Способ калибровки сканеров гравитационного поля

Изобретение относится к области гравитационных исследований и может быть использовано для калибровки сканеров гравитационного поля, содержащих по меньшей мере по одному преобразователю. Сущность: определяют коэффициенты для каждого преобразователя, приводящие измерение значения ускорения силы тяжести в точке калибровки. Определяют значения углов между измерительными осями каждого преобразователя. При этом в качестве калибровочного эталона используют гравитационное поле места калибровки, а в качестве измерительного эталона используют значение ускорения силы тяжести в точке калибровки между измерительными осями преобразователей. Технический результат: измерение значений углов направления измерительных осей сканера между собой и относительно заданной плоскости.

 

Изобретение относится к области исследований гравитации, в частности к способам калибровки сканера гравитационного поля.

Несмотря на достижения научно-технического прогресса, технически позволяющие производить измерения ускорений по векторам гравитационного поля (сканирование гравитационного поля), в научных и геологических исследованиях не применяются технологии измерения векторов гравитационного поля участка по различным направлениям в пространстве (3D-гравиметрии), это связано с отсутствием способа калибровки сканеров гравитационного поля, необходимого для установки (измерения) точных значений направлений векторов измерения ускорений гравитационного поля сканером с целью объединения всех измерений на участке в одну систему измерения. Без физической и математической взаимосвязи геометрии расположения точек измерения на участке с геометрическим направлением векторов и соответствующих им ускорений гравитационного поля участка данные сканирования становятся хаотичным набором значений, не имеющих практического применения.

В современной гравиметрии используются устройства, измеряющие значение ускорения вектора силы тяжести, который соответствует максимальному значению ускорения гравитационного поля в точке измерения (направление отвесной линии). Поскольку измерение значений ускорения векторов силы тяжести в точках участка, через геометрическое расположение точек измерения, пространственно соотносится с измерениями векторов ускорения силы тяжести, то такие измерения иногда называют сканированием гравитационного поля участка, а устройства измерения ускорения вектора силы тяжести называют устройствами для измерения гравитационного поля. С другой стороны, в уровне техники присутствуют описания устройств [1], способных одновременно измерять несколько значений ускорений гравитационного поля в точке измерения, благодаря конструкции из нескольких измерителей, для одновременного измерения значений ускорения по направлениям ортогонально расположенных осей чувствительности измерителей (измерительных осей). Такие устройства тоже не могут быть использованы для сканирования гравитационного поля, поскольку конструкция преобразователей учитывает в измеряемом значении перемещение чувствительного элемента (пробной массы) в направлении силы тяжести, что приводит к измерению проекции вектора силы тяжести на оси чувствительности измерителей, поэтому такие устройства не измеряют интегральное значение ускорения, образуемое массами расположенными в конусе (векторе) измерительной оси, а определяют угловые координаты отклонения измерительных осей (самого устройства) в поле ускорения силы тяжести.

В этой связи имеются однозначные классификационные различия признаков устройств, используемых для гравиметрии и используемых для сканирования гравитационного поля. К гравиметрам относятся устройства измерения ускорения силы тяжести, даже если они имеют техническую возможность одновременного измерения значения ускорений по трем ортогональным осям, то в этом случае устройством измеряется проекция вектора ускорения силы тяжести (отвесной линии) на горизонтально расположенные измерительные оси устройства. Такое измерение необходимо для позиционирования устройства и внесения поправки в измерение за угол уклонения от вектора силы тяжести (отвесной линии), значительно (на порядки) повышающее точность измерения. В устройствах сканирования гравитационного поля напротив - недопустимо введение поправки даже в значение ускорений векторов близких к отвесной линии, это ведет к абсурду физического смысла сканирования гравитационного поля. Конечно, в режиме поиска максимального значения ускорения гравитационного поля сканер найдет и измерит значение ускорения силы тяжести, но это является значением ускорения по одному из множества возможных направлений векторов гравитационного поля, геометрически (пространственно) соотнесенного с направлением всех других векторов измерения гравитационного поля. Поэтому по классификации к сканерам гравитационного поля следует относить устройства, имеющие техническую возможность измерения одним или нескольким преобразователями интегрального значения ускорения образуемого массами расположенными в конусе измерительной оси преобразователя, без искажений ускорения массами, расположенными вне вектора измерения и геометрически соотнесенные с другими измерениями, а направления векторов есть метрика пространства (ОТО), относящаяся к геометрии пространства образуемого плотностями, а не к направлению векторов измеренному в гравитационном поле как в [1]. В связи с этим, для сканера гравитационного поля, помимо калибровки преобразователей ускорения, (достаточной для гравиметров), необходима точная калибровка взаимного расположения направления измерительных осей преобразователей, которых (преобразователей) в сканере может быть количество, ограниченное лишь конструкцией сканера. Большое количество измерителей сокращает время измерения и повышает точность, за счет одновременного измерения по всем, точно откалиброванным между собою измеряемым направлениям. Более глубокие классификационные различия между гравиметрами и сканерами гравитационного поля происходят из технических особенностей, определяемых физическим смыслом измерения. Гравиметр конструктивно предназначен для измерения поля тяготения в пределах задач классической физики. Сканер гравитационного поля конструктивно предназначен для измерения ускорений по направлениям векторов геометрически связанным между собою общим пространством измерений, а, через вычисление ускорений, образуемых единичными размерами масс в точках пересечений векторов, получаемое распределение ускорений и масс в пространстве соответствует физическому смыслу Общей теории относительности. Классификационное различие устройств иллюстрирует наклон гравиметра и сканера на угол, к примеру 5.000° в направлении оси X относительно нулевой эквипотенциальной поверхности гравитационного поля. Все известные типы гравиметров не могут произвести измерение значения ускорения для этого вектора, а при наличии в системе гравиметра алгоритма контроля ошибок оператора будут ожидать позиционирования в пределах допуска угла отклонения, сканер гравитационного поля (с тремя акселерометрами) измерит значения ускорения гравитационного поля Х5.000/0.000, Y0.000/5.000, Z5.000/0.000.

В этой связи 3D решение распределения плотностей для участка измерений, полученное по измерениям сканера, в отличие от гравиметрии является более простым и единственным решением для распределения плотностей соответствующим метрике сканированного гравитационного поля участка. Соответственно, ограничение измерений гравитационного поля гравиметрами до значений только ускорений поля тяготения (частный случай сканирования гравитационного поля) становятся ограничениями при решении, которые, несмотря на высокоточность современных гравиметров, не позволяют и не позволят создать однозначные геологические решение по измеренным значениям силы тяжести участка, и потому гравиметрия поля тяготения не является самостоятельным методом геофизического исследования. Вероятность однозначного геологического решения по данным гравиметров рассмотрена в [2] «Возможность гарантированного подхода при решении прямой и обратной задач гравиразведки.»

Известно устройство [3] полностью соответствующее по техническим возможностям технологии сканирования гравитационного поля, но в связи с отсутствием способа калибровки, 3D сканирование гравитационного поля не применяется в исследованиях. Без калибровки сканера невозможно получить даже значений ускорения силы тяжести, используемых при решении прямой и обратной задач гравиметрии. Калибровка определяет возможность и точность решения для размеров единичных объемов масс геологической 3D модели участка (разрешающая способность плотностей).

В уровне техники не найден способ калибровки сканеров гравитационного поля.

Технической проблемой, решаемой с помощью заявленного изобретения, является необходимость известного значения углов направлений векторов измерения гравитационного поля при сканировании гравитационного поля.

Техническим результатом является измерение значений углов направления измерительных осей сканера между собою и относительно заданной плоскости.

Способ калибровки сканера является способом вычисления конструктивно-зависимых значений величин измерения и технологических значений для проведения измерения, необходимых для объединения всех измерений сканера в единую систему физически и математически взаимосвязанных измерений гравитационного поля при решении научных и практических задач в области исследования гравитации устройствами измерения ускорений гравитационного поля для вычисления пространственного распределения локального гравитационного поля из образующих его гравитирующих масс, в частности в геофизических исследованиях для визуализации распределения масс единичного объема в пространстве при построении 3D распределения плотностей геологического строения участка измерений.

Способ состоит из двух калибровочных технологий последовательного определения коэффициентов преобразователей значения ускорения в пропорциональный электрический сигнал, и определения значения углов между измерительными осями преобразователей. Способ основан на использовании гравитационного поля в качестве калибровочного эталона. В качестве измерительного эталона для калибровки преобразователей используется значение ускорения силы тяжести в точке калибровки, а в качестве измерительного эталона для калибровки углов между измерительными осями сканера используется направление вектора силы тяжести в точке калибровки. Не зависимо от количества преобразователей, для каждого преобразователя сканера необходимо определить коэффициенты, приводящие измерение одного и того же ускорения к одному значению индикации, физический смысл калибровки измерительного блока состоит в том, чтобы все измерители ускорения сканера при измерении одного и того же вектора гравитационного поля показывали одно и то же значение ускорения. Калибровка углов между измерительными осями сканера, независимо от количества преобразователей, необходима для построения пространственной системы расположения векторов измерения гравитационного поля на участке, для вычисления пространственных значений точек пересечения векторов измерения ускорений и масс, соответствующих их единичным объемам. Калибровка углов уклонения производится при расположении двух измерительных осей сканера в нулевой эквипотенциальной поверхности гравитационного поля, это исключает из решения неопределенность, вызванную углом между ними, и позволяет вычислить двумя независимыми измерениями два угла уклонения для калибруемой оси. Калибровка (при необходимости) может быть произведена в полевых условиях в произвольно выбранном месте перед началом измерений на исследуемом участке.

При отсутствии известного абсолютного значения ускорения силы тяжести в точке калибровки, значение ускорения для расчетов принимается равным 978031,8 мГал. При необходимости, последующая калибровка любого одного преобразователя в точке с известным абсолютным значением ускорения силы тяжести, позволяет вычислить поправку к значению 978031,8 мГал и ввести значение поправки в сканер для всех преобразователей, или применить поправку непосредственно при построении 3D модели участка. Использование абсолютного значения ускорения позволяет получить решение в истинных значениях плотностей, не значительно отличающееся от решения распределения плотностей при использовании относительных значений.

Калибровка измерительного блока необходима для определения коэффициентов преобразования физической величины ускорения в электрический сигнал и введения поправок в измеряемое значение. Принцип калибровки основан на измерении всеми преобразователями измерительного блока значения ускорения вектора силы тяжести в точке калибровки.

Цель процесса калибровки измерительного блока состоит в приведении (масштабировании) через коэффициенты к единому значению ускорения, измеренного всеми преобразователями сканера значения ускорения силы тяжести в точке калибровки, только в этом случае все измеренные сканером значения векторов гравитационного поля связаны между собою калибровкой и могут быть использованы для совместного решения.

Эта цель легко достигается на калибровочном стенде, обеспечивающем возможность позиционирования в пространстве прямого и обратного векторов всех измерительных осей в направлении вектора силы тяжести. Проведение калибровки производится при постоянной температуре измерительного блока. Для калибруемой оси, перемещением опор сканера осуществляется наклон и вращение калибруемой измерительной оси для ее совпадения с вектором силы тяжести, которому соответствует максимальное значение измеряемого в режиме реального времени ускорения в точке калибровки. После нахождения положительного значения ускорения силы тяжести, совпадающего с направлением вектора измерительной оси, сканер разворачивается на стенде на 180° по направлению калибруемой оси и производится аналогичный поиск и измерение максимального значения ускорения силы тяжести, направленного против положительного вектора измерительной оси калибруемого преобразователя. Измеренные значения MAXn и -MAXn ускорений силы тяжести векторов прямого и обратного направления, где n-измерительная ось, количество которых зависит от конструкции (X, Х30, Х45, Х60, аналогично для Y и Z, и более) используются для вычисления коэффициента преобразования Kn (мкГал/нВ) и смещения нуля измерительной схемы преобразования Δn (нВ).

При отсутствии измеренного абсолютного значения ускорения силы тяжести в точке калибровки, для вычисления принимается значение 978031,8 мГал. В этом случае вычисление коэффициента Kn (мкГал/нВ) преобразования ускорения в напряжение измерителем оси N производится делением 2*978031,8 мГал на сумму скалярных значений MAXn и -MAXn. Коэффициент преобразования Kn масштабирует умножением значение измеряемого преобразователем ускорения по измерительной оси X до значения ускорения вектора силы тяжести в точке калибровки, используемого в качестве эталона для всего процесса калибровки. После вычисления Kn, вычитанием из 978031,8 мГал значения Kn*MAXn или вычитанием из -978031,8 мГал значения Kn*(-MAXn) определяется значение смещения нуля An измерительной схемы преобразователя. Аналогичным образом производится калибровка всех измерителей осей сканера.

Изложенный принцип калибровки реализован в сканере [3] алгоритмом автоматической калибровки измерительного блока. Устройство [3] имеет автоматизированную систему (автотреггер) наклона плоскости основания сканера на задаваемые углы, жестко (механически) связанной с направлениями измерительных осей преобразователей. При установке автотреггера в основание калибровочного стенда, контроллер сканера автоматически осуществляет поиск и измерение максимального ускорения в точке измерения, вычисление коэффициентов и внесение их в алгоритмы вычислений.

После достижения стабильного воспроизводства результатов производится измерение и вычисление коэффициентов температурной зависимости измерительного блока для внесения поправок за температуру измерения. Определение значений поправок за температуру производится в той же точке гравитационного поля, принятой за калибровочный эталон, при разных значениях температуры измерительного блока.

Калибровка углов направления измерительных осей сканера необходима для точной установки нужных направлений векторов измерения ускорений гравитационного поля в пространстве измерения гравитационного поля, с целью построения геометрической модели расположения векторов измерения гравитационного поля в пространстве участка. Поскольку направление измерительных осей в горизонтали (по сторонам света или профилям) необходимо дополняется наклоном вектора по вертикали, то для установки вертикального значения угла наклона измеряемого вектора тоже необходимо нахождение начального положения измерительных осей сканера взаимосвязанного с другими точками измерения. Прямоугольные координаты устанавливаются относительно одной из измерительных осей расположенной в нулевой эквипотенциальной поверхности гравитационного поля, а совпадение измерительной оси с вектором силы тяжести определяется по максимальному значению ускорения, измеренного сканером в режиме реального времени по этой оси. Расположение двух измерительных осей в нулевой эквипотенциальной поверхности производится по нахождению в режиме реального времени минимального значения ускорения по этим осям. Для предварительного определения направления горизонтальных осей и положения нулевой эквипотенциальной поверхности гравитационного поля в точке измерения (или вектора ускорения силы тяжести), относительно которых измеряется и производится наклон по вертикали измерительных осей сканера при установке направления вектора измерения значения ускорения, в конструкции сканера гравитационного поля необходимо три и более преобразователей ускорения с точно измеренными углами отклонения между измерительными осями сканера.

При калибровке углов отклонения измерительных осей сканера используется способ, основанный на измерении углов между тремя любыми осями, когда две измерительные оси сканера размещаются в нулевой эквипотенциальной поверхности гравитационного поля, поэтому угол, образуемый этими осями между собою, не влияет на значения измерений углов, образуемыми этими осями с третьей осью. После установки одной из осей сканера в нужном направлении, задающем нулевое направление прямоугольных координат для измерения в них направления отклонения третьей оси, производится расположения двух измерительных осей в нулевой эквипотенциальной поверхности гравитационного поля. Далее по линейному перемещению опор сканера, измеряются в прямоугольных координатах углы наклона сканера, необходимые для совпадения третьей измерительной оси с вектором силы тяжести. Чтобы исключить ошибку, вносимую в измерение возможными аномалиями гравитационного поля, сканер разворачивается на 180° вокруг калибруемой оси и измерение повторяется, начиная с установки двух измерительных осей в эквипотенциальной поверхности. Два, физически связанные измерения наклона плоскости основания, необходимого для совпадения направления третьей измерительной оси с направлением вектора силы тяжести, позволяют вычислить два угла отклонения третьей оси от двух других осей. После вычисления двух углов отклонения, сканер монтируется на стенде для вычисления третьего угла отклонения между осями так, чтобы в нулевой эквипотенциальной поверхности гравитационного поля находились оси с известным углом отклонения между ними, и цикл калибровки двух углов отклонения измерительных осей сканера повторяется, начиная с установки оси нужного направления прямоугольных координат, а известное из предыдущей калибровки значение угла отклонения сравнивается с вновь вычисленным значением между теми же осями, для проверки качества калибровки. При наличии в сканере большего числа преобразователей, цикл калибровки повторяется до вычисления всех значений углов отклонения измерительных осей сканера между собою или относительно оси измерения, используемой для взаимосвязи всех измерений ускорения и направления векторов гравитационного поля при позиционировании сканера на участке измерений.

По существу, этот этап калибровки сводится к вращению сканера вокруг измерительной оси, совпадающей с вектором ускорения силы тяжести в точке измерения (вращение вокруг отвесной линии) и определения при этом в прямоугольных координатах углов наклона боковой плоскости сканера относительно плоскости, нормальной к измерительной оси из фиксированной точки плоскости. Это позволяет вычислить углы отклонения измерительной оси как проекцию отклонения измерительной оси от нормали к поверхности корпуса на плоскости, образуемые нормалью и измерительными осями (векторами прямоугольных координат). Среднее из скалярных значений измерений угла отклонения двух осей, полученное для прямого и обратного вектора измерения (разворотом на 180°) исключает погрешности измерения, вносимые аномалиями гравитационного поля и конструкцией калибровочного стенда.

Устройство [3] имеет конструкцию измерительного блока с тремя измерительными осями X,Y,Z, направленными с максимальной технологической точностью к углу 90° относительно двух других (ортогонально), и перпендикулярно сторонам корпуса сканера для одновременного измерения значения трех векторов ускорений. Такая конструкция позволяет легко ориентировать направления векторов измерения ускорений в пространстве поворотом и наклоном корпуса прибора. При калибровке сканера [3] определяются значения углов между осями X-Y, X-Z, Y-Z, для измерения значения ускорений по векторам гравитационного поля на участке и построения геометрической системы векторов, по которой определяется расположение векторов в пространстве участка и точек их пересечения. Для векторов в центре участка количество точек пересечения векторов при одном угле наклона сканера с тремя преобразователями, составляет удвоенную сумму количества профилей и точек измерения на профиле.

Геометрически определенным в пространстве участка местам точек пересечения векторов присваиваются единичные размеры заданной разрешающей способности объемов, решается задача нахождения масс единичных объемов точек пересечения векторов на участке, по векторам и вне их, соответствующих измеренному распределению ускорений по векторам гравитационного поля участка до заданной глубины. Взаимозависимость измеренных значений ускорений у векторов из всех точек измерения всех профилей через общие массы единичных объемов точек пересечения дает единственное решение, соответствующее образуемому плотностями (единичными массами) гравитационному полю участка.

Физическая взаимосвязь всех измерений калибровкой и технологией (способом) измерения, дает решение распределения, где масса (плотность), каждой точки пересечения, должна соответствовать решению для всех других масс точек пересечения, это позволяет физическую взаимосвязь измерений рассматривать как результат множества измерений одного объекта и использовать в решении статистические методы (и для проверки качества измерений в программно устанавливаемых пределах), что существенно снижает уровень требований к разрешающей способности оборудования и точности измерений.

Источники информации

1. RU 2260199 С2 Кривоносов Р.И. (RU), Дейнега Г.A. (UA), Кашик А.С. (RU) «СПОСОБ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ПАРАМЕТРОВ ГРАВИТАЦИОННОГО И ВОЛНОВОГО ПОЛЕЙ».

2. Геоинформатика - 2014. А.В. Мичурин и др. «Возможность гарантированного подхода при решении прямой и обратной задач гравиразведки».

3. RU 154804, НПО «Геосфера», УСТРОЙСТВО ДЛЯ СКАНИРОВАНИЯ ГРАВИТАЦИОННОГО И ВОЛНОВОГО ПОЛЕЙ, G01V 7/00, опуб. 10.09.2015.

Способ калибровки сканера гравитационного поля, содержащего по меньшей мере один преобразователь, причем способ содержит этап определения коэффициентов для каждого преобразователя, которые приводят измерение значения ускорения силы тяжести в точке калибровки, и этап определения значения углов между измерительными осями каждого преобразователя, причем в качестве калибровочного эталона используется гравитационное поле места калибровки, а в качестве измерительного эталона для калибровки преобразователей используется значение ускорения силы тяжести в точке калибровки между измерительными осями преобразователей.