы ускорения свободного падении, например, наногал (нГал). При пересчете используют результаты измерений, полученные при градуировке устройства в уровенной плоскости, в частности, характеристику линейности градуировочного графика измерительных каналов от угловой скорости вращения датчиков.Determine the price of the conventional unit of measurement "k", expressing the dependence of the unit of acceleration of gravity g _z from a conventional unit, for example, nanogal / srvc. units. The price of a conventional unit k is calculated by dividing the average value of the acceleration of gravity g _z by the average value of the frequency difference Δf, which characterizes the resulting vector g _z during the measurement process. Use the price of a conventional unit k and recalculate the absolute values of the anomalous increments ± Δg _{φ of the} 3D hodograph g _φ , the modulus of the resulting anomaly vector r _p and its projection onto the level plane of the CLE and the Z axis into fractional units of acceleration of free fall, for example, nanogal (nGal). When recounting, the measurement results obtained by calibrating the device in a level plane are used, in particular, the linearity characteristic of the calibration graph of the measuring channels versus the angular velocity of rotation of the sensors.

Определяют центр масс неоднородности в недрах Земли на фиг. 9 посредством определения координат точки 41 пересечения осевых линий 40 с результирующими векторами аномалий r_р с нескольких пикетов наблюдения. Например, пункты наблюдения ПК-1 и ПК-2 на фиг. 9 расположены с разных сторон относительно центра масс неоднородности в земных недрах 42. Аналогично определяют геометрические контуры плотностной неоднородности 42. Контуры области неоднородности 42 в недрах земли отображают на карте и разрезах с геологической информацией.The center of mass of the heterogeneity in the bowels of the Earth is determined in FIG. 9 by determining the coordinates of the point 41 of intersection of the axial lines 40 with the resultant anomaly vectors r _p from several observation points. For example, observation points PC-1 and PC-2 in FIG. 9 are located on different sides relative to the center of mass of the heterogeneity in the bowels of the earth 42. The geometric contours of the density inhomogeneity 42 are similarly determined. The contours of the heterogeneity region 42 in the bowels of the earth are displayed on a map and sections with geological information.

На фиг. 10 и фиг. 11 приведены потенциальные характеристики поля в виде графически построенных моделей. Как было описано выше, по серии кардиоид 18 в разных плоскостях вращения с общим вектором g_z получают 3D-кардиоиду g_φ 37 на фиг. 10. 3D-кардиоида 37 характеризует потенциальную поверхность напряженности поля на пикете наблюдения в условиях измерений с использованием меры сравнения - центростремительного ускорения а_ц. Вычитают из 3D-годографа значения меры сравнения а_ц и получают 3D-годограф g_φ на фиг. 11 с аномальной областью 39, которая характеризует потенциальную поверхность напряженности поля в виде сферы 38 на пикете наблюдения с общим радиус-вектором g_z. По аномальным интервалам, лежащим в пределах аномальной области 39, определяют результирующий вектор аномальной области r_р (_р - результирующий), вертикальную r_z и горизонтальную r_x составляющие - показано на фиг. 9. Пространственное положение результирующего вектора r_p, лежащего на оси аномальной области 40, характеризуют в сферических координатах (r, Θ, φ) на фиг. 8.In FIG. 10 and FIG. 11 shows potential field characteristics in the form of graphically constructed models. As described above, a series of cardioid 18 in different planes of revolution with a common vector g _z gives a 3D cardioid g _φ 37 in FIG. 10. 3D-cardioid 37 characterizes the potential surface field strength at the picket observation measurement conditions using a comparative measure - centripetal acceleration a _q. The values of the comparison measure a _c are subtracted from the 3D hodograph and the 3D hodograph g _{φ is} obtained in FIG. 11 with an anomalous region 39, which characterizes the potential surface of the field strength in the form of a sphere 38 at the observation station with a common radius vector g _z . From the anomalous intervals lying within the anomalous region 39, the resulting vector of the anomalous region r _p ( _p is the resulting), the vertical r _z and the horizontal r _x components are determined - shown in FIG. 9. The spatial position of the resulting vector r _p lying on the axis of the anomalous region 40 is characterized in spherical coordinates (r, Θ, φ) in FIG. 8.

Claims (14)

1. Способ дистанционного гравиметрического зондирования для определения пространственного положения плотностной неоднородности в недрах земли посредством дополнения значения модуля ускорения свободного падения g_z постоянным значением центростремительного ускорения а_ц - мерой сравнения, регистрации угловой скорости ω в интервале времени, в котором модули радиус-векторов g_z и а_ц в верхней точке траектории равномерного вращения пробной массы равны и разнонаправлены, вычисления значения ускорения свободного падения g_z= ω²R и определения значений составляющих g_z по направлениям в виде радиус-векторов g_φ =g_zcosφ ±а_ц посредством измерения мгновенного значения электрического сигнала потенциал-датчика в условных единицах, получения потенциальной характеристики напряженности гравитационного поля на пикете наблюдения в плоскости вращения в виде полярного графика 360° - кардиоиды, и серии кардиоид по разным азимутам ориентации плоскости вращения с общим вектором g_z, после вычитания значений меры сравнения а_ц, характеризуют наблюденный 3D-годограф g_φ - сферу, по результатам сопоставления которой со значениями «нормального годографа», рассчитанными по формуле g_φ=g_zcosφ, выявления аномальной области на 3D-годографе g_φ, охарактеризованной аномальными отклонениями ±Δg_φ , отличающийся тем, что измеряют градиент кардиоиды по траектории вращения градиент-датчика.1. A method of remote gravimetric sounding to determine the spatial position of the density heterogeneity in the bowels of the earth by supplementing the value of the free fall acceleration modulus g _{z with a} constant value of centripetal acceleration and _c - a measure of comparison, recording the angular velocity ω in a time interval in which the radius vectors g _z and _q and the top point of the trajectory of rotation of the proof mass are equal and uniform in different directions, calculating the value of the gravitational acceleration g _z = ω ² and R definition Ia component values g _z in directions of radius vectors g _φ = g _z cosφ ± and _q by measuring the instantaneous value of the electrical signal potential sensor in arbitrary units, obtaining potential characteristics gravitational field strength at the picket observation plane of rotation in a polar graph 360 ° - cardioids, and a series of cardioids in different azimuths of the orientation of the rotation plane with the common vector g _z , after subtracting the values of the comparison measure a _C , characterize the observed 3D hodograph g _φ - sphere, according to the results comparing it with the values of the "normal hodograph" calculated by the formula g _φ = g _z cosφ, revealing the anomalous region on the 3D hodograph g _φ , characterized by anomalous deviations ± Δg _φ , characterized in that the cardioid gradient is measured along the rotation path of the gradient sensor. 2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что кардиоиду характеризуют в условных единицах разности частоты Δf_1-2=f₁-f₂ между двумя потенциал-датчиками, формирующими градиент-датчик с выходными частотными сигналами f₁ и f₂, при этом за точку регистрации мгновенного значения градиента на траектории вращения принимают координаты точки, равноудаленной от центров масс градиент-датчика.2. The method according to p. 1, characterized in that the cardioid is characterized in arbitrary units of the frequency difference Δf _1-2 = f ₁ -f ₂ between two potential sensors forming a gradient sensor with output frequency signals f ₁ and f ₂ , when this, the coordinates of a point equidistant from the centers of mass of the gradient sensor are taken as the registration point of the instantaneous gradient value on the rotation path. 3. Способ по п. 2, отличающийся тем, что разность частоты Δf_1-2 измеряют посредством частотного компаратора, при этом частоту компаратора синхронизируют стандартным сигналом спутниковых радионавигационных систем ГЛОНАСС/GPS.3. The method according to p. 2, characterized in that the frequency difference Δf _{1-2 is} measured by means of a frequency comparator, while the frequency of the comparator is synchronized with the standard signal of the GLONASS / GPS satellite navigation systems. 4. Способ по п. 2, отличающийся тем, что график градиента характеризуют дискретными значениями разности частоты в точках кардиоиды, равномерно распределенными по траектории вращения, при этом дискретные значения точек графика градиента характеризуют средними дискретными значениями разности частоты, которые вычисляют в пределах установленного интервала усреднения.4. The method according to p. 2, characterized in that the gradient graph is characterized by discrete values of the frequency difference at the cardioid points evenly distributed along the rotation path, while the discrete values of the points of the gradient graph are characterized by the average discrete values of the frequency difference, which are calculated within the established averaging interval . 5. Способ по п. 1, отличающийся тем, детальность графика градиента кардиоиды увеличивают, уменьшая размеры интервала усреднения и увеличивая количество дискретных значений на траектории вращения градиент-датчика.5. The method according to p. 1, characterized in that the detail of the graph of the cardioid gradient is increased, reducing the size of the averaging interval and increasing the number of discrete values on the rotation path of the gradient sensor. 6. Способ по п. 1, отличающийся тем, что рассчитывают две кардиоиды, отдельно по каждому направлению вращения градиент-датчика, с началом вычисления от полюса кардиоиды «0» - последовательно суммируют дискретные значения градиента по каждому направлению вращения по замкнутому контуру (0-360°) с шагом суммирования, равным шагу измерения градиента, и вычисляют средние дискретные значения точек кардиоиды.6. The method according to p. 1, characterized in that two cardioids are calculated separately for each direction of rotation of the gradient sensor, with the beginning of the calculation from the pole of the cardioid "0", discrete values of the gradient are sequentially summed in each direction of rotation in a closed loop (0- 360 °) with a summing step equal to the step of measuring the gradient, and the discrete mean values of the cardioid points are calculated. 7. Способ по п. 1, отличающийся тем, что определяют границы аномального интервала, «видимые» из точки наблюдения, расположенной в центре вращения пробных масс датчиков - секторе, в котором лежит аномальный интервал на годографе, и сектор характеризуют центральным углом и результирующим вектором аномального интервала r, лежащим на оси сектора.7. The method according to claim 1, characterized in that the boundaries of the anomalous interval are determined that are “visible” from the observation point located in the center of rotation of the probe masses of the sensors — the sector in which the anomalous interval lies on the hodograph, and the sector is characterized by a central angle and the resulting vector an abnormal interval r lying on the axis of the sector. 8. Способ по п. 1, отличающийся тем, что детализируют выявленную аномальную область на 3D-годографе g_φ, уточняют границы аномалии, направление и значение модуля результирующего вектора r_p аномальной области посредством дополнительных измерений в пределах ее границ, при этом пространственное положение результирующего вектора r_p аномальной области на 3D-годографе g_φ характеризуют в сферических координатах (r, Θ, φ) с началом координат в центре вращения пробных масс градиент-датчика: углом Θ (между плоскостью с осью Z и вектором r_p и меридианом точки наблюдения в северном направлении) и углом g_φ (между результирующим вектором r_p и осью Z).8. The method according to p. 1, characterized in that they detail the identified anomalous region on the 3D hodograph g _φ , specify the boundaries of the anomaly, the direction and value of the modulus of the resulting vector r _{p of the} anomalous region through additional measurements within its boundaries, while the spatial position of the resulting the vectors r _{p of the} anomalous region on the 3D hodograph g _{φ are} characterized in spherical coordinates (r, Θ, φ) with the origin at the center of rotation of the probe masses of the gradient sensor: the angle Θ (between the plane with the Z axis and the vector r _p and the meridian observation points in the north) and the angle g _φ (between the resulting vector r _p and the Z axis). 9. Способ по п.1, отличающийся тем, что объединяют аномальные интервалы кардиоиды, определенные в нижней и верхней частях траектории вращения градиент-датчика, посредством проецирования аномальных приращений ±Δg_φ на нормальный 3D-годограф g_φ по соответствующим радиус-векторам, лежащим на одной прямой с полюсом «0», и суммируют модули упомянутых аномальных приращений.9. The method according to claim 1, characterized in that the abnormal intervals of the cardioids defined in the lower and upper parts of the rotation path of the gradient sensor are combined by projecting the abnormal increments ± Δg _φ onto a normal 3D hodograph g _φ according to the corresponding radius vectors lying on one straight line with the pole "0", and the modules of the above-mentioned anomalous increments are summed. 10. Способ по п. 1, отличающийся тем, что определяют цену условной единицы измерения «k» между средним значением ускорения свободного падения g_z в дольных единицах (наногал) и средним дискретным значением разности частоты Δf_1-2, которыми охарактеризован результирующий вектор g_z, - вычисляют частное от деления значения g_z, определенное в единицах ускорения свободного падения, на значение g_z в условных единицах разности частоты Δf_1-2.10. The method according to p. 1, characterized in that they determine the price of a conventional unit of measurement "k" between the average value of the acceleration of gravity g _z in fractional units (nanogal) and the average discrete value of the frequency difference Δf _1-2 , which characterizes the resulting vector g _z , - calculate the quotient of dividing the value of g _z , determined in units of acceleration of gravity, by the value of g _z in arbitrary units of the frequency difference Δf _1-2 . 11. Способ по п. 1, отличающийся тем, что пересчитывают значения модулей аномальных приращений ±Δg_φ 3D-годографа g_φ, измеренные в условных единицах, в дольные единицы ускорения свободного падения (наногал) посредством умножения модулей аномальных приращений ±Δg_φ, модуля результирующего вектора r_p аномальной области и его проекции на уровенную плоскость ХOY - r_x и ось Z - r_z на коэффициент k.11. The method according to claim 1, characterized in that the values of the modules of the anomalous increments ± Δg _{φ of the} 3D hodograph g _φ , measured in arbitrary units, are converted into fractional units of the acceleration of gravity (nanogal) by multiplying the modules of the anomalous increments ± Δg _φ , of the module the resulting vector r _{p of the} anomalous region and its projection onto the level plane XOY - r _x and the axis Z - r _z on the coefficient k. 12. Способ по п. 1, отличающийся тем, что определяют положение центра масс неоднородности в недрах посредством определения координат точки пересечения осей аномальных областей 3D-годографа с результирующими векторами r_p, определенными на нескольких пунктах наблюдения, расположенных с разных сторон и на разных расстояниях относительно центра масс неоднородности.12. The method according to p. 1, characterized in that they determine the position of the center of mass of the heterogeneity in the bowels by determining the coordinates of the point of intersection of the axes of the anomalous areas of the 3D hodograph with the resulting vectors r _p defined at several observation points located on different sides and at different distances relative to the center of mass of the heterogeneity. 13. Способ по п. 1, отличающийся тем, что определяют геометрические параметры плотностной неоднородности посредством проецирования границ аномальных областей 3D-годографа g_φ , ограниченных секторами с вершинами, расположенными в центре вращения пробных масс градиент-датчика, определенных на нескольких пунктах наблюдения, по направлению центра масс, и получают пространственный контур области неоднородности в недрах земли, который отображают на карте и разрезах с геологической информацией.13. The method according to p. 1, characterized in that the geometric parameters of the density heterogeneity are determined by projecting the boundaries of the anomalous regions of the 3D hodograph g _φ limited by sectors with vertices located in the center of rotation of the probe masses of the gradient sensor, determined at several observation points, according to direction of the center of mass, and get the spatial contour of the heterogeneity region in the bowels of the earth, which is displayed on a map and sections with geological information. 14. Устройство для осуществления способа дистанционного гравиметрического зондирования, содержащее потенциальный и ноль-индикаторный датчики, установленные на диске в координатном устройстве с возможностью вращения диска, при этом координатное устройство обеспечивает вращение диска в плоскостях, ориентированных по разным азимутам, с общей координатной осью Z, с постоянной угловой скоростью ω, постоянным радиусом вращения датчиков в прямом и обратном направлении, оснащенное прецизионным секундомером, компаратором, усилителем, компьютером, системой управления производством измерений, системой терморегуляции, отличающееся тем, что устройство оснащают дополнительным потенциал-датчиком, формирующим совместно с существующим потенциал-датчиком градиент-датчик, который характеризуют постоянным расстоянием L между центрами масс потенциал-датчиков, и измерительная установка имеет не менее двух градиент -датчиков с разными значениями L. 14. A device for implementing the method of remote gravimetric sensing, containing potential and zero indicator sensors mounted on the disk in a coordinate device with the ability to rotate the disk, while the coordinate device provides rotation of the disk in planes oriented in different azimuths with a common coordinate axis Z, with a constant angular velocity ω, a constant radius of rotation of the sensors in the forward and reverse direction, equipped with a precision stopwatch, comparator, amplifier, computer eryom, measurement control system, thermoregulation system, characterized in that the device is equipped with an additional potential sensor, which forms, together with the existing potential sensor, a gradient sensor, which is characterized by a constant distance L between the centers of mass of the potential sensors, and the measuring unit has at least two gradient sensors with different L.

Images