WO2016028189A1 - Method and apparatus for remote gravimetric sounding - Google Patents

Method and apparatus for remote gravimetric sounding Download PDF

Info

Publication number
WO2016028189A1
WO2016028189A1 PCT/RU2014/000954 RU2014000954W WO2016028189A1 WO 2016028189 A1 WO2016028189 A1 WO 2016028189A1 RU 2014000954 W RU2014000954 W RU 2014000954W WO 2016028189 A1 WO2016028189 A1 WO 2016028189A1
Authority
WO
WIPO (PCT)
Prior art keywords
gradient
cardioid
rotation
value
sensor
Prior art date
Application number
PCT/RU2014/000954
Other languages
French (fr)
Russian (ru)
Inventor
Геннадий Алексеевич ПЕТРЕНКО
Original Assignee
Геннадий Алексеевич ПЕТРЕНКО
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Геннадий Алексеевич ПЕТРЕНКО filed Critical Геннадий Алексеевич ПЕТРЕНКО
Publication of WO2016028189A1 publication Critical patent/WO2016028189A1/en

Links

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

Definitions

  • the group of inventions 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.
  • the disadvantage of this method is the low accuracy and low information content of gravimetric measurements.
  • the closest set of essential features to the claimed method is a method for measuring the acceleration of gravity gz and its components in the gcp directions at an observation point located on the Earth’s surface, disclosed in patent RU 2504803, published on 01.20.2014.
  • the method is dynamic - the unit of measurement is time (sec).
  • the values of the components gz are recorded in the directions gq> along the rotation path of the gravimetric sensor (hereinafter referred to as the potential sensor), which converts the force acting on the probe mass of the sensor m (gip ⁇ réelle ⁇ ) into a frequency electrical signal.
  • the potential sensor which converts the force acting on the probe mass of the sensor m (gip ⁇ réelle ⁇ ) into a frequency electrical signal.
  • Cardioid series of different azimuth orientation of the plane of rotation after subtraction comparison steps and q characterizes LP-polar plot gcp - scope of displaying the spatial distribution of the gravitational potential at the common point of observation with a resulting radius vector g z. Comparing the observed ST hodograph g with the “normal ST hodograph g ⁇ p” representing the correct sphere, abnormal deviations ⁇ Dg v are revealed.
  • the disadvantage of this method is that they measure the values of the modules of radius vectors relative to the zero value in the pole, which exceed the values of the detected anomalies by 10 8 or more times, which cannot provide high accuracy of measurements.
  • the disadvantage of this device is the low accuracy and low information content of gravimetric measurements.
  • the problem to which the claimed group of inventions is directed is to develop a method and improve a device that improves accuracy and the information content of gravimetric measurements on the earth's surface and the surface of other planets.
  • the technical result achieved by the implementation of the group of claimed inventions is to conduct remote gravimetric sensing of the earth's interior (and other planets) with the spatial characteristics of the density inhomogeneity.
  • the method allows measurements of gz in absolute units.
  • the method has no limitations on the range of measured values of the acceleration of gravity and provides high accuracy.
  • Obtaining the volumetric characteristics of the gravitational field in fractional units of acceleration of gravity, probing the earth's interior, high accuracy and unlimited measurement range are new properties that expand the capabilities of gravimetry. It is advisable to use the method and device for detailing gravimetric anomalies, monitoring gas and oil fields being worked out, monitoring foci of volcanic activity, studying karst voids and solving other geological and geophysical problems, as well as metrology and geodesy tasks.
  • the coordinates of a point on a disk equidistant from the centers of mass of the gradient sensor and located on the path of rotation of the centers of test masses of the gradient sensor are taken as the registration point of the instantaneous gradient value on the rotation path.
  • the relative frequency difference is measured using a frequency comparator, while the frequency of the comparator is synchronized with a standard signal from the GLONASS / GPS satellite navigation systems.
  • the gradient graph is characterized by discrete values of the relative frequency difference at the cardioid points evenly distributed along the rotation path, discrete values of the points of the gradient graph are characterized by average values of the relative frequency difference, which are calculated within the set averaging interval, while the detail of the gradient of the cardioid graph is increased, decreasing the averaging interval and increasing the number of discrete values on the rotation path of the gradient sensor.
  • two cardioids are calculated separately for each direction of rotation of the gradient sensor, with the beginning of the calculation from the pole of the cardioid “0”, the discrete values of the gradient in each direction of rotation along a closed loop (0 - 360 °) are summed sequentially with a step of adding equal to the step of measuring the gradient and calculating the average discrete values of the points of the cardioid.
  • the boundaries of the anomalous interval are determined on the gcp cardioid, which are “visible” from the observation point located in pole 0, the sector that is characterized by the central angle and the resulting vector of the anomalous interval r lying on the sector axis, and the abnormal cardioid intervals detected in the lower and upper parts of the cardioid , project onto the normal hodograph g ⁇ p according to radius vectors and sum the moduli of anomalous increments Agq ,.
  • the revealed anomalous region is detailed on the ZO-hodograph g q> , the boundaries of the anomaly, the direction and value of the modulus of the resulting vector r r of the anomalous region are clarified by additional measurements within its boundaries.
  • the spatial position of the resultant vector r p abnormal area on LP-hodograph g v characterize in spherical coordinates (g ⁇ p, ⁇ , ⁇ ) with an origin at the center of rotation of the proof masses gradient sensor: an angle ⁇ (between the plane with the axis ⁇ and vector r p and the meridian of the observation point in the north), and the angle ⁇ (between the resulting vector r p and the ⁇ axis).
  • the price of a conventional unit of measurement "k" is determined by calculating the quotient of the division of the value of g z , defined in units of acceleration of free fall, by the value of gz in arbitrary units of the relative frequency difference ⁇ 1-2, which characterizes the resulting radius vector g z .
  • the coordinates of the center of mass of the density heterogeneity are determined by finding the coordinates of the point of intersection of the lines with the resulting vectors r p defined at several observation points located at different distances and from different sides relative to the center of mass of the heterogeneity.
  • the geometric parameters of the density inhomogeneity are determined by projecting the anomalous regions of the GZ hodographs gq, obtained at different observation points, in the direction of the center of mass, spatial boundaries are determined, and a volume idealized model of heterogeneity is constructed.
  • the device for implementing the method of remote gravimetric sensing contains potential and zero indicator sensors mounted on the disk in a coordinate device with the ability to rotate the disk in planes oriented along different azimuths with a common coordinate axis Z, with a constant angular velocity ⁇ , a constant radius of rotation of the sensors in the forward and reverse direction, the device is equipped with a stopwatch, amplifier, computer, control system Ia measurements production, thermoregulation system, characterized in that the device is equipped with an additional potential sensor, forming together with the existing potential-sensor gradient-sensor, which is characterized by a constant distance L between the centers of mass of the potential sensors.
  • the device is equipped with at least two gradient sensors, characterized by different distances L between the centers of mass of the gradient sensor.
  • figure 1 shows a schematic illustration of a device
  • figure 2 is a schematic representation of a gradient sensor, where 5 and 6 are the test masses mi and gs of the gradient sensor, respectively, 7 and 8 are piezoelectric transducers, 10 is the axis of symmetry of the gradient sensor;
  • Fig. 3 shows a cardioid 18 (0-360 °) and hodograph g (p in directions 33 (0 - 180 °) with a palette 28 for plotting a cardioid.
  • Point 0 is the common pole for cardioid 18 and hodograph 33.
  • the outer circle of the palette 28 is the conditional rotation path of the gradient sensor L - “shoulder” the gradient of the sensor is 15 °.
  • figure 4 shows the normal gradient curves of the cardioid 18, constructed for the right 20 and left 22 directions of rotation of the gradient sensor.
  • the abnormal intervals a-b and ai-bi on graph 19 are plotted for the right rotation 20 of the gradient sensor.
  • T sec - the measured time of a full revolution of the gradient of the sensor 360 °.
  • 23, 24, 25, 26 and abscissa 27 axis of symmetry of the gradient graphs;
  • figure 5 shows 1 A cardioids 18 and hodograph 33 in a 2: 1 scale with selected fragments 34, 35 with the designation of the boundaries of the abnormal intervals a - b and a - b ⁇ .
  • the scale is shown relative to the scale in FIG. 36 - axis of the abnormal interval;
  • figure 6 shows a fragment 34 with an abnormal interval a - b of the cardioid 18 in the lower half-space at a scale of 5: 1;
  • Fig.7 shows a fragment of 35 cardioids in the upper half-space with an anomalous interval ai - bi at a scale of 10: 1;
  • Fig.8 shows a fragment of the hodograph with an abnormal interval A - B, represented by 2 g v values as the sum of the values of the upper and lower abnormal intervals of the cardioid;
  • figure 9 shows an example of determining the location and geometric parameters of excess density heterogeneity in the earth's interior, where: pi - density heterogeneities in the bowels that formed an anomaly on the surface; p 2 is the average density of the host rocks; PC - observation point; r p i and g p2 are the resulting vectors of the anomalous regions of the ZO-hodographs determined at the observation points PK-1 and PK-2, respectively; r x i and r > are the horizontal components of the resulting vector of the anomalous region; ⁇ ⁇ ⁇ and ⁇ 2 are the vertical components;
  • figure 10 shows the layout of the ST-cardioid gq, with ZE-hodograph.
  • ZE-cardioid is a potential surface represented by the values of radius vectors g ⁇ p ⁇ a c .
  • figure 1 1 shows the layout of the ZE hodograph g ⁇ p with an anomalous region, characterized by the resulting vector r p , 40 is the axis of the anomalous region of the 3D hodograph gq > .
  • the device in Fig. 1 of gravimetric sensing contains two identical potential sensors 2 and 3, forming a gradient sensor in Fig. 2, mounted on the disk 4.
  • the term "potential sensor” is introduced to denote a measurement method that provides measurements relative to a zero value in the pole “0” of the cardioid, common with the hodograph gq > .
  • the gradient sensor contains two test masses 5 (mi) and 6 (t 2 ), mounted on piezoelectric transducers 7 and 8, which are mounted on the disk 4 without the possibility of movement, at a distance L between the centers of the test masses.
  • the reference point of the gradient value is point 9, located on the axis of symmetry 10 of the gradient sensor, equidistant from the center of rotation of the test masses 5 (im) and 6 (t 2 ), and located on the trajectory of rotation of the test masses of the gradient sensor .
  • zero an indicator sensor 11 for example, an accelerometer with an independent recording channel.
  • a zero-indicator sensor one of the channels of the potential sensor 2 or 3, which is part of the gradient sensor, can be used.
  • the disk 4 through the axis 12 is installed in the coordination device 13 with the possibility rotation 1.
  • the device 1 is equipped with a drive at uditelnogo rotation 14 that provides rotation of the disc 4 at a predetermined constant angular velocity ⁇ in the forward and backward directions.
  • Coordinate device 13 is rotatable on the drive shafts 15 and 16 (axle 16 not shown).
  • the method of remote gravimetric sensing is implemented as follows.
  • the device 1 is installed on the observation point and the plane of the disk 4 placed in the level surface 17 - HOU in figure 1, 3, 5, 7-1 1.
  • the measuring channels of the device register the natural frequency of the piezoelectric transducers f 0 potential sensors 2 and 3.
  • the metrological parameters of the measuring channels of the device are monitored. Measurements are performed in arbitrary units of instantaneous values of the frequency difference Afa > , where ⁇ ⁇ is the measured relative frequency difference between the value of the output signals of the gradient sensors.
  • the disc 4 is rotated, and stepwise changing the rotational speed, set the frequency dependence of the electric signal (the conventional unit of measurement) gradient sensor of angular velocity ⁇ in the range of the working range of the angular rotation velocity equal to 2a p.
  • the natural frequency of the fk comparator is synchronized with the standard signal of the GLONASS / GPS satellite radio navigation systems.
  • the measurements are performed in the forward and reverse directions of rotation of the disk 4 and calculate the average discrete values for the selected modes of angular velocity of rotation. According to the measurement results build calibration graphs (not shown), determine their linearity in the range of working angular speeds of rotation of the disk of the device and the error. When identifying a residual imbalance, its value is taken into account when processing the measurement results. All measurements are carried out automatically.
  • the disk 4 of figure 1 is installed in a plane with a plumb line and rotate.
  • the potential characteristic of the gravitational field is determined as part of the acceleration of gravity gz and its components in the directions g v in the plane of rotation of the disk 4.
  • Measurements are performed in spherical coordinates (g v , ⁇ , ⁇ ) with the origin at the center of rotation of the probe masses of the sensors, with the coordinate axis ⁇ coinciding with the plumb line, and the X axis directed northward along the meridian of the observation point.
  • T 0.896136014 s.
  • the time range when measuring on the earth's surface is 2,379,207 nanoseconds (898 515 221 - 896 136 014).
  • Dividing the range g z by the range of the measured time of a full revolution T determine the accuracy of the measurements. For example, measuring time with an accuracy of 1 nsec (L0 "9 sec) provides a measurement of g z with an accuracy of about 2.2 nGal. Modern time and frequency measuring instruments provide an accuracy of measuring time and frequency of more than 10 " 12 , which surely covers the nanosecond range. Thus, the method allows to increase the measurement accuracy by several orders of magnitude and to determine the values of the acceleration of gravity gz and its components in the directions gcp with the required accuracy. The determination of the value of the module of the resulting vector g z is performed relative to the reference gravimetric points with known values of g z , and with the certified value of R in absolute units.
  • the gradient of the cardioid 18 is measured (Figs. 3 and 5-7.10) along the rotation path of the gradient sensor in arbitrary units of the relative frequency difference, with the output frequency signals of the piezoelectric sensors fi and f 2 .
  • the measuring channels of the device register a continuous stream of high-frequency digital signal.
  • Each interval of cardioid 18, lying within one degree, is characterized by many hundreds of instantaneous values, with a sufficient characteristic of 1-2 values. Therefore, the gradient graph is characterized by discrete values of the relative frequency difference at the points of the cardioid, uniformly distributed along the rotation path within the established averaging interval.
  • the point of the detected discrete gradient value of the cardioid 18 is the coordinate ⁇ in the plane of rotation ⁇ .
  • Figure 4 shows the graph of the gradient of the cardioid 19 plotted in the right direction of rotation 20, and the graph of the gradient of 21 for the left rotation of 22.
  • the distance L between the test masses (shoulder) of the gradient sensor is 15 ° with a step between the points of the graph of 15 ° .
  • the value of L is chosen for reasons of clarity of graphs.
  • Graphs of gradients 19 and 21 of cardioids 18 are plotted using palette 28 in FIG. Palette 28 is constructed as follows. Equipotential circles 29 centered at the pole “0” of cardioids 18 are drawn through the points of the calculated cardioid 18, corresponding to the ends of the radius vectors gcp-g z coscp ⁇ a ⁇ (points of the cardioid 1, 2 ... 23 in FIG. 3). circles 29 are drawn marked by thin lines of circles 30, which determine the geometric location of the binding values of the gradient. The distance between the circles 29 corresponds to the increment of the potential (gradient) along the radius of the palette. For example, the length of the segment c - d in Fig.
  • H is equal to the potential difference (gradient) between the ends of the radius vectors 15 and 16 of the cardioid with the anchor point of the gradient at point 31.
  • the circumferential distance between the points of the cardioid is 15 °.
  • the outer circumference of the pallet 28 with angular values corresponds to the conditional trajectory of the gradient sensor with the center of rotation at the pole of the cardioid "0".
  • the computer program for processing measurement materials contains a palette algorithm.
  • the detail of the gradient graph of cardioids is increased, reducing the size of the averaging interval, and increasing the number of discrete values characterizing the cardioid.
  • the abnormal intervals a - b and ai - bi of the cardioids in Figs. 3, 4 and 5 are characterized by nine discrete values, including the points of the boundaries of the anomalous interval.
  • a graph of the potential field characteristic at the observation picket, cardioid 18, is built. Cardioids are calculated separately for each direction of rotation of the gradient sensor. Consistently summarize the discrete values of the gradient from the pole "0" in a closed loop with a summing step equal to the step of measuring the gradient. The control of the correct calculation of the cardioid is carried out at four points located on the cardioid through 90 ° in Fig.Z.
  • Each direction ⁇ of the cardioid 18 is characterized by two multidirectional radius vectors (g v + a c ) + (gq - a c ) lying on a straight line with a common pole “0”.
  • Figure 5 shows graphs of 1 A cardioids 18 with a hodograph 33 in a 2: 1 scale with hatched anomalous intervals, indicated as fragments 34 and 35.
  • the scale in Fig. 3 is taken as a unit of relative scale.
  • the abnormal interval a - b is selected in the form of fragment 34 and is formed by the sum of the moduli of radius vectors gq, + a c + Ag v .
  • fragment 34 is shown on a 5: 1 scale.
  • the abnormal interval ai - bi is characterized by the difference g ⁇ p - and c - Ag ⁇ p, forms the "imaginary" abnormal interval, designated as fragment 35.
  • the interval ai - bi is mirrored in the “0” pole relative to the interval a - b on fragment 34.
  • the pole plays the role of a focus that flips the image. If the effects of the vertical gradient are not taken into account, the measured values of Ag v in the upper and lower intervals of the cardioid graph are equal and have the same sign.
  • the points of the gradient graph 19 in Fig. 4 with abnormal intervals a - b and ai - bi are characterized by the same values of Ag ⁇ p. Since the abnormal intervals a - b and ai - bi characterize the same heterogeneity, their values are combined.
  • the combination is performed by projecting anomalous increments of the radius vectors Ag 9 in their direction to the normal hodograph and summing their modules.
  • the result is an abnormal interval A - B in locus 33 (Fig. 8), characterized by 2Ag ⁇ p.
  • the described technique doubles the relief of the anomalous interval and, accordingly, improves the quality of measurements.
  • the boundaries of the local anomalous interval g on the hodograph g 9 lie within a sector bounded by rays A and B, with a vertex in the center of rotation of the gradient sensor - pole 0.
  • the abnormal interval on the hodograph is characterized by the central angle and axis of the abnormal interval 36.
  • the abnormal increments associated with the influence of the planets have negative increments - Agc.
  • the coordinates of the center of mass of heterogeneity in the earth's interior are determined in Fig. 9 by determining the point 40 of intersection of the axial lines 41 with the resulting vectors of the anomalous regions r p defined at several observation points.
  • the observation points PK-1 and PK-2 in Fig. 9 are located on different sides relative to the center of mass of the heterogeneity with an excess density ⁇ in the earth's interior with an average density of the host rocks g 2 .
  • the geometric contours of density inhomogeneity are determined in a similar way 42.
  • the characteristic sections of the heterogeneity 42 in the bowels of the earth, the resulting vectors and its projections are displayed on the map and sections with geological information on an accepted scale.
  • Figure 10 and figure 1 1 shows the characteristics of the field on the earth's surface in the form of graphical models in the presence of local density heterogeneity in the bowels.
  • the GZ-cardioid 37 in FIG. 10 is obtained.
  • the surface of the ZO-cardioid 37 characterizes the potential surface of the field strength at the observation point in the conditions of measurements using a comparison measure - centripetal acceleration and c . Is subtracted from the LP-cardioid constant value comparison steps and q and 3D- obtained polar plot gq> 1 1 with abnormal region 39.
  • GE-polar plot characterizes gip the potential surface of the field strength in the form of a sphere 38 at the observation point with the resulting radius vector g z . From the abnormal intervals lying within the anomalous region 39, determine the resulting vector of the anomalous region r p , vertical r z and horizontal g x components - shown in Fig.9.

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

The method and apparatus for remote gravimetric sounding relate to the field of geophysics and are intended for determining a resulting radius-vector of gravitational acceleration gz, the three-dimensional characteristic gφ thereof and for determining a three-dimensional position of a density inhomogeneity characterized by an anomaly on the Earth's surface and on the surface of other planets. The method is an analogue of satellite gravimetric exploration of the Earth with differential characteristics associated with the position of the centre of rotation of a proof mass relative to an exploration target and with measurement principle characteristics. The method is realized by means of an apparatus comprising a zero-indicating sensor and a gradient sensor, which are mounted on a disc. The disc is arranged in a rotatable coordinate apparatus which provides for measuring the gravitational acceleration gz and the constituent parts thereof along directions gφ in 3D space. The production of a volumetric characteristic of a gravitational field in fractional units of gravitational acceleration, the remote sounding of the Earth's interior, a high degree of accuracy and an unlimited range of measurements are novel properties which extend the possibilities of gravimetry. The method and apparatus are expediently used in detailing gravimetric anomalies with defined qualitative parameters of exploration targets, in monitoring gas and oil deposits which are being developed, in determining the parameters of karst cavities and sites of volcanic activity, and in solving other geological-geophysical problems, and geodetic and metrological problems.

Description

СПОСОБ И УСТРОЙСТВО ДИСТАНЦИОННОГО ГРАВИМЕТРИЧЕСКОГО  METHOD AND DEVICE OF REMOTE GRAVIMETRIC
ЗОНДИРОВАНИЯ  SOUNDING
Область техники Technical field
Группа изобретений относится к области физики, в частности, к гравиметрии, и может быть использована при проведении геофизических исследований, результаты которых востребованы в астрономии, геодезии и геологии при проведении геофизических работ.  The group of inventions 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.
Предшествующий уровень техники State of the art
Из уровня техники известны различные способы дистанционного гравиметрического зондирования, например, динамический способ спутникового дистанционного гравиметрического зондирования Земли и других планет, описанный в источнике http://osmangravity.far.ru/osnovproekt.htm. Данный способ 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. Измеряют градиенты в разных вариантах на высоте движения спутника (например, используют систему спутник - спутник) и вычисляют потенциальную характеристику поля. Вычитая из полученной сферы значения нормального поля, рассчитанного для высоты движения спутника, получают аномалию ускорения свободного падения ±Agz, которую проецируют на поверхность геоида. 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.  Various methods for remote gravimetric sensing are known from the prior art, for example, a dynamic method for satellite remote gravimetric sensing of the Earth and other planets described in the source http://osmangravity.far.ru/osnovproekt.htm. This method 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, the geometry of which is related to the geometry of the level surface of the gravitational potential at the satellite’s altitude. Gradients are measured in different versions at the satellite’s altitude (for example, using the satellite-satellite system) and the potential field characteristic is calculated. Subtracting from the sphere obtained the values of the normal field calculated for the satellite’s altitude, we obtain the gravity anomaly ± Agz, which is projected onto the surface of the geoid. 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.
Недостатком данного способа является невысокая точность и низкая информативность гравиметрических измерений.  The disadvantage of this method is the low accuracy and low information content of gravimetric measurements.
Наиболее близким по совокупности существенных признаков к заявленному способу является способ измерения ускорения свободного падения gz и его составляющих по направлениям gcp на пункте наблюдения, расположенном на поверхности Земли, раскрытый в патенте RU 2504803, опубликованном 20.01.2014.  The closest set of essential features to the claimed method is a method for measuring the acceleration of gravity gz and its components in the gcp directions at an observation point located on the Earth’s surface, disclosed in patent RU 2504803, published on 01.20.2014.
Данный способ заключается в том, что значение результирующего радиус-вектора ускорения gz, дополняют мерой сравнения - постоянным 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 (g2 - ац = 0). По угловой скорости вращения со вычисляют значения ускорения свободного падения gz = ац = co2R, при R = const. Способ динамический - единицей измерения является время (сек). This method consists in the fact that the value of the resulting acceleration radius vector gz is supplemented by a comparison measure - a constant value of the centripetal accelerations a c , and register the angular velocity of rotation ω in the time interval in which the modules of the radius vectors g z and a c at the upper point of the trajectory of uniform rotation of the test mass are equal and multidirectional (g 2 - a c = 0). From the angular velocity of rotation ω, the values of the acceleration of gravity are calculated gz = a c = co 2 R, at R = const. The method is dynamic - the unit of measurement is time (sec).
Одновременно регистрируют значения составляющих gz по направлениям gq> по траектории вращения гравиметрического датчика (далее потенциал-датчика), преобразующего силу, действующую на пробную массу датчика m(gip± ац), в частотный электрический сигнал. В результате получают потенциальную характеристику напряженности гравитационного поля в плоскости вращения датчика, охарактеризованную в условных единицах, в виде полярного графика 360° - кардиоиды g<p. Серия кардиоид по разным азимутам ориентации плоскости вращения после вычитания меры сравнения ац, характеризует ЗО-годограф gcp - сферу, отображающую пространственное распределение гравитационного потенциала на пункте наблюдения с общим результирующим радиус- вектором gz. Сопоставляя наблюденный ЗБ-годограф g с «нормальным ЗБ-годографом g<p», представляющим правильную сферу, выявляют аномальные отклонения ±Dgv. At the same time, the values of the components gz are recorded in the directions gq> along the rotation path of the gravimetric sensor (hereinafter referred to as the potential sensor), which converts the force acting on the probe mass of the sensor m (gip ± а ц ) into a frequency electrical signal. As a result, we obtain the 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 <p. Cardioid series of different azimuth orientation of the plane of rotation after subtraction comparison steps and q characterizes LP-polar plot gcp - scope of displaying the spatial distribution of the gravitational potential at the common point of observation with a resulting radius vector g z. Comparing the observed ST hodograph g with the “normal ST hodograph g <p” representing the correct sphere, abnormal deviations ± Dg v are revealed.
Недостатком способа является то, что измеряют значения модулей радиус-векторов 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 values of the modules of radius vectors relative to the zero value in the pole, which exceed the values of the detected anomalies by 10 8 or more times, which cannot provide high accuracy of measurements.
Из уровня техники известны различные устройства дистанционного гравиметрического зондирования, наиболее близким из которых по совокупности существенных признаков к заявленному изобретению является устройство измерения ускорения свободного падения gz, раскрытое в патенте RU 2504803, опубликованном 20.01.2014, оснащенное гравиметрическим датчиком, содержащим пробную массу ш, первичный преобразователь, регистратор его деформации, усилителем, цифровым преобразователем, компьютером и работающее в автоматическом режиме, при этом гравиметрический датчик, содержащий электромеханический преобразователь, расположен на диске с осью. The prior art various devices for remote gravimetric sensing, the closest of which, by the set of essential features to the claimed invention is a device for measuring the acceleration of gravity g z disclosed in patent RU 2504803, published on 01.20.2014, equipped with a gravimetric sensor containing a test mass w, primary converter, recorder of its deformation, amplifier, digital converter, computer and working in automatic mode, while gravimetric th sensor comprising an electromechanical transducer is located on the disk axis.
Недостатком данного устройства является невысокая точность и низкая информативность гравиметрических измерений.  The disadvantage of this device is the low accuracy and low information content of gravimetric measurements.
Раскрытие группы изобретений Disclosure of a group of inventions
Задачей, на решение которой направлена заявленная группа изобретений, является разработка способа и усовершенствование устройства, повышающего точность и информативность гравиметрических измерений на земной поверхности и поверхности других планет. The problem to which the claimed group of inventions is directed is to develop a method and improve a device that improves accuracy and the information content of gravimetric measurements on the earth's surface and the surface of other planets.
Технический результат, достигаемый при реализации группы заявленных изобретений, заключается в проведении дистанционного гравиметрического зондирования земных недр (и других планет) с получением пространственной характеристики плотностной неоднородности. При аттестованном значении R способ позволяет проводить измерения gz в абсолютных единицах. Способ не имеет ограничений по диапазону измеряемых значений ускорения свободного падения и обеспечивает высокую точность. Получение объемной характеристики гравитационного поля в дольных единицах ускорения свободного падения, зондирование земных недр, высокая точность и неограниченный диапазон измерений являются новыми свойствами, расширяющими возможности гравиметрии. Способ и устройство целесообразно использовать при детализации гравиметрических аномалий, мониторинге отрабатываемых газовых и нефтяных месторождений, мониторинге очагов вулканической деятельности, исследовании карстовых пустот и решении других геолого-геофизических задач, а также задач метрологии и геодезии.  The technical result achieved by the implementation of the group of claimed inventions is to conduct remote gravimetric sensing of the earth's interior (and other planets) with the spatial characteristics of the density inhomogeneity. With a certified value of R, the method allows measurements of gz in absolute units. The method has no limitations on the range of measured values of the acceleration of gravity and provides high accuracy. Obtaining the volumetric characteristics of the gravitational field in fractional units of acceleration of gravity, probing the earth's interior, high accuracy and unlimited measurement range are new properties that expand the capabilities of gravimetry. It is advisable to use the method and device for detailing gravimetric anomalies, monitoring gas and oil fields being worked out, monitoring foci of volcanic activity, studying karst voids and solving other geological and geophysical problems, as well as metrology and geodesy tasks.
Указанный технический результат достигается за счет того, что в способе дистанционного гравиметрического зондирования пространственное положение плотностной неоднородности в недрах определяют посредством дополнении значения модуля ускорения свободного падения gz значением центростремительного ускорения ац - мерой сравнения и регистрации угловой скорости ω в интервале времени, в котором модули радиус-векторов gz и ац в верхней точке траектории равномерного вращения пробной массы равны и разнонаправлены, вычислении значения ускорения свободного падения gz = co2R (R=const) и определении значений составляющих gz по направлениям φ в виде радиус- векторов g(p = gzcos<p± ац посредством измерения мгновенного значения электрического сигнала потенциал-датчика в условных единицах, получении потенциальной характеристики напряженности гравитационного поля на пункте наблюдения в плоскости вращения потенциал- датчика в виде полярного графика 360° - кардиоиды, и серия кардиоид по разным азимутам ориентации плоскости вращения с общим вектором gz, после вычитания значений меры сравнения ац, характеризует наблюденный ЗБ-годограф g<p - сферу, по результатам сопоставления которой со значениями «нормального годографа», рассчитанными по формуле g(p = gzcos(p, выявлении аномальной области на ЗО-годографе, охарактеризованной аномальными отклонениями ±Agq>, отличающийся тем, что измеряют градиент кардиоиды по траектории вращения градиент-датчика, при этом градиент характеризуют в условных единицах относительной разности частоты между двумя потенциал-датчиками, формирующими градиент-датчик с выходными частотными сигналами fi и f2. The specified technical result is achieved due to the fact that in the method of remote gravimetric sounding, the spatial position of the density heterogeneity in the bowels is determined by supplementing the value of the gravitational acceleration modulus gz with the value of centripetal acceleration and c as a measure of comparing and recording the angular velocity ω in the time interval in which the -vectors g z and q and the top point of the trajectory of uniform rotation of the proof mass are equal and in different directions, calculating values express check freefall Ia gz = co 2 R (R = const) and determining the values of components of g z directions φ a radius vectors g (p = g z cos < p ± n and by measuring the instantaneous value of the electric potential of the sensor signal in the conventional units, obtaining the potential characteristics of the gravitational field at the observation point in the plane of rotation of the potential sensor in the form of a polar graph of 360 ° - cardioids, and a series of cardioids in different azimuths of the orientation of the plane of rotation with a common vector g z , after subtracting the values of the comparison measure a q , characterizes the observed ST hodograph g <p - the sphere, according to the results of comparison with the values of the "normal hodograph" calculated by the formula g (p = g z cos (p, identifying the anomalous region on the GZ hodograph, characterized by anomalous deviations ± Agq >, characterized in that they measure the gradient of cardioids along the rotation path of the gradient sensor, while the gradient characterize in arbitrary units the relative frequency difference between two potential sensors forming a gradient sensor with output frequency signals fi and f 2 .
За точку регистрации мгновенного значения градиента на траектории вращения принимают координаты точки на диске, равноудаленной от центров масс градиент- датчика и находящейся на траектории вращения центров пробных масс градиент- датчика.  The coordinates of a point on a disk equidistant from the centers of mass of the gradient sensor and located on the path of rotation of the centers of test masses of the gradient sensor are taken as the registration point of the instantaneous gradient value on the rotation path.
Относительную разность частоты измеряют посредством частотного компаратора, при этом частоту компаратора синхронизируют стандартным сигналом спутниковых радионавигационных систем ГЛОНАСС/GPS.  The relative frequency difference is measured using a frequency comparator, while the frequency of the comparator is synchronized with a standard signal from the GLONASS / GPS satellite navigation systems.
График градиента характеризуют дискретными значениями относительной разности частоты в точках кардиоиды, равномерно распределенными по траектории вращения, дискретные значения точек графика градиента характеризуют средними значениями относительной разности частоты, которые вычисляют в пределах установленного интервала усреднения, при этом детальность графика градиента кардиоиды увеличивают, уменьшая интервал усреднения и увеличивая количество дискретных значений на траектории вращения градиент- датчика.  The gradient graph is characterized by discrete values of the relative frequency difference at the cardioid points evenly distributed along the rotation path, discrete values of the points of the gradient graph are characterized by average values of the relative frequency difference, which are calculated within the set averaging interval, while the detail of the gradient of the cardioid graph is increased, decreasing the averaging interval and increasing the number of discrete values on the rotation path of the gradient sensor.
При определении кардиоиды рассчитывают две кардиоиды отдельно по каждому направлению вращения градиент- датчика, с началом вычисления от полюса кардиоиды «0» - последовательно суммируют дискретные значения градиента по каждому направлению вращения по замкнутому контуру (0 - 360°) с шагом суммирования равным шагу измерения градиента и вычисляют средние дискретные значения точек кардиоиды.  When determining the cardioids, two cardioids are calculated separately for each direction of rotation of the gradient sensor, with the beginning of the calculation from the pole of the cardioid “0”, the discrete values of the gradient in each direction of rotation along a closed loop (0 - 360 °) are summed sequentially with a step of adding equal to the step of measuring the gradient and calculating the average discrete values of the points of the cardioid.
Контроль правильности расчета точек кардиоиды осуществляют по четырем точкам, расположенным через 90°: - в полюсе «0»; - двух точках, лежащих в уровенной плоскости, в которых значение модуля радиус-вектора представлено значением ац; - в нижней точке кардиоиды, лежащей на линии отвеса, где значение модуля радиус-вектора кардиоиды g<p равно удвоенному значению центростремительного ускорения (2ац = 2gz = gz + ац). The control of the correct calculation of the points of the cardioid is carried out at four points located through 90 °: - in the pole "0"; - two points lying on a level plane in which the value of the modulus of the radius vector is represented by a value y; - at the bottom point of the cardioid lying on the plumb line, where the value of the cardioid radius vector modulus g < p is equal to twice the centripetal acceleration (2a c = 2g z = g z + a c ).
Границы аномального интервала определяют на кардиоиде gcp, «видимые» из точки наблюдения, расположенной в полюсе 0 - секторе, который характеризуют центральным углом и результирующим вектором аномального интервала г, лежащим на оси сектора, и аномальные интервалы кардиоиды, выявленные в нижней и верхней частях кардиоиды, проецируют на нормальный годограф g<p по радиус-векторам и суммируют модули аномальных приращений Agq,. Выявленную аномальную область детализируют на ЗО-годографе gq>, уточняют границы аномалии, направление и значение модуля результирующего вектора гр аномальной области посредством дополнительных измерений в пределах ее границ. The boundaries of the anomalous interval are determined on the gcp cardioid, which are “visible” from the observation point located in pole 0, the sector that is characterized by the central angle and the resulting vector of the anomalous interval r lying on the sector axis, and the abnormal cardioid intervals detected in the lower and upper parts of the cardioid , project onto the normal hodograph g <p according to radius vectors and sum the moduli of anomalous increments Agq ,. The revealed anomalous region is detailed on the ZO-hodograph g q> , the boundaries of the anomaly, the direction and value of the modulus of the resulting vector r r of the anomalous region are clarified by additional measurements within its boundaries.
Пространственное положение результирующего вектора гр аномальной области на ЗО-годографе gv характеризуют в сферических координатах (g<p, θ, φ) с началом координат в центре вращения пробных масс градиент-датчика: углом Θ (между плоскостью с осью Ζ и вектором гр и меридианом точки наблюдения в северном направлении), и углом φ (между результирующим вектором гр и осью Ζ). The spatial position of the resultant vector r p abnormal area on LP-hodograph g v characterize in spherical coordinates (g <p, θ, φ ) with an origin at the center of rotation of the proof masses gradient sensor: an angle Θ (between the plane with the axis Ζ and vector r p and the meridian of the observation point in the north), and the angle φ (between the resulting vector r p and the Ζ axis).
Цену условной единицы измерения «к» определяют посредством вычисления частного от деления значения gz, определенного в единицах ускорения свободного падения, на значение gz в условных единицах относительной разности частоты Δφ1-2, которыми охарактеризован результирующий радиус-вектор gz. The price of a conventional unit of measurement "k" is determined by calculating the quotient of the division of the value of g z , defined in units of acceleration of free fall, by the value of gz in arbitrary units of the relative frequency difference Δφ1-2, which characterizes the resulting radius vector g z .
Значения модулей аномальных приращений ± g<p, модуль результирующего вектора гр аномальной области ЗО-годографа gq> и его проекции на уровенную плоскость ХОУ - гх и ось Z - rz, измеренные в условных единицах, пересчитывают в дольные единицы ускорения свободного падения посредством умножения их модулей на коэффициент к. Values modules abnormal increments ± g <p, the module resulting vector g p anomalous region LP-locus gq> and its projection on a level plane XOY - r x and the axis Z - r z, measured in arbitrary units, converted into submultiples gravitational acceleration by multiplying their modules by the coefficient k.
Координаты центра масс плотностной неоднородности, охарактеризованной аномалией на земной поверхности, определяют посредством нахождения координат точки пересечения линий с результирующими векторами гр, определенными на нескольких пунктах наблюдения, расположенных на разных расстояниях и с разных сторон относительно центра масс неоднородности. The coordinates of the center of mass of the density heterogeneity, characterized by an anomaly on the earth's surface, are determined by finding the coordinates of the point of intersection of the lines with the resulting vectors r p defined at several observation points located at different distances and from different sides relative to the center of mass of the heterogeneity.
Геометрические параметры плотностной неоднородности определяют посредством проецирования аномальных областей ЗО-годографов gq,, полученных на разных пунктах наблюдения, в направлении центра масс, определяют пространственные границы и строят объемную идеализированную модель неоднородности.  The geometric parameters of the density inhomogeneity are determined by projecting the anomalous regions of the GZ hodographs gq, obtained at different observation points, in the direction of the center of mass, spatial boundaries are determined, and a volume idealized model of heterogeneity is constructed.
Указанный технический результат достигается также за счет того, что устройство для реализации способа дистанционного гравиметрического зондирования содержит потенциальный и ноль-индикаторный датчики, установленные на диске в координатном устройстве с возможность вращения диска в плоскостях, ориентированным по разным азимутам с общей координатной осью Z, с постоянной угловой скоростью ω, постоянным радиусом вращения датчиков в прямом и обратном направлении, устройство оснащено секундомером, усилителем, компьютером, системой управления производством измерений, системой терморегуляции, отличающееся тем, что устройство оснащают дополнительным потенциал-датчиком, формирующим совместно с существующим потенциал- датчиком градиент- датчик, который характеризуют постоянным расстоянием L между центрами масс потенциал- датчиков. The specified technical result is also achieved due to the fact that the device for implementing the method of remote gravimetric sensing contains potential and zero indicator sensors mounted on the disk in a coordinate device with the ability to rotate the disk in planes oriented along different azimuths with a common coordinate axis Z, with a constant angular velocity ω, a constant radius of rotation of the sensors in the forward and reverse direction, the device is equipped with a stopwatch, amplifier, computer, control system Ia measurements production, thermoregulation system, characterized in that the device is equipped with an additional potential sensor, forming together with the existing potential-sensor gradient-sensor, which is characterized by a constant distance L between the centers of mass of the potential sensors.
Устройство оснащено, по крайней мере, двумя градиент-датчиками, охарактеризованными разными расстояния L между центрами масс градиент- датчика.  The device is equipped with at least two gradient sensors, characterized by different distances L between the centers of mass of the gradient sensor.
Краткое описание чертежей Brief Description of the Drawings
Сущность изобретения поясняется чертежами, где:  The invention is illustrated by drawings, where:
на фиг.1 приведено схематическое изображение устройства;  figure 1 shows a schematic illustration of a device;
на фиг.2 - схематическое изображение градиент-датчика, где 5 и 6 - пробные массы mi и гщ градиент- датчика соответственно, 7 и 8 - пьезоэлектрические преобразователи, 10 - ось симметрии градиент- датчика;  figure 2 is a schematic representation of a gradient sensor, where 5 and 6 are the test masses mi and gs of the gradient sensor, respectively, 7 and 8 are piezoelectric transducers, 10 is the axis of symmetry of the gradient sensor;
на фиг.З представлена кардиоида 18 (0-360°) и годограф g(p по направлениям 33 (0 - 180°) с палеткой 28 для построения графика кардиоиды. Точка 0 является общим полюсом для кардиоиды 18 и годографа 33. Окружность 32 - окружность радиусной симметрии палетки 28. Внешняя окружность палетки 28 - условная траектория вращения градиент- датчика. L - «плечо» градиент датчика равное 15°. Интервалы а - b и ai - bi - аномальные интервалы кардиоиды 18;  Fig. 3 shows a cardioid 18 (0-360 °) and hodograph g (p in directions 33 (0 - 180 °) with a palette 28 for plotting a cardioid. Point 0 is the common pole for cardioid 18 and hodograph 33. Circumference 32 - circle of the radius of symmetry of the palette 28. The outer circle of the palette 28 is the conditional rotation path of the gradient sensor L - “shoulder” the gradient of the sensor is 15 °. Intervals a - b and ai - bi - abnormal intervals of the cardioid 18;
на фиг.4 приведены нормальные кривые градиента кардиоиды 18, построенные для правого 20 и левого 22 направлений вращения градиент-датчика. Аномальные интервалы а-Ь и ai-bi на графике 19 построены для правого вращения 20 градиент- датчика. Т сек - измеренное время полного оборота градиент датчика 360°. 23, 24, 25, 26 и абсцисса 27 - оси симметрии графиков градиента;  figure 4 shows the normal gradient curves of the cardioid 18, constructed for the right 20 and left 22 directions of rotation of the gradient sensor. The abnormal intervals a-b and ai-bi on graph 19 are plotted for the right rotation 20 of the gradient sensor. T sec - the measured time of a full revolution of the gradient of the sensor 360 °. 23, 24, 25, 26 and abscissa 27 — axis of symmetry of the gradient graphs;
на фиг.5 приведена 1А кардиоиды 18 и годографа 33 в масштабе 2: 1 с выделенными фрагментами 34, 35 с обозначением границ аномальных интервалов а - b и а - Ь\. Здесь и далее масштаб приведен относительно масштаба на фиг.З. 36 - ось аномального интервала; на фиг.6 приведен фрагмент 34 с аномальным интервалом а - Ь кардиоиды 18 в нижнем полупространстве в масштабе 5: 1 ; figure 5 shows 1 A cardioids 18 and hodograph 33 in a 2: 1 scale with selected fragments 34, 35 with the designation of the boundaries of the abnormal intervals a - b and a - b \. Hereinafter, the scale is shown relative to the scale in FIG. 36 - axis of the abnormal interval; figure 6 shows a fragment 34 with an abnormal interval a - b of the cardioid 18 in the lower half-space at a scale of 5: 1;
на фиг.7 приведен фрагмент 35 кардиоиды в верхнем полупространстве с аномальным интервалом ai - bi в масштабе 10: 1 ;  Fig.7 shows a fragment of 35 cardioids in the upper half-space with an anomalous interval ai - bi at a scale of 10: 1;
на фиг.8 приведен фрагмент годографа с аномальным интервалом А - В, представленном значениями 2 gv в виде суммы значений верхнего и нижнего аномальных интервалов кардиоиды; Fig.8 shows a fragment of the hodograph with an abnormal interval A - B, represented by 2 g v values as the sum of the values of the upper and lower abnormal intervals of the cardioid;
на фиг.9 приведен пример определения местоположения и геометрических параметров избыточной плотностной неоднородности в земных недрах, где: pi - плотность неоднородности в недрах сформировавшая аномалию на поверхности; р2 - средняя плотность вмещающих пород; ПК - пункт наблюдения; rpi и гр2 - результирующие векторы аномальных областей ЗО-годографов, определенные на пунктах наблюдения ПК-1 и ПК-2 соответственно; rxi и г> - горизонтальные составляющие результирующего вектора аномальной области; τζ\ и ΓΖ2 - вертикальные составляющие; figure 9 shows an example of determining the location and geometric parameters of excess density heterogeneity in the earth's interior, where: pi - density heterogeneities in the bowels that formed an anomaly on the surface; p 2 is the average density of the host rocks; PC - observation point; r p i and g p2 are the resulting vectors of the anomalous regions of the ZO-hodographs determined at the observation points PK-1 and PK-2, respectively; r x i and r > are the horizontal components of the resulting vector of the anomalous region; τ ζ \ and ΓΖ2 are the vertical components;
на фиг.10 приведен макет ЗБ-кардиоиды gq, с ЗЭ-годографом. ЗЭ-кардиоида - потенциальная поверхность, представленная значениями радиус-векторов g<p ± ац. figure 10 shows the layout of the ST-cardioid gq, with ZE-hodograph. ZE-cardioid is a potential surface represented by the values of radius vectors g < p ± a c .
на фиг.1 1 приведен макет ЗЭ-годографа g<p с аномальной областью, охарактеризованной результирующим вектором гр, 40 - ось аномальной области 3D- годографа gq>. figure 1 1 shows the layout of the ZE hodograph g < p with an anomalous region, characterized by the resulting vector r p , 40 is the axis of the anomalous region of the 3D hodograph gq > .
Предпочтительный вариант осуществления группы изобретенийA preferred embodiment of a group of inventions
Устройство на фиг.1 дистанционного гравиметрического зондирования содержит два идентичных потенциал- датчика 2 и 3, формирующих градиент- датчик на фиг.2, установленный на диске 4. Термин «потенциал- датчик» введен для обозначения способа измерения, обеспечивающего проведение измерений относительно нулевого значения в полюсе «0» кардиоиды, общего с годографом gq>. Градиент- датчик содержит две пробные массы 5 (mi) и 6 (т2), закрепленные на пьезоэлектрических преобразователях 7 и 8, которые установлены на диске 4 без возможности перемещения, на расстоянии L между центрами пробных масс. На диске 4 фиг.2 точкой привязки значения градиента является точка 9, расположенная на оси симметрии 10 градиент- датчика, равноудаленная от центра вращения пробных масс 5(im) и 6(т2), и расположенная на траектории вращения пробных масс градиент-датчика. Градиент-датчик установлен на диске 4 с таким расчетом, чтобы переменная сила F = m(g(p± ац), действовала на каждую пробную массу датчиков 5 и 6 по их радиусам Ri 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 посредством оси 12 установлен в координационном устройстве 13 с возможностью вращения. Устройство 1 оснащено приводом принудительного вращения 14, обеспечивающем вращение диска 4 с заданной постоянной угловой скоростью ω в прямом и обратном направлениях. Координатное устройство 13 выполнено с возможностью поворота диска на осях 15 и 16 (ось 16 не показана). The device in Fig. 1 of gravimetric sensing contains two identical potential sensors 2 and 3, forming a gradient sensor in Fig. 2, mounted on the disk 4. The term "potential sensor" is introduced to denote a measurement method that provides measurements relative to a zero value in the pole “0” of the cardioid, common with the hodograph gq > . The gradient sensor contains two test masses 5 (mi) and 6 (t 2 ), mounted on piezoelectric transducers 7 and 8, which are mounted on the disk 4 without the possibility of movement, at a distance L between the centers of the test masses. On the disk 4 of FIG. 2, the reference point of the gradient value is point 9, located on the axis of symmetry 10 of the gradient sensor, equidistant from the center of rotation of the test masses 5 (im) and 6 (t 2 ), and located on the trajectory of rotation of the test masses of the gradient sensor . A gradient sensor is installed on disk 4 so that the variable force F = m (g (p ± a c ) acts on each test mass of sensors 5 and 6 along their radii Ri and R 2. On disk 4, zero an indicator sensor 11, for example, an accelerometer with an independent recording channel. As a zero-indicator sensor, one of the channels of the potential sensor 2 or 3, which is part of the gradient sensor, can be used. The disk 4 through the axis 12 is installed in the coordination device 13 with the possibility rotation 1. The device 1 is equipped with a drive at uditelnogo rotation 14 that provides rotation of the disc 4 at a predetermined constant angular velocity ω in the forward and backward directions. Coordinate device 13 is rotatable on the drive shafts 15 and 16 (axle 16 not shown).
Способ дистанционного гравиметрического зондирования реализуют следующим образом. Устройство 1 устанавливают на пункте наблюдения и плоскость диска 4 размещают в уровенной поверхности 17 - ХОУ на фиг.1, 3, 5, 7-1 1. При остановленном диске измерительные каналы устройства регистрируют собственную частоту пьезоэлектрических преобразователей f0 потенциал-датчиков 2 и 3. Проводят контроль метрологических параметров измерительных каналов устройства. Измерения выполняют в условных единицах мгновенных значений разности частоты Afa>, где Δίω - измеренная относительная разность частоты между значением выходных сигналов градиент- датчиков. Диск 4 приводят во вращение и, ступенчато изменяя скорость вращения, устанавливают зависимость частотного электрического сигнала (условной единицы измерения) градиент- датчика от угловой скорости ω в диапазоне рабочего интервала угловой скорости вращения, равного 2ац. Собственную 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 угловой скорости вращения. По результатам измерений строят градуировочные графики (не показаны), определяют их линейность в диапазоне рабочих угловых скоростей вращения диска устройства и погрешности. При выявлении остаточного дисбаланса его значение учитывают при обработке результатов измерений. Все измерения проводят в автоматическом режиме. The method of remote gravimetric sensing is implemented as follows. The device 1 is installed on the observation point and the plane of the disk 4 placed in the level surface 17 - HOU in figure 1, 3, 5, 7-1 1. When the disk is stopped, the measuring channels of the device register the natural frequency of the piezoelectric transducers f 0 potential sensors 2 and 3. The metrological parameters of the measuring channels of the device are monitored. Measurements are performed in arbitrary units of instantaneous values of the frequency difference Afa > , where Δί ω is the measured relative frequency difference between the value of the output signals of the gradient sensors. The disc 4 is rotated, and stepwise changing the rotational speed, set the frequency dependence of the electric signal (the conventional unit of measurement) gradient sensor of angular velocity ω in the range of the working range of the angular rotation velocity equal to 2a p. The natural frequency of the fk comparator is synchronized with the standard signal of the GLONASS / GPS satellite radio navigation systems. The measurements are performed in the forward and reverse directions of rotation of the disk 4 and calculate the average discrete values for the selected modes of angular velocity of rotation. According to the measurement results build calibration graphs (not shown), determine their linearity in the range of working angular speeds of rotation of the disk of the device and the error. When identifying a residual imbalance, its value is taken into account when processing the measurement results. All measurements are carried out automatically.
Далее 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 gv в плоскости вращения диска 4. Измерения gz проводят в интервале времени, в котором показания измерительного канала ноль-индикаторного датчика 11 на фиг.1 , находящегося в верхней точке траектории, равны собственной частоте пьезоэлектрического преобразователя (gz - au = 0). Что соответствует равенству ускорения свободного падения gz центростремительному ускорению ац. Измерения выполняют в сферических координатах (gv, θ, φ) с началом координат в центре вращения пробных масс датчиков, с координатной осью Ζ, совпадающей с линией отвеса, и осью X, направленной в северном направлении по меридиану точки наблюдения. Next, the disk 4 of figure 1 is installed in a plane with a plumb line and rotate. The potential characteristic of the gravitational field is determined as part of the acceleration of gravity gz and its components in the directions g v in the plane of rotation of the disk 4. Measurements g z are carried out in the time interval in which the readings of the measuring channel of the zero-indicator sensor 11 in figure 1, located in the upper point of the trajectory equal to the natural frequency of the piezoelectric transducer (g z - a u = 0). Which corresponds to the equality of the acceleration of gravity gz centripetal acceleration a c . Measurements are performed in spherical coordinates (g v , θ, φ) with the origin at the center of rotation of the probe masses of the sensors, with the coordinate axis Ζ coinciding with the plumb line, and the X axis directed northward along the meridian of the observation point.
При определении gz вычисляют среднее время Т полного оборота ноль- индикаторного датчика в прямом и обратном направлении равномерного вращения диска в каждую сторону вращения. Число оборотов должно быть не менее двух. Рассчитывают значение угловой скорости ω = 2π/Τ, по которой определяют значение центростремительного ускорения ац = gz = co2R см»с"2, где R см = const - радиус вращения ноль-индикаторного датчика. За единицу ускорения свободного падения gz в гравиметрии 9 принят миллигал (мГал), равный 10"5 см»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 сек (вычислено по формуле: Т = 2π/ω = 27i/Vgz/R). На экваторе gz равно 978000 мГал, Т = 0,896136014 с. Таким образом, диапазон времени при измерениях на земной поверхности, составляет 2 379 207 наносекунд (898 515 221 - 896 136 014). Диапазон значений gz на поверхности Земли составляет 983200 - 978000 = 5200 мГал. Разделив диапазон gz на диапазон измеряемого времени полного оборота Т, определяют точность измерений. Например, измерение времени с точностью 1 не (Ы0"9 сек) обеспечивает измерение gz с точностью около 2,2 нГал. Современные средства измерения времени и частоты обеспечивают точность измерения времени и частоты 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 gcp с требуемой точностью. Определение значения модуля результирующего вектора gz выполняют относительно опорных гравиметрических пунктов с известными значениями gz, а при аттестованном значении R в абсолютных единицах. When determining gz, the average time T of the complete revolution of the zero-indicator in the forward and reverse directions of uniform rotation of the disk in each direction of rotation is calculated. The number of revolutions must be at least two. Calculate the value of the angular velocity ω = 2π / Τ, which determines the value of the centripetal acceleration and c = g z = co 2 R cm " s " 2 , where R cm = const is the radius of rotation of the zero-indicator. Per unit gravity acceleration g z in gravimetry 9 adopted milligal (mGal), equal to 10 "5 cm " with "2 and its fractional units. For example, the time of a full revolution T sec of a zero-indicator sensor with a radius of rotation of 20 cm when determining g z at the pole, where g z = 983200 mGal, T will be 0.898515221 sec (calculated by the formula: T = 2π / ω = 27i / Vgz / R). At the equator, gz is 978000 mGal, T = 0.896136014 s. Thus, the time range when measuring on the earth's surface is 2,379,207 nanoseconds (898 515 221 - 896 136 014). The range of gz values on the Earth's surface is 983200 - 978000 = 5200 mGal. Dividing the range g z by the range of the measured time of a full revolution T, determine the accuracy of the measurements. For example, measuring time with an accuracy of 1 nsec (L0 "9 sec) provides a measurement of g z with an accuracy of about 2.2 nGal. Modern time and frequency measuring instruments provide an accuracy of measuring time and frequency of more than 10 " 12 , which surely covers the nanosecond range. Thus, the method allows to increase the measurement accuracy by several orders of magnitude and to determine the values of the acceleration of gravity gz and its components in the directions gcp with the required accuracy. The determination of the value of the module of the resulting vector g z is performed relative to the reference gravimetric points with known values of g z , and with the certified value of R in absolute units.
Одновременно с определением gz измеряют градиент кардиоиды 18 (фиг.З и фиг.5- 7,10) по траектории вращения градиент- датчика в условных единицах относительной разности частоты, с выходными частотными сигналами пьезодатчиков fi 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 относительной 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 график градиента кардиоиды 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°. Значение L выбрано из соображений наглядности графиков. Графики 19 и 21, за исключением аномальных интервалов а - b и ai - bi, представляют «нормальный градиент» кардиоиды 18 и имеют выраженные особенности, в том числе: - графики градиента в прямом 19 и обратном 21 направлениях вращения, состоят из подобных друг другу 8-ми модульных интервалов по 90° с осями симметрии 23, 24, 25, 26 и абсциссы 27, а также 4 модульных интервалов по 180° и абсциссы 27; Simultaneously with the determination of g z, the gradient of the cardioid 18 is measured (Figs. 3 and 5-7.10) along the rotation path of the gradient sensor in arbitrary units of the relative frequency difference, with the output frequency signals of the piezoelectric sensors fi and f 2 . In this case, the measuring channels of the device register a continuous stream of high-frequency digital signal. Each interval of cardioid 18, lying within one degree, is characterized by many hundreds of instantaneous values, with a sufficient characteristic of 1-2 values. Therefore, the gradient graph is characterized by discrete values of the relative frequency difference at the points of the cardioid, uniformly distributed along the rotation path within the established averaging interval. The point of the detected discrete gradient value of the cardioid 18 is the coordinate φ in the plane of rotation Θ. Figure 4 shows the graph of the gradient of the cardioid 19 plotted in the right direction of rotation 20, and the graph of the gradient of 21 for the left rotation of 22. In the above example, the distance L between the test masses (shoulder) of the gradient sensor is 15 ° with a step between the points of the graph of 15 ° . The value of L is chosen for reasons of clarity of graphs. Graphs 19 and 21, with the exception of the abnormal intervals a - b and ai - bi, represent the "normal gradient" of cardioids 18 and have pronounced features, including: - gradient graphs in the forward 19 and 21 reverse directions of rotation, consist of 8 modular intervals of 90 ° similar to each other with symmetry axes 23, 24, 25, 26 and abscissas 27, as well as 4 modular intervals of 180 ° and abscissas 27 ;
- 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 graph 0 and 12 lie on the plumb line with the resulting vector g z . The gradient at points 0 and 12 (φ = 0 and 180 °) is 0 and is not determined.
Графики градиентов 19 и 21 кардиоиды 18 построены с помощью палетки 28 на фиг.З. Палетка 28 построена следующим образом. Через точки расчетной кардиоиды 18, соответствующие концам радиус-векторов gcp- gzcoscp ± ац (точки кардиоиды 1, 2 ... 23 на фиг.З), проведены эквипотенциальные окружности 29 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.З равна разности потенциалов (градиенту) между концами радиус-векторов 15 и 16 кардиоиды с точкой привязки значения градиента в точке 31. В описанном примере расстояние по окружности 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 окружности «радиусной» симметрии 32 с точками 6 и 18, принадлежащими уровенной поверхности, охарактеризованными значениями ац = gz кардиоиды, и результирующим радиус-вектором gz годографа 33 - точка годографа 12'. Программа компьютерной обработки материалов измерений содержит алгоритм палетки. Graphs of gradients 19 and 21 of cardioids 18 are plotted using palette 28 in FIG. Palette 28 is constructed as follows. Equipotential circles 29 centered at the pole “0” of cardioids 18 are drawn through the points of the calculated cardioid 18, corresponding to the ends of the radius vectors gcp-g z coscp ± a ^ (points of the cardioid 1, 2 ... 23 in FIG. 3). circles 29 are drawn marked by thin lines of circles 30, which determine the geometric location of the binding values of the gradient. The distance between the circles 29 corresponds to the increment of the potential (gradient) along the radius of the palette. For example, the length of the segment c - d in Fig. H is equal to the potential difference (gradient) between the ends of the radius vectors 15 and 16 of the cardioid with the anchor point of the gradient at point 31. In the described example, the circumferential distance between the points of the cardioid is 15 °. The outer circumference of the pallet 28 with angular values corresponds to the conditional trajectory of the gradient sensor with the center of rotation at the pole of the cardioid "0". The peculiarity of the palette is the presence of a circle of "radius" symmetry 32 with points 6 and 18 belonging to the level surface, characterized by the values a c = gz of the cardioid, and the resulting radius vector g z of hodograph 33 — the hodograph point 12 '. The computer program for processing measurement materials contains a palette algorithm.
Детальность графика градиента кардиоиды увеличивают, уменьшая размеры интервала усреднения, и увеличивая количество дискретных значений, характеризующих кардиоиду. Например, аномальные интервалы а - b и ai - bi кардиоиды на фиг.З, 4 и 5 охарактеризованы девятью дискретными значениями, включая точки границ аномального интервала.  The detail of the gradient graph of cardioids is increased, reducing the size of the averaging interval, and increasing the number of discrete values characterizing the cardioid. For example, the abnormal intervals a - b and ai - bi of the cardioids in Figs. 3, 4 and 5 are characterized by nine discrete values, including the points of the boundaries of the anomalous interval.
По графикам градиентов 19 и 21 с использованием палетки 28 строят график потенциальной характеристики поля на пикете наблюдения - кардиоиду 18. Вычисление кардиоиды выполняют отдельно по каждому направлению вращения градиент-датчика. Последовательно суммируют дискретные значения градиента от полюса «0» по замкнутому контуру с шагом суммирования равным шагу измерения градиента. Контроль правильности вычисления кардиоиды осуществляют по четырем точкам, расположенным на кардиоиде через 90° на фиг.З. В том числе: - в полюсе кардиоиды «0»; - в точках 6 и 18, лежащих в уровенной плоскости, в которых значение модулей радиус-векторов представлено значением ац; - в нижней точке кардиоиды, лежащей на линии отвеса, где значение модуля радиус-вектора кардиоиды равно удвоенному значению центростремительного ускорения (2ац = 2gz = gz + ац). Контроль построения кардиоиды позволяет вычислять и учитывать поправки за систематические погрешности, возникающие при измерениях и расчетах. По полученным кардиоидам в прямом и обратном направлении вращения, вычисляют средние дискретные значения, характеризующие точки измеренной кардиоиды 18. According to the graphs of gradients 19 and 21, using a palette 28, a graph of the potential field characteristic at the observation picket, cardioid 18, is built. Cardioids are calculated separately for each direction of rotation of the gradient sensor. Consistently summarize the discrete values of the gradient from the pole "0" in a closed loop with a summing step equal to the step of measuring the gradient. The control of the correct calculation of the cardioid is carried out at four points located on the cardioid through 90 ° in Fig.Z. Including: - at the pole of the cardioid "0"; - at points 6 and 18 lying in the level plane, in which the value of the moduli of radius vectors represented by the value as q; - at the bottom point of the cardioid lying on the plumb line, where the modulus of the radius vector of the cardioid is equal to twice the centripetal acceleration (2a c = 2g z = g z + a c ). Control of the construction of cardioids allows you to calculate and take into account corrections for systematic errors that occur during measurements and calculations. From the obtained cardioids in the forward and reverse direction of rotation, the average discrete values characterizing the points of the measured cardioid 18 are calculated.
Каждое направление φ кардиоиды 18, охарактеризовано двумя разнонаправленными радиус-векторами (gv + ац) + (gq - ац), лежащими на одной прямой с общим полюсом «0». Суммарное значение модулей указанных радиус-векторов равно 2gz = 2ац - gz + ац, куда входят и аномальные приращения gv. На фиг.5 приведены графики 1А 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.З. Способ описан на примере определения локальной сферической неоднородности с избыточной плотностью п относительно плотности вмещающих пород г2. В нижней части кардиоиды 18 аномальный интервал а - b выделен в виде фрагмента 34 и сформирован суммой модулей радиус-векторов gq, + ац + Agv. На фиг.6 фрагмент 34 приведен в масштабе 5: 1. В верхней части кардиоиды аномальный интервал ai - bi охарактеризован разностью g<p - ац - Ag<p, формирует «мнимый» аномальный интервал, обозначенный как фрагмент 35. Интервал ai - bi зеркально перевернут в полюсе «0» относительно интервала а - b на фрагменте 34. Полюс играет роль фокуса, переворачивающего изображение. Если не учитывать влияния вертикального градиента, измеренные значения Agv в верхнем и нижнем интервалах графика кардиоиды равны и имеют один и тот же знак. Например, точки графика градиента 19 на фиг.4 с аномальными интервалами а - b и ai - bi, охарактеризованы одинаковыми значениями Ag<p. Поскольку аномальными интервалами а - b и ai - bi характеризуют одну и ту же неоднородность, объединяют их значения. Объединение выполняют посредством проецирования аномальных приращений радиус-векторов Ag9 по их направлению на нормальный годограф и суммирования их модулей. В результате получают аномальный интервал А - В на годографе 33 (фиг.8), охарактеризованный значениями 2Ag<p. Описанный прием увеличивает в два раза рельефность аномального интервала и, соответственно, повышает качество измерений. Границы локального аномального интервала г на годографе g9 лежат в пределах сектора, ограниченного лучами А и В, с вершиной в центре вращения градиент- датчика - полюсе 0. Аномальный интервал на годографе характеризуют центральным углом и осью аномального интервала 36. Аномальные приращения, связанные с влиянием планет, имеют отрицательные приращения - Agc . Тот же эффект получают от плотностной неоднородности с меньшей плотностью pi относительно средней плотности вмещающих пород г2. Интервалы а - b и ai - bi характеризуют осью 36 аномального интервала с углом φ и центральным углом. На фиг.5 - угол φ = 26°, и центральный угол - 29° Each direction φ of the cardioid 18 is characterized by two multidirectional radius vectors (g v + a c ) + (gq - a c ) lying on a straight line with a common pole “0”. The total value of the moduli of these radius vectors is 2g z = 2a c - g z + a c , which also includes anomalous increments g v . Figure 5 shows graphs of 1 A cardioids 18 with a hodograph 33 in a 2: 1 scale with hatched anomalous intervals, indicated as fragments 34 and 35. The scale in Fig. 3 is taken as a unit of relative scale. The method is described by the example of determining a local spherical heterogeneity with an excess density n relative to the density of the host rocks g 2 . In the lower part of cardioid 18, the abnormal interval a - b is selected in the form of fragment 34 and is formed by the sum of the moduli of radius vectors gq, + a c + Ag v . In Fig. 6, fragment 34 is shown on a 5: 1 scale. In the upper part of the cardioid, the abnormal interval ai - bi is characterized by the difference g <p - and c - Ag < p, forms the "imaginary" abnormal interval, designated as fragment 35. The interval ai - bi is mirrored in the “0” pole relative to the interval a - b on fragment 34. The pole plays the role of a focus that flips the image. If the effects of the vertical gradient are not taken into account, the measured values of Ag v in the upper and lower intervals of the cardioid graph are equal and have the same sign. For example, the points of the gradient graph 19 in Fig. 4 with abnormal intervals a - b and ai - bi are characterized by the same values of Ag <p. Since the abnormal intervals a - b and ai - bi characterize the same heterogeneity, their values are combined. The combination is performed by projecting anomalous increments of the radius vectors Ag 9 in their direction to the normal hodograph and summing their modules. The result is an abnormal interval A - B in locus 33 (Fig. 8), characterized by 2Ag <p. The described technique doubles the relief of the anomalous interval and, accordingly, improves the quality of measurements. The boundaries of the local anomalous interval g on the hodograph g 9 lie within a sector bounded by rays A and B, with a vertex in the center of rotation of the gradient sensor - pole 0. The abnormal interval on the hodograph is characterized by the central angle and axis of the abnormal interval 36. The abnormal increments associated with the influence of the planets have negative increments - Agc. The same effect is obtained from the density heterogeneity with a lower density pi relative to the average density of the host rocks g 2 . The intervals a - b and ai - bi characterize the axis 36 of the anomalous interval with an angle φ and a central angle. Figure 5 - angle φ = 26 °, and the Central angle - 29 °
Определяют «цену» условной единицы «к», которую вычисляют посредством нахождения частного от деления значения результирующего радиус-вектора gz в единицах ускорения на значение радиус-вектора gz в условных единицах разности частоты Af, например, наногал/усл. ед. Пересчитывают значения модулей аномальных приращений ±Ag<p ЗЭ-годографа gq>, модуля результирующего вектора аномальной области гр, его проекции на уровенную плоскость ХОУ и ось Z в дольные единицы ускорения свободного падения посредством умножения их модулей на коэффициент к. Determine the "price" of the arbitrary unit "k", which is calculated by finding the quotient of dividing the value of the resulting radius vector g z in acceleration units by the value of the radius vector g z in arbitrary units of the frequency difference Af, for example, nanogal / srvc. units The modulus values of the anomalous increments ± Ag <p of the ZE hodograph gq>, the modulus of the resulting vector of the anomalous region r p , its projection onto the level plane of the COW and the Z axis are converted into fractional units of gravity acceleration by multiplying their modules by the coefficient k.
На схематических разрезах, выполненных в масштабе, определяют координаты центра масс неоднородности в земных недрах на фиг.9 посредством определения точки 40 пересечения осевых линий 41 с результирующими векторами аномальных областей гр, определенных на нескольких пунктах наблюдения. Например, пункты наблюдения ПК-1 и ПК-2 на фиг.9 расположены с разных сторон относительно центра масс неоднородности с избыточной плотностью Γι в земных недрах со средней плотностью вмещающих пород г2. Аналогично определяют геометрические контуры плотностной неоднородности 42. Продлевают линии (лучи А и В), которыми ограничены аномальные области на 3D- годографах g<p, определенные на нескольких пунктах наблюдения и определяют контуры плотностной неоднородности в недрах. Строят пространственную идеализированную модель неоднородности, сформировавшую аномалию. Характерные сечения неоднородности 42 в недрах земли, результирующие векторы и его проекции отображают на карте и разрезах с геологической информацией в принятом масштабе. In the schematic sections made to scale, the coordinates of the center of mass of heterogeneity in the earth's interior are determined in Fig. 9 by determining the point 40 of intersection of the axial lines 41 with the resulting vectors of the anomalous regions r p defined at several observation points. For example, the observation points PK-1 and PK-2 in Fig. 9 are located on different sides relative to the center of mass of the heterogeneity with an excess density Γι in the earth's interior with an average density of the host rocks g 2 . The geometric contours of density inhomogeneity are determined in a similar way 42. The lines (rays A and B) that limit the anomalous areas on 3D hodographs g <p, defined at several observation points, are extended and the contours of density inhomogeneity in the bowels are extended. They construct a spatial idealized model of heterogeneity that forms an anomaly. The characteristic sections of the heterogeneity 42 in the bowels of the earth, the resulting vectors and its projections are displayed on the map and sections with geological information on an accepted scale.
На фиг.10 и фиг.1 1 приведены характеристики поля на земной поверхности в виде графических моделей в присутствии локальной плотностной неоднородности в недрах. По результатам измерения серии кардиоид 18 в разных азимутах вращения с общим вектором gz получают ЗО-кардиоиду 37 на фиг.10. Поверхность ЗО-кардиоиды 37 характеризует потенциальную поверхность напряженности поля на пункте наблюдения в условиях измерений с использованием меры сравнения - центростремительного ускорения ац. Вычитают из ЗО-кардиоиды постоянное значение меры сравнения ац и получают 3D- годограф gq> на фиг.1 1 с аномальной областью 39. ЗЭ-годограф gip характеризует потенциальную поверхность напряженности поля в виде сферы 38 на пункте наблюдения с результирующим радиус-вектором gz. По аномальным интервалам, лежащим в пределах аномальной области 39, определяют результирующий вектор аномальной области гр, вертикальную rz и горизонтальную гх составляющие - показано на фиг.9. Figure 10 and figure 1 1 shows the characteristics of the field on the earth's surface in the form of graphical models in the presence of local density heterogeneity in the bowels. According to the results of measuring a series of cardioid 18 in different azimuths of rotation with a common vector g z , the GZ-cardioid 37 in FIG. 10 is obtained. The surface of the ZO-cardioid 37 characterizes the potential surface of the field strength at the observation point in the conditions of measurements using a comparison measure - centripetal acceleration and c . Is subtracted from the LP-cardioid constant value comparison steps and q and 3D- obtained polar plot gq> 1 1 with abnormal region 39. GE-polar plot characterizes gip the potential surface of the field strength in the form of a sphere 38 at the observation point with the resulting radius vector g z . From the abnormal intervals lying within the anomalous region 39, determine the resulting vector of the anomalous region r p , vertical r z and horizontal g x components - shown in Fig.9.

Claims

ФОРМУЛА ИЗОБРЕТЕНИЯ CLAIM
1. Способ дистанционного гравиметрического зондирования, заключающийся в том, что пространственное положение плотностной неоднородности в недрах, определяют посредством дополнении значения модуля ускорения свободного падения gz значением центростремительного ускорения ац - мерой сравнения и регистрации угловой скорости ω в интервале времени, в котором модули радиус-векторов gz и ац в верхней точке траектории равномерного вращения пробной массы равны и разнонаправлены, вычислении значения ускорения свободного падения gz = co2R (R=const) и определении значений составляющих gz по направлениям φ в виде радиус-векторов gv = gzcoscp± ац посредством измерения мгновенного значения электрического сигнала потенциал-датчика в условных единицах, получении потенциальной характеристики напряженности гравитационного поля на пункте наблюдения в плоскости вращения потенциал-датчика в виде полярного графика 360° - кардиоиды, и серия кардиоид по разным азимутам ориентации плоскости вращения с общим вектором gz, после вычитания значений меры сравнения ац, характеризует наблюденный ЗБ-годограф gq> - сферу, по результатам сопоставления которой со значениями «нормального годографа», рассчитанными по формуле g(p = gzcoscp, выявлении аномальной области на ЗО-годографе, охарактеризованной аномальными отклонениями ±Ag<p, отличающийся тем, что измеряют градиент кардиоиды по траектории вращения градиент- датчика, при этом градиент характеризуют в условных единицах относительной разности частоты между двумя потенциал-датчиками, формирующими градиент-датчик с выходными частотными сигналами fi и f2. 1. The method of remote gravimetric sounding, which consists in the fact that the spatial position of the density inhomogeneity in the bowels, is determined by supplementing the value of the gravitational acceleration modulus g z with the centripetal acceleration and c as a measure of comparing and recording the angular velocity ω in the time interval in which the radius -vectors gz and q and the top point of the trajectory of uniform rotation of the proof mass are equal and in different directions, calculating the value of the gravitational acceleration gz = co 2 R (R = const) and by the value of components of g z in directions φ a radius vectors g v = g z coscp ± and q by measuring the instantaneous value of the electrical signal potential sensor in arbitrary units, obtaining potential characteristics of the gravitational field strength at the observation point in the plane of rotation of the potential sensor a polar chart 360 ° - cardioid, cardioid and a series of different azimuth orientation of the plane of rotation with a common vector gz, after subtraction of the value comparison steps and q characterizes observed by the ST-travel-time f gq> - sphere, the results of comparison of which with the values of "normal locus", calculated according to the formula g (p = g z coscp, identifying abnormal area on LP-Hodograph characterized by abnormal deviations ± Ag <p, characterized in that the measured gradient cardioids along the rotation path of the gradient sensor, and the gradient is characterized in arbitrary units of the relative frequency difference between two potential sensors forming a gradient sensor with output frequency signals fi and f 2 .
2. Способ по п.1, отличающийся тем, что за точку регистрации мгновенного значения градиента на траектории вращения принимают координаты точки на диске, равноудаленной от центров масс градиент-датчика и находящейся на траектории вращения центров пробных масс градиент- датчика.  2. The method according to claim 1, characterized in that the coordinates of a point on the disk equidistant from the centers of mass of the gradient sensor and located on the rotation path of the centers of trial masses of the gradient sensor are taken as the registration point of the instantaneous gradient value on the rotation path.
3. Способ по п.1 , отличающийся тем, что относительную разность частоты измеряют посредством частотного компаратора, при этом частоту компаратора синхронизируют стандартным сигналом спутниковых радионавигационных систем ГЛОНАСС/GPS.  3. The method according to claim 1, characterized in that the relative frequency difference is measured using a frequency comparator, while the frequency of the comparator is synchronized with the standard signal of the GLONASS / GPS satellite navigation systems.
4. Способ по п.1, отличающийся тем, что график градиента характеризуют дискретными значениями относительной разности частоты в точках кардиоиды, равномерно распределенными по траектории вращения, дискретные значения точек графика градиента характеризуют средними значениями относительной разности частоты, которые вычисляют в пределах установленного интервала усреднения, при этом детальность графика градиента кардиоиды увеличивают, уменьшая интервал усреднения и увеличивая количество дискретных значений на траектории вращения градиент- датчика. 4. The method according to claim 1, characterized in that the gradient graph is characterized by discrete values of the relative frequency difference at the cardioid points uniformly distributed along the rotation path, discrete points the gradient graph is characterized by the average values of the relative frequency difference, which are calculated within the established averaging interval, while the detail of the gradient of the cardioid is increased, decreasing the averaging interval and increasing the number of discrete values on the rotation path of the gradient sensor.
5. Способ по п.1, отличающийся тем, что рассчитывают две кардиоиды отдельно по каждому направлению вращения градиент-датчика, с началом вычисления от полюса кардиоиды «0» - последовательно суммируют дискретные значения градиента по каждому направлению вращения по замкнутому контуру (0 - 360°) с шагом суммирования равным шагу измерения градиента и вычисляют средние дискретные значения точек кардиоиды.  5. The method according to claim 1, characterized in that two cardioids are calculated separately for each direction of rotation of the gradient sensor, with the beginning of the calculation from the pole of the cardioid “0”, the discrete values of the gradient in each direction of rotation along a closed loop are summed (0 - 360 °) with a step of summing equal to the step of measuring the gradient and calculate the average discrete values of the points of the cardioid.
6. Способ по п.1, отличающийся тем, что контроль правильности расчета точек кардиоиды осуществляют по четырем точкам, расположенным через 90°: - в полюсе «0»; - двух точках, лежащих в уровенной плоскости, в которых значение модуля радиус-вектора представлено значением ац; - в нижней точке кардиоиды, лежащей на линии отвеса, где значение модуля радиус-вектора кардиоиды g<p равно удвоенному значению центростремительного ускорения (2ац = 2gz = gz + ац). 6. The method according to claim 1, characterized in that the control of the correct calculation of the points of the cardioid is carried out at four points located through 90 °: - in the pole "0"; - two points lying on a level plane in which the value of the modulus of the radius vector is represented by a value y; - at the bottom point of the cardioid lying on the plumb line, where the value of the cardioid radius vector modulus g <p is equal to twice the centripetal acceleration (2a c = 2g z = g z + a c ).
7. Способ по п.1, отличающийся тем, что определяют границы аномального интервала на кардиоиде gq>, «видимые» из точки наблюдения, расположенной в полюсе 0 - секторе, который характеризуют центральным углом и результирующим вектором аномального интервала г, лежащим на оси сектора, и аномальные интервалы кардиоиды, выявленные в нижней и верхней частях кардиоиды, проецируют на нормальный годограф g(p по радиус-векторам и суммируют модули аномальных приращений Agy.  7. The method according to claim 1, characterized in that the boundaries of the anomalous interval on the cardioid gq> are determined, which are "visible" from the observation point located in the pole 0 — the sector, which is characterized by the central angle and the resulting vector of the anomalous interval g lying on the axis of the sector , and the abnormal intervals of the cardioids detected in the lower and upper parts of the cardioids are projected onto the normal hodograph g (p according to the radius vectors and sum the moduli of the abnormal increments Agy.
8. Способ по п.1, отличающийся тем, что детализируют выявленную аномальную область на ЗО-годографе g<p, уточняют границы аномалии, направление и значение модуля результирующего вектора гр аномальной области посредством дополнительных измерений в пределах ее границ. 8. The method according to claim 1, characterized in that the revealed anomalous region is detailed on the GZ hodograph g <p, the anomaly boundaries, the direction and value of the module of the resulting vector r r of the anomalous region are clarified by additional measurements within its boundaries.
9. Способ по п.1, отличающийся тем, что пространственное положение результирующего вектора гр аномальной области на ЗО-годографе gq> характеризуют в сферических координатах (гр, θ, φ) с началом координат в центре вращения пробных масс градиент-датчика: углом Θ (между плоскостью с осью Ζ и вектором гр и меридианом точки наблюдения в северном направлении), и углом φ (между результирующим вектором гр и осью Ζ). 9. The method according to claim 1, characterized in that the spatial position of the resulting vector r r of the anomalous region on the ZO hodograph gq> is characterized in spherical coordinates (r r , θ, φ) with the origin at the center of rotation of the probe masses of the gradient sensor: the angle Θ (between the plane with the axis Ζ and the vector r p and the meridian of the observation point in the north direction), and the angle φ (between the resulting vector r r and the axis Ζ).
10. Способ по п.1, отличающийся тем, что определяют цену условной единицы измерения «к» посредством вычисления частного от деления значения gz, определенного в единицах ускорения свободного падения, на значение gz в условных единицах относительной разности частоты Δι"ι-2, которыми охарактеризован результирующий радиус-вектор gz. 10. The method according to claim 1, characterized in that the price of the conventional unit of measurement “k” is determined by calculating the quotient of dividing the value of g z determined in units of acceleration of gravity by the value of gz in arbitrary units relative frequency difference Δι " ι -2 , which characterized the resulting radius vector g z .
И . Способ по п.1, отличающийся тем, что пересчитывают значения модулей аномальных приращений ±Ag , модуль результирующего вектора гр аномальной области ЗО-годографа g<p и его проекции на уро венную плоскость ХОУ - гх и ось Z - rz, измеренные в условных единицах, в дольные единицы ускорения свободного падения посредством умножения их модулей на коэффициент к. And. A method according to claim 1, characterized in that the converted values of the moduli of abnormal increments ± Ag, module resulting vector g p anomalous region LP-locus g <p and its projection on the plane XOY uro vennuyu - r x and the axis Z - r z, measured in arbitrary units, to fractional units of the acceleration due to gravity by multiplying their modules by the coefficient k.
12. Способ по п.1, отличающийся тем, что определяют координаты центра масс плотностной неоднородности, охарактеризованной аномалией на земной поверхности, посредством нахождения координат точки пересечения линий с результирующими векторами гр, определенными на нескольких пунктах наблюдения, расположенных на разных расстояниях и с разных сторон относительно центра масс неоднородности. 12. The method according to claim 1, characterized in that the coordinates of the center of mass of the density inhomogeneity, characterized by an anomaly on the earth's surface, are determined by finding the coordinates of the point of intersection of the lines with the resulting vectors r p defined at several observation points located at different distances and from different sides relative to the center of mass of the heterogeneity.
13. Способ по п.1, отличающийся тем, что определяют геометрические параметры плотностной неоднородности посредством проецирования аномальных областей ЗО-годографов g<p, полученных на разных пунктах наблюдения, в направлении центра масс, определяют пространственные границы и строят объемную идеализированную модель неоднородности. 13. The method according to claim 1, characterized in that the geometric parameters of the density inhomogeneity are determined by projecting the anomalous regions of the ZO hodographs g < p obtained at different observation points in the direction of the center of mass, spatial boundaries are determined, and an idealized volumetric model of heterogeneity is constructed.
14. Устройство для реализации способа дистанционного гравиметрического зондирования, содержащее потенциальный и ноль-индикаторный датчики, установленные на диске в координатном устройстве с возможность вращения диска в плоскостях, ориентированным по разным азимутам с общей координатной осью Z, с постоянной угловой скоростью со, постоянным радиусом вращения датчиков в прямом и обратном направлении, оснащенное секундомером, усилителем, компьютером, системой управления производством измерений, системой терморегуляции, отличающееся тем, что устройство оснащают дополнительным потенциал-датчиком, формирующим совместно с существующим потенциал-датчиком градиент-датчик, который характеризуют постоянным расстоянием L между центрами масс потенциал-датчиков.  14. A device for implementing the method of remote gravimetric sensing, containing potential and zero indicator sensors mounted on the disk in a coordinate device with the ability to rotate the disk in planes oriented in different azimuths with a common coordinate axis Z, with a constant angular velocity c, constant radius of rotation sensors in the forward and reverse direction, equipped with a stopwatch, amplifier, computer, measurement control system, thermoregulation system, characterized in that the device is equipped with an additional potential sensor, which forms, together with the existing potential sensor, a gradient sensor, which is characterized by a constant distance L between the centers of mass of the potential sensors.
15. Устройство по п.14, отличающееся тем, что устройство оснащено, по крайней мере, двумя градиент-датчиками, охарактеризованными разными расстояния L между центрами масс градиент- датчика.  15. The device according to 14, characterized in that the device is equipped with at least two gradient sensors, characterized by different distances L between the centers of mass of the gradient sensor.
PCT/RU2014/000954 2014-08-18 2014-12-17 Method and apparatus for remote gravimetric sounding WO2016028189A1 (en)

Applications Claiming Priority (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
RU2014133691 2014-08-18

Publications (1)

Publication Number Publication Date
WO2016028189A1 true WO2016028189A1 (en) 2016-02-25

Family

ID=55351027

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
PCT/RU2014/000954 WO2016028189A1 (en) 2014-08-18 2014-12-17 Method and apparatus for remote gravimetric sounding

Country Status (2)

Country Link
RU (1) RU2581076C2 (en)
WO (1) WO2016028189A1 (en)

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN114966877A (en) * 2022-05-12 2022-08-30 中国人民解放军海军工程大学 Gravity vector field construction method, system, medium, equipment and terminal

Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
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
RU2504803C2 (en) * 2011-11-23 2014-01-20 Геннадий Алексеевич Петренко Device and method for measurement of gravitational acceleration

Patent Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
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)
RU2504803C2 (en) * 2011-11-23 2014-01-20 Геннадий Алексеевич Петренко Device and method for measurement of gravitational acceleration

Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN114966877A (en) * 2022-05-12 2022-08-30 中国人民解放军海军工程大学 Gravity vector field construction method, system, medium, equipment and terminal
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

Also Published As

Publication number Publication date
RU2014133691A (en) 2016-03-10
RU2581076C2 (en) 2016-04-10

Similar Documents

Publication Publication Date Title
CN103808331B (en) A kind of MEMS three-axis gyroscope error calibrating method
US7932718B1 (en) System and method using magnetic anomaly field magnitudes for detection, localization, classification and tracking of magnetic objects
CN108363078B (en) Dynamic positioning error testing device, system and method for navigation positioning system
RU2269813C2 (en) Method for calibrating parameters of platform-less inertial measuring module
CN101290326A (en) Rock quartz flexibility accelerometer measuring component parameter identification calibration method
RU2602736C1 (en) Method and device for calibration of inertial measurement modules
CN110017812B (en) Measuring device and method for vertical line deviation, gravitational acceleration and gravity gradient
CN106842080B (en) A kind of magnetic field measuring device posture swing interference minimizing technology
CN102279002A (en) Calibration method of star sensor measuring coordinate system and carrier coordinate system transformation matrix
RU2577806C1 (en) Method of calibrating accelerometric three-axis inclinometer
RU2717566C1 (en) Method of determining errors of an inertial unit of sensitive elements on a biaxial rotary table
CN102707092B (en) Calibration method for single-beam laser tachymeter based on angular rate table
WO2016028189A1 (en) Method and apparatus for remote gravimetric sounding
CN108803373B (en) Ground speed eliminating method of three-axis turntable
CN103940444B (en) MIMU (Micro Inertial Measurement Unit) networking type system grade calibration method
CN113865583B (en) Accelerometer combination dynamic installation deviation matrix determining and compensating method
RU2386107C1 (en) Independent method of determining initial orientation of instrument coordinate system of gimballess inertial unit of controlled object relative base coordinate system
Gryazin et al. The method for estimating the dynamic error of sensors and modules under their operating conditions and its application
RU138023U1 (en) DEVICE FOR CALIBRATING A THREE-COMPONENT MAGNETOMETER
RU2504803C2 (en) Device and method for measurement of gravitational acceleration
RU2507392C1 (en) Method for zenith angle and drift direction determination and gyroscopic inclinometer
RU2697859C1 (en) Method for determining location of a ground mobile object
Tomaszewski et al. Analysis of the noise parameters and attitude alignment accuracy of INS conducted with the use of MEMS-based integrated navigation system
RU2674535C1 (en) Method for magnetic compass field calibration
RU2779274C1 (en) Method for measuring errors of the initial alignment of an inertial navigation system without reference to external landmarks

Legal Events

Date Code Title Description
121 Ep: the epo has been informed by wipo that ep was designated in this application

Ref document number: 14900333

Country of ref document: EP

Kind code of ref document: A1

NENP Non-entry into the national phase

Ref country code: DE

122 Ep: pct application non-entry in european phase

Ref document number: 14900333

Country of ref document: EP

Kind code of ref document: A1