АЭРОГЕОФИЗИЧЕСКИЙ КОМПЛЕКС

Техническое решение относится к устройствам средств производства геофизических методов разведки с использованием комбинированных измерений. Аэрогеофизический комплекс может быть использован для производства детальных съемок масштаба 1:5000 с целью решения поисковых и разведочных задач геологии, а также для поиска и обнаружения металлических предметов (мин, снарядов и т.п.), находящихся на поверхности, либо под слоем земли.
В геофизической разведке известны устройства и комплексы [8, 9], установленные на борту летательных аппаратов (самолетов и вертолетов).
В последнее время запатентованы: вертолетные гравиметрические комплексы [4, 5, 7], геофизический комплекс [6] для поиска нефти и газа на акваториях с установленной на борту вертолета МИ-8 аппаратурой, устройство [2] для измерения гравитационного градиента с летательного аппарата.
Основным недостатком известных устройств [2, 4-7] является недостаточная разрешающая способность измерений вследствие невозможности проведения геофизических исследований на предельно малых высотах над поверхностью земли. Кроме того, эти известные устройства не предусматривают комплексирования измерений параметров геофизических полей различной природы, что приводит к недостаточной информативности и достоверности результатов измерений.
Известный технологический комплекс [3] для поиска газовых и нефтяных месторождений предназначен для комплексной обработки потенциальных геофизических полей и искусственно создаваемых полей и способен повысить достоверность обнаружения залежей углеводородов при их идентификации (нефть или газ). Однако в [3] основное внимание уделено устройству обработки данных измерений, а сам процесс измерений геофизических параметров не рассматривается, вопрос об использовании аэрогеофизической съемки также остается открытым.
Принятый за прототип аэрогеофизический комплекс по патенту RU 09653 U1, 16.04.1999 [1] содержит размещенные на летательном аппарате (ЛА) блок измерителей параметров геофизических полей (ПГП) и модуль спутниковой навигации, входы-выходы которых подключены к блоку сбора и обработки информации, при этом блок измерителей ПГП представляет собой магнитометрический модуль, включающий датчики магнитометрической информации (ДМИ), подключенные через фильтры, усилители и аналого-цифровые преобразователи к блоку сбора и обработки информации, выполненному в виде вычислителя на базе портативного персонального компьютера ноутбук.
При этом комплекс [1] включает аппаратуру для гравиметрических измерений и установлен на борту ЛА, выполненного в виде самолета-амфибии.
Однако, комплекс [1] обладает недостаточной разрешающей способностью вследствие невозможности проведения геофизических исследований на предельно малых высотах над поверхностью земли, что ограничивает функциональные возможности и снижает информативность и точность полученных данных как при площадной геофизической съемке, так и при профильных измерениях по обнаружению металлических объектов. Как правило, комплекс [1], как и другие аналоги, не позволяет проводить высокоточные детальные съемки масштабов крупнее 1:20000. При этом, поскольку уровень измеренных магнитных возмущений обратно пропорционален кубу расстояния от объектов измерения, то уже при высоте полета ЛА 50-100 м металлические предметы массой 50-100 кг не могут быть обнаружены. Кроме того, устройство носителя геофизической аппаратуры [1] (самолет-амфибия) достаточно сложно, а его производство и эксплуатация (в том числе из-за потребления топлива) являются весьма дорогостоящими.
Сущность предлагаемого технического решения заключается в создании аэрогеофизического комплекса, который путем специального конструктивного выполнения и размещения геофизических измерителей на ЛА позволил бы проводить высокоточную детальную съемку масштабов 1:5000 (и крупнее) и обеспечить обнаружение металлических предметов (мин, бомб и т.п.), находящихся на поверхности или под слоем земли.
Основной технический результат предложенного аэрогеофизического комплекса - повышение разрешающей способности, точности и достоверности измерений посредством обеспечения альтитуды полета сверхлегкого ЛА 5-15 м над поверхностью земли, расширение функциональных возможностей для прямого поиска слабомагнитных руд и для обнаружения металлических объектов. Достоинством комплекса является также возможность измерения градиентов магнитного поля в формате 3D (по горизонтали, вертикали и высоте). При этом комплексирование магнитометрических измерений с данными гравиметрического модуля, и/или гамма-спектометра, и/или сканирующего инфракрасного радиометра дополнительно расширяет информативность и достоверность съемки, а применение беспилотного ЛА может дополнительно повысить эффективность использования комплекса. Комплекс на базе сверхлегкого самолета имеет более простую конструкцию и меньшую потребность в топливе, чем известные аналоги.
Совокупность новых признаков и достоинств предлагаемого технического решения обеспечивает синергетический технический результат при оптимизации комплексного критерия «точность - сложность - стоимость - эффективность» (достижение потенциально возможного технического результата при приемлемых сложности и стоимости конструкции).
Технический результат достигается следующим образом.
Аэрогеофизический комплекс содержит размещенные на летательном аппарате (ЛА) блок измерителей параметров геофизических полей (ПГП) и модуль спутниковой навигации, входы-выходы которых подключены к блоку сбора и обработки информации, при этом блок измерителей ПГП представляет собой магнитометрический модуль, включающий датчики магнитометрической информации (ДМИ), подключенные через фильтры, усилители и аналого-цифровые преобразователи к блоку сбора и обработки информации, выполненному в виде вычислителя на базе портативного персонального компьютера ноутбук.
Отличительной особенностью аэрогеофизического комплекса является то, что в качестве ЛА использован сверхлегкий самолет с возможностью обеспечения альтитуды полета h=5-15 м над поверхностью земли, блок измерителей ПГП включает, по меньшей мере, три ДМИ, два из которых размещены на крыльях ЛА, а третий - на киле хвостового оперения ЛА.
В конкретном варианте выполнения комплекса в качестве ЛА использован двухместный сверхлегкий самолет серии СП-34 массой 495 кг с крейсерской скоростью 100 км/ч.
Кроме того, в качестве ЛА может быть использован беспилотный дистанционно управляемый ЛА.
Отличием комплекса также является то, что блок измерителей ПГП дополнительно включает четвертый ДМИ, закрепленный на нижней части фюзеляжа.
При этом чувствительность ДМИ составляет 0,5-1,0 нТл.
Корпусы измерителей ПГП, размещенных на крыльях, хвостовом оперении и на нижней части фюзеляжа ЛА, выполнены обтекаемой формы.
В конкретных случаях выполнения комплекса блок измерителей ПГП может дополнительно включать гравиметрический модуль, и/или гамма-спектометр, и/или сканирующий инфракрасный (ИК) радиометр.
В аэрогеофизическом комплексе модуль спутниковой навигации выполнен в виде аппаратуры дифференциальных спутниковых систем «Навстар» и/или «Глонасс», которая размещена в фюзеляже ЛА.
Блок сбора и обработки информации, выполненный в виде портативного персонального компьютера ноутбук, размещен в фюзеляже ЛА и снабжен накопителем информации на жестком диске и/или на съемных флэш-картах.
На фиг.1, а представлена общая конструктивная схема аэрогеофизического комплекса, фиг.1, б конкретизирует структуру магнитометрического модуля. Фиг.2 а, б, в иллюстрирует общий вид комплекса с размещенной аппаратурой измерителей ПГП. На фиг.3, а дан пример практической площадной магнитной съемки, на фиг.3, б приведен экспериментальный профиль магнитной съемки по обнаружению металлических предметов.
На чертежах приняты следующие обозначения:
1 - ЛА (сверхлегкий самолет серии СП-34);
2 - блок измерителей ПГП;
3 - модуль спутниковой навигации (аппаратура дифференциальных спутниковых систем «Навстар» и/или «Глонасс»);
4 - блок сбора и обработки информации (ноутбук);
5 - магнитометрический модуль (три или четыре ДМИ с фильтрами, усилителями и аналого-цифровыми преобразователями);
6 - датчики магнитометрической информации (ДМИ);
7 - гравиметрический модуль;
8 - гамма-спектометр;
9 - сканирующий инфракрасный радиометр;
10 - фильтр;
11 - усилитель;
12 - аналого-цифровой преобразователь.
Работа аэрогеофизического комплекса заключается в следующем.
Аэрогеофизический комплекс, содержащий (фиг.1, 2) размещенный на ЛА 1 блок 2 измерителей ПГП, модуль 3 спутниковой навигации и блок 4 сбора и обработки информации, перемещается по заданным профилям на высоте h=5-15 м над поверхностью земли. В качестве ЛА 1 использован двухместный сверхлегкий самолет серии СП-34 (производства ООО «КБ СпектрАэро» г.Таганрог) массой 495 кг с крейсерской скоростью 100 км/ч (максимальная скорость - 150 км/ч, минимально допустимая скорость - 65 км/ч). Измеренная информация с выходов блока 2 измерителя ПГП, включающего датчики ДМИ 6 магнитометрического модуля 5, и с выхода модуля 3 спутниковой навигации поступает на входы блока 4 сбора и обработки информации, выполненного в виде вычислителя на базе портативного персонального компьютера ноутбук. Модуль 3 спутниковой навигации, выполненный в виде аппаратуры дифференциальных спутниковых систем «Навстар» и/или «Глонасс», определяет пространственные координаты (х, y, h) и скорость ЛА 1. В конкретных вариантах выполнения комплекса блок 2 измерителей ПГП дополнительно включает гравиметрический модуль 7, и/или гамма-спетрометр 8, и/или сканирующий инфракрасный (ИК) радиометр 9, информация с выходов которых также поступает на входы блока 4.
Данные измерений ДМИ 6 магнитного поля с выходов магнитометрического модуля 5, поступающие (фиг.1, б) на вход ноутбука 4 через фильтр 10, усилитель 11 и АЦП 12, накапливаются на жестком диске и/или съемных флэш-картах. Размещение трех датчиков ДМИ 6 (фиг.2) на крыльях и на киле хвостового оперения ЛА 1 позволяет измерить и накапливать маршрутные данные о значениях градиентов магнитного поля в формате 2D (по горизонтали и вертикали). При установке четвертого ДМИ 6 на нижней части фюзеляжа ЛА 1 измерения значений градиентов магнитного поля осуществляется в формате 3D (продольные, поперечные и вертикальные градиенты). При этом чувствительность ДМИ составляет от 0,5 до 1,0 нТл, что позволяет проводить детальную магнитную съемку масштаба 1:5000.
Совокупность данных с выходов блоков 3, 5, 7, 8, 9 синхронно поступает в накопитель информации ноутбука 4, синхронизация данных обеспечивается по сигналам систем спутниковой навигации «Навстар» и/или «Глонасс» (модуль 3).
Оперативная предобработка данных посредством блока 4 на борту ЛА1 проводится оператором двухместного (пилот, оператор) ЛА СП-34. При использовании в качестве ЛА беспилотного дистанционно управляемого ЛА на его борту осуществляется накопление в блоке 4 совокупности данных измерений блоков 2, 3, синхронизированных в формате единого времени спутниковых систем навигации. Окончательная обработка данных аэрогеофизического комплекса осуществляется, как правило, на наземной станции.
Преимуществом сверхлегкого самолета по сравнению с известными аэроустройствами [1, 2 и др.] геофизической съемки является возможность обеспечения малой высоты при достаточно высокой крейсерской скорости полета (в том числе над труднодоступной для наземного транспорта местностью).
Для реализации предложенного технического решения могут быть использованы известные составные элементы комплекса: гравиметрический модуль [1], гамма-спетометр и сканирующий инфракрасный радиометр типа «Поиск-М» [6]. Для измерения магнитного поля в комплексе могут быть использованы высокоточные бортовые аэромагнитометры с цезиевым датчиком CS-3 производства компании "Scintex" с частотой измерений от 1 до 100 Гц, размещенные на крыльях, хвостовом оперении и на нижней части фюзеляжа ЛА в корпусах обтекаемой формы.
Иллюстрацией работы аэрогеофизического комплекса могут служить эксперименты проведенные авторами технического решения в 2010 г.
Пример 1. Площадная съемка.
На фиг.3, а представлены цифровые модели измеренного магнитного поля при площадной аэромагнитной съемке на площади 1×1,35 км в зоне распространения слабомагнитных осадочных отложений. Эксперименты, проведенные в 2011 г. подтвердили, что предложенный аэрогеофизический комплекс позволяет проводить детальные съемки масштаба 1:5000 (в ряде случаев и крупнее) с целью решения на поисковой и разведочной стадии следующих геологических задач:
- литологическое расчленение слабомагнитных осадочных, вулканических, вулканогенно-осадочных и метаморфизических образований;
- изучение гидротермально измененных пород вулканогенных, осадочных, магматических формаций, с которыми пространственно или генетически связаны месторождения меди, полиметаллов, золота, олова, вольфрама, редких металлов, бокситов и других полезных ископаемых;
- прямой поиск слабомагнитных железных руд, бокситов, алмазоносных кимберлитов, сульфидных руд цветных и редких металлов.
Высокоточные крупномасштабные магнитометрические данные позволяют решать геологические задачи при гидрологических работах, инженерно-геологических и археологических изысканиях и специальных исследованиях.
Пример 2. Поиск металлических объектов.
Цель эксперимента состояла в оценке возможностей поиска оставшихся с времен войны мин, снарядов и тому подобных металлических предметов, которые находятся на поверхности, либо под слоем земли. На отведенном участке были разложены в линию 7 предметов из металла (сталь, железо) массой от 10 до 100 кг. Полет ЛА СП-34, оснащенного аэрогеофизическим комплексом, осуществлялся на высоте от 3 до 15 м по маршрутам над линией (1) металлических предметов и на параллельных маршрутах (2), (3), удаленных от линии металлических предметов на 15 и 60 м. На фиг.3, б представлены результаты измерений, на которых видно, что магнитные аномалии амплитудой до 50 нТл наблюдались на маршруте (1) над линией металлических предметов. На маршруте (2) величина измеренных аномалий снижалась до 2-10 нТл, а на маршруте (3) наблюдался лишь один небольшой всплеск магнитного поля (над предметом массой 100 кг).
Применение аэрогеофизического комплекса на базе сверхлегкого самолета СП-34 подтверждает целесообразность и эффективность его использования на высотах 3-15 м для обнаружения мин, снарядов и подобных объектов, в то время как при высотах полета более 50-100 м (например, самолет АН-2, вертолет МИ-8 и др.) обнаружение таких объектов становится проблематичным или невозможным.
Таим образом, из описания аэрогеофизического комплекса и его работы следует, что достигается его назначение с указанным техническим результатом, который находится в причинно-следственной связи с совокупностью существенных признаков и обеспечивает оптимизацию комплексного критерия «точность - сложность - стоимость - эффективность».
ИСТОЧНИКИ ПО УРОВНЮ ТЕХНИКИ
I. Прототип и аналоги:
1. RU 09653 U1, 16.04.1999 (прототип).
2. RU 2003119136 А, 10.02.2005 (аналог).
3. RU 63071 U1, 10.05.2007 (аналог).
II. Дополнительные источники по уровню техники:
4. RU 2150132 С1, 27.05.2000.
5. RU 36900 U1, 27.03.2004.
6. RU 45538 U1, 10.05.2005.
7. RU 2090911 С1, 20.09.1997.
8. Веселов К.Е. Гравиметрическая съемка. - М.: Недра, 1986, с.110-124.
9. Инструкция по магниторазведке (наземная магнитная съемка, аэромагнитная съемка). - Л.: Недра, 1981, с.263-265.