УСТРОЙСТВО ДЛЯ СКАНИРОВАНИЯ ГРАВИТАЦИОННОГО И ВОЛНОВОГО ПОЛЕЙ

Полезная модель относится к геофизической технике, а именно к устройствам, используемым для измерения параметров гравитационного и волнового полей.
Устройства, реализующие описанные выше измерения, называются гравиметрами. Во всех гравиметрах имеются датчики измерения ускорения силы тяжести, устройства для компенсации воздействия силы тяжести, компенсаторы температуры, система регистрации, установочные устройства, изоляционные устройства (от внешних воздействий температуры, давления, магнитного и электрического полей).
К общим недостаткам известных гравиметров следует отнести сложность устройств и вычислений, невозможность автоматического сканирования гравитационного поля с программированием параметров сканирования гравитационного поля исследуемого пространства.
Из уровня техники известна блок-схема устройства [1], соответствующая блок-схеме современных гравиметров. Блок-схема устройства содержит датчик измерения ускорений, состоящий из трех ортогонально расположенных акселерометров, систему определения направления горизонтальных осей чувствительности датчика в пространстве (Compass), систему определения координат точки измерения (GPS), вычислительный блок, блок хранения данных, систему связи и батарейного питания. Блок схема разработана для использования акселерометров, изготовленных по MEMS технологии, которые по некоторым параметрам, в частности простоте изготовления, размерам, надежности и стоимости значительно превосходят используемые в современной гравиметрии акселерометры, содержащие упругие компенсационные системы, систему подвесов, струны, маятники или электролит. По уровню шумов современные MEMS акселерометры достигают значения 2-3 мкГал/√Гц (в ближайшей перспективе 0.4 мкГал/√Гц), этот же параметр системы современного гравиметрического комплекса gPhoneX Micro-g LaCoste имеет значение шумов системы 0,75 мкГал/√Гц. По конструкции некоторые типы MEMS акселерометров ничем не отличаются от датчиков, используемых в гравиметрии, они имеют пробную массу, систему подвесов, компенсации и преобразователей перемещения пробной массы в электрический сигнал, но имеют значительные преимущества технологий микроэлектроники, а размеры пробной массы и конструкции подвесов обеспечивают меньшую конусность вектора измерения, что имеет большое значение при измерении векторных значений гравитационного поля.
В технической литературе периодически появляются сообщения о использовании MEMS акселерометров (вследствие их простоты изготовления, надежности и дешевизны) для создания глобальной системы получения высокоточных развернутых изображений земных глубин, на основе которых будут приниматься решения о перспективности и коммерческой жизнеспособности вновь открытых месторождений, а так же будет осуществляться контроль за состоянием месторождений, уже находящихся в эксплуатации.
При использовании в гравиметрии ортогонально расположенных акселерометров, изготовленных по MEMS технологии не описываются устройства с автоматизированной системой установки углов векторов чувствительности датчиков относительно отвесной линии по вычисленным значениями ускорений и значениям, задаваемых условиями решения геологической задачи, и для определения значения вектора и углов максимального значения ускорения силы тяжести [2].
Известны устройства для автоматической установки оси чувствительности гравиметра в вертикаль, используемые при измерениях в труднодоступных местах [3], [5], или на движущихся объектах [5]. На движущихся объектах для установки гравиметров в вертикаль в основном используются гиростабилизированные платформы [6].
Известны способ и устройство для выставки в вертикаль оси гравиметра [7]. Способ заключается в том, что проводят серию бросков пробного тела при различных наклонах гравиметра, в каждом броске определяют ускорение свободного падения, находят минимальное значение ускорения в серии бросков и соответствующий ему наклон платформы, при этом наклоне фиксируют платформу, а для реализации способа предлагается платформа, акселерометры и двигатели.
Известны телеуправляемые гравиметры [8], содержащие корпус с чувствительной системой, включающей рычаг и нити подвеса чувствительного элемента, датчик вертикали (например, двухкоординатный электролитический уровень), измеритель вертикали, систему телеуправления, жилы кабеля. При измерениях в исходном положении чувствительного элемента не менее двух раз дополнительно измеряют угол наклона корпуса с чувствительной системой и по результатам измерений рассчитывают поправку, которую вводят в величину компенсирующей силы при вычислении ускорения силы тяжести.
Наиболее близким по технической сущности, к заявленному устройству, является способ и устройство для определения параметров гравитационного и волнового полей [9] принятый за прототип. В известном устройстве установлено три электролитических датчика по взаимно перпендикулярным осям координат, для определения угловых координат объекта относительно гравитационного поля. При полевых или скважинных измерениях производится запись сигналов трехкомпонентным блоком датчиков, пропорциональных воздействию силы, от суммарного ускорения гравитационного и волнового полей во времени и производятся вычисления значений гравитационного поля с применением низкочастотного фильтра, усреднением данных за промежуток времени, с учетом поправок и погрешности от угла наклона вертикальной оси устройства. Устройство обеспечивает измерение сигналов по взаимно перпендикулярным векторам чувствительности трех датчиков измерителя и позволяет определять параметры гравитационного и волнового полей, угловые координаты объекта и ускорения его движения.
Недостатком известного устройства является отсутствие в устройстве системы измерения и задания в пространстве направления векторов чувствительности горизонтальных акселерометров (и для определения направления ускорений при движении), поэтому известное устройство используется для определения угловых координат самого устройства относительно гравитационного поля. При построении пространственной модели гравитационного поля исследуемого участка и других измерениях, необходимо измерение и установка единого направления осей чувствительности горизонтальных датчиков во всех точках измерения значений гравитационного поля. Другим существенным недостатком известного способа и устройства является отсутствие автоматизированной системы обратной связи между вычисленными значениями ускорений и углами наклона векторов чувствительности датчиков относительно отвесной линии, задаваемых условиями решения геологической задачи и для определения углов вектора максимального значения ускорения силы тяжести.
Общим недостатком известных устройств установки гравиметра является невозможность сканирования гравиметром гравитационного поля по заданным векторам, работа известных систем установки направлена только на измерение значений для поправок за угол уклонения отвесной линии с целью повышения точности гравиметрических измерений. Известные системы не имеют технической возможности для автоматического сканирования гравитационного поля измерением значений программно задаваемых направлений векторов гравитационного поля, определяемых геологической задачей, вычисляемых и устанавливаемых автоматически относительно нужных координат или отвесной линии и направлений сторон в режиме реального времени из измеренных значений ускорения по изменяемым векторам осей чувствительности устройства.
Технический результат - автоматическое получение значений гравитационного и волновых полей в геометрии исследуемого пространства, для построения трехмерной геологической модели из автоматически измеряемых и вычисляемых параметров гравитационного и волновых полей.
Для достижения этого технического результата используется автоматический гравиметр, содержащий корпус в котором установлены: термостатируемый блок с датчиком, состоящим из трех измерителей ускорения, выполненных в виде акселерометров, оси чувствительности которых расположены ортогонально, батареи питания, вычислительная и навигационная системы, разъемы для подключения внешних устройств, системы связи и интерфейс пользователя, отличающийся тем, что основание гравиметра выполнено с возможностью изменения в пространстве положения плоскости основания гравиметра, изменением высоты его опор электроприводами управляемыми вычислительной системой гравиметра по данным текущих измерений значения ускорений и задаваемым значениям направлений для автоматического изменения направлений векторов чувствительности датчика при сканировании гравитационного поля в точке измерения, а также установлены датчики компаса, выполненные с возможностью определения направления и установки векторов чувствительности акселерометров датчика в пространстве и датчик давления, выполненный с возможностью учета влияния атмосферы на измеренные значения. С целью сокращения времени измерений при сканировании датчик устройства, состоящий из трех измерителей ускорения выполненных в виде акселерометров оси чувствительности которых расположены ортогонально, может быть дополнен измерителями ускорения, оси чувствительности которых расположены по заданным углам в плоскостях векторов чувствительности двух из ортогонально установленных измерителей ускорения.
Более того, преимущества настоящей полезной модели будут понятны специалисту в данной области техники из последующего подробного описания.
В заявленной полезной модели у трех расположенных ортогонально акселерометров, вектора чувствительности автоматически перенаправляются для измерения значений ускорения гравитационного поля в точках исследуемого пространства по условиям геологической задачи. При измерении в точке пространства, устройством измеряются значения ускорения по трем векторам гравитационного поля: Gx, Gy, Gz. Эти значения записываются в файл измерения и используются для вычисления двух углов уклонения векторов измерения, в зависимости от геологической задачи могущих совпадать с ортогонально расположенными векторами осей чувствительности акселерометров.
Угол наклона зенитный для вектора вертикальной оси измерения (угол уклонения отвесной линии) α вычисляется в градусах по формуле:
α=57.295779×arccos(Gz/√(Gx+Gy+Gz))
где Gx, Gy, Gz - значения ускорения, измеренные по осям X, Y, Z векторов чувствительности ортогонально установленных датчиков ускорения, в мкГал (см/с).
Значение азимутального угла наклона Р (направления в горизонтальной плоскости угла уклонения отвесной линии) вычисляется с учетом нужного направления осей чувствительности горизонтальных акселерометров и направления возрастания значений угла относительно направления вращения осей чувствительности в горизонтальной плоскости, определяемого решением геологической задачи. Оси устройства могут устанавливаться в любом направлении относительно сторон света, для этого измеряется, индицируется и записывается в файл измерения и память прибора значение магнитного азимута оси X, которое может быть проверено перемещением устройства в пространстве для определения направления сторон по данным системы навигации.
Если при измерениях нужное приращение угла направлено против хода часовой стрелки, нулевое значение β совпадает с осью Y устройства (линия точек измерения у параллельных профилей), а оси X соответствует значение 90° (направление профиля), то вычисление азимутального угла наклона β в градусах производится по формулам: β=βi+57.295779×arctan(Gx/Gy)
где Gx, Gy - значения ускорения, измеренные по осям чувствительности ортогонально установленных датчиков ускорения горизонтальной плоскости, векторов X, Y в мкГал (см/с);
βi - учитывает в значении азимутального угла наклона направление (±) векторов Gx и Gy.
βi=0° при Gx>0; Gy>0
βi=180° при Gx>0; Gy<0
βi=180° при Gx<0; Gy<0
βi=360° при Gx<0; Gy>0
Если при сканировании гравитационного поля и построении моделей нужно использовать пространственную ориентацию осей устройства относительно сторон света, то значения азимутального угла уклонения β вычисляются от 0° до 360° с возрастанием по ходу часовой стрелки, направлению оси X устанавливается 0° азимутального угла уклонения (направление профиля), а направлению оси Y значение 90° (линия точек измерения у параллельных профилей):
β=βi+57.295779×arctan(Gy/Gx)
где Gy, Gx - значения ускорения, измеренные по осям чувствительности ортогонально установленных датчиков ускорения горизонтальной плоскости, векторов Y, X в мкГал (см/с);
βi - учитывает значение направления (±) векторов Gy и Gx в значении азимутального угла наклона.
βi=0° при Gx>0; Gy>0
βi=180° при Gx<0; Gy>0
βi=180° при Gx<0; Gy<0
βi=360° при Gx>0; Gy<0
При необходимости, направление осей и нулевое значение для отсчета азимутального угла легко меняются программно, для этого измеряется, индицируется и записывается в файл измерения на точке и память прибора значение магнитного азимута оси X. Значения азимутального угла и угла уклонения отвесной линии на точке измерения определяются условиями геометрии векторов измерения значений ускорения при решении геологической задачи.
Система установки углов сканирования управляет электроприводом наклона горизонтальной плоскости устройства и автоматически производит наклон осей прибора (при необходимости без изменения направления осей по профилю или сторонам света, или заданию), по измеренным значениям ускорений отслеживая необходимое изменение значений ускорений и углов (обратная связь) до значений, программно задаваемых условиями решения геологической задачи или для определения значений и углов вектора максимального ускорения силы тяжести, или значений нормали для построения двумерной и трехмерной модели участка.
Впервые, на основе разработанного устройства, достигнуто одновременное, геометрически взаимосвязанное измерение значений ускорения векторов гравитационного поля для всех точек участка, что позволяет производить построение трехмерной геологической модели участка из измеренных значений разнонаправленных (горизонтальных и вертикальных) векторов ускорения и расстояний решением системы уравнений из взаимосвязанных значений, а не вычислением производных силы тяжести из значений вертикальных векторов для редуцирования поля в гравиметрическом моделировании объектов в трехмерном пространстве.
Предложенное устройство реализует следующий алгоритм работы, для решения геологической задачи или построения трехмерной геологической модели участка:
1. Программирование устройства с интерфейса персонального компьютера перед началом работы на профилях: установка параметров измерения в соответствии с задачей и необходимой точностью; задание координат точек измерения в соответствии с разработанным маршрутом по профилям и параметров измерения на каждой точке; программирование автоматически устанавливаемых значений углов векторов чувствительности датчиков для измерения значений ускорения в соответствии с размерами сети и решаемой задачей; установка количества необходимых измерений, установка диагностических и сервисных параметров для текущих сообщений оператору о превышении допустимых задачей пределов отклонения от установленных значений измерения (координаты, азимут, перемещение опор, ветер и пр.) Интерфейс устройства позволяет проводить все программирование прибора оператором без использования внешнего компьютера.
2. Транспортировка прибора оператором на точки согласованного маршрута (точки и маршрут автоматически проверяются прибором), установка на подходящем для измерения основании и нажатии кнопки «Пуск». После проведения измерений и проверок качества измерений прибор выдает сигнал о перемещении его на следующую точку, где цикл измерения повторяется в соответствии с заданием.
После установки прибора на точке измерения производится установка вектора чувствительности оси X по встроенному электронному компасу.
Автоматически производится измерение и запись в файл измерения значений координат, магнитного азимута, высоты, температуры, времени и давления для текущего измерения. Нажатием кнопки «Пуск» включается цикл всех измерений по заданной перед работой программе. Автоматически производится вычисление значения ускорения силы тяжести по осям чувствительности датчиков, вычисление зенитного и азимутального углов гравитационного поля для определения начальной установки прибора. Производится определение и автоматическая установка векторов чувствительности горизонтальных датчиков в касательной плоскости в точке измерения, измерение значения ускорения для вектора, перпендикулярного касательной плоскости (нормаль). Автоматически производится наклон устройства (относительно касательной плоскости или отвесной линии) на заданные углы (зенитные и азимутальные) для измерения значения векторов, обычно в направлении других точек измерения. Углы (и необходимое количество углов) наклона осей для измерений устанавливаются при программировании в зависимости от расположения точек сети, для квадратной или прямоугольной сети азимутальные углы уклонения обычно устанавливаются кратными 90°.
Если запрограммировано задачей, включается система управления наклоном осей для поиска и измерения максимального значения ускорения силы тяжести в точке по оси Z. Все измеренные значения (ускорения и углы) и параметры работы записываются в память прибора отдельным файлом измерения на точке, содержащим необработанные и обработанные по алгоритмам расчетов результаты измерений с поправками и могут быть переписаны на персональный компьютер или на сменный носитель, или считаны на интерфейсе прибора. По данным измерений производится построение двумерной или трехмерной модели участка
Измерения обычно проводят по системе профилей, проложенных в соответствии с геологическим или иным заданием. При этом профили располагают параллельно на изучаемой площади для создания квадратной или прямоугольной сети. Расстояние между профилями (густота сети) и расстояние между рядовыми гравиметрическими пунктами по профилю рассчитывают исходя из требуемой точности и детальности съемки. При измерении на точке ось X обычно устанавливается в направлении движения профиля, а ось Y устанавливается в плоскости точек измерения на параллельных профилях. Дополнительно в центре исследуемого участка, в точке пересечения диагоналей участка создается опорный пункт для контроля смещения нульпункта приборов при измерениях на точках и для проверки внутренней сходимости измерений. На опорном пункте также устанавливается один прибор для непрерывной записи текущих значений измерений во время работы других приборов на профилях, в остальном технология проведения работ не отличается от известной гравиметрии.
По данным высот точек измерения, направлений, углов и расстояний строится геометрическая модель векторов измерений гравитационного поля участка, соответствующая измеренным значениям ускорений векторов гравитационного поля. Решением системы уравнений, данные измерений преобразуются в массив значений единичных объемов масс, по которому строится трехмерная модель распределения плотностей геологических объектов исследуемого участка.
Используемые источники:
1. Устройство и способ для определения параметров гравитационного и волнового полей, RU 2260199 C2, опубл. 10.09.2005.
2. «MEMS Applications in Seismology Seismic Instrumentation Technology Symposium». Nov 11, 2009 стр. 29.
3. «Компании HP и Shell разрабатывают систему беспроводных датчиков для разведки полезных ископаемых и изучения земных недр», описание расположено на сайте Интернет: http://www.computerweekly.com/
4. Электромеханический привод гравиметра в вертикаль, SU 1144070 A1.
5. Скважинный прибор гравитационной разведки и способ гравитационной разведки скважины, RU 2178575 C2.
6. Способ формирования сигнала управления положением оси чувствительности гравиметра, установленного на летательном аппарате, при его дистанционной выставке по линии отвеса, RU 2221990 C2.
7. Система коррекции гиростабилизатора морского гравиметра, RU 2282147 C1.
8. Способ выставки в вертикаль лазерного луча баллистического гравиметра и гравиметр для его осуществления, RU 2522116.
9. Способ измерения ускорения силы тяжести телеуправляемым гравиметром, SU 1166042.