RU2581076C2 - Method and device for remote gravimetric probing - Google Patents
Method and device for remote gravimetric probing Download PDFInfo
- Publication number
- RU2581076C2 RU2581076C2 RU2014133691/28A RU2014133691A RU2581076C2 RU 2581076 C2 RU2581076 C2 RU 2581076C2 RU 2014133691/28 A RU2014133691/28 A RU 2014133691/28A RU 2014133691 A RU2014133691 A RU 2014133691A RU 2581076 C2 RU2581076 C2 RU 2581076C2
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- rotation
- gradient
- anomalous
- hodograph
- values
- Prior art date
Links
Images
Classifications
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01V—GEOPHYSICS; GRAVITATIONAL MEASUREMENTS; DETECTING MASSES OR OBJECTS; TAGS
- G01V7/00—Measuring gravitational fields or waves; Gravimetric prospecting or detecting
Landscapes
- Physics & Mathematics (AREA)
- Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
- General Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
- General Physics & Mathematics (AREA)
- Geophysics (AREA)
- Measurement Of The Respiration, Hearing Ability, Form, And Blood Characteristics Of Living Organisms (AREA)
- Testing Or Calibration Of Command Recording Devices (AREA)
Abstract
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 ±Δgz, 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 gz и его составляющих по направлениям gφ 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 gz дополняют мерой сравнения - значением центростремительного ускорения ац и регистрируют угловую скорость вращения ω в интервале времени, в котором модули радиус-векторов gz и ац 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 gz=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 gφ в виде мгновенных значений сигнала гравиметрического датчика (далее потенциал-датчика), преобразующего силу, действующую на пробную массу датчика m(gφ±ац), 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 gφ. Серия кардиоид по разным азимутам ориентации плоскости вращения с общим вектором gz, после вычитания значения меры сравнения ац, характеризует 3D-годограф gφ - сферу, отображающую распределение гравитационного потенциала на пункте наблюдения, расположенном на земной поверхности. Сопоставляя наблюденный 3D-годограф gφ с «нормальным 3D-годографом gφ», представляющим правильную сферу, выявляют аномальные отклонения ±Δgφ. Нормальный 3D-годограф gφ в любой плоскости вращения с вектором gz - полярный график 0-180°, рассчитанный по формуле gφ=gzcosφ, 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 gφ 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 gz, его составляющих по направления gφ 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 gz 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 gz и ац в верхней точке траектории вращения пробной массы датчика равны между собой, разнонаправлены и пробная масса находится в невесомости. При этих условиях центростремительное ускорение ац компенсирует ускорение свободного падения gz в одной верхней точке траектории. По угловой скорости вычисляют значение ускорения свободного падения gz=ац=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 gφ 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 (gφ, θ, φ) с началом координат в центре вращения градиент-датчика. Где: gφ - модуль вектора ускорения свободного падения gz по направлению φ, определенный в условных единицах разности частоты: φ - зенитный угол; θ - азимутальный угол плоскости вращения с векторами gφ и gz. Ось X направлена по меридиану точки наблюдения в северном направлении. При этом сила F=m(gφ±ац), 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 gz 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 ац и получают измеренный годограф gφ по направлениям. Сопоставляя измеренный годограф gφ с «нормальным годографом», рассчитанным по gφ=gzcosφ, выявляют аномальные интервалы годографа ±Δgφ. Положительными значениями +Δgφ характеризуют аномальные интервалы с избыточной плотностью неоднородности. Отрицательными значениями -Δgφ - аномалии с меньшей плотностью неоднородности относительно вмещающих пород и аномалии, вызванные влиянием планет. Границы локального аномального интервала на годографе gφ 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 gφ+ац в нижней части траектории вращения градиент-датчика, и как разность gφ-ац 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 gφ и суммирования их модулей. Это увеличивает рельефность аномалии и, соответственно, повышает качество измерений. По серии годографов с аномальными интервалами определяют результирующий вектор аномальной области rр на 3D-годографе gφ. Пространственное положение результирующего вектора rр аномальной области на 3D-годографе gφ 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 gz, например, наногал, и средним значением условной единицы разности частоты Δf1-2, которыми охарактеризован результирующий вектор gz. Для этого вычисляют частное от деления значения gz в наногалах на значение gz в условных единицах. По коэффициенту пропорциональности к пересчитывают значения модулей аномальных приращений ±Δgφ, модуля результирующего вектора аномалии rр 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 rp, 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 gφ 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 gφ от одной точки наблюдения к другой, изменение пространственного положения результирующего вектора rр 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 gφ. 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 gz на земной поверхности. При этом центр тяжести спутника постоянно находится в невесомости под действием центробежного ускорения, компенсирующего ускорение свободного падения gz. По физической сущности центробежное ускорение ац является мерой сравнения, которую рассчитывают по формуле ац=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 ±Δgz, представленную разностью между измеренными значениями gz 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 gz и его составляющих по направлениям gφ на пикете наблюдения, расположенном на поверхности земли. Способ заключается в том, что значение ускорения gz дополняют мерой сравнения - значением центростремительного ускорения ац (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 gz и ац в верхней точке траектории равномерного вращения пробной массы равны и разнонаправлены. По угловой скорости вычисляют значение центростремительного ускорения (меру сравнения) по формуле: ац=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: ац=gz=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 gφ=gzcosφ±ац выполняют посредством измерения результирующих векторов gφ±ац в плоскости вращения. Измерения выполняют посредством преобразования силы m(gφ±ац), 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 gz=ац. При этом каждое направление φ кардиоиды характеризуют двумя значениями точек кардиоиды gφ±ац. Серия кардиоид, определенная по разным плоскостям вращения, с общим вектором gz характеризует 3D-кардиоид. Вычитают из 3D-кардиоида gφ значение модуля центростремительного ускорения ац (меру сравнения), и получают наблюденную 3D-годограф gφ сферу, охарактеризованную результирующим радиус-вектором gz и радиус-векторами по направлениям gφ. В результате сравнения 3D-годографа с нормальным годографом gφ, рассчитанным по формуле gφ=gzcosφ, выявляют аномальные отклонения ±Δgφ. 3D-годограф и 3D-кардиоида имеют общие полюс «0» и ось симметрии gz, 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
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
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 ац;- 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 gz и его составляющих gφ.In FIG. 1 is a schematic illustration of a
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 gφ 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 gφ±ац. 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.
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
На фиг. 5 приведена
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
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 2Δgφ, 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 gφ с 3D-годографом. 3D-кардиоида - потенциальная поверхность, представленная значениями радиус-векторов gφ±ац.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 gφ с аномальной областью, охарактеризованной результирующим вектором rp. 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(gφ±ац), 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
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 fo 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 Δfω, где Δfω - 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 - fo. 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 2ац. При этом частоту компаратора fk 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 2ац, 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
Диск 4 фиг. 1 устанавливают в плоскость с линией отвеса и приводят во вращение. Определяют потенциальную характеристику гравитационного поля в составе ускорения свободного падения gz и его составляющих по направлениям gφ в плоскости вращения диска 4. Измерения gz и gφ 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 (gφ, 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.
При определении gz 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 gz=ω2R см·с-2, где R см = const - радиус вращения ноль-индикаторного датчика. За единицу ускорения свободного падения gz 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 gz на полюсе, где значение gz=983200 мГал, Т составит 0,898515221 с (вычислено по формуле: Т=2π/ω=2π/√gz/R). На экваторе gz равно 978000 мГал, Т=0,896136014 с. Таким образом, диапазон времени при измерениях на поверхности Земли, составляет 2379207 нс (898515221-896136014). Диапазон значений gz на поверхности Земли составляет 983200-978000=5200 мГал. Разделив диапазон gz на диапазон измеряемого времени полного оборота Т, определяют точность выполняемых измерений. Например, измерение времени с точностью 1 нс (1·10-9 с) обеспечивает измерение gz 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 gz и его составляющих по направлениям gφ с требуемой точностью. В значение gz вводят поправки и определяют погрешности измерений. Определение результирующего вектора gz выполняют относительно опорных гравиметрических пунктов с известными значениями gz, 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
Одновременно с определением gz измеряют градиент кардиоиды 18 (фиг. 3 и фиг. 5) по траектории вращения градиент-датчика в условных единицах разности частоты Δf1,2=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
- 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
- точки графика 0 и 12 лежат на линии отвеса с результирующим вектором gz. Градиент в точках 0 и 12 (φ=0 и 180°) равен 0 и не определяется;- points of the
- точки 6 и 18 охарактеризованы максимальным значением градиента, являются точками перегиба графика градиента, принадлежат уровенной поверхности, и охарактеризованы значениями центростремительного ускорения ац.- 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 gφ=gzcosφ±ац (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 ац=gz кардиоиды, и вектором gz годографа 33 - точка годографа 121. Программа компьютерной обработки материалов измерений содержит алгоритм палетки.Graphs of
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 gφ±ац. 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
Каждое направление φ кардиоиды 18, включая результирующий вектор gz, охарактеризовано двумя разнонаправленными радиус-векторами (gφ+ац)+(gφ-ац), лежащими на одной прямой с общим полюсом «0», суммарное значение модулей которых равно 2gz=2ац=gz+ац, куда входят и аномальные приращения Δgφ. 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 gφ+ац+Δgφ,. На фиг. 6 фрагмент 34 приведен в масштабе 5:1. В верхней части кардиоиды аномальный интервал a1-b1 охарактеризован разностью gφ-ац-Δgφ, 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 Δgφ 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 Δgφ. 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 Δgφ, на нормальный годограф и их суммирования. В результате получают аномальный интервал А-В на годографе 33, охарактеризованный значениями ±2Δgφ, приведенный на фиг. 8. Описанный прием увеличивает рельефность аномального интервала и, соответственно, повышает качество измерений. Границы локального аномального интервала r на годографе gφ 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 gφ-ац, 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 -Δgφ. 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
Определяют цену условной единицы измерения «к», выражающую зависимость единицы ускорения свободного падения gz от условной единицы, например, наногал/усл. ед.. Цену условной единицы k вычисляют посредством деления среднего значения ускорения свободного падения gz на среднее значение разности частоты Δf, которыми охарактеризован результирующий вектор gz в процессе измерений. Используют цену условной единицы k и пересчитывают значения модулей аномальных приращений ±Δgφ 3D-годографа gφ, модуль результирующего вектора аномалии rр 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 rр 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
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 gz получают 3D-кардиоиду gφ 37 на фиг. 10. 3D-кардиоида 37 характеризует потенциальную поверхность напряженности поля на пикете наблюдения в условиях измерений с использованием меры сравнения - центростремительного ускорения ац. Вычитают из 3D-годографа значения меры сравнения ац и получают 3D-годограф gφ на фиг. 11 с аномальной областью 39, которая характеризует потенциальную поверхность напряженности поля в виде сферы 38 на пикете наблюдения с общим радиус-вектором gz. По аномальным интервалам, лежащим в пределах аномальной области 39, определяют результирующий вектор аномальной области rр (р - результирующий), вертикальную rz и горизонтальную rx составляющие - показано на фиг. 9. Пространственное положение результирующего вектора rp, 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
Claims (14)
Priority Applications (2)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2014133691/28A RU2581076C2 (en) | 2014-08-18 | 2014-08-18 | Method and device for remote gravimetric probing |
PCT/RU2014/000954 WO2016028189A1 (en) | 2014-08-18 | 2014-12-17 | Method and apparatus for remote gravimetric sounding |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2014133691/28A RU2581076C2 (en) | 2014-08-18 | 2014-08-18 | Method and device for remote gravimetric probing |
Publications (2)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
RU2014133691A RU2014133691A (en) | 2016-03-10 |
RU2581076C2 true RU2581076C2 (en) | 2016-04-10 |
Family
ID=55351027
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
RU2014133691/28A RU2581076C2 (en) | 2014-08-18 | 2014-08-18 | Method and device for remote gravimetric probing |
Country Status (2)
Country | Link |
---|---|
RU (1) | RU2581076C2 (en) |
WO (1) | WO2016028189A1 (en) |
Families Citing this family (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
CN114966877B (en) * | 2022-05-12 | 2024-05-14 | 中国人民解放军海军工程大学 | Gravity vector field construction method, gravity vector field construction system, gravity vector field construction medium, gravity vector field construction equipment and terminal |
Citations (5)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
WO1989011666A1 (en) * | 1988-05-17 | 1989-11-30 | Sundstrand Data Control, Inc. | Apparatus and method for leveling a gravity measurement device |
US6658935B1 (en) * | 2001-03-07 | 2003-12-09 | Lockheed Martin Corporation | Complemented absolute/relative full-tensor gravity gradiometer system |
RU89723U1 (en) * | 2009-05-28 | 2009-12-10 | Марина Анатольевна Касаточкина | MOBILE ABSOLUTE GRAVIMETER FOR GEOLOGICAL EXPLORATION, GEOPHYSICAL RESEARCHES AND OPERATIONAL IDENTIFICATION OF EARTHQUAKES OF EARTHQUAKES (OPTIONS) |
GB2482085A (en) * | 2007-08-02 | 2012-01-18 | Arkex Ltd | Generating a plot which represents locations of changes in the underlying geology of a region based on gravity gradient survey data |
WO2013077771A1 (en) * | 2011-11-23 | 2013-05-30 | Petrenko Gennady Alexeevich | Method and device for measuring the acceleration of free fall |
-
2014
- 2014-08-18 RU RU2014133691/28A patent/RU2581076C2/en not_active IP Right Cessation
- 2014-12-17 WO PCT/RU2014/000954 patent/WO2016028189A1/en active Application Filing
Patent Citations (6)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
WO1989011666A1 (en) * | 1988-05-17 | 1989-11-30 | Sundstrand Data Control, Inc. | Apparatus and method for leveling a gravity measurement device |
US6658935B1 (en) * | 2001-03-07 | 2003-12-09 | Lockheed Martin Corporation | Complemented absolute/relative full-tensor gravity gradiometer system |
GB2482085A (en) * | 2007-08-02 | 2012-01-18 | Arkex Ltd | Generating a plot which represents locations of changes in the underlying geology of a region based on gravity gradient survey data |
RU89723U1 (en) * | 2009-05-28 | 2009-12-10 | Марина Анатольевна Касаточкина | MOBILE ABSOLUTE GRAVIMETER FOR GEOLOGICAL EXPLORATION, GEOPHYSICAL RESEARCHES AND OPERATIONAL IDENTIFICATION OF EARTHQUAKES OF EARTHQUAKES (OPTIONS) |
WO2013077771A1 (en) * | 2011-11-23 | 2013-05-30 | Petrenko Gennady Alexeevich | Method and device for measuring the acceleration of free fall |
RU2504803C2 (en) * | 2011-11-23 | 2014-01-20 | Геннадий Алексеевич Петренко | Device and method for measurement of gravitational acceleration |
Also Published As
Publication number | Publication date |
---|---|
WO2016028189A1 (en) | 2016-02-25 |
RU2014133691A (en) | 2016-03-10 |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
CN104535062A (en) | Movable type location method based on magnetic gradient tensor and geomagnetic vector measurement | |
CN106768179B (en) | The measurement method of tidal level based on the station continuous operation GNSS signal-to-noise ratio data | |
CN107991691B (en) | Satellite navigation positioning accuracy verification equipment and method | |
Li et al. | GPS in the tailings dam deformation monitoring | |
WO2019245487A1 (en) | Operating method of a metal detector capable of measuring target depth | |
JP4498399B2 (en) | Positioning system and positioning method | |
RU2560094C2 (en) | Method of determining propagation speed and direction of arrival of ionospheric perturbation | |
RU2581076C2 (en) | Method and device for remote gravimetric probing | |
Karpik et al. | Operational experience of GNSS receivers with Chip Scale Atomic Clocks for baseline measurements | |
Xing et al. | A new and high-precision gravity base network in the south of the Tibetan Plateau | |
Emel’yantsev et al. | Improving the accuracy of GPS compass for small-sized objects | |
Klapa et al. | Study into point cloud geometric rigidity and accuracy of TLS-based identification of geometric bodies | |
US6819113B2 (en) | Precision grid survey apparatus and method for the mapping of hidden ferromagnetic structures | |
US20120323525A1 (en) | Longitude/latitude ten-dimension xyz digital-displaying spectrometer | |
RU2510500C1 (en) | Method and device for diagnostics of buried pipeline | |
JP5496077B2 (en) | Sound ray analyzer | |
RU138023U1 (en) | DEVICE FOR CALIBRATING A THREE-COMPONENT MAGNETOMETER | |
RU2504803C2 (en) | Device and method for measurement of gravitational acceleration | |
CN102132662A (en) | Improved method for making tropical cyclone wind zone | |
Wu et al. | Construction of a test field for relative gravimeters in a cave with a Cold Atom Gravimeter | |
Purohit et al. | Estimation and Visualization of 3D orbits of GPS satellites using GPS navigation data file and SP3 data file | |
CN116202570B (en) | Multi-frequency surface wave calibration method and device | |
Capponi | Very Improved KINematic Gravimetry: a new approach to aerogravimetry | |
RU2538424C2 (en) | Gravitational-magnetic-seismic system (versions) | |
Artese et al. | The integration of a new sensor and geomatic techniques for monitoring the Roman bridge S. Angelo on the Savuto river (Scigliano, Italy) |
Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
MM4A | The patent is invalid due to non-payment of fees |
Effective date: 20170819 |