Способ определения компонент геомагнитного поля

Способ определения компонент геомагнитного поля, включающий измерение на буксируемом за носителем объекте компонент геомагнитного поля в ортогональной системе координат, отличающийся тем, что, с целью повышения точности измерений, на носителе создают три переменных магнитных поля разной частоты в ортогональной системе координат, жестко связанной с носителем, а на буксируемом объекте в произвольно ориентированной ортогональной системе координат измеряют компоненты суммарного магнитного поля, каждую компоненту которого разделяют по частотному признаку на составляющие, определяя компоненты переменных дипольных и геомагнитного полей, по модулям соответствующих дипольных полей определяют направление на точку измерения на буксируемом объекте и значения компонент переменных магнитных полей в двух системах координат на носителе и вне его собственного поля, на буксируемом объекте, после чего определяют взаимную ориентацию этих систем координат и значения компонент геомагнитного поля, полученные в системе координат, реализованной на буксируемом объекте, пересчитывают в систему координат, связанную с носителем.

Изобретение относится к геофизике, а именно к магнитометрии, и может быть использовано при проведении компонентной магнитной съемки.
Цель изобретения повышение точности измерений.
На фиг. 1 показано определение взаимной ориентации систем координат, созданной на носителе и реализованной на буксируемом объекте; на фиг. 2 приведена схема устройства для осуществления предложенного способа.
Устройство содержит носитель 1, блок 2 генераторов, состоящий из трех генераторов 3-5 переменного тока, блок 6 дипольных излучателей 7-9, имеющий взаимно ортогональные оси, буксируемый объект 10, на котором установлен компонентный магнитометр 11, включающий магнитоизмерительные преобразователи 12-14, трехканальную линию связи 15, три идентичных канала 16-18 определения соответственно компонент X, Y, Z, блок фильтров 19, состоящий из трех резонансных фильтров 20, 21, 22, настроенных на частоты f₁, f₂, f₃ генераторов 3-5 и блока 23 выделения постоянной составляющей суммарного сигнала, блок 24 детекторов, состоящий из трех детекторов 25-27, блок 28 схем И, состоящий из четырех схем И 29-32, синхронизатор 33, вычислитель 34 модулей векторов, состоящий из вычислителей 35, 36, 37, определяющий модули вектора магнитной индукции переменного поля диполя соответственно, вычислитель 38 углов ₁, ₂, ₃ между радиус-вектором r, соединяющим точку излучения переменных дипольных магнитных полей с точкой измерения компонент и осями дипольных полей, вычислитель 39 компонент геомагнитного поля X_r, Y_r, Z_r. Блок 2 на носителе 1 соединен с блоком 6, преобразователи 12-14, магнитометра 11 буксируемого объекта 10 линией связи 15 соединены через блок 16-18 с вычислителями 34-41.
На носителе излучают три переменных магнитных дипольных поля (ПМДП), оси которых взаимно ортогональны и образуют систему координат x, y, z, жестко связанную с носителем. Каждый из генераторов 3-5 создает в пространстве переменное магнитное поле, частота которого отлична от частоты двух других. Выбор частот определяется свойствами среды, в которой распространяется магнитное поле. Разность частот должна в дальнейшем обеспечить их разделение с помощью частотных фильтров. Создаваемое магнитное поле, распространяясь в пространстве, достигает точки, удаленной от носителя на расстояние, достаточное для затухания его собственного поля. В ней одновременно измеряют три ортогональные компоненты суммарного магнитного поля носителя (СМП) в произвольно ориентированной в пространстве системе координат x₁, y₁, z₁.
Результаты измерений компонент передают на носитель, где каждую компоненту СМП по частотному признаку разделяют на составляющие, т.е. на три сигнала с несущими частотами f₁, f₂, f₃ и один псевдопостоянный, амплитуда которого определяет величину компоненты геомагнитного поля в системе координат x₁, y₁, z₁. Амплитудная модуляция частотных сигналов несет информацию о значении соответствующих компонент ПМДП, созданных в точке измерения в этой же системе координат. Продетектировав частотные сигналы, определяют значения каждой компоненты ПМДП. После этого вычисляют модули векторов каждого ПМДП в точке проведения измерений.
Известно, что дипольное поле является осесимметричным, поэтому вектор магнитной индукции дипольного поля лежит в плоскости, проходящей через ось диполя в точку измерения, т.е. в плоскости (на фиг. 1 показан только один вектор ПМДП и его составляющие). Известно также, что компонента дипольного поля, совпадающая по направлению с осью диполя, равна

где m_i магнитный момент дипольных излучателей, а компонента, перпендикулярная этой оси, равна:
.
Зная угол между вектором и компонентой ПМДП, созданного диполем с моментом, вычисляют угол между плоскостями xOy и S-плоскостью, проходящей через ось диполя и точку измерения компонент. Аналогично определяют и компоненты векторов .
Таким образом, по результатам измерений получаем значения компонент векторов в системе координат x₁, y₁, z₁, а по результатам вычислений определены компоненты их же векторов в системе координат x, y, z.
Воспользовавшись векторным уравнением (для T₁):

где компоненты вектора в системах координат x, y, z и x₁, y₁, z₁ соответственно,
S S_iS_jS_k матрица преобразования одной системы координат в другую, посредством проведения последовательных поворотов: вокруг оси z₁ на угол К, вокруг оси y₁ на угол j и вокруг оси x₁ на угол i и решив систему уравнений, вычислим углы i, j, k, а следовательно определим положение одной системы координат относительно другой.
Аналогично решают эту же задачу с использованием информации о векторах . Зная компоненты вектора геомагнитного поля в системе координат x₁, y₁, z₁, легко определить компоненты этого вектора в системе координат x, y, z, которая реализована на носителе. В данном способе не нужно создавать вне носителя стабилизированную систему координат. Достаточно иметь систему координат, свободно изменяющую свою ориентацию в пространстве.
На носителе 1 устанавливают блок 2, каждый из генераторов 3, 4, 5 которого вырабатывает ток разной частоты. В качестве дипольных излучателей 7-9 можно использовать катушку индуктивности, на носителе 1 их жестко закрепляют так, чтобы оси катушек были взаимно ортогональными. Таким образом создается система координат x, y, z, жестко связанная с носителем, в ней определяют компоненты геомагнитного поля. На буксируемом объекте 10 устанавливают магнитометр 11, измеряющий с помощью трех преобразователей 12, 13, 14 три взаимно ортогональные компоненты суммарного магнитного поля. Затем по линии связи 15 тремя параллельными каналами передают суммарные значения компонент, поступающие на входы канала 16 определения Х, канала 17, канала 18, эти каналы аналогичны друг другу.
На входе канала 16 определения Х имеется блок фильтров из трех резонансных фильтров 20, 21, 22 и блока 23, выделяющего постоянную составляющую суммарного сигнала. Усилитель 20 настроен на частоту f₁, усилитель 21 на частоту f₂, усилитель 22 на частоту f₃.
Таким образом, в блоке 18 суммарный сигнал разделяют по частотам и выделяют из него постоянную составляющую. В дальнейшем одновременно в трех из четырех параллельных каналах существует три переменных сигнала X₁₁, X₁₂, X₁₃, каждый со своей несущей частотой, а в четвертом - псевдопостоянный сигнал X_1r1. Последний характеризует соответствующую компоненту геомагнитного поля в системе координат x₁, y₁, z₁. Модуляция каждого переменного сигнала несет информацию о величине одной компоненты соответствующего дипольного излучателя. Так в канале определения Х формируют информацию о компонентах X₁₁ (на частоте f₁), X₁₂ (на частоте f₂), X₁₃ (на частоте f₃).
Далее в блоке 24 с помощью детекторов 25-27 выделяют модуляционные сигналы переменных напряжений, получая тем самым информацию о величинах одноименных компонент излучателей в точке проведения измерений. Все сигналы, выделенные из суммарного, поступают в блок 28 схем И, в котором на первые входы трех схем И 29-31 подают сигналы с соответствующих выходов блока 24, а на четвертую схему И 32 псевдопостоянный сигнал со схемы блока 23. На другие входы этих схем с синхронизатора 33 (выполненного, например, в виде генератора частоты) в заданный момент времени подают синхроимпульс, что позволяет одновременно пропустить на вычислители сигналы, определяющие одноименные компоненты дипольных излучателей и компоненту геомагнитного поля.
Аналогично обрабатывают информацию, идущую с других компонентных магнитометров в канал определения Y и в канал определения Z.
Таким образом, на выходе каналов определения X, Y, Z одновременно формируют сигналы, характеризующие двенадцать компонент, выделенных из трех компонент суммарного магнитного поля. Девять из этих компонент (компоненты дипольных излучателей) подают на вычислитель 34, где по известным уже компонентам определяют модули трех переменных полей T₁, T₂, T₃. Далее значения вычисленных модулей поступают на входы вычислителя 38 углов ₁, ₂, ₃, полученные значения углов подают в вычислитель 40 компонент векторов , где вычисляют компоненты X_i, Y_i, Z_i. Далее на один вход вычислителя 41 матрицы преобразования подают девять компонент векторов , а на другие девять значения компонент, полученные в результате проведения измерений. Получают углы поворота i, j, k, определяющие положение системы координат x₁, y₁, z₁ относительно системы координат x, y, z. Определив указанные углы, подают их на вход вычислителя 39 компонент геомагнитного поля X_г, Y_г, Z_г. На другие входы этого блока поступают значения компонент геомагнитного поля X_г1, Y_г1, Z_г1. На другие входы этого блока поступают значения компонент геомагнитного поля X_г, Y_г, Z_г в системе координат x₁, y₁, z₁. В вычислителе 39 получают значения компонент геомагнитного поля X_г, Y_г, Z_г в системе координат x, y, z.
Изобретение может быть использовано при проведении компонентной магнитной съемки. Способ определения компонент (К) геомагнитного поля заключается в следующем: на носителе создают три переменных магнитных поля разной частоты в ортогональной системе координат (СК), жестко связанной с носителем, а на буксируемом объекте (БО) в произвольно ориентированной ортогональной СК измеряют К суммарного магнитного поля, каждую К которого разделяют по частному признаку на составляющие, определяя К переменного дипольного и геомагнитного полей. По модулям соответствующего дипольного поля определяют направление на точку измерения на БО и значения К переменных магнитных полей в двух СК: на носителе и вне его собственного поля - на БО. Определяют взаимную ориентацию этих СК и значения К геомагнитного поля, полученные в СК, реализованной на БО, пересчитывают в СК, связанную с носителем. Способ имеет высокую точность измерений и иллюстрирован чертежом, показывающим принцип определения взаимной ориентации СК, созданной на носителе и реализованной на БО. 2 ил.