КВАНТОВЫЙ АЭРОМАГНИТОМЕТР

Предлагаемая полезная модель предназначена для измерения магнитного поля Земли и относится к области аэромагнитных исследований.
В настоящее время при проведении аэромагнитных исследований используются два варианта крепления блока магниточувствительного (БМЧ), содержащего магниточувствительный датчик, к летательному аппарату: выпускной и жесткий (см., например, Справочник геофизика. Т.VI. Магниторазведка. Под ред. А.И.Заборовского и В.Е.Никитского. Изд-во «Недра», М., 1969, с.100-101, табл.III.1). При выпускном варианте БМЧ размещается в гондоле, которая буксируется за летательным аппаратом на кабель-тросе. Этот вариант используется на летательных аппаратах любого типа, т.е. и на самолетах, и на вертолетах. В этом варианте магнитные помехи летательного аппарата, возникающие при его эволюциях и изменении режимов работы электрооборудования, не оказывают сколько-нибудь заметного влияния на результаты исследований благодаря большому расстоянию между ним и магниточувствительным датчиком, но проведение работ не допускается на небольших высотах или с обтеканием рельефа. Недостатками этого варианта являются также наличие сравнительно громоздкой и тяжелой лебедки, достаточно сложные процессы выпуска и уборки гондолы, а в некоторых случаях, например, при проведении высокоточной съемки - необходимость определять положение гондолы в пространстве с последующим учетом этих данных при обработке информации.
Жесткий вариант крепления БМЧ используется только на самолетах. Магниточувствительный датчик относят как можно дальше от ферромагнитных масс и электрооборудования самолета, например, на киль, конец фюзеляжа или на специальную конструкцию - ферму или обтекатель - сзади за фюзеляжем. Конструкция самолета и его размеры позволяют при этом обеспечить расстояние до нескольких десятков метров (даже на таком маленьком самолете, как Ан-2, достигается расстояние между магниточувствительным датчиком и двигателем порядка 12 м). Этого, однако, недостаточно для полного устранения искажений результатов измерений, порожденных
эволюциями движения и изменениями режимов работы электрооборудования самолета. Поэтому такой вариант используется с обязательной компенсацией помех самолета.
Вертолет обладает гораздо большей маневренностью, чем самолет, и при определенных условиях - сложном рельефе, необходимости работать на небольших высотах с обтеканием рельефа и др. - имеет существенные преимущества по сравнению с самолетом. Однако на вертолете, вследствие его конструктивных особенностей и сравнительно небольших габаритов, достижимое удаление от источников помех не превышает нескольких метров, вследствие чего уровень создаваемых помех от эволюции движения и изменения режимов работы электрооборудования значительно больше, чем у самолета. Кроме того, появляется специфическая только для вертолета достаточно высокочастотная винтовая помеха (от 4 Гц и выше), для исключения влияния которой требуется большое быстродействие магнитометра, намного превышающее быстродействие самолетного магнитометра. Поэтому простой перенос магнитометра и компенсатора с самолета на вертолет оказывается невозможным.
Известна попытка жестко укрепить БМЧ с магниточувствительным датчиком протонного магнитометра на фюзеляже вертолета (Отчет по теме «Разработка магнитного канала комплексной геофизической станции с жестким креплением датчика (вертолетный вариант)». Раздел II. МГ СССР, НПО «Геофизика», ВИРГ, Л., 1977. Стр.23-25, 92-93. РГФ, Фонды ФГУНПП "Геологоразведка". Инв. №1511). Однако этот магнитометр был очень грубый (среднеквадратическая погрешность 1,6 нТл), и для компенсации помех вертолета использовался простой параметрический компенсатор. Современные магнитометры обладают как минимум на два порядка меньшей погрешностью (В.И.Шепшелевич, В.Ю.Яцкаер. Результаты стендовых и летных испытаний Кстс аэромагнитометра. Разведка и охрана недр. 2002. №12. с.36-38. Погрешность аэромагнитных измерений - 0,012 нТл). Очевидно, что столь огромная разница в погрешностях требует принципиально иного подхода к методам и аппаратным решениям компенсации помех вертолета.
Известен вертолетный аэромагнитометр по а.с. СССР №1584591, приор. 19.12.88 г., МПК G 01 V 3/16, опубл. 10.01.2000 г., содержащий первичный преобразователь, преобразователь частоты в цифровой код, цифровой регистратор, блок синхронизации, датчик оборотов воздушного винта вертолета, блок регулировки фазы. Преобразователи частоты в код, которые были известны на момент подачи заявки на указанное а.с., обладали низким быстродействием, не позволяющим эффективно подавить винтовую помеху. Кроме того, в этом техническом решении для компенсации винтовой помехи используются датчик оборотов воздушного винта вертолета и блок регулировки фазы.
Наиболее близким аналогом предлагаемой полезной модели (прототипом) является квантовый аэромагнитометр с жестким вариантом крепления БМЧ к корпусу самолета (Отчет о НИР «Разработка аэромагнитоградиентометрического аппаратурно-методического комплекса для средневысотных съемок в жестком - самолетном и буксируемом - вертолетном вариантах» МПР РФ, РАН, ВИРГ-Рудгеофизика, СПб, 2000, Стр.46-52. ВНТИЦ. № Гос. рег. 01990007806. Код ВНТИЦ 0102030340321). В его состав входят: БМЧ (внефюзеляжные устройства), состоящий из магниточувствительного датчика (ППИ-В) и трехкомпонентного блока феррозондов (преобразователь феррозондовый), электронного блока квантового магнитометра (устройство формирования сигнала и блок измерительный), электронного блока трехкомпонентного феррозондового магнитометра (устройство сигналов феррозондов) и бортового компьютера (устройство информационно-измерительное). Минимальный цикл измерений этого магнитометра - 0,1 с, что явно недостаточно для фильтрации винтовой помехи. Отсутствие информации о режимах работы электрооборудования носителя не позволяет в полной мере реализовать чувствительность магнитометра.
Ввиду указанных выше преимуществ вертолета ставится задача реализовать чувствительность квантового магнитометра при его использовании на вертолете с жестким креплением БМЧ к фюзеляжу.
Для решения этой задачи используется быстродействующий и, следовательно, широкополосный квантовый магнитометр, цикл измерения которого для того, чтобы подавить большие по величине и высокочастотные помехи винтомоторной группы вертолета и реализовать высокую чувствительность магнитометра, должен быть по крайней мере на порядок меньше, чем у прототипа (<0,01 с). Создана возможность поступления в бортовой компьютер информации о режимах работы электрооборудования вертолета для учета его влияния. Тем самым обеспечивается эффективная компенсация помех, вызванных изменением этих режимов. Информация от трехкомпонентного феррозондового магнитометра позволяет эффективно подавить помехи от эволюции вертолета. Винтовая помеха в предлагаемом решении фильтруется, что возможно только при быстродействующем квантовом магнитометре. Это исключает необходимость применения датчика оборотов воздушного винта и блока регулировки фазы.
Предлагаемый квантовый аэромагнитометр, содержит блок магниточувствительный, в который входят магниточувствительный датчик и трехкомпонентный блок феррозондов, электронный блок квантового магнитометра, содержащий систему слежения, электронный блок трехкомпонентного феррозондового магнитометра, причем магниточувствительный датчик и электронный блок квантового магнитометра образуют
квантовый магнитометр с системой слежения, а трехкомпонентный блок феррозондов и электронный блок трехкомпонентного феррозондового магнитометра образуют трехкомпонентный феррозондовый магнитометр, набор датчиков тока, блок подключения датчиков тока, бортовой компьютер и немагнитную конструкцию, причем блок магниточувствительный с помощью немагнитной конструкции крепится к фюзеляжу вертолета, магниточувствительный датчик соединен двусторонней связью с электронным блоком квантового магнитометра, все три феррозонда трехкомпонентного блока феррозондов соединены двусторонними связями с электронным блоком трехкомпонентного магнитометра, каждый датчик из набора датчиков тока включен в соответствующую цепь электрооборудования вертолета и соединен с блоком подключения датчиков тока, выходы электронного блока квантового магнитометра, электронного блока трехкомпонентного феррозондового магнитометра и блока подключения датчиков тока соединены со входами бортового компьютера, другие входы которого соединены с выходами источников навигационной информации.
На фиг.1 приведена структурная схема вертолетного квантового магнитометра.
На фиг.2 - эскиз крепления БМЧ к корпусу вертолета.
На фиг.3 - результат компенсации помехи от триммера по данным измерений на курсах 300°, 210° и 100°
БМЧ 1 (см. фиг.1), содержит квантовый магниточувствительный датчик 2 и трехкомпонентный блок феррозондов 3. Магниточувствительный датчик 2 соединен двусторонней связью с электронным блоком квантового магнитометра 4, и эта пара - магниточувствительный датчик 2 и электронный блок квантового магнитометра 4, содержащий систему слежения, в совокупности образуют квантовый магнитометр 5 с системой слежения. Все три феррозонда трехкомпонентного блока феррозондов 3 соединены двусторонними связями с электронным блоком трехкомпонентного феррозондового магнитометра 6, и совокупность трехкомпонентного блока феррозондов 3 с электронным блоком трехкомпонентного феррозондового магнитометра б образуют трехкомпонентный феррозондовый магнитометр 7, набор датчиков тока 8, блок подключения датчиков тока 9, бортовой компьютер 10. Каждый датчик из набора датчиков тока 8 включен в соответствующую цепь электрооборудования вертолета, оказывающую влияние на показания аэромагнитометра, и соединен с блоком подключения датчиков тока 9. Выходы: квантового магнитометра 5, трехкомпонентного феррозондового магнитометра 7 (три выхода электронного блока трехкомпонентного феррозондового магнитометра 6) и блока подключения датчиков тока 9 соединены со входами бортового компьютера 10. Входы компьютера 10 соединены также с выходами
источников навигационных данных (это может быть бортовое навигационное оборудование или GPS, входящая в состав аэромагнитометра).
БМЧ 1 (см. фиг.2) с помощью немагнитной конструкции (например, кронштейнов, штанги, фермы и т.п.) 11 крепится к фюзеляжу вертолета (на фиг.2 в качестве примера приведена ферма). Электрическая связь узлов, размещенных в БМЧ, с блоками, находящимися в фюзеляже, осуществляется посредством кабеля 12. На этой же фиг.2 линия 13 показывает границу лопастей вертолета. Видно, что лопасти вращаются непосредственно над БМЧ, создавая большую винтовую помеху. В ряде случаев, например, в вертолетах судового базирования, выход БМЧ за эту границу невозможен, так как предельные габариты вертолета ограничены размерами палубных люков.
В процессе выполнения аэромагнитных исследований квантовый магнитометр 5 измеряет индукцию магнитного поля Земли, и на выходе блока 4 образуется цифровой код, пропорциональный модулю вектора магнитной индукции. Быстродействие этого магнитометра должно быть настолько большим, чтобы цикл его работы был в несколько раз (минимум в 15-20) меньше периода винтовой помехи. Выполнение этого условия обеспечивается введением быстродействующей цифровой системы слежения в состав электронного блока квантового магнитометра. Идея создания таких систем слежения возникла благодаря развитию микроэлектроники, в частности, появлению быстродействующих микросхем - синтезаторов частоты. Одновременно трехкомпонентный феррозондовый магнитометр 7 измеряет компоненты вектора магнитной индукции, разложенного по строительным осям вертолета. Изменения этих компонент порождаются эволюциями вертолета и дают возможность рассчитать помехи от этих эволюции для последующего вычитания их из результатов измерений магнитного поля с целью уменьшения погрешностей этих измерений. Цифровые коды на трех выходах блока б соответствуют этим компонентам. Выходные сигналы каждого из датчиков набора 8 характеризуют состояние соответствующей цепи электрооборудования вертолета, а блок подключения датчиков тока 9 преобразует эти сигналы в цифровой код. Цифровые коды на выходе блока 9 пропорциональны токам в соответствующих цепях электрооборудования вертолета. Компьютер 10 обрабатывает всю поступающую на его входы информацию, вырабатывает сигналы компенсации и вводит их в результаты измерения квантового магнитометра, а также осуществляет фильтрацию винтовой помехи.
Экспериментальные результаты компенсации помех от эволюции вертолета приведены в табл. 1. Таблица показывает, что среднеквадратическое отклонение остаточной помехи не превышает 0,3 нТл, а средний коэффициент подавления помехи приближается к 60.
Таблица 1
Результаты компенсации помех от эволюции вертолета Ми-8 (полет от 7 июля 2001 г.)
Курс
Эволюция
Размах помехи, нТл
Размах остатка, нТл
СКО помехи, нТл
СКО остатка, нТл
Коэффициент подавления
0°
Тангаж (±5°)
2,74
0,59
0,71
0,13
5,5
Крен (±10°)
23,16
1,16
6,57
0,27
24,8
90°
Тангаж (±5°)
34,00
0,65
11,46
0,16
91,4
Крен (±10°)
12,76
1,23
3,32
0,29
11,5
180°
Тангаж (±5°)
65,13
0,54
19,45
0,13
146,8
Крен (±10°)
23,90
1,11
6,34
0,24
26,8
270°
Тангаж (±5°)
33,17
0,42
9,94
0,10
103,6
Крен (±10°)
40,91
0,89
11,78
0,15
76,3
Общий
10,328
0,18
58,1
На фиг.3 в качестве примера приводятся диаграммы, иллюстрирующие подавление помехи от триммера, входящего в состав электрооборудования вертолета. График «а» показывает реакцию магнитометра на изменение режима работы триммера, на графике «б» приведен сигнал на выходе датчика тока, включенного в цепь триммера, на графике «в» показан сигнал компенсации, график «г» отображает скомпенсированный выходной сигнал аэромагнитометра. Фиг.3 показывает, что степень подавления помех от электрооборудования вертолета достаточно высока.
Приведенные результаты достигнуты за счет использования быстродействующего квантового магнитометра, соответствующей обработки информации от датчиков тока, установленных в цепях электрооборудования вертолета, и подтверждают решение поставленной задачи.