СПОСОБ ИЗМЕРЕНИЯ НА ПОДВИЖНОМ ОСНОВАНИИ АБСОЛЮТНОГО ЗНАЧЕНИЯ УСКОРЕНИЯ СВОБОДНОГО ПАДЕНИЯ И ГРАВИМЕТРЫ ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ Российский патент 2014 года по МПК G01V7/14 

Изобретение относится к области гравиметрии и может быть использовано для измерения в морских условиях абсолютных значений ускорения свободного падения.

Существует способ измерения ускорения свободного падения (УСП) путем определения пути и времени полета пробной массы с уголковым оптическим отражателем [1]. Недостатком данного способа является неудовлетворительная точность измерения пути по сумме квантов, сформированных из интерференционного сигнала.

В патенте [2] предложен способ разбиения траектории полета на множество интервалов с общим началом на восходящей ветви траектории и общим концом на нисходящей. Этот способ позволяет повысить точность в несколько раз, но его невозможно использовать на подвижном основании, где понятие общего начала отсутствует.

Известны баллистические гравиметры, содержащие на выходе измерительно-вычислительную систему на базе быстродействующих счетчиков импульсов [3]. Известны морские гравиметры, устанавливаемые на гиростабилизированную платформу [4, 5]. Известен портативный абсолютный гравиметр с эксцентриковым механизмом бросания пробного тела (катапультой) [6], в котором пружинный подвес опорного оптического отражателя использован для уменьшения влияния движения основания. В качества прототипа принят лазерный гравиметр [7], для той же цели скомплексированный с сейсмографом, на плече которого размещены референтные отражатели.

Изобретение направлено на повышение точности измерения ускорения свободного падения в условиях вертикальных перемещений основания, соизмеримых с длиной траектории полета пробного тела, например, при вертикальной качке и орбитальном движении корабля на море.

Результат достигается тем, что рядом с абсолютным гравиметром устанавливают относительный гравиметр, выделяют переменную составляющую сигнала относительного гравиметра и, интегрируя ее, вырабатывают команду на бросок пробного тела при заданной скорости основания, рабочий участок траектории полета пробного тела разбивают на кванты интерференционного сигнала, по разности интервалов времени прохождения соседних квантов вычисляют мгновенные значения суммы ускорений свободного падения и движения основания, которые осредняют и получают измеренную в броске сумму ускорений, на интервале времени полета пробного тела осредняют переменную составляющую сигнала относительного гравиметра, среднее значение переменной составляющей вычитают из измеренной в броске суммы ускорений и сохраняют разность как измеренное в броске ускорение свободного падения, проводят несколько бросков, осредняют ускорения свободного падения по множеству бросков и по полученному истинному значению ускорения свободного падения корректируют показания относительного гравиметра.

Для осуществления предложенного способа предлагается абсолютный гравиметр, содержащий катапульту, счетчик интерференционных импульсов, устройство для снижения влияния поступательных перемещений и вычислитель, отличающийся тем, что в качестве устройства для снижения влияния поступательных перемещений использован относительный гравиметр, установленный рядом с абсолютным гравиметром, в вычислитель введены: блок мгновенных суммарных ускорений, блок среднего суммарного ускорения, фильтр, интегратор выработки скорости основания, блок среднего ускорения основания, две схемы сравнения, накопитель, блок истинного значения ускорения свободного падения и командный блок, счетчик импульсов соединен с блоком мгновенных суммарных ускорений, выход которого подключен к входу блока среднего суммарного ускорения, выход относительного гравиметра подключен к входу фильтра с двумя выходами: первый выход соединен с интегратором выработки скорости и блоком среднего ускорения основания, второй выход - со второй схемой сравнения, выход интегратора выработки скорости основания соединен с командным прибором, подключенным к катапульте, выход блока среднего ускорения основания, как и блок среднего суммарного ускорения, подключен к первой схеме сравнения, по выходу соединенной с накопителем, выход накопителя подключен к блоку истинного значения ускорения свободного падения, выход которого является выходом гравиметра, этот же выход соединен со второй схемой сравнения, подключенной к относительному гравиметру.

На фигуре 1 представлена схема предложенного гравиметра.

Гравиметр 1, содержащий катапульту 2 и счетчик импульсов 3, установлен на основании 4. Рядом установлен относительный гравиметр 5. В вычислителе 6 размещены следующие устройства: блок мгновенных суммарных ускорений 7, блок среднего суммарного ускорения 8, фильтр 9, интегратор выработки скорости основания 10, блок среднего ускорения основания 11, две схемы сравнения 12 и 13, накопитель 14, блок истинного значения ускорения свободного падения 15 и командный блок 16.

Перечисленные элементы соединены между собой. Счетчик импульсов 3 соединен с блоком мгновенного суммарного ускорения 7, который подключен к блоку среднего суммарного ускорения 8. Относительный гравиметр 5 соединен с фильтром 9, имеющим два выхода. Первый выход, содержащий составляющую сигнала на частотах качки и выше, соединен с интегратором 10 и блоком 11. Разность сигналов блоков 8 и 11 со схемы сравнения 12 подается на накопитель 14, который соединен с блоком истинного значения УСП, выход которого является выходом гравиметра. Истинное значение УСП сравнивается на схеме 13 с ускорением основания, полученным на втором (низкочастотном) выходе фильтра 9. Разность поступает в относительный гравиметр 5. Выход интегратора выработки скорости основания 10 соединен с командным блоком 16, сигнал на бросок пробного тела с которого подается на катапульту 2.

В пуске к со счетчика 3 на блок 7 подается последовательность импульсов ik. Расстояние между импульсами, например, h=0,315 мкм [2] определено длиной волны используемого лазера. Время t между двумя импульсами измеряется счетчиком 3. В блоке 7 по разности времени прохождения соседних импульсов рассчитывают мгновенные значения суммы УСП и ускорения основания:

Погрешность определения этой суммы для стационарного прибора [2] достигает σh=0,5 мГал. Допустим, что для портативного мобильного прибора она будет на порядок больше σ_qΣik=5 мГал.

Для уменьшения погрешности проводят осреднение в блоке 8 за время Т полета. Примем, что на траектории укладывается c=10⁵ квантов, а после осреднения должна быть получена погрешность σ_q=0,5 мкГал.

Коэффициент сглаживания усредняющего фильтра должен быть γ=10⁴. Осреднение в окне с весовой функцией:

где: Bj - коэффициенты слагаемых весовой функции,

Т - время осреднения,

t_i - время появления кванта,

проводят по формуле

Коэффициент сглаживания в этом случае определяется выражением

Подставив c=10⁵, при n=1, получим γ₁=5,6*10⁷, значительно превосходящий допустимый (при n=0 γ₀=5,6*10² недостаточен).

На фильтре 9 разделяют сигнал относительного гравиметра на две составляющие: низкочастотную часть, связанную с частотой изменения гравитационного поля на галсе, и высокочастотную W, связанную с качкой и вибрацией корабля. Высокочастотную составляющую осредняют в блоке 11 за время полета пробной массы и получают среднее ускорение за этот период

Вычитают его значение из среднего суммарного ускорения на схеме 12 и получают значение УСП, измеренное в пуске k

q_k=q_Σk-W_k

Результаты m пусков собирают в накопителе 14, образуя множество q₀, q₁, q₂,……..q_k,…..q_m-1, q_m. По этому множеству проводят осреднение

где:

и получают истинное значение УСП.

Погрешность измерения УСП в пуске в основном зависит от погрешности определения ускорения основания σ_qk=σ_qk=50 мГал. Необходимое число испытаний m, которое нужно провести для получения погрешности σ_q=0,5 мкГал (γ=10⁵), определим, исходя из формулы:

Приняв n=2, получим, что необходимо совершить m=104 броска (при n=1 m=1470, что может быть недопустимым).

Полученное в блоке 15 значение УСП подают через сравнивающее устройство 13 на коррекцию показаний относительного гравиметра 5.

Если предположить, что корабль на вертикальной качке или орбитальном движении перемещается с амплитудой H = 0,5 м и круговой частотой , то за время полета пробной массы T=0,08 с основание может сместиться на Н=0,04 м, что больше пути полета S=0,03 м, и измерения практически потеряют смысл. Однако на максимуме и минимуме колебаний перемещения за тот же промежуток времени составят Н=1,6* 10^-3 м, что в 20 раз меньше пути полета. Выбор момента пуска осуществляет командный прибор 16, когда скорость движения основания, вырабатываемая интегратором 10, станет меньше заданной величины. Примем, что имеется 1 с времени для измерений при экстремальных значениях качки. При частоте бросков 3 Гц [6] на каждом периода качки можно сделать 6 измерений и рассчитанные 104 броска займут 18 периодов качки или 2 мин времени (при 1470 бросках на прохождение галса потребуется 24 мин).

Источники информации

1. А.П. Юзефович, Л.В. Огородова. Гравиметрия. М. Недра. 1980.

2. В.Б. Гужов, Н.Н. Кокошкин, В.Д. Шурубкин. Симметричный способ измерения абсолютного значения ускорения свободного падения. Пат. РФ 2207601 C1, 2001.

3. Е.Н. Калиш. Разработка и исследование измерительно-вычислительной системы баллистического лазерного гравиметра. М., 2003.

4. Д.М. Малютин, А.Н. Кутуров, М.Д. Малютина. Система коррекции гиростабилизатора морского гравиметра. Пат. РФ 2282147 C1, 2006.

5. И.Г. Бронштейн, И.П. Лившиц, Л.С. Элинсон, Н.П. Герасимова, А.В. Соколов. Кварцевый гравиметр. Пат. РФ 2171481 C1, 2001.

6. А.Л. Витушкин. Разработка и исследование портативного абсолютного баллистического гравиметра с эксцентриковым механизмом бросания. М., 2002.

7. В.Б. Гужов, Н.Н. Кокошкин, В.Д. Шурубкин. Баллистический лазерный гравиметр. Пат. РФ 2193786 C1, 2001.

Изобретение относится к области гравиметрии и может быть использовано для измерения в морских условиях абсолютных значений ускорения свободного падения. Сущность: на корабле устанавливают абсолютный лазерный и относительный гравиметры. Измеряют множество интервалов пути и времени лазерным интерферометром абсолютного гравиметра. Выделяют переменную составляющую сигнала относительного гравиметра. Вырабатывают команду на бросок пробного тела. Причем бросок пробного тела осуществляют при минимальной скорости вертикального перемещения основания, которую вычисляют по интегралу от составляющей сигнала относительного гравиметра, вызванной качкой корабля. Рабочий участок траектории полета пробного тела разбивают на кванты интерференционного сигнала. По разности интервалов времени прохождения соседних квантов вычисляют мгновенные значения суммы ускорений свободного падения и движения основания. Указанные значения осредняют и получают измеренную в броске сумму ускорений. На интервале времени полета пробного тела осредняют переменную составляющую сигнала относительного гравиметра. Среднее значение переменной составляющей вычитают из измеренной в броске суммы ускорений и сохраняют разность как измеренное в броске ускорение свободного падения. Проводят несколько бросков. Осредняют ускорения свободного падения по множеству бросков. По полученному истинному значению ускорения свободного падения корректируют показания относительного гравиметра. Для осуществления способа на основании (4) устанавливают абсолютный гравиметр (1), содержащий катапульту (2) и счетчик интерференционных импульсов (3). Рядом устанавливают относительный гравиметр (5). Оба гравиметра (1, 5) соединены с вычислителем (6). В вычислитель (6) введены блок (7) мгновенных суммарных ускорений, блок (8) среднего суммарного ускорения, фильтр (9), интегратор (10) выработки скорости основания, блок (11) среднего ускорения основания, две схемы сравнения (12, 13), накопитель (14), блок (15) истинного значения ускорения свободного падения и командный блок (16). Технический результат: повышение точности измерения ускорения свободного падения в условиях вертикальных перемещений основания, соизмеримых с длиной траектории полета пробного тела. 2 н.п. ф-лы, 1 ил.

1. Способ измерения абсолютного значения ускорения свободного падения, заключающийся в измерении множества интервалов пути и времени лазерным интерферометром абсолютного гравиметра, отличающийся тем, что рядом с абсолютным гравиметром устанавливают относительный гравиметр, выделяют переменную составляющую сигнала относительного гравиметра и, интегрируя ее, вырабатывают команду на бросок пробного тела при заданной скорости основания, рабочий участок траектории полета пробного тела разбивают на кванты интерференционного сигнала, по разности интервалов времени прохождения соседних квантов вычисляют мгновенные значения суммы ускорений свободного падения и движения основания, которые осредняют, и получают измеренную в броске сумму ускорений, на интервале времени полета пробного тела осредняют переменную составляющую сигнала относительного гравиметра, среднее значение переменной составляющей вычитают из измеренной в броске суммы ускорений и сохраняют разность как измеренное в броске ускорение свободного падения, проводят несколько бросков, осредняют ускорения свободного падения по множеству бросков и по полученному истинному значению ускорения свободного падения корректируют показания относительного гравиметра.

2. Абсолютный гравиметр, содержащий катапульту, счетчик интерференционных импульсов, устройство для снижения влияния поступательных перемещений и вычислитель, отличающийся тем, что в качестве устройства для снижения влияния поступательных перемещений использован относительный гравиметр, установленный рядом с абсолютным гравиметром, в вычислитель введены блок мгновенных суммарных ускорений, блок среднего суммарного ускорения, фильтр, интегратор выработки скорости основания, блок среднего ускорения основания, две схемы сравнения, накопитель, блок истинного значения ускорения свободного падения и командный блок, счетчик импульсов соединен с блоком мгновенных суммарных ускорений, выход которого подключен к входу блока среднего суммарного ускорения, выход относительного гравиметра подключен к входу фильтра с двумя выходами: первый выход соединен с интегратором выработки скорости и блоком среднего ускорения основания, второй выход - со второй схемой сравнения, выход интегратора выработки скорости основания соединен с командным прибором, подключенным к катапульте, выход блока среднего ускорения основания, как и блок среднего суммарного ускорения, подключен к первой схеме сравнения, по выходу соединенной с накопителем, выход накопителя подключен к блоку истинного значения ускорения свободного падения, выход которого является выходом гравиметра, этот же выход соединен со второй схемой сравнения, подключенной к относительному гравиметру.