DE2921788A1

DE2921788A1 - GRAVITY GRADIOMETERS AND METHODS OF DETERMINING GRAVITY GRADIENTS

Info

Publication number: DE2921788A1
Application number: DE19792921788
Authority: DE
Inventors: Theodore Varry Lautzenhiser
Original assignee: Standard Oil Co
Current assignee: Standard Oil Co
Priority date: 1978-05-30
Filing date: 1979-05-29
Publication date: 1979-12-06
Also published as: CA1115544A; IT1117191B; GB2022242B; GB2022242A; SE7904269L; NL7903809A; IT7949186A0; FR2427619B1; JPS54156686A; FR2427619A1

Description

Schwerkraftgradiometer und Verfahren zum Bestimmen von Schwerkraftgradienten Gravity Gradiometer and Method for Determining Gravity Gradients

Die Erfindung betrifft Schwerkraftgradiometer, insbesondere ein ein Laser-Kraftmessprinzip anwendendes Schwerkraftgradiometer. The invention relates to gravity gradiometers, in particular to a gravity gradiometer using a laser force measuring principle.

Der der Erfindung am nächsten kommende Stand der Technik entspricht der US-PS 3 786 681. Wie darin angegeben, kann eine kleine Kraft durch Anwendung eines Einglasers gemessen werden, indem ein spannungsoptisches Modulationselement durch die Kraft verdreht wird. Im Ringlaser werden die vielfältigen Zirkularpolarisationen des Laserstrahls durch Ausübung des Drehmoments auf das Modulatorelement in der Frequenz differentiell moduliert. Ein Teil des modulierten Strahls wird vom Raum zu einem Interferenzdetektor geleitet, der einen Ausgang liefert, der die vom Modulatorelement erzeugte Frequenzdifferenz angibt. Vie in dieser Patentschrift angegeben, ist das Ansprechen des Systems linear, wenn die InterferenzfrequenzThe state of the art which comes closest to the invention corresponds U.S. Patent 3,786,681. As indicated therein, a small force can be measured using a single laser, by an optical voltage modulation element through the Force is twisted. In the ring laser, the various circular polarizations of the laser beam are achieved by exercising the Torque differential on the modulator element in frequency modulated. Part of the modulated beam is directed from the room to an interference detector, which has an output that specifies the frequency difference generated by the modulator element. That is what is stated in this patent specification System response linearly when the interference frequency

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einmal hoch genug geworden ist, um Phasenverriegelungseffekte zu vermeiden.once it has gotten high enough to produce phase lock effects to avoid.

Vie in der genannten Patentschrift angegeben, kann dadurch ein Gravimeter hergestellt werden, dass lediglich eine Testmasse an dem am Modulatorelement befestigten Hebelarm gehalten wird. Es ist auch angegeben, dass diese Anordnung auch einen Beschleunigungsmesser ergibt, da jegliche Beschleunigungder Vorrichtung auf Grund der Beschleunigung der Testmasse eine Kraft ausübt. In Anwendungsfällen, wie der Schwerkraftmessung in Bohrlöchern, ist die Ausführung von Schwerkraftmessungen erwünscht, die von der Beschleunigung des Instruments selbst unbeeinflusst sind. Eine derartige Vorrichtung würde die Ausführung der Messung ermöglichen, während sich die Vorrichtung im Bohrloch in Bewegung befindet, was wiederum zur Überwachung des Bohrlochs einen geringeren Zeitaufwand ergibt. Bei den meisten Bohrlocharbeiten ist die zu messende Hauptgrösse die Schwerkraftdifferenz über einem kurzen bekannten Intervall, wobei die absolute Schwerkraftanzeige nicht bekannt sein muss.Vie indicated in the cited patent, can thereby a gravimeter can be produced that only holds a test mass on the lever arm attached to the modulator element will. It is also stated that this arrangement also provides an accelerometer as any acceleration of the Device exerts a force due to the acceleration of the test mass. In applications such as gravity measurement In boreholes, it is desirable to make gravity measurements as to the acceleration of the instrument themselves are unaffected. Such a device would allow the measurement to be performed while the device is on is in motion in the borehole, which in turn results in less time required to monitor the borehole. In most borehole operations, the main quantity to be measured is the difference in gravity over a short known one Interval, whereby the absolute gravity display does not have to be known.

Aufgabe der Erfindung ist die Schaffung eines verbesserten Schwerkraftgradiometers.The object of the invention is to create an improved gravity gradiometer.

Ein Schwerkraftgradiometer nach der Erfindung enthält: einen Laserraum, in dem ein Laserstrahl mit mehreren Zirkularpolarisationen erzeugt wird, zwei Modulatoren im Weg des Laserstrahls im Laserraum zum differentiellen Modulieren der Frequenz der verschiedenen Zirkularpolarisationen des Laserstrahls, und im Abstand angeordnete Massen, die so mit den Mödulatorelementen verbunden sind, dass die Schwerkraft in den Modulatorelementen ein zur Kraft proportionales Drehmoment erzeugt, so dass die Nettomodulation der Zirkularpolarisationen der Schwerkraftdifferenz an den Orten der beiden Massen entspricht. Bei einer bevorzugten Ausführungsform ist im Ringlaserraum ein Vorspannelement angeordnet, das den Betriebspunkt des Gradiometers in einem besseren Betriebsbereich verschiebt .A gravity gradiometer according to the invention includes: a laser room in which a laser beam with multiple circular polarizations is generated, two modulators in the path of the laser beam in the laser room for differential modulation of the frequency of the different circular polarizations of the laser beam, and spaced masses that are so with the Modulator elements are connected that the force of gravity in the modulator elements a torque proportional to the force generated so that the net modulation of the circular polarizations corresponds to the difference in gravity at the locations of the two masses. In a preferred embodiment it is in the ring laser room a biasing element is arranged which shifts the operating point of the gradiometer in a better operating range .

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Die Erfindung betrifft kurz zusammengefasst ein Schwerkraftgradiometer mit einem Ringraum, zwei Modulatorelementen-im Weg des Laserstrahls und im Abstand angeordnete Massen, die an den Modulatorelementen befestigt sind zur Lieferung einer Differenzmodulation der Zirkulationspolarisationen, die proportional der Schwerkraftdifferenz am Ort der beiden Massen ist. Bei einer Ausführungsform ist ein Yorspannelement hinzugefügt, das zur Verbesserung der Funktion den Betriebspunkt des Lasersystems verschiebt.Briefly summarized, the invention relates to a gravity gradiometer with an annulus, two modulator elements - in the path of the laser beam and spaced masses that attached to the modulator elements to provide differential modulation of the circulation polarizations that is proportional is the difference in gravity at the location of the two masses. In one embodiment, a tensioning element is added, which shifts the operating point of the laser system to improve the function.

Die Erfindung wird anhand der Zeichnung beschrieben. Darin zeigt:The invention is described with reference to the drawing. It shows:

l?ig. 1 eine schematische Darstellung eines Ringlaser-Schwerkraftgradiometers nach der Erfindung;long. 1 is a schematic representation of a ring laser gravity gradiometer according to the invention;

Fig. 2 eine Darstellung der gegenseitigen Positionierung der Elemente von Fig. 1 in einer Bohrlochmessonde.FIG. 2 shows an illustration of the mutual positioning of the elements from FIG. 1 in a borehole measuring probe.

Fig. 1 zeigt die Grundelemente eines Schwerkraftgradiometers nach der Erfindung im wesentlichen in derselben Weise wie beim Gravimeter der angegebenen US-PS 3 786 681. Gemäss Fig. 1 enthält ein grundlegender Ringlaser eine Laserverstärkerröhre 2 und Spiegel 4, 6, 8 und 10. Der Spiegel 8 ist teilweise durchlässig und ermöglicht die Übertragung eines Teils eines Laserstrahls 3 auf eine noch zu beschreibende Interferenzermittlungsvorrichtung. Ein Modulatorelement 12 mit einem Quarzstab befindet sich im Ringlaserstrahl und ist an einem Ende an einem starren Halteelement 14 befestigt. Ein Hebel 16 ist mit dem gegenüberliegenden Ende des Modulators 12 verbunden, während eine Masse 18 mit dem Ende des Hebels 16 verbunden ist.Fig. 1 shows the basic elements of a gravity gradiometer according to the invention in essentially the same manner as for the gravimeter of the stated US Pat. No. 3,786,681 In Fig. 1, a basic ring laser includes a laser amplifier tube 2 and mirrors 4, 6, 8 and 10. The mirror 8 is partial permeable and enables part of a laser beam 3 to be transmitted to an interference detection device to be described below. A modulator element 12 with a quartz rod is located in the ring laser beam and is on one End attached to a rigid retaining element 14. A lever 16 is connected to the opposite end of the modulator 12, while a mass 18 is connected to the end of the lever 16.

In ähnlicher Weise ist ein zweites Modulatorelement 22 ebenfalls im Weg des Laserstrahls angeordnet und mit einem zweiten Halteelement 24 verbunden. Ein zweiter Hebel 26 und eine Masse 28 sind am gegenüberliegenden Ende des Modulatorelements 22 befestigt.Similarly, a second modulator element 22 is also included arranged in the path of the laser beam and connected to a second holding element 24. A second lever 26 and a mass 28 are attached to the opposite end of the modulator element 22.

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IGINAL INSFSCu.,,IGINAL INSFSCu. ,,

Die Zirkularpolarisation des durch die Verstärkerröhre 2 erzeugten Laserstrahls 3 kann durch die Verwendung eines Stabmagnets 20 oder durch eine andere geeignete Einrichtung sichergestellt werden. Die Zirkularpolarisationen des Laserstrahls werden durch auf die Modulatorelemente 12 und 22 ausgeübte Drehmomente differentiell moduliert. Gemäss Fig. 1 übt eine in der Zeichnungsebene liegende Schwerkraft ein Drehmoment auf beide Modulatorelemente 12 und 22 aus. Wenn die Kraft an den Orten der Massen 18 und 28 gleich ist, sind die Drehmomente an den Modulatoren gleich, und es liegt ein Nettonulleffekt an den Frequenzen der verschiedenen Zirkularpolarisationen vor. Wenn ein Schwerkraftgradient vorhanden ist, gibt es eine Differenz der auf dem Modulator ausgeübten Kräfte und tritt zwischen den Zirkularpolarisationen eine Nettofrequenzdifferenz auf.The circular polarization of the generated by the amplifier tube 2 Laser beam 3 can be ensured through the use of a bar magnet 20 or some other suitable means will. The circular polarizations of the laser beam are exerted on the modulator elements 12 and 22 Differentially modulated torques. According to FIG. 1, one exercises Gravity lying in the plane of the drawing exerts a torque on both modulator elements 12 and 22. When the power to the Locating the masses 18 and 28 is the same, the torques on the modulators are the same and there is a net null effect at the frequencies of the different circular polarizations. If there is a gravitational gradient, there is Difference between the forces exerted on the modulator and a net frequency difference occurs between the circular polarizations on.

Ein Teil des von der Verstärkerröhre 2 erzeugten Laserstrahls 3 tritt durch den teilweise durchlässigen Spiegel 8 zu einem Interferenzermittlungsteil des Systems hin aus. Dieser Teil des Systems enthält Polarisatoren 30, 32, Spiegel 34-, 36 und einen Strahlteiler 38 zur Wiedervereinigung von Strahlen. Der wiedervereinigte Strahl vom Strahlteiler 38 wird auf einen Interferenzdetektor 40 gerichtet, der einen die Interferenzfrequenz angebenden elektrischen Ausgang liefert. Der Betrieb dieses Interferenzermittlungsteils des Systems ist bekannt und wird nicht weiter beschrieben.Part of the laser beam 3 generated by the amplifier tube 2 passes through the partially transparent mirror 8 to a Interference detection part of the system. This part of the system includes polarizers 30, 32, mirrors 34-, 36 and a beam splitter 38 for recombining beams. The recombined beam from beamsplitter 38 is on an interference detector 40 directed, the one the interference frequency supplies the specified electrical output. The operation of this interference detection part of the system is known and will not be further described.

Wie in der oben angegebenen US-PS 3 786 681 angegeben, zeigt das grundlegende Kraftmessystem .in der Nähe der der Nullkraft entsprechenden Nullinterferenzfrequenz eine Phasenverriegelungseigenschaft. Beim vorliegenden Schwerkraftgradiometer arbeitet das in soweit beschriebene grundlegende System in der Nähe einer Nullinterferenzfrequenz, da der Schwerkraftgradient über sehr kurze Intervalle sehr klein ist. Zusätzlich -kann der angezeigte Gradient in Abhängigkeit von der Ausrichtung der .Messvorrichtung positiv oder negativ sein. Wenn die Vorrichtung unter einer solchen Bedingung .arbeitet, istAs noted in U.S. Patent No. 3,786,681 identified above, shows the basic force measurement system has a phase lock property near the zero interference frequency corresponding to the zero force. With the present gravity gradiometer, the basic system described so far works in close to a zero interference frequency because of the gravitational gradient is very small over very short intervals. In addition, the displayed gradient can depend on the orientation the measuring device be positive or negative. if the device works under such a condition

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es wichtig," die Richtung des Gradienten und nicht nur die Größe zu kennen, die die Interferenzfrequenz anzeigt. Daher ist bei der vorliegenden Ausführungsform ein Vorspannelement 42 im grundlegenden Ringlaserraum des Schwerkraftgradiometers enthalten. Das Vorspannelement 42 ist vorzugsweise ein weiterer Quarzstab ähnlich dem für den Aufbau der Modulatoren 12, 22 verwendeten, der zur Aufrechterhaltung eines ständigen Drehmoments am Vorspannelement 42 unter einem Vordrehmoment steht und mit starren Haltern 44, 46 verbunden ist. Auf diese Weise erzeugt das Vorspannelement 42 eine ständige Fre querverschiebung zwischen den Zirkularpolarisationen des von der Laserverstärkerröhre 2 erzeugten Laserstrahls 3· Diese ständige Verschiebung der Frequenzen bewegt den'Ausgang des Interferenzdetektors 40 vom Nullpunkt weg in einen lineareren Arbeitsbereich und ermöglicht eine unmittelbare Bestimmung der Richtung eines durch die Vorrichtung ermittelten Schwerkraftgradienten. Ein von den Modulatorelementen 12, 22 ermittelter Schwerkraftgradient erhöht entweder den Interferenzfrequenzausgang aus dem Detektor 40 über oder unter das vom Vorspannelement 42 erzeugte Niveau, was negative oder positive Eigenschaften des Gradienten angibt.it is important to know "the direction of the gradient and not just the magnitude that the interference frequency indicates. Thus, in the present embodiment, a biasing element 42 is in the basic ring laser space of the gravity gradiometer contain. The biasing element 42 is preferably another quartz rod similar to that used in the construction of FIG Modulators 12, 22 used to maintain a constant torque on the prestressing element 42 is under a pre-torque and is connected to rigid holders 44, 46 is. In this way, the biasing element 42 generates a constant Fre transverse displacement between the circular polarizations of the laser beam 3 generated by the laser amplifier tube 2 · This constant shift of frequencies moves the output of the interference detector 40 away from the zero point into a more linear working range and allows the direction of a to be determined directly by the device determined gravity gradients. One of the modulator elements 12, 22 determined gravity gradient either increases the interference frequency output from the detector 40 above or below the level created by the biasing element 42, indicating negative or positive properties of the gradient.

Da jegliche Änderungen des vom Vorspannelement 42 erzeugten Vorspannungsniveaus als Signale im Ausgang erscheinen, ist es sehr wichtig, dass das Drehmoment am Vorspannelement 42 über die gesamten Betriebsbedingungen konstant gehalten werden, oder dass es in der Alternative so überwacht wird, dass Änderungen de3 Vorspannungsniveaus bekannt sind, um Korrekturen an EU erzeugenden Signal zu ermöglichen. Bei einer weiteren bevorzugten Ausführungsform wird das auf das Vorspannelement 42 ausgeübte Drehmoment auch auf ein Belastungselement 48 ausgeübt, das ständig mit den beiden Haltegliedern 44, 46 verbunden ist..Bei dieser Anordnung ist nur eines der beiden Halte- ~ glieder 44 und 46 mit dem Gehäuse der Vorrichtung verbunden, ^während das andere Halteglied sich frei schwimmend bewegen kann, um sicherzustellen, dass die Drehmomente in den Elementen 42 und 48 gleich gross und entgegengesetzt gerichtet sind.Since any changes in the bias level generated by the bias element 42 appear as signals in the output it is very important that the torque on the pretensioning element 42 is kept constant over the entire operating conditions, or that, in the alternative, it is monitored in such a way that changes in the 3 preload levels are known in order to make corrections Enable EU generating signal. With another In the preferred embodiment, the torque exerted on the biasing element 42 is also applied to a loading element 48 exercised, which is constantly connected to the two holding members 44, 46 .. In this arrangement, only one of the two holding ~ members 44 and 46 connected to the housing of the device, ^ while the other holding member move freely floating can to ensure that the torques in the elements 42 and 48 are equal and opposite.

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Das Element 48 ist vorzugsweise ein weiterer Quarzstab mit identischen Abmessungen wie das Element 42. Durch diese Anordnungen sollten jegliche Änderungen, die im Element 42 -durch Umgebungsänderungen, wie Temperatur oder Stoss, erzeugt sind, in gleicher Weise vom Element 48 erfahren werden, was einen Nettonulleffekt auf das Vorspannungsniveau des Elements 42 ergibt.The element 48 is preferably another quartz rod with identical dimensions to element 42. By these arrangements, any changes that may be made to element 42 are generated by environmental changes, such as temperature or shock, can be experienced in the same way by element 48 what results in a net null effect on the preload level of element 42.

Während amorpher Quarz das bevorzugte Material ist, aus dem die Elemente 12, 22, 42 und 48 hergestellt sind, kann selbstverständlich dieses Material gegen andere Materialien ersetzt werden. Wie in der US-PS 3 786 681 angegeben, können auch andere spannungsoptische Materialien verwendet werden, die kraftabhängige doppelbrechende Wirkungen aufweisen.While amorphous quartz is the preferred material from which elements 12, 22, 42 and 48 are made, it goes without saying that this material can be replaced with other materials. As indicated in U.S. Patent No. 3,786,681, other optical stress materials can be used that have force-dependent birefringent effects.

Bei einer weiteren bevorzugten Ausführungsform wird das am Element 42 ausgeübte tatsächliche Drehmoment durch Aufstellen eines durch das Belastungselement 48 hindurchtretenden zweiten Einglasers mit einem Interferenzfrequenzausgang, der lediglich das am Element 48 ausgeübte Drehmoment angibt. Der zweite Ringlaser verwendet eine zweite Laserverstärkerröhre 50, die im wesentlichen der als Element 2 verwendeten identisch ist. Die angewendete Magnetfeldanordnung zur Gewährleistung der Zirkularpolarisation in der Röhre 2 kann für denselben Zweck auch für die Röhre '50 verwendet werden. Der Raum enthält dieselben Spiegel 4, 6, 8, und 10, die zur Bildung des ersten Ringlaserraums verwendet werden. Ein zweiter Ringlaserstrahl 51 legt im wesentlichen denselben Längsweg zurück, wie der Laserstrahl 3 und wird an den Eckspiegelr? an verschiedenen Stellen der Spiegelfläche reflektiert. In ähnlicher Weise enthält der Interferenzfrequenz-Ermittlungsteil des Systems dieselben Elemente 39, 32, 34, 36 und 38, die zur Ermittlung der Interferenzfrequenz des ersten Systems verwendet werden. Es wird ein zweiter Interferenzdetektor 52 verwendet zur Ermittlung der Interferenzfrequenz des zweiten Ringlasers.In another preferred embodiment, the actual torque exerted on element 42 is achieved by pitching a second single laser passing through the loading element 48 having an interference frequency output which is only indicates the torque exerted on element 48. The second ring laser uses a second laser amplifier tube 50, which is essentially identical to that used as element 2. The applied magnetic field arrangement to guarantee the circular polarization in tube 2 can also be used for tube '50 for the same purpose. Of the Room contains the same mirrors 4, 6, 8, and 10 that are used to form the first ring laser room. A second Ring laser beam 51 covers essentially the same longitudinal path back, like the laser beam 3 and is at the corner mirror? reflected at different points on the mirror surface. In a similar way The interference frequency determination part of the system contains the same elements 39, 32, 34, 36 and 38 that are used for Determination of the interference frequency of the first system used will. A second interference detector 52 is used to determine the interference frequency of the second Ring lasers.

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Wie in Fig. 1 gezeigt, können viele der zur"Bildung des ersten Ringlaserraums verwendeten Teile zur Bildung des zweiten Einglaserraums verwendet werden, wodurch die Komplexität des Gesamtsystems vermindert wird. Es ist auch möglich, den Laserstrahl 51 durch das Vorspannelement 42 selbst ohne Wechselwirkung mit dem Laserstrahl 3 zu leiten. Dies kann erfolgen entweder durch räumliche Trennung der Wege der Laserstrahlen 3 und 51 durch das Element 42 oder durch Verwendung unterschiedlicher Frequenzen für die Laserstrahlen 3 und 51» wobei die Trennung durch Filter erfolgt. Die in der Zeichnung dargestellte Anordnung ist wohl praktischer und wird daher bevorzugt. As shown in Fig. 1, many of the "forming the first Ring laser room used parts to form the second single laser room can be used, whereby the complexity of the overall system is reduced. It is also possible to use the laser beam 51 by the biasing element 42 itself without interaction to guide with the laser beam 3. This can be done either by spatially separating the paths of the laser beams 3 and 51 by element 42 or by using different ones Frequencies for the laser beams 3 and 51 »where the separation takes place through filters. The arrangement shown in the drawing is arguably more practical and is therefore preferred.

Derj Ausgang des Interferenzdetektors 52 kann an einem zweiten Aufzeichnungskanal oder einer zweiten Registrierbandspur zusammen mit dem Ausgang des Interferenzdetektors 40 überwacht werden als Kontrolle des konstanten VorSpannungsniveaus im grundlegenden Gradioraetersystem. Alternativ kann der Ausgang "des Interferenz detektor s 52 vom Ausgang des Detektors 40 subtrahiert werden, bevor dieser Ausgang als Anzeige des Schwerkraftgradienten aufgezeichnet wird. Auf diese Weise kann ein einziger korrigierter Ausgang geliefert werden, der die Amplitude und vorschriftsraässige Richtung des Gradienten anzeigt. Alternativ können die zusätzliche Laserröhre 50 und der Interferenzdetektor 52 nur während des Eichvorgangs des dargestellten Gradiometers angewendet werden. Dies gestattet «ine Kostenverringerung und Vereinfachung des Betriebs von Feldsystemen.·The output of the interference detector 52 can be at a second Recording channel or a second recording tape track together with the output of the interference detector 40 monitored are used as a control of the constant preload level in the basic gradioreter system. Alternatively, the exit "of the interference detector 52 from the output of the detector 40 must be subtracted before this output is recorded as an indication of the gravity gradient. In this way a single corrected output can be provided which the amplitude and legal direction of the gradient indicates. Alternatively, the additional laser tube 50 and the interference detector 52 can only be used during the calibration process of the shown gradiometer can be used. This allows a reduction in the cost and simplification of the operation of Field systems.

Fig. 2 zeigt eine vorgeschlagene Auslegung eines Ringlaser-Schwerkraftgradiometers nach der Erfindung in einer Bohrlochmessonde. Die der Fig. 1 entsprechenden Elemente sind mit denselben Bezugszeichen versehen. Der grundlegende Gradiometerring besteht aus einer Verstärkerröhre 2 und Spiegeln 4, 6, 8 und 10. Zur Messung von senkrechten Schwerkraftgradienten sind die Modulatorelemente 12 und 22 senkrecht im Abstand angeordnet und durch Halter 14, 24 starr am GehäuseFig. 2 shows a proposed design of a ring laser gravity gradiometer according to the invention in a borehole measuring probe. The elements corresponding to FIG. 1 are marked with the same reference numerals. The basic gradiometer ring consists of an amplifier tube 2 and mirrors 4, 6, 8 and 10. To measure vertical gravity gradients, the modulator elements 12 and 22 are perpendicular in the Spaced apart and rigidly attached to the housing by holders 14, 24

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befestigt. Hebel 16, 26 sind an gegenüberliegenden Enden der jeweiligen Modulatorelemente befestigt und erstrecken sich., senkrecht zur Zeichnungsebene. Massen 18, 28 werden an den jeweiligen Hebelarmen gehalten. Das Vorspannelement 42 befindet sich auch im Ringlaserraum. Das Vorspannelement 48 befindet sich innerhalb des Rings ausserhalb des Wegs des Laserstrahls und hat kein eigenes ständiges Überwachungssystem, vgl. Fig.1. Vie oben angegeben, können das Belastungselement während des Eichzyklus überwacht und die Überwachungselemente für den Feldgebrauch entfernt werden.attached. Levers 16, 26 are attached to opposite ends of the respective modulator elements and extend., perpendicular to the plane of the drawing. Masses 18, 28 are held on the respective lever arms. The biasing element 42 is located also in the ring laser room. The biasing element 48 is located within the ring out of the path of the laser beam and does not have its own permanent monitoring system, see Fig.1. As stated above, the loading element can be used during of the calibration cycle are monitored and the monitoring elements are removed for field use.

Während die Länge der Hebelarme 16, 26 durch den Bohrlochdurchmesser begrenzt ist, ist dies der senkrechte Abstand nicht.Es wird erwartet, dass für die praktische Bohrlocharbeit ein senkrechter Abstand von 0,9 bis 3,0 m gewählt wird. Wenn der senkrechte Abstand zunimmt, wird der Laserstrahl in typischer Weise durch ein nichtmodulierendes Medium, etwa Luft oder Vakuum, im Spalt zwischen beispielsweise der Röhre 2 und dem Spiegel 4 übertragen. Ein derartiges nichtmodulierendes Medium erzeugt keine Differenzfrequenzänderung und beeinflusst daher den Ausgang des Interferenzdetektors 40 nicht.While the length of the lever arms 16, 26 through the borehole diameter is limited, this is not the vertical clearance. It is expected that for practical wellbore work a vertical distance of 0.9 to 3.0 m is selected. As the perpendicular distance increases, the laser beam becomes more typical By means of a non-modulating medium, such as air or vacuum, in the gap between, for example, the tube 2 and the mirror 4 transmitted. Such a non-modulating medium does not produce and influence a difference in frequency change hence the output of the interference detector 40 does not.

Gemäss Fig. 2 tritt ein Teil des Laserstrahls 3 durch den Spiegel 8 hindurch und wird durch die Spiegel 34 und 36 auf den Strahlteiler 38 und von da aus zum Interferenzdetektor 40 geleitet. Der Ausgang des Interferenzdetektors 40 ist mit einem Elektronikpaket 54 verbunden, wo er in typischerweise abgefüllt, digital dargestellt und auf eine Oberflä.» chenelektronik zur ständigen Aufzeichnung übertragen wird. Ein alternatives Verfahren zum Senden der Information das Bohrloch hinauf liegt in einer einfachen Verstärkung und Übertragung der Interferenzfrequenz selbst. Diese Art von FM-übertragung ist bekanntlich gegenüber Rauschen widerstandsfähig und würde die Schaltung 54 dadurch vereinfachen, dass sie keinen Zähler für die Umwandlung der Interferenzfrequenz in eine digitale Zählung erfordert. Das Elektronikpaket 54 würde auch eine Energiezufuhr und Steuerschaltung enthalten,According to FIG. 2, part of the laser beam 3 passes through the Mirror 8 passes through and is through the mirrors 34 and 36 onto the beam splitter 38 and from there to the interference detector 40 headed. The output of the interference detector 40 is connected to an electronics package 54, where it is typically bottled, digitally displayed and on a surface. " computer electronics is transmitted for continuous recording. An alternative method of sending the information is this Up the hole lies in a simple amplification and transmission of the interference frequency itself. This type of FM transmission is known to be resistant to noise and would simplify circuit 54 in that it does not require a counter for converting the interference frequency to a digital count. The electronics package 54 would also include a power supply and control circuit,

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zur Erregung der Laserröhre 2 durch, einen Starter 56, der durch die gestrichelte Linie um die Laserröhre 2 angegeben ist.to excite the laser tube 2 by, a starter 56, which by the dashed line around the laser tube 2 is indicated.

Die Vorrichtung gemäss Fig. 2 würde mit der Oberflächenelektronik durch ein übliches bewährtes Bohlochmesskabel verbunden •sein, die sowohl die Instrumente, im Bohrloch halten, als auch Signal- und Energieverbindungen vorsehen würde. Die Vorrichtung würde in typischer Weise auf den Boden eines Bohrlochs abgesenkt, dann aktiviert und mit konstanter Geschwindigkeit durch das Bohrloch angehoben werden, während die Anzeigen für den Schwerkraftgradienten aufgezeichnet werden. Diese Anzeigen wurden in bekannter Weise zur Bestimmung der Dichteänderungen der Erdformationen verwendet werden, durch die das Bohrloch hindurchführt. Da die Modulatoren 12, 22 am gleichen Aufb'au starr befestigt sind, erfahren sie auf Grund der geraden Bewegung der Vorrichtung durch das Bohrloch dieselben Beschleunigungen, die somit aus dem Ausgang des Interferenzdetektors 40 verschwinden sollten. Als Ergebnis sollte nur der von der Vorrichtung erfahrene tatsächliche Erdschwerkraftgradient den endgültigen Ausgang des Interferenzdetektors 40 beeinflussen. Da die Anzeigen gemacht werden können, während die Vorrichtung in Bewegung ist, kann die Schwerkraftmessung in einer viel kürzeren Zeit gemacht werden, als es mit einem einfachen Gracliometer möglich ist, das während einer Zeitdauer stationär sein muss, bevor eine Ablesung gemacht werden kann.The device according to FIG. 2 would be based on the surface electronics connected by a conventional, well-proven borehole measuring cable • be able to hold the instruments in the borehole as well as Would provide signal and power connections. The device would typically be placed in the bottom of a borehole lowered, then activated and raised through the borehole at a constant rate while the indicators for the gravity gradient can be recorded. These displays were used in a known manner to determine the density changes of the earth formations through which the borehole passes. Since the modulators 12, 22 are the same Are rigidly attached to the structure, they experience the same accelerations due to the straight movement of the device through the borehole, which should therefore disappear from the output of the interference detector 40. As a result, only the one from the Apparatus experienced actual earth gravity gradient will affect the final output of the interference detector 40. Since the indications can be made while the device is in motion, the gravity measurement can be done in a lot can be done in a shorter time than with a simple gracliometer is possible that must be stationary for a period of time before a reading can be taken.

Zur Gewährleistung absoluter Steifheit des gesamten Messaufbaus und zur Verringerung der Gas-Feststoffzwischenflächen, durch dies der Laserstrahl hindurchtreten muss, sollte das Laser-Schwerkraftgradiometer im wesentlichen als massiver Quarzblock aufgebaut sein. Eine derartige Konstruktionstechnik ist in Fig. 3a und 3b der US-PS 3 517 560 gezeigt.To ensure absolute rigidity of the entire measurement setup and to reduce the gas-solid interface, through which the laser beam must pass, should that Laser gravity gradiometer can essentially be constructed as a solid block of quartz. Such a construction technique is shown in Figures 3a and 3b of U.S. Patent 3,517,560.

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Claims

Dr. F. Zumstein Sr. - Dr. E. Assmann - Dr. R. Koenigsberger Dipl.-Phys. R. Holzbauer - Dipl.-Ing. F. Klingseisen - Dr. F. Zumstein jun.

PATENT LAWYERS

APPROVED REPRESENTATIVES. AT THE EUROPEAN PATENT OFFICE REPRESENTATIVE BEFORE THE EUROPEAN PATENT OFFICE

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STANDARD OIL COMPANY, Chicago, 111, USA

Claims

Gravity gradiometer, characterized by a laser beam (3) with several circular polarizations, through first and second modulators (12; 22) each having a stress-optical element in the path of the laser beam (3) for differentially changing the properties of the circular polarizations as a function of a load, each Modulator (12; 22) is held immovably at a first end by first and second masses (18; 28) respectively connected to the second ends of the first and second modulators (12; 22), the center of each mass (18; 28 ) opposite the axis of the laser beam (3) passing through each modulator (12; 22)

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is offset so that the force of gravity on the respective Masses (18; 28) a differential torque about the axis of the Laser beam (3) generated to generate a frequency difference between the circular polarizations based on -the difference in gravity at the locations of the first and second masses (18; 28) is related, and by a device (40) for determining the frequency difference.

2- gravity gradiometer according to claim 1, characterized in that that the laser (2) has a laser tube, and that at least three reflectors (4, 6, 8, 10) one Form single laser room for the laser tube.

3. gravity gradiometer according to claim 1, characterized in that that the laser (2) has a gas laser tube.

4. gravity gradiometer according to claim 1, characterized by a prestressing element (42) which is arranged in the path of the laser beam (3) and which is made of a stress-optical material exists, which is preloaded by applying a constant torque, the axis of the torque runs parallel to the axis of the laser beam (3), whereby the prestressing element (42) the frequency difference generated by the first and second modulators (12; 22) has a substantially constant Frequency difference between the circular polarizations and an operation of the gravity gradiometer in a linear one Response range generated.

5 «gravity gradiometer according to claim 4, characterized in that that the pretensioning element (42) is pretensioned in that it is constantly exposed to a tension-optical Material existing loading element (48) is connected, and characterized by a second laser (50)? the one second laser beam (51) with multiple circular polarizations generated and positioned so that it is through the loading element (48)

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along passes the axis of the pressure exerted on the loading member (48) torque so that the load on a frequency difference between the circular polarizations generated, and by second means (52) for determining the frequency difference between the circular polarizations of the second laser beam (51).

6. Force-responsive measuring device according to claim 4, characterized in that the prestressing element (42) is prestressed in that it is connected to a loading element (48) which consists of the same optical stress Material as the biasing element (42) and substantially the same dimensions as the biasing element (42) whereby the stress level in the biasing element (42) is constant over a range of ambient conditions.

7. Method for determining gravity gradients, characterized by generating a laser beam from several circular polarizations, by positioning the first and second modulators in the path of the laser beam for differentially changing the properties of the circular polarizations as a function of a load, each modulator having a stress-optical element of each of which is immovably attached to a first end is, by attaching first and second masses to the first and second modulators, respectively, with the center of each mass is offset from the axis of the laser beam passing through each modulator so that the force of gravity at the respective masses a differential torque around the Axis of the laser beam generated to generate a frequency difference between the circular polarizations based on the difference in gravity at the locations of the first and second Is related to masses, and by determining the frequency difference, the preceding three steps can be carried out in any order.

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8. The method according to claim 7, characterized by applying at least three reflectors and a laser tube for Creation of a ring laser room for the generation of the laser beam.

9 · The method according to claim 8, characterized in that the Laser tube can be a gas laser tube.

10. The method according to claim 7i, characterized by positioning a biasing element in the path of the laser beam, the biasing element made of a stress-optical material exists, which is preloaded by applying a constant torque, the axis of the torque runs parallel to the axis of the laser beam, whereby the biasing element (42) in addition to the frequency difference generated by the first and second modulators generates an essentially constant frequency difference between the circular polarizations, whereby the method gives a linear response to the gravity gradients.

11. The method according to any one of claims 7 to 10, characterized in that that the procedures for determining the gravity gradients are applied in boreholes.

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