Устройство воздушного базирования для геомониторинга активизации опасных геодинамических процессов верхней части геологического разреза

Полезная модель относится к геофизике, в частности к электромагнитным низкочастотным устройствам для изучения верхней части геологического разреза, контроля мониторинга и прогноза напряженно-деформированного состояния массива горных пород. Оно может быть также использовано для выявления и оконтуривания при профильной съемке геоэлектрических локальных неоднородностей (тектонические разломы, обводненные мульды, карстовые полости, оползневые участки, зоны шахтных подработок, повышенной трещиноватости, интервалы ослабленных пород и пр.), а также геомониторинга активизаций процессов деформации горных пород в скрытой стадии их развития, позволяя локализовать места подготавливаемых нарушений сплошности и прогнозировать аварийные ситуации.
Известно устройство для обнаружения локальных неоднородностей и геодинамических зон верхней части геологического разреза ВЧР, входящее в состав устройства для поиска и определения границ тектонических нарушений при разработке угольных месторождений, содержащее приемную антенну, соединенную с визирной трубой и приемником радиоволн, установленные на штативе, при этом штатив снабжен токонепроводящей штангой, которая прикреплена к штативу с возможностью вращения в верхней ее части, приемная антенна закреплена в нижней части токонепроводящей штанги через карданный шарнир, образуя свободно подвешенный шарнирный маятник (Авторское свидетельство СССР 1721242, Е21С 41/18, опубл. 23.03.1992).
Известны также устройства для геофизического исследования земных недр с целью поиска и разведки месторождений полезных ископаемых, в состав которых входит регистратор электромагнитной эмиссии, приемник GPS и интерфейсный адаптер (Статья «Аппаратно-методическое обеспечение метода анализа спонтанной электромагнитной эмиссии Земли», авторы Ю.А. Богданов, Н.В. Бондаренко и др., Геофизический журнал, с. 34-42, №4, т. 31, 2009).
Наиболее близким является устройство для обнаружения локальных неоднородностей и геодинамических зон верхней части геологического разреза ВЧР, содержащее две антенны, расположенные взаимно ортогонально, одна из которых ориентирована вертикально, подсоединенные к приемному устройству (Патент РФ на изобретение 2328021, G01V 3/12, опубл. 10.02.2008).
Задачей полезной модели является создание устройства для аэрогеофизической разведки с повышенной устойчивостью и точностью в движении, обеспечивающей проведение электромагнитных исследований с высокой производительностью и точностью при одновременном обеспечении стабильности диаграммы направленности антенного блока в пространстве путем минимизации влияния на электромагнитные измерения работы двигателей летательного аппарата, несущего полезный груз порядка 10-15 кг.
x
y
z
Поставленная задача решается тем, что устройство воздушного базирования для геомониторинга активизации опасных геодинамических процессов верхней части геологического разреза содержит летательный аппарат, связанный с измерительной системой с возможностью обеспечения электромагнитного анализа верхней части геологического разреза в процессе полета, а измерительная система оборудована корпусом с расположенными внутри тремя ортогональными магнитными ферритовыми антеннами H, H, H и блоком антенных усилителей, соединенных посредством экранированного фидера с расположенным на летательном аппарате радиоприемником, при этом связь летательного аппарата с измерительной системой выполнена в виде телескопической штанги с возможностью управляемого размещения упомянутой системы за пределами летательного аппарата, упомянутый корпус расположен внутри радиопрозрачного шарообразного зонда и связан с упомянутой штангой посредством гироскопа, служащего для стабилизации положения антенного блока независимо от изменения положения конца телескопической штанги.
Возможны и другие варианты выполнения полезной модели, согласно которым необходимо, чтобы:
- телескопическая штанга была связана с летательным аппаратом с возможностью расположения измерительной системы максимально удаленной от двигателей летательного аппарата;
- телескопическая штанга была выполнена с блоком управления для регулируемого изменения положения измерительной системы относительно летательного аппарата;
- в качестве летательного аппарата был применен беспилотный летательный аппарат грузоподъемностью 10-15 кг.
Указанные признаки полезной модели являются существенными и взаимосвязанными между собой причинно-следственной связью с образованием совокупности существенных признаков, достаточных для решения задачи и достижения технического результата, а именно повышение устойчивости в движении измерительной аппаратуры, обеспечивающей проведение электромагнитных исследований с высокой производительностью при одновременном обеспечении стабильности диаграммы направленности антенного блока в пространстве путем минимизации влияния на электромагнитные измерения помех от работы двигателей летательного аппарата, в целом резко повышает репрезентативность получаемых результатов, в т.ч. их сходимость и доверительную вероятность.
В целом, совокупность конструктивных признаков устройства для геомониторинга активизации опасных геодинамических процессов верхней части геологического разреза согласно полезной модели позволяет осуществлять электромагнитные исследования с высокой разрешающей способностью в труднодоступной местности, в том числе горной.
Сущность полезной модели поясняется чертежами, где:
на фиг. 1 изображен летательный аппарат с измерительной аппаратурой;
на фиг. 2 - вариант выполнения связи телескопической штанги с измерительной аппаратурой.
Полезная модель поясняется конкретным примером выполнения устройства, который, однако, не является единственно возможным, но наглядно демонстрирует реальность достижения данной совокупностью существенных признаков заданного технического результата.
Согласно полезной модели (фиг. 1, 2), устройство геомониторинга активизации опасных геодинамических процессов верхней части геологического разреза содержит летательный аппарат 1, связанный с измерительной системой 2 с возможностью обеспечения электромагнитного анализа верхней части геологического разреза в процессе полета.
x
y
z
Связь летательного аппарата 1 с измерительной системой 2 выполнена в виде телескопической штанги 3 с возможностью управляемого расположения упомянутой системы за пределами летательного аппарата. Измерительная система 2 (фиг. 2) выполнена в виде корпуса 4, соединенного с упомянутой штангой 3, а внутри корпуса 4 расположены три ортогональные магнитные ферритовые антенны H, H, H и блок 5 антенных усилителей, которые соединены посредством экранированного фидера (не показан) с расположенным на летательном аппарате радиоприемником 6. Возможны другие схемы передачи информации по различным каналам связи, различающиеся между собой как схемотехническими решениями, так и способами передачи информации.
Упомянутый корпус 4 расположен внутри радиопрозрачного шарообразного зонда, а между телескопической штангой 3 и корпусом 4 установлен гироскоп 7, служащий для обеспечения стабилизации положения упомянутых антенн и блока 5 антенных усилителей независимо от изменения положения конца телескопической штанги 3. Схематично неподвижная часть 8 гироскопа 7 соединена с концом телескопической штанги 3, а подвижная (поворотная) часть 9 - с корпусом 4.
Каждая из упомянутых антенн выполнена в предпочтительном варианте из ферритовых стержней с размещенными на них катушками, оборудованными электростатическими экранами, расположенными вокруг этих катушек. В электростатическом экране выполнен по меньшей мере один поперечный зазор, усиливающий эффект наведения. Упомянутые экраны служат для дополнительного наведения плотности потока естественного импульсного электромагнитного поля Земли (ЕИЭМПЗ) на катушки.
Устройство воздушного базирования для геомониторинга активизации опасных геодинамических процессов верхней части геологического разреза функционирует следующим образом.
Зонд вместе с измерительной системой 2 для осуществления электромагнитного анализа верхней части геологического разреза прикреплен к летательному аппарату 1 посредством телескопической штанги 3 с коммуникационными проводами. Во время полета летательный аппарат 1 на требуемой высоте известными средствами, например дистанционно управляемой гидросистемой, связанной с гидравлической телескопической штангой 3, размещает в пространстве зонд на расстоянии, обеспечивающем минимальное влияние электромагнитных помех от энергетической установки летательного аппарата на работу измерительной системы 2, в частности от системы искрообразования в энергетической установке, в частности в двс. В каждом конкретном случае это расстояние определяется эмпирическим путем, обусловленным требуемой точностью измерений. Предпочтительно расстояние зонда от исследуемой поверхности составляет 25-50 метров.
Для определения взаимного расположения элементов конструкции в пространстве устройство может быть снабжено средствами позиционирования, например спутниковыми приемниками GPS. Кроме того, для повышения технологичности, а также для контроля и обеспечения неразрушающей эксплуатационной нагрузки при маневрировании вблизи поверхности земли зонд может быть снабжен видеоконтрольным устройством, передающим изображение зонда на борт ЛА.
x
y
z
Перед полетом производится настройка чувствительности радиоприемника 6, уровня фоновых показаний электромагнитного поля, частотного диапазона электромагнитных колебаний. По достижении исследуемой местности дистанционно с летательного аппарата 1 подается электропитание в измерительную систему 2 и на гироскоп 7, который при этом обеспечивает стабильное положение магнитных ферритовых антенн H, H, H относительно летательного аппарата 1. При этом взаимное расположение упомянутых антенн обеспечивает отсутствие аномальных значений электромагнитных сигналов при движении устройства над однородной геологической средой (фоновые показания) и четкое выделение аномального сигнала при появлении в зоне исследования геологической неоднородности, в частности карстовой полости 10, тектонических разломов 11 или оползней 12 (фиг. 1).
Полезная модель может быть использована при организации сети мониторинга для оперативного контроля напряженно-деформированного состояния в зонах действия газотранспортных систем на участках активизации опасных геологических и техногенных процессов. Результаты такого мониторинга находят практическое применение при объективной оценке и прогнозировании степени природных рисков, обеспечении безопасности эксплуатации ответственных газовых объектов и своевременном принятии управляющих решений.