УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ В СТРАТОСФЕРЕ ВЕРТИКАЛЬНОГО ГРАДИЕНТА МОДУЛЯ ИНДУКЦИИ МАГНИТНОГО ПОЛЯ ЗЕМЛИ И ПРИРАЩЕНИЙ ГРАДИЕНТА ПО ВЕРТИКАЛИ Российский патент 1997 года по МПК G01V3/40 

Изобретение относится к области магнитометрии, в частности предназначено для измерения вертикального градиента модуля индукции магнитного поля Земли (МПЗ) и приращения градиента по вертикали на стратосферных высотах (30 40 км). Измеряемые параметры могут быть использованы для построения геофизических разрезов земной коры, определения геометрии и глубины залегания источников аномального МПЗ.

Известно устройство [1] позволяющее измерять градиенты модуля индукции МПЗ в приземном пространстве с помощью аэромагнитометра. В этом устройстве один датчик градиентометра расположен на хвостовом оперении самолета, а другой на консоли над первым, выше хвостового оперения самолета. Расстояние между датчиками магнитного поля по вертикали составляет 2 3 метра.

Устройство [1] не обеспечивает необходимую точность определения градиента на стратосферных высотах. Это объясняется тем, что, в связи с малостью исследуемых параметров в стратосфере, невозможно получить необходимую точность измерения при технически возможном разнесении датчиков магнитного поля на стратосферном самолете (возможное разнесение датчиков магнитного поля на стратосферном самолете несколько метров, а требуется несколько километров).

Наиболее близким к представленному является бортовое аэростатное устройство развертывания [2] содержащее спускаемый контейнер с измерительной аппаратурой, установленные на ферме аэростата механизм спуска и подъема спускаемого контейнера, систему контроля спусковой скорости и расстояния до контейнера, систему управления началом спуска аппаратуры, связанную с определителем давления, а также фал, который в стартовом положении хранится на барабане, через коробку скоростей, соединенном с приводным мотором. Для поддержания контейнера с аппаратурой в стартовом положении устройство содержит державку с установленным на ней пирорезаком.

При измерении вертикального градиента модуля индукции МПЗ и приращения градиента по вертикали на стратосферных высотах для обеспечения оптимального соотношения сигнал/шум размер измерительной базы должен быть по-возможности увеличен. Кроме того, для получения максимального соотношения сигнал/шум одновременно на двух измерительных базах необходимо, чтобы размер одной измерительной базы равнялся размеру другой.

В предлагаемом устройстве поставленная техническая задача решается следующим образом. В устройстве содержится три контейнера с измерительной аппаратурой. Из них первый контейнер, содержащий магнитометр, расположен постоянно на ферме аэростата вместе с системой управления началом спуска аппаратуры, связанной с определителем давления. Второй контейнер в рабочей позиции расположен ниже первого и, как и первый контейнер содержит магнитометр. Третий контейнер, содержащий магнитометр, в рабочей позиции расположен на расстоянии 2 5 км по вертикали вниз от первого контейнера. При этом в рабочей позиции второй контейнер с магнитометром расположен между первым и третьим контейнерами на равном расстоянии от обоих. В стартовой позиции второй контейнер расположен внутри строп тормозного парашюта с эластичной диафрагмой в центральном отверстии купола в специальном гнезде конусовидной формы, обеспечивающей естественное положение строп в раскрытом состоянии парашюта, и крепится на ферме аэростата державкой с установленным на ней пирорезаком. Этой же державкой в стартовой позиции закреплен на ферме аэростата и третий контейнер, соединенный с тормозным парашютом. При этом фал, соединяющий второй контейнер с фермой аэростата, уложен в первом фалонакопителе, установленном на ферме аэростата. Фал, соединяющий третий контейнер со вторым контейнером, в стартовой позиции уложен во втором фалонакопителе, подвешенном под вторым контейнером внутри строп тормозного парашюта вместе со вторым контейнером. Один конец укладываемого во втором фалонакопителе фала соединен через центральное отверстие купола парашюта со вторым контейнером, а другой конец с третьим контейнером и парашютом. При этом выход магнитометра, расположенного в первом контейнере, соединен с первым входом первого двухвходового вычитающего блока (ДВБ), второй вход которого соединен с выходом магнитометра, расположенного во втором контейнере, который соединен также с первым входом второго ДВБ, второй вход которого соединен с выходом магнитометра, расположенного в третьем контейнере, выходы первого и второго ДВБ соединены со входами третьего ДВБ, при этом выходы первого, второго и третьего ДВБ являются выходами устройства.

На фиг. 1 приведен общий вид устройства в стартовой позиции (1а), в позиции начальной стадии развертывания аппаратуры (1б) и в рабочей позиции (1в). На фиг.2 приведена структурная схема измерителя.

Устройство включает (фиг.1) первый контейнер 1 с измерительной аппаратурой, содержащей магнитометр и систему управления началом спуска аппаратуры, связанную с определителем давления, установленный на ферме 2 аэростата, второй контейнер 3 с магнитометром и третий контейнер 4 с магнитометром. Устройство включает также равные между собой по длине фал 5 и фал 6, уложенные в стартовом положении в фалонакопители, соответственно первый 7 и второй 8. Фал 5 одним концом соединен с фермой 2 аэростата, а другим концом, проходящим сквозь центральное отверстие тормозного парашюта со вторым контейнером 3.

Фал 6 одним концом соединен с нижней скобой второго контейнера 3, а другим концом соединен с парашютом 9 и третьим контейнером 4. Первый фалонакопитель 7 подвешен к ферме 2, а второй фалонакопитель 8 подвешен ко второму контейнеру 3 и вместе с последним в стартовом положении находится внутри строп парашюта 9 в специальном гнезде 10 конусовидной формы. Устройство также включает державку 11 и пирорезак 12. Центральное отверстие купола парашюта 9 снабжено эластичной диафрагмой 13. Купол парашюта 9 в стартовом положении уложен в чехол 14. Стропы 15 парашюта 9 не уложены в чехол 14.

Структурная схема (фиг.2) измерителя градиента и его приращений по вертикали содержит три магнитометра, размещенные соответственно в контейнерах 1, 3, 4 и три двухвходовых вычитающих блока 16, 17, 18. Блоки 16, 17, 18 размещены в пункте сбора информации от магнитометров, и могут быть размещены в контейнере 1, расположенном на ферме 2 аэростата, или на наземном пункте. Выход магнитометра, расположенного в первом контейнере 1, соединен с первым входом блока 16, выход магнитометра, расположенного во втором контейнере 3, соединен со вторым входом блока 16 и с первым входом блока 17, выход магнитометра, расположенного в третьем контейнере 4, соединен со вторым входом блока 17. Выход 1 и выход 2 блоков 16 и 17 соединены, соответственно с первым и вторым входами блока 18. Выходы 1 и 2 блоков 16 и 17 являются выходами устройства при измерении вертикального градиента индукции МПЗ. Выход 3 блока 18 является выходом устройства при измерении приращения градиента индукции МПЗ.

Устройство работает следующим образом (фиг.1). После старта аэростата на высоте примерно 3 5 км срабатывает пирорезак 12. Пирорезак срабатывает от электробатареи, подсоединенной к пиропатрону пирорезака через контакты барокоробки, настроенной на заданную высоту срабатывания. Державка 11 освобождает контейнеры 3 и 4, которые начинают падать и выдергивают парашют 9 из чехла 14. Парашют 9 раскрывается, фал 5 начинает выдергиваться из фалонакопителя 7. В стартовом положении и в начальной стадии развертывания аппаратуры (фиг.1б), контейнер 3 и фалонакопитель 8 находятся в специальном гнезде 10, расположенном внутри строп 15 парашюта. После того, как будет выпущен весь фал 5 (1,0 2,5 км), спуск контейнера 3 и фалонакопителя 8 прекращается, а спуск контейнера 4 за счет выдергивания фала 6 из фалонакопителя 8 продолжается. При этом парашют 9 под весом контейнера 4 также продолжает опускаться, пропуская контейнер 3 и фалонакопитель 8 сквозь эластичную диафрагму 13 в куполе парашюта 9. Диафрагма 13 под действием проходящего контейнера 3 и фалонакопителя 8 раскрывается и после их прохождения снова закрывается. При роспуске фала 6 на всю длину процесс развертывания аппаратуры на борту аэростата прекращается, контейнер 3 занимает равноудаленное положение между контейнерами 1 и 4 (фиг.1в) и устройство подготовлено к работе.

Магнитометры, расположенные в контейнерах 1, 3, 4 (фиг.2), в синхронном режиме работы вырабатывают сигналы И1, И2, И3, соответственно эквивалентные окружающему их магнитному полю. Сигналы с выходов магнитометров поступают на вычитающие блоки 16 и 17 попарно, где формируются разностные сигналы И4 И3 - И2 и И5 И2 И1. Сигналы с выходов блоков 16 и 17 поступают также на входы блока 18, на выходе которого вырабатывается разностный сигнал И6 И5 И4. Этот разностный сигнал на выходе 3 соответствует приращению вертикальных градиентов модуля индукции МПЗ по вертикали. Сигналы И1 И6 цифровые, соответствующие магнитному полю в единицах индукции МПЗ.

Высотомер, расположенный в контейнере 1 служит для привязки измерений к высоте съемки.

Эффективность использования устройства оценивается повышением точности измерения за счет увеличения размера измерительной базы, соответствующей расстоянию между первым и третьим контейнерами. Из натурного эксперимента определено, что минимальные величины вертикального градиента модуля индукции МПЗ на высоте 30 км составляют 0,3 нТл/км. Из эксперимента также определено, что шумы измерителя составляют ориентировочно 0,1 нТл (при осреднении результата по 5-и отсчетам). При измерительной базе, равной 0,5 км в устройстве [2] минимальный сигнал составляет 0,15 нТл/км и соотношение сигнал/шум равно 1,5, что недостаточно для точных измерений. При увеличении измерительной базы до 1,0 2,5 км это соотношение составит 3 7,5, при этом расход фала, используемого для подвески контейнеров уменьшается на 0,5 2 км (по сравнению с использованием устройства [2]).

Использование: область магнитометрии, в частности для измерения вертикального градиента индукции магнитного поля Земли и приращений градиента по вертикали на стратосферных высотах (30 - 40 км) на борту аэростата. Сущность: устройство содержит три контейнера с магнитометрами, из которых первый контейнер постоянно расположен на ферме аэростата, третий контейнер расположен ниже по вертикали на расстоянии 2 - 5 км от первого, второй контейнер расположен между третьим и первым, а также тормозной парашют с эластичной диафрагмой в центральном отверстии купола, державку с установленным на ней пирорезаком и фалонакопитель. При этом в рабочем положении второй контейнер размещен на равном расстоянии от первого и третьего контейнеров, в стартовом положении внутри строп тормозного парашюта размещен второй фалонакопитель, подвешенный ко второму контейнеру, при этом один конец укладываемого в нем фала соединен через центральное отверстие купола парашюта со вторым контейнером, а другой - с третьим контейнером, причем выходы магнитометров третьего и второго контейнеров соединены со входом первого двухвходового вычитающего блока (ДВБ), выходы магнитометров второго и первого контейнеров соединены с входами второго ДВБ, а выходы первого и второго ДВБ соединены с входами третьего ДВБ, при этом выходы первого, второго и третьего ДВБ являются выходами устройства. 2 ил.

Устройство для измерения в стратосфере вертикального градиента модуля индукции магнитного поля Земли и приращений градиента по вертикали, содержащее контейнер с измерительной аппаратурой, подвешенный под фермой аэростата, систему управления началом спуска аппаратуры, связанную с определителем давления, а также державку с установленным на ней пирорезаком, отличающееся тем, что оно дополнительно содержит два контейнера с измерительной аппаратурой, при этом в рабочей позиции первый контейнер, содержащий магнитометр, расположен на ферме аэростата вместе с системой управления началом спуска аппаратуры, третий контейнер, содержащий магнитометр, расположен на расстоянии 2-5 км по вертикали вниз от первого контейнера, второй контейнер с магнитометром расположен между первым и третьим контейнером на равном расстоянии между ними, а в стартовой позиции второй контейнер расположен внутри строп тормозного парашюта и закреплен на ферме аэростата державкой с установленным на ней пирорезаком, закрепляющей на ферме аэростата также третий контейнер, причем фал, соединяющий второй и третий контейнеры уложен в первом фалонакопителе, установленном на ферме аэростата, а во втором фалонакопителе, подвешенном под вторым контейнером внутри строп тормозного парашюта, уложен фал, один конец которого соединен через центральное отверстие купола тормозного парашюта с вторым контейнером, а другой с третьим контейнером и тормозным парашютом, при этом выход магнитометра, расположенного в первом контейнере, соединен с первым входом первого двухвходового вычитающего блока (ДВБ), второй вход которого соединен с выходом магнитометра, расположенного во втором контейнере, который соединен также с первым входом второго ДВБ, второй вход которого соединен с выходом магнитометра, расположенного в третьем контейнере, выходы первого и второго ДВБ соединены с входами третьего ДВБ, при этом выходы первого, второго и третьего ДВБ являются выходами устройства.