7.3. Морские и аэрогравиметрические системы

пары кварцевых маятников, совершавших колебания в параллельных плоскостях на гиро­

стабилизированной платформе) на большом надводном судне (±50-100мкм·с- 2 ) 1 >.

Создание и широкое использование морских гравиметров (разд. 7.3.2 -7.3.5) сделало маятниковые измерения на море нецелесообразными (устаревшими).

7.3.2.Рычажные пружинные системы

Начиная с середины 1950-х rr. рычажные пружинные весы (разд. 6.2.2), успешно при­ менявшиеся в сухопутных гравиметрах, стали приспосабливать для работ на море и испы­ тывать на подводных лодках. В 1957 г. начаты пробные измерения на надводных судах (морские гравиметры), а в 1958 г.- на самолетах (аэрогравиметры). Особенно широкое применение нашли крутильные пружинные весы (система Аскания) и астазированные ры­ чажные гравиметры (система Ла КостаРомберга).

Морская гравиметрическая система Kss5 (Bodenseewerk Geosystem GmbH, Ибер­ линген, Германия) содержит гравиметрический датчик с электронным управлени­ ем, гиростабилизированную платформу с электронным блоком управления, ис­

точник питания и блок регистрации данных. Гравиметрический датчик Gss20 ра­ ботает по принципу гравиметров Аскания моделей Gsll/Gs\5 (разд. 6.5.2) и пред­

ставляет собой усовершенствованную упругую систему морского гравиметра Gss2 [234, 608] (рис. 7.10). Плоский алюминиевый рычаг (длина 0,3 м, период ко­ лебаний Т= 6 с) удерживается в положении равновесия горизонтальными спи­ ральными пружинами. Боковые смещения ограничены 8 проволочными растяж­

ками из вольфрама, а повороты в значительной степени подавляются магнит­

ным демпфированием. Фотоэлектрический сигнал положения рычага использует­

ся для возврашения его в нулевое положение с помошью системы управления

(усилитель, шагавый сервомотор), микрометреиного винта и слабой измеритель­

ной пружины; положение пружины непрерывно регистрируется (в аналоговой или цифровой форме). Интерфейс навигационной системы позволяет записывать всю информацию, необходимую для последующей обработки (кросс-каплинг, эф­ фект Этвёша). Для стабилизации двухосной платформы (0,95 х 0,72 х 0,76 м, 230 кг, диапазон наклонов ± 23 о, период колебаний 5 мин) используется верти­ кальный гироскоп фирмы Anschi.itz, подключенный к платформе через контур

системы регулирования и обеспечивающий долговременную точность ± 3' (при

нуль-пункта лежит в пределах 30 мкм ·с- 2 /мес. Ошибка измерений в стационарном поло­

фильтрацией единичных nериодов колебаний маятников, а также донно-nоnлавковый nрибор ПДМ.

Маятниковые измерения на море служат nреимущественно как оnорные для контроля надводных гра­ виметров. - Прим. ред.

Рис. 7.10 (левый). Чувствительная система гравиметрического датчика Gss20 морского гравиметра

Kss5, фирма Bodenseewerk Geosystem GmbH, Иберлинген (1979 г.).

Рис. 7.11 (nравый). Морской гравиметр Kss5 с гироnлатформой, вертикальным гироскоnом и грави­

метрическим датчиком. Gss20, фирма Bodenseewerk Geosystem GmbH, Иберлинген (1979 г.).

Аэроморской гравиметр Ла КостаРомберга [393] представляет собой сильнодемпфированную (воздушное демпфирование) и сильноастазированную

(почти неопределенное равновесие) модификацию сухопутного гравиметра Ла

КостаРомберга с ограничением боковых смещений рычага (разд. 6.5.4). До 1965 г. прибор устанавливался в кардановом подвесе, а направление мгновенной

вертикали определялось с помощью двух длиннопериодных l'rfаятников

(Т= 2 мин). С этим прибором при вертикальных ускорениях до 0,5 м ·с- 2 была

достигнута точность ± 40 мкм · с- 2 • С 1965 г. гравиметр стали устанавливать на

гироплатформе (гироскоп фирмы Honeywell 0,56 х 0,71 х 0,64 м, 70 кг, диапазон

наклонов ± 30°, регулируемый период колебаний от 4 до 17 мин, долговременная

точность не хуже ± 1').

Помимо гравиметрического датчика и гироплатформы система содержит электронный блок управления и блок регистрации (в аналоговой или цифровой форме, с магнитной записью) (рис. 7.12). Коромысло гравиметра медленно воз­

вращается автоматической системой управления в нулевое положение с помощью микрометрениого винта и удерживающей пружины. Если в (7 .3) основную роль

будет играть демпфирующий член, после осреднения средняя величина силы тя-

т

Среднее измеренное значение пол~чается, таким образом, по скорости движе­ ния рычага и среднему расстоянию d (от оси вращения до точки крепления пру-

жины). _

Для вычисления величины g по формуле (7 .27б) регистрируют отклонения ко­ ромысла и положение микрометрениого винта. Компьютер обрабатывает эти

Гориэ, ускор.

Гориэ. ускор.

~ Положение рычага

~

~

с

РегистрациR (магнит. лента, самописец)

Рис. 7.12. Схема аэроморского гравиметра Ла Коста - Ромберга [393].

результаты, а также фильтрует вертикальные ускорения (зависящие от состояния

моря) и вычисляет поправку за кросс-каплинг (по измерениям горизонтальных ускорений). Дополнительно может выполняться анализ взаимной корреляции

между показаниями гравиметра и скоростью судна или ускорениями; кроме того,

может быть введена поправка, устраняющая эту корреляцию. Можно использо­

вать трехгироскопную инерциальную навигационную систему для вычисления по­

правки Этвёша в реальном масштабе времени. С 1982 г. появилась возможность использовать микропроцессорвый блок управления и регистрации данных для

контроля положения осей гироплатформы и гравиметра, а также для регистра­

ции гравиметрических данных и записи их на магнитную ленту [729]. На рис. 7.13 показан общий вид системы.

Рис. 7.13.

Аэроморской гравиметр Ла Коста - Ромберга с грави­ метрическим датчиком и блоком сбора и обработки данных (фотография nредоставлена фирмой La Coste

and Romberg Gravity Meters, lnc., Остин, Техас).

нуль-пункта практически линейный и не превышает 10 мкм ·с- 2 /мес. Статическая ошибка

В 1960-х гг. морские гравиметры были созданы в СССР (Институт физики Земли Ака­ демии наук) по принципу гравиметра Норгарда (разд. 6.5.1) с жидкостным демпфировани­ ем кварцевой системы и фотоэлектрической регистрацией. При работе с карданоным под­

весом и осреднении за 5 - 1О мин получена точность ± 3080 мкм · с- 2 •>. В 1970-х rr.

в Китае (Государственное сейсмологическое бюро Института сейсмологии) был создан

гравиметр ZYZY с металлической пружиной (пружина нулевой длины, электрическая ин­

дикация положения рычага, двойное термостатирование, вычислитель кросс-каплинга, ги­

роплатформа); точность измерений с гравиметром (включая ошибки определения коорди­

нат) составляет несколько мкм ·с- 2 [786]. С 1983 г. успешно используется система DZY-2.

7.3.3.Измерительные системы с вертикальной пружиной

В отличие от систем с горизонтальным рычагом (круговое движение центра

масс) гравиметры, в которых пробпая масса перемещается только по вертикали (разд. 6.2.1), свободны от эффекта перекрестной связи между вертикальными и горизонтальными ускорениями (разд. 7.2.3).

Аэроморская гравиметрическая система KssЗ0/31 (Bodenseewerk, Иберлинген,

Германия) состоит из гравиметрического датчика, гироплатформы и основного

электронного блока для гравиметра и гиростабилизации, который содержит про­

цессор. и блок вывода информации (регистрация аналоговая и на магнитной лен­

те) (рис. 7.14). Гравиметрический датчик GssЗO (ранее, с 1970 г., применялея морской гравиметр Аскания GssЗ) содержит неастазированную осесимметричную систему с массой, подвешенной на пружине (рис. Груз, изготовленный в

виде вертикальной трубки, удерживается пятью горизонтальными нитями, каж­

дая из которых натянута пружиной, так что он может перемещаться без трения

лишь по вертикали.

Пружина, находящаяся внутри трубки, противодействует силе тяжести и со­ здает равновесие. Смещение груза воспринимается емкостным датчиком; после преобразования сигнала датчика в электронном блоке выходное напряжение бло­

ка используется для приведения груза в нулевое положение и демпфирования вер­ тикальных возмушаюших ускорений. Компенсация и демпфирование осушествля­

ются благодаря катушке на нижнем конце трубки, находяшейся в поле постоян­

ного магнита. Изменения положения катушки порождают электрический ток,

пропорциональный изменению силы тяжести; сигнал поступает в блок накопле­

ния данных. Измерительная система помещена в герметичный контейнер с двой­

ным термостатированием и магнитным экраном. Пользователь может контро­

лировать калибровочный коэффициент ( ±0,50Jo) с помошью дополнительной мае-

1> С 1974 г. московский завод «Нефтекип» выпускает надводный гиростабилизированный кварце­

вый гравиметр ГМН конструкции ВНИИГеофизики, построенный по замкнутой схеме. Точность из­

мерений ± 5 мкм · с- 2 при ускоренних до 0,3 м · с- 2 • - Прим. ред.

Рис. 7.16 (левый). Гравиметрический датчик GssЗO и гироплатформа КТ 30 (фотография nредоставлена фирмой Bodeпseewerk Geosystem GmbH, Иберлинген).

Рис. 7.17 (правый). Аэроморская гравиметрическая система KssЗI с гироплатформой, гравиметриче­ ским датчиком GssЗO, подсистемой управления данными и принтером (фотография предо­

ставлена фирмой Вodeпseewerk Geosystem GmbH, Иберлинген).

тов судна и движения по криволинейному маршруту. Последуюшей обработкой можно

уменьшить ошибку измерений еше на 400Jo. Прибор сохраняет работоспособность при вер­

тикальных ускорениях до 4 мс- 2 •

Примерно в 1980 г. появился гравиметр Ла КостаРомберга с поступа­

тельным перемещением пробной массы [395]. В этом приборе осесимметричный

цилиндрический груз удерживается в равновесии двумя наклонными пружинами

нулевой длины, прикрепленными к грузу с разных сторон (рис. 7.18). Груз связан с корпусом шестью горизонтальными тя1ами (5 жестких и одна упругая) и мо­

жет перемещаться лишь по вертикали. Чувствительность этой сильно астазиро­

ванной системы можно изменять с помощью упругой связи. Величина смешения

регистрируется емкостным датчиком, система приводится в нулевое положение

с помощью плоской пружины, которая связана с корпусом через микрометрен­

ный винт и прикреплена к верхнему концу удерживающей пружины. Смещения

Ось

Рис. 7.18.

Принцип осесимметричного гравиметраЛа Коста - Ромбер­

га [395].

груза остаются небольшими благодаря сильному жидкостному демпфированию

(силиконовая жидкость). В отличие от систем с горизонтальным рычагом (разд. 7.3.2) система с поступательным перемещением помимо отсутствия кросс­

каплиига малочувствительна к ударам и вибрациям; более того, она имеет ряд

преимуществ при изготовлении и калибровке. Пробные измерения при различном

волнении моря показали точность не хуже ± 10 мкм · с- 2 [727] (разд. 7.4.1).

В 1980-х гг. в Уханьеком институте геодезии и геофизики Академии наук Ки­ тая была создана система с поступательным перемещением пробной массы (гра­

виметр CHZ). Эта система аналогична осесимметричному гравиметру Ла Кос­

таРомберга. Она может работать при вертикальных ускорениях до 5 м · с- 2

и горизонтальных ускорениях до 2 м · с- 2 • При сравнениях с системой Kss30

(разд. 7.3.2) расхождения в среднем составили ± 14 мкм ·с- 2 [791].

7.3.4.Струнные гравиметры

Гравиметры, основанные на принципе вибрирующей струны, по сравнению с пружинными при работе на подвижном основании имеют ряд преимуществ (ма­ лые размеры, большой динамический диапазон, малая чувствительность к сотря­

для работы на подводных лодках [218]. ПозЖе морские струнные гравиметры

разрабатывались и успешно применялись в Японии, США и СССР. Ошибки из­

мерений составляли ± 1О - 20 мкм · с - 2 •

Морской надводный гравиметр Токио (TSSG), созданный в Геофизическом

институте Токийского университета, представляет собой систему с одной стру­

(около 2000 Гц), колебания поддерживаются с помощью обратной связи [687].

Горизонтальные перемещения исключаются благодаря четырем нитям, связыва­ ющим пробную массу с корпусом. Прибор установлен на платформе с верти­ кальным гироскопом. Частота измеряется в интервалах 5 или 100 с. После пре­ образования в величину ускорения выполняется цифровая низкочастотная филь­

-Слабая nружина

Струна

Рис. 7.19.

Принцип струнного акселерометра МП (Массачусетсского тех­ нологического института) [770].