Способ фильтрации значений параметров единичных бросков в процессе измерения в оптической схеме абсолютных гравиметров Российский патент 2025 года по МПК G01V7/14 

Изобретение относится к геофизическому приборостроению, а именно к области гравиметрии, и основано на методе выставления вертикали лазерного рабочего луча интерферометра при проведении высокоточных абсолютных измерений силы тяжести или ее приращений для анализа величины смещения измерительного луча интерферометра в оптической схеме абсолютных гравиметров, связанного с боковым импульсом, получаемым при отрыве падающего тела в стартовом положении.

Одним из самых важных при подготовке абсолютных гравиметров к работе является процесс выставления измерительного луча в интерферометре вдоль местной вертикали (отвесной линии). Для достижения точности гравиметрических измерений порядка первых единиц мкГал ошибка выставления вертикали не должна превышать 4×10^-5рад (примерно 9 угловых секунд). Любое отклонение от прямолинейного движения блика говорит о возникновении еще какого-то воздействия на свободно падающее тело в баллистическом блоке гравиметра, при этом явно зависящее от сейсмической обстановки в районе наблюдательного пункта. Объяснением такого эффекта стало то, что перемещение изображения может быть связано не только с движением тела в поле силы тяжести Земли, а также с боковым импульсом, получаемым при отрыве пробной массы, связанным с силой реакции опоры, причинами которой являются: сила электромагнита, удерживающего в начальном положении падающее тело, и неустойчивость гравиметрических измерительных пунктов, расположенных в зонах с повышенной сейсмоактивностью.

Известно техническое решение, представленное в способе измерения углового отклонения лазерного луча в пространстве (Патент № 2819746 «Способ измерения углового отклонения лазерного луча в пространстве», МПК G01B/26, G02B26/08, опубликован 23.05.2024 в котором, измерения углового отклонения лазерного луча от начального положения включает направление лазерного луча на четырехсегментный разрезной фотодиод с регистрацией одной пары координат проекции лазерного луча на плоскость четырехсегментного разрезного фотодиода с использованием многоканального аналого-цифрового преобразователя и пересчет полученной пары координат центра проекции лазерного луча в величину углового отклонения в пространстве. При этом для формирования дополнительной проекции лазерного луча, на оптическом пути последнего последовательно размещают светоделительный куб.

Недостатком известного технического решения является высокая чувствительность к внешним воздействиям, а именно, к вибросейсмическим воздействиям.

Известно техническое решение выставления вертикали лазерного луча, по жидкому зеркалу - кюветы заполненной ртутью, спиртовыми растворами, вакуумным маслом или другой жидкостью с хорошей отражательной способностью, где лазерный луч выставляется перпендикулярно горизонтальной поверхности жидкости (Патент США №5351122, «Absolute gravity inline measuring apparatus incorporating improved operating features» МПК G01P 3/38, публ. 27.09.1994). Это техническое решение используется в баллистических гравиметрах основанных как на способе свободного падения, так и в гравиметрах, основанных на симметричном способе измерений. Подобные технические решения рассматривается в статьях: H.Hu, S.Svitlov, C.Rothleitner, J.Sch.afer, J.Zhang and L.J.Wang «Improvements of the MPG-2 transportable absolute ballistic gravimeter», Metrologia 47 (2010) 575-582; D'Agostino G, Desogus S, Germak A, Origlia C, Quagliotti D, Berrino G, Corrado G, d'Errico V and Ricciardi G «The new IMGC-02 transportable absolute gravimeter: measurement apparatus and applications in geophysics and volcanology». 2008. Ann. Geophys. 51 39-49.

Недостатком указанных технических решений является отсутствие возможности одновременной регистрации смещения отраженного измерительного луча и измерения абсолютного значения ускорения силы тяжести. Кроме того, данные технические решения обладают высокой чувствительностью к вибросейсмическим помехам, вызывающим колебания поверхности жидкости.

Известен способ и устройство включающее: баллистический блок, представляющий собой вакуумную камеру, в которой реализуется свободное падение пробного тела несущего оптический уголковый отражатель; лазер; интерферометр, образованный отражателем на падающем теле, лучеделителем и референтным уголковым отражателем входящем в систему виброзащиты; измерительно-вычислительную систему - основанные на использовании жидкого зеркала для выставления вертикали луча (Niebauer Т.М., Sasagawa G.S., Faller J.Е., Klopping F. «A new generation of absolute gravimeters». Metrologia 32 (1995), 159-80). При этом луч, генерируемый лазером, направляется на светоделительную систему интерферометра, где расщепляется на два луча, референтный луч непосредственно направляется в телескопическую систему, а измерительный луч направляется на уголковый отражатель, закрепленный на свободно падающем теле, отражается от него и попадает на жидкое зеркало, выполненное в виде дополнительной выдвижной кюветы. Луч отражается от горизонтальной поверхности жидкости и также направляется светоделителем в телескопическую систему, где сравнивается с опорным лучом. При совпадении направления измерительного луча с вертикалью отраженный от жидкого зеркала луч, поступающий в телескопическую систему, параллелен референтному лучу. В случае отклонения измерительного луча от вертикали, отраженный от жидкого зеркала луч приходит в телескопическую систему под некоторым углом относительно референтного луча. Поворотом светоделителя добиваются параллельности луча, отраженного от жидкого зеркала в телескопической системе относительно референтного луча, что соответствует вертикальности выставления измерительного луча, и кювету жидкого зеркала, перекрывающую направление лучей интерферометра, убирают.

Недостатком указанного технического решения является отсутствие возможности одновременной регистрации смещения отраженного измерительного луча и измерения абсолютного значения ускорения силы тяжести. Кроме того, данное техническое решение обладает высокой чувствительностью к вибросейсмическим помехам, вызывающим колебания поверхности жидкости.

Известно техническое решение, представленное в способе выставления вертикали лазерного луча в баллистическом гравиметре (Патент № 2498356 «Способ выставления вертикали лазерного луча в баллистическом гравиметре и устройство для его осуществления», МПК G01V7/14, опубликован 10.11.2013), выбранное в качестве прототипа, в котором отслеживается смещение лазерного луча отраженного от свободно падающего тела в процессе его движения с помощью видеокамеры, вычисление по данным видеозаписи угла отклонения лазерного луча от вертикали и коррекции направления луча в требуемую сторону.

Недостатком известного технического решения является влияние бокового импульса, получаемого при отрыве падающего тела в стартовом положении, и действующего на траекторию движения блика измерительного луча интерферометра в оптической схеме абсолютного гравиметра, высокая чувствительность к вибросейсмическим помехам.

Перед авторами ставилась задача разработать способ фильтрации значений параметров единичных бросков в процессе измерения в оптической схеме абсолютных гравиметров, для уменьшения влияния бокового импульса, получаемого при отрыве падающего тела в стартовом положении, и действующего на траекторию движения блика измерительного луча интерферометра в оптической схеме абсолютных гравиметров.

Поставленная задача решается тем, что в способе фильтрации значений параметров единичных бросков в процессе измерения в оптической схеме абсолютных гравиметров, включающий использование баллистического гравиметра, выполнение регистрации траектории смещения измерительного луча, отраженного от уголкового отражателя в процессе свободного падения тела в гравиметре регистратором траектории смещения измерительного луча, определение величины отклонения измерительного луча от вертикали, выделение линейной и квадратичной составляющей смещения свободного падения тела, дополнительно производят N единичных бросков свободно падающего тела, определяют параметры смещения измерительного луча посредством определения величины горизонтального смещения тела в процессе падения тела в гравиметре, связанного с боковым импульсом, посредством выделения линейной составляющей смещения свободного падения тела Rлин(T)n для каждого единичного броска свободно падающего тела, составляют массив значений Rлин(Т)n размером N, далее проводят фильтрацию значений параметров единичных бросков свободно падающего тела и производят пересчет абсолютного значения ускорения силы тяжести, в результате чего получают массив gi абсолютных значений ускорения силы тяжести размером N - 2 со своим значением среднеквадратической ошибки, далее выбирают значение g абсолютного значения ускорения силы тяжести из массива gi, при котором значение среднеквадратической ошибки является минимальным, при этом фильтрацию значений параметров единичных бросков свободно падающего тела проводят в автоматическом режиме либо фильтрацию значений параметров единичных бросков свободно падающего тела проводят в ручном режиме выбирая критерий фильтрации значений параметров единичных бросков свободно падающего тела в диапазоне от Rлин(Т)1 до Rлин(Т)N, затем производят пересчет по массиву отфильтрованных единичных бросков свободно падающего тела, далее регистратор траектории смещения измерительного луча выполняют в виде видеокамеры либо в виде 4-секторного фотодиода.

Техническим эффектом заявляемого технического решения является уменьшение величины ошибки в определении значения ускорения свободного падения силы тяжести, улучшение точности определений ускорения свободного падения в поле тяжести Земли, уменьшение среднеквадратической ошибки измерений, уменьшение чувствительности к вибросейсмическим помехам и внешним воздействий.

На фиг.1 представлен пример того, как боковой импульс может влиять на траекторию движения блика измерительного луча интерферометра в оптической схеме абсолютных гравиметров.

На фиг. 2 представлен пример реализации способа фильтрации значений параметров единичных бросков в процессе измерения в оптической схеме абсолютных гравиметров, который приводит к изменению результатов измерения g в целом, где 1 - без применения заявляемого способа, 2 - общее смещение <1 пкс, 3 - отклонение от вертикали <1 пкс, 4 - линейная составляющая смещения свободного падения тела <1 пкс, 5 - каждый из трех параметров, которые характеризуют качественно каждый единичный бросок <1 пкс, а - свободно выбранная константа, выбранная в диапазоне от 982000000 мкГал до 978000000 мкГал.

Заявляемый способ фильтрации значений параметров единичных бросков в процессе измерения в оптической схеме абсолютных гравиметров основан на анализе величины смещения измерительного луча интерферометра в оптической схеме гравиметров для каждого единичного броска в процессе измерений, связанного с боковым импульсом, получаемым при отрыве падающего тела в стартовом положении, с последующей фильтрацией значений параметров единичных бросков по определенному критерию и дальнейшим пересчетом результирующего значения ускорения силы тяжести по массиву значений ускорений отфильтрованных бросков при одновременной регистрации смещения отраженного измерительного луча и измерения абсолютного значения ускорения силы тяжести. Техническое решение включает в себя использование баллистического гравиметра, и основано на выполнении регистрации траектории смещения измерительного луча, отраженного от уголкового отражателя в процессе свободного падения тела в абсолютном гравиметре регистратором траектории смещения измерительного луча, определении величины отклонения измерительного луча от вертикали, и базируется на двух хорошо известных физических эффектах, а именно: а) свободно падающее тело всегда движется по направлению вертикали и б) луч, выходящий из уголкового отражателя, всегда параллелен входящему лучу.

В процессе эксплуатации системы выставления вертикали в составе абсолютных гравиметров типа ГАБЛ и ГБЛ было обнаружено, что траектория блика измерительного луча не всегда прямолинейна в случаях, когда измерительный луч не совпадает с отвесной линией, а в случае совпадения (не меняя угол наклона основания абсолютного гравиметра) иногда наблюдалось движение в различных направлениях. Кроме того, выяснилось, что такие эффекты, как внешнее воздействие на проведение выставления вертикали, наиболее часто проявлялись в более «шумное» время, когда сейсмическая обстановка (обычно техногенного происхождения) вокруг гравиметрического пункта была повышенной. Поэтому появилась необходимость более детально изучить причины возникновения таких траекторий блика измерительного луча в поле визуализатора, дать оценку возможных неточностей в выставлении вертикали абсолютного гравиметра, которые могут приводить к ошибкам измерений. Любое отклонение от прямолинейного движения блика говорит о возникновении еще какого-то воздействия на свободно падающее тело в баллистическом блоке абсолютного гравиметра, при этом явно зависящее от сейсмической обстановки в районе наблюдательного пункта. Объяснением такого эффекта стало то, что перемещение изображения может быть связано не только с движением тела в поле силы тяжести Земли, а также с боковым импульсом, получаемым при отрыве и движением падающего тела в поле тяжести, в связи с расположением, например, в зонах с повышенной сейсмоактивностью. На фиг. 1 изображены векторы скоростей V_Б и V_В, связанные с полученным боковым импульсом при отрыве и движением падающего тела в поле тяжести при отклонении от вертикали соответственно. В первый момент движения блика результирующий вектор скорости V_Р равен V_Б (V_Р = V_Б). Ввиду отсутствия каких-либо воздействующих сил на падающее тело, кроме силы тяжести Земли, вектор V_Б остается неизменным, в то время как, вектор V_В начинает расти, а вектор V_Р - менять направление.

В процессе определения абсолютного значения силы тяжести g проводят серию измерений, которая включает в себя N единичных бросков свободно падающего тела, но не менее 2х единичных бросков свободно падающего тела, для каждого из которых выполняют регистрацию движения блика измерительного луча в интерферометре абсолютного гравиметра.

Получаются всего три параметра, которые характеризуют качественно каждый единичный бросок (в серии измерений, обычно, около 1000 единичных бросков): величина горизонтального смещения тела в процессе падения тела, величина отклонения от вертикали измерительного луча, суммарная величина смещений (смещение, связанное и с отклонением от вертикали измерительного луча, и с горизонтальным смещением тела в процессе падения).

И поскольку свободно падающее тело движется с ускорением, траектория смещения измерительного луча в кадрах регистратора представляется квадратичной функцией, то выделяют линейную и квадратичную составляющую смещения измерительного луча методом регрессионного анализа. Далее определяют параметры смещения измерительного луча посредством определения величины горизонтального смещения тела в процессе падения тела в гравиметре, связанного с боковым импульсом, посредством выделения линейной составляющей смещения свободного падения тела Rлин(T)n для каждого единичного броска свободно падающего тела, далее составляют массив значений Rлин(Т)n размером N, далее значения смещений массива Rлин(Т)n сортируют в порядке возрастания, при этом первое значение массива Rлин(Т)1 является минимальным, а последний Rлин(Т)N - максимальным. Далее проводят фильтрацию единичных бросков со значениями смещения меньшими или равными каждому из массива Rлин(Т)n, но начиная с третьего Rлин(Т)3, так как среднеквадратическую ошибку можно посчитать только по трем и более значениям, и производят пересчет абсолютного значения ускорения силы тяжести, в результате чего получают массив gi абсолютных значений ускорения силы тяжести размером N - 2 со своим значением среднеквадратической ошибки. Результирующим значением g абсолютного значения ускорения силы тяжести выбирают такой из массива gi, при котором значение среднеквадратической ошибки является минимальным. Кроме того, данное техническое решение, основанное на прототипе, позволяет производить определение отклонения измерительного луча от вертикали для каждого единичного броска.

Указанный технический эффект достигается тем, что в процессе измерения абсолютным гравиметром фильтруются те единичные броски, которые получили меньший боковой импульс во время отрыва свободно падающего тела в стартовом положении, получили меньшую боковую скорость V_Б (Фиг 1), а, соответственно, становится меньше и средняя величина регистрируемых смещений блика измерительного луча в оптической схеме гравиметров отфильтрованных единичных бросков, связанная с полученными боковыми импульсами.

Сильные боковые импульсы приводят к дополнительным неточностям в определении абсолютного значения ускорения силы тяжести по причинам: расхождение опорного и измерительного лучей в оптической схеме гравиметров вследствие горизонтального смещения свободно падающего тела во время движения, появление вращательного движения свободно падающего тела во время движения, возбуждение собственных колебаний маятника системы виброзащиты гравиметров.

На фиг.2 видно, что применение заявляемого технического решения приводит к изменению результатов измерения g в целом. Сами значения g кардинально не поменялись, хотя видна тенденция к «более кучному попаданию» около среднего значения g_ср. Практическое применение способа фильтрации значений параметров единичных бросков в абсолютных гравиметрах показало, среднеквадратическая ошибка измерения абсолютного значения силы тяжести существенно уменьшается.

Изобретение относится к области гравиметрии и может быть использовано для фильтрации значений параметров единичных бросков в процессе измерения в оптической схеме абсолютных баллистических гравиметров. Сущность: регистрируют траекторию смещения измерительного луча, отраженного от уголкового отражателя в процессе свободного падения тела в гравиметре, регистратором траектории смещения измерительного луча. Определяют величину отклонения измерительного луча от вертикали. Выделяют линейную и квадратичную составляющие смещения свободного падения тела. При этом дополнительно производят N единичных бросков свободно падающего тела. Определяют параметры смещения измерительного луча посредством определения величины горизонтального смещения тела в процессе падения тела в гравиметре, связанного с боковым импульсом, посредством выделения линейной составляющей смещения свободного падения тела Rлин(T)n для каждого единичного броска свободно падающего тела. Составляют массив значений Rлин(Т)n размером N. Выполняют фильтрацию значений параметров единичных бросков свободно падающего тела и производят пересчет абсолютного значения ускорения силы тяжести. В результате получают массив gi абсолютных значений ускорения силы тяжести размером N-2 со своим значением среднеквадратической ошибки. Выбирают значение g абсолютного значения ускорения силы тяжести из массива gi, при котором значение среднеквадратической ошибки является минимальным. Технический результат: уменьшение величины ошибки значения ускорения свободного падения силы тяжести, повышение точности определения ускорения свободного падения в поле тяжести Земли, уменьшение среднеквадратической ошибки измерений, уменьшение чувствительности к вибросейсмическим помехам и внешним воздействиям. 4 з.п. ф-лы, 2 ил.

1. Способ фильтрации значений параметров единичных бросков в процессе измерения в оптической схеме абсолютных гравиметров, включающий использование баллистического гравиметра, выполнение регистрации траектории смещения измерительного луча, отраженного от уголкового отражателя в процессе свободного падения тела в гравиметре, регистратором траектории смещения измерительного луча, определение величины отклонения измерительного луча от вертикали, выделение линейной и квадратичной составляющих смещения свободного падения тела, отличающийся тем, что дополнительно производят N единичных бросков свободно падающего тела, определяют параметры смещения измерительного луча посредством определения величины горизонтального смещения тела в процессе падения тела в гравиметре, связанного с боковым импульсом, посредством выделения линейной составляющей смещения свободного падения тела Rлин(T)n для каждого единичного броска свободно падающего тела, составляют массив значений Rлин(Т)n размером N, далее проводят фильтрацию значений параметров единичных бросков свободно падающего тела и производят пересчет абсолютного значения ускорения силы тяжести, в результате чего получают массив gi абсолютных значений ускорения силы тяжести размером N-2 со своим значением среднеквадратической ошибки, далее выбирают значение g абсолютного значения ускорения силы тяжести из массива gi, при котором значение среднеквадратической ошибки является минимальным.

2. Способ фильтрации значений параметров единичных бросков в процессе измерения в оптической схеме абсолютных гравиметров по п.1, отличающийся тем, что фильтрацию значений параметров единичных бросков свободно падающего тела проводят в автоматическом режиме.

3. Способ фильтрации значений параметров единичных бросков в процессе измерения в оптической схеме абсолютных гравиметров по п.1, отличающийся тем, что фильтрацию значений параметров единичных бросков свободно падающего тела проводят в ручном режиме, выбирая критерий фильтрации значений параметров единичных бросков свободно падающего тела в диапазоне от Rлин(Т)1 до Rлин(Т)N, затем производят пересчет по массиву отфильтрованных единичных бросков свободно падающего тела.

4. Способ фильтрации значений параметров единичных бросков в процессе измерения в оптической схеме абсолютных гравиметров по п.1, отличающийся тем, что регистратор траектории смещения измерительного луча выполняют в виде видеокамеры.

5. Способ фильтрации значений параметров единичных бросков в процессе измерения в оптической схеме абсолютных гравиметров по п.1, отличающийся тем, что регистратор траектории смещения измерительного луча выполняют в виде 4-секторного фотодиода.