Способ измерения вертикального градиента магнитного поля земли на борту аэростата и устройство для его осуществления

 

Использование: для вертикального градиента магнитного поля Земли (МПЗ) на борту аэростата, для построения геологических разрезов земной коры по магнитному полю. Сущность изобретения: способ основан на синхронном измерении разности МПЗ магнитометрами, разнесенными по вертикали. Новым в способе является измерение дифференциалов МПЗ на малой и большой базе, построение зависимости изменения МПЗ с высотой съемки и определение по этой зависимости градиента МПЗ на заданной высоте съемки. Способ может быть реализован устройством, содержащим контейнеры с измерительной аппаратурой, установленные на ферме аэростата фалонакопитель с фалом и механизм торможения фала при его выпуске. Новым в устройстве является использование трех магнитометров, разнесенных в пространстве по вертикали на 0,5 км и 2 - 5 км. Использование парашюта с эластичной диафрагмой в центральном отверстии купола, применение державок с пирорезаком, а также рекомендованное размещение отдельных блоков устройства в стартовом состоянии позволяют развернуть измерительный комплекс в заданных габаритах. 2 с. п. ф-лы, 2 ил.

Изобретение относится к магнитометрии, в частности к измерениям вертикального дифференциала (градиента) аномального магнитного поля Земли (МПЗ) в приземном пространстве на борту аэростата, в том числе и для построения геологических разрезов земной коры по магнитному полю.

Известны способы измерения вертикального дифференциала МПЗ с помощью аэромагнитной съемки, проводимой по одному и тому же маршруту на разных высотных уровнях [1] .

Способ [1] не обеспечивает высокой точности измерений, так как на точность определения вертикального дифференциала МПЗ в этом случае оказывает влияние погрешности совмещения маршрутов и погрешность поддержания высоты полета. К тому же такие полеты невозможно осуществить на больших высотах (30-440 км), на которых надо знать МПЗ, так как на этих высотах оно характеризует глубинные источники.

Наиболее близким к предлагаемому является способ измерения вертикального дифференциала МПЗ путем синхронных измерений разностей поля двумя датчиками, разнесенными в пространстве по вертикали [2] .

Известное устройство развертывания измерителей по вертикали на борту аэростата, выбранное в качестве прототипа, содержит спускаемый контейнер с измерительной аппаратурой, установленные на ферме аэростата фалонакопитель с фалом и механизм торможения фала при его выпуске, включающее лебедку с электродвигателем и мощный источник питания [3] .

Недостаток известного способа и устройства заключается в том, что они не обеспечивают высокой точности измерения вертикального градиента МПЗ в пересчете на заданную фиксированную высоту при изменяющейся высоте съемки. Способ также не позволяет провести измерения градиента на больших высотах съемки с высокой точностью в связи с малой базой между измерителями. Известное устройство предусматривает спуск вниз с фермы аэростата только одного контейнера, а также представляет собой достаточно сложное устройство.

Цель изобретения состоит в повышении точности измерения вертикального градиента МПЗ при изменяющейся во времени высоте съемки.

Цель достигается тем, что в способе измерения вертикального градиента МПЗ, включающем синхронные измерения разностей МПЗ магнитометрами, разнесенными в пространстве по вертикали, согласно изобретению, измеряют вертикальный дифференциал МПЗ одновременно на двух последовательно соединенных по вертикали в пространстве базах, размер которых в сумме превышает диапазон изменения во времени высоты съемки, по измеренным значениям для каждого цикла измерения строят график изменения магнитного поля с высокой съемки, по полученному графику определяют величину вертикального градиента для заданной высоты съемки по тангенсу угла наклона касательной в точке, соответствующей заданной съемке.

Предлагаемый способ может быть реализован устройством, содержащим контейнер с измерительной аппаратурой, установленные на ферме аэростата фалонакопитель с фалом и механизм торможения фала при его выпуске из фалонакопителя, в котором, согласно изобретению, первый контейнер с измерительной аппаратурой, включающей магнитометр, размещен на ферме аэростата, а второй и третий контейнеры с магнитометрами размещены под фермой аэростата на расстоянии 0,5 км и 2-5 км от первого соответственно. Механизм торможения выполнен в виде парашюта, центральное отверстие купола которого снабжено эластичной диафрагмой, максимальный внутренний размер которой соответствует поперечному размеру второго контейнера, а минимальный - размеру стабилизирующего отверстия парашюта. Второй контейнер в стартовом положении расположен внутри строп парашюта, а третий контейнер соединен с парашютом, причем второй и третий контейнеры сквозь центральное отверстие купола парашюта соединены с фермой аэростата отдельным фалом каждый, в стартовом положении находящимися в фалонакопителях. В стартовом положении второй и третий контейнеры соединены также с фермой аэростата державками с установленным на них пирорезаком.

На фиг. 1 приведен график, поясняющий построение зависимости изменения МПЗ от высоты съемки, где пунктирная кривая указанной зависимости - лекальная. По шкале абсцисс отложено расстояние от поверхности Земли до измерителей МПЗ. По шкале ординат отложено приращение МПЗ относительно датчика первого магнитометра (нумерация магнитометров приведена арабскими цифрами). Точка А соответствует заданной высоте съемки. Под приращением МПЗ подразумевается только аномальная его часть от литосферных источников, т. е. за вычетом приращения нормального МПЗ, которое известно с высокой степенью точности.

На фиг. 2 приведен общий вид устройства в стартовой позиции (2а), в позиции начальной стадии развертывания аппаратуры (2б) и в рабочей позиции (2в), т. е. на стадии измерения дифференциалов МПЗ.

Устройство содержит первый контейнер 1 с измерительной аппаратурой, включающий магнитометр, высотомер, установленный на ферме 2 аэростата, второй контейнер 3 с магнитометром, третий контейнер 4 с магнитометром.

Устройство включает также фалы 5 и 6, уложенные в фалонакопители 7 и 8 соответственно. Фалы 5 и 6 одним концом соединены с фермой 2, а другим концом через центральное отверстие парашюта 9 фал 5 соединен с контейнером 3, а фал 6 - с контейнером 4. Устройство также включает державки 10 и пирорезак 11. Центральное отверстие купола парашюта 9, в стартовом положении уложенного в чехол 12, снабжено эластичной диафрагмой 13, стропы парашюта 9 не заправлены в чехол 12. Контейнер 4 подсоединен к парашюту 9.

Рассмотрим работу устройства по осуществлению способа одновременно с примером конкретного выполнения. После старта аэростата на высоте 3-5 км срабатывает пирорезак 11. Пирорезак срабатывает от батареи, подсоединенной к пиропатрону пирорезака через контакты барокоробки, настроенной на заданную высоту срабатывания. Державки 10 освобождают контейнеры 3 и 4, которые начинают падать и выдергивают парашют 9 из чехла 12. Парашют 9 раскрывается, фалы 5 и 6 начинают выдергиваться из фалонакопителей 7 и 8. Фалонакопители 7 и 8 могут быть выполнены, например, в виде двойного матерчатого полотна вытянутой в длину формы, прошитого в поперечном направлении на ячейки, в которые фал уложен петлями, и свернутого в рулон. В стартовом состоянии и в начальной стадии развертывания аппаратуры контейнер 3 находится в специальном гнезде, расположенном между строп парашюта. После того, как будет выпущен весь фал 5, движение контейнера 3 прекращается, а движение контейнера 4, соединенного с более длинным фалом 6, продолжается. При этом парашют 9 под весом контейнера 4 также продолжает опускаться, пропуская контейнер 3 сквозь эластичную диафрагму 13 центрального отверстия купола парашюта 9. Диафрагма 13 под действием проходящего контейнера 3 раскрывается и после его прохождения снова закрывается. При роспуске фала 6 на всю длину (2-5 км) процесс развертывания аппаратуры на борту аэростата прекращается и устройство подготовлено к работе. Далее начинаются синхронные измерения дифференциалов МПЗ на базе 0,5 км и на базе 2-5 км. По результатам измерений строят график, пример которого приведен на фиг. 1. График по фиг. 1 строится на каждый цикл измерения, следующий, например, через каждые 10 км дрейфа аэростата. Высота полета определяется по высотомеру анероидного типа, имеющемуся в комплекте штатной аппаратуры аэростата (или специально помещенном в контейнере 2 с измерительной аппаратурой). На графике (фиг. 1) наносится точка А, соответствующая заданной фиксированной высоте измерения вертикального градиента МПЗ (30 км на фиг. 1). В этой точке строится касательная к пунктирной кривой и определяется ее наклон (в нТл/км), т. к. вертикальный градиент МПЗ на высоте 30 км. В приведенном на фиг. 1 случае градиент МПЗ в точке А составляет 9,5 нТл/(32-25) км ≈ 1,4 нТл/км. Из фиг. 1 видно, что фиксированную высоту съемки целесообразно задавать соответствующую примерно уровню положения третьего магнитометра в дневном полете. В этом случае ночью, когда в отсутствие солнечной тепловой радиации аэростат снизит высоту полета, первый магнитометр находился бы на уровне, соответствующем примерно заданной высоте съемки, т. е. в любом случае заданный уровень съемки находился бы между уровнями положения магнитометров и, следовательно, в пределах построенной кривой.

Использование предлагаемого способа измерения вертикального градиента МПЗ позволяет по сравнению с существующим повысить точность измерения градиента при изменяющейся во времени высоте съемки. Эффективность изобретения оценим следующим образом. Известно, что зависимость от высоты съемки среднеквадратичного значения аномального магнитного поля имеет нелинейный характер. Для континентальной земной коры эта зависимость наиболее нелинейна в области высот 20-100 км, где она претерпевает плавный переход из области высот с высокой скоростью изменения поля к низкой. Для этой переходной области изменчивость вертикального градиента МПЗ составляет примерно 20% на 5 км изменения высоты съемки. Для земной коры океанического типа упомянутая выше область приходится на высоту 2-5 км и в диапазоне высот 20-40 км изменение вертикального градиента МПЗ составляет порядка 1% на 5 км изменения высоты съемки.

Таким образом, если принять среднюю величину изменения градиента МПЗ порядка 10% на 5 км изменения высоты съемки, в этом случае погрешность пересчета вертикального градиента МПЗ оценивается в пределах 10% . Предложенный способ исключает эту погрешность. Кроме того, устройство для осуществления способа измерения градиента решено более просто и надежно в части его развертывания на борту аэростата, чем прототип, так как не требует лебедок, электродвигателей и мощных источников питания электродвигателей, при этом исключен недостаток барабана лебедки - западание отдельных витков фала на барабане при использовании мягкого немагнитного фала из текстильного волокна. (56) 1. Харитонов А. Л. и др. Исследование структуры геомагнитного поля. М. : Наука, 1983, с. 150-157.

2. Geophysics, vol. 54, N 8, 1989, р. 1012-1022.

3. Astronautes and Aeromautes, 1982, N 2, vol. 20, 123.

Формула изобретения

1. Способ измерения вертикального градиента магнитного поля Земли на борту аэростата, заключающийся в синхронных измерениях разностей магнитного поля Земли (МПЗ) магнитометрами, разнесенными в пространстве по вертикали, отличающийся тем, что, с целью повышения точности измерения при изменяющейся во времени высоте съемки, измеряют вертикальный дифференциал МПЗ одновременно на двух последовательно соединенных по вертикали в пространстве базах, размер которых в сумме превышает диапазон изменения во времени высоты съемки, по измеренным значениям для каждого цикла измерения строят график изменения магнитного поля с высотой съемки, а величину вертикального градиента МПЗ определяют по тангенсу угла наклона касательной в точке, соответствующей заданной высоте съемки.

2. Устройство для измерения вертикального градиента магнитного поля Земли, содержащее первый контейнер с измерительной аппаратурой, установленный на ферме аэростата, фалонакопитель с фалом и механизмом торможения фала при его выпуске из фалонакопителя, отличающееся тем, что второй и третий контейнеры с измерительной аппаратурой размещены под фермой на расстоянии 0,5 км и 2 - 5 км от первого соответственно, при этом механизм торможения выполнен в виде парашюта, центральное отверстие купола которого снабжено эластичной диафрагмой, второй контейнер в стартовом положении размещен внутри строп парашюта, а третий контейнер соединен с парашютом, причем второй и третий контейнеры сквозь центральное отверстие купола парашюта соединены с фермой аэростата каждый отдельным фалом, в стартовом положении находящимся в фалонакопителях, а второй и третий контейнеры в стартовом положении соединены с фермой аэростата также державками с установленным на них пирорезаком.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2