баллистический лазерный гравиметр

Формула изобретения

Баллистический лазерный гравиметр, содержащий вакуумную камеру, катапульту, пробную массу с уголковым оптическим отражателем, лазерный интерферометр перемещений, горизонтальный маятник с пружинной подвеской и установленным в центре тяжести маятника референтным уголковым оптическим отражателем, отличающийся тем, что на маятник вблизи шарнирной опоры установлен второй референтный оптический отражатель интерферометра, образуя второй информационно-измерительный канал.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к области гравиметрии и может быть использовано в баллистических лазерных гравиметрах для измерения абсолютных значений ускорения свободного падения.

Известен баллистический гравиметр для измерения абсолютных значений ускорения свободного падения [1]. Гравиметр содержит вакуумную камеру, катапульту для подбрасывания пробной массы с оптическим отражателем, источник монохроматического света, интерферометр перемещений, устройство для компенсации микросейсм, сейсмометр для регистрации остаточных микроколебаний.

Наиболее близким по технической сущности к предполагаемому изобретению является баллистический лазерный гравиметр, приведенный в [2]. Гравиметр содержит вакуумную камеру с катапультой для подбрасывания пробной массы в виде уголкового оптического отражателя; лазерный интерферометр перемещений, состоящий из Не - Ne лазера, делительного оптического элемента, референтного (опорного) уголкового оптического отражателя, установленного в центре тяжести горизонтального маятника с пружинной подвеской, шарнирной опорой и демпфером, образующим виброзащитную систему. Интерференционный сигнал обрабатывается электронным устройством для вычисления ускорения свободного падения по известным формулам. Недостатком известного баллистического лазерного гравиметра является низкая точность измерений, обусловленная зависимостью степени ослабления сейсмических колебаний от частотного спектра и периода собственных колебаний маятника.

Изобретение направлено на повышение точности измерения ускорения свободного падения баллистическим лазерным гравиметром в условиях сейсмических колебаний.

Это достигается тем, что в баллистический лазерный гравиметр, содержащий вакуумную камеру, катапульту, пробную массу с уголковым оптическим отражателем, лазерный интерферометр перемещений, виброзащитное устройство типа горизонтального маятника с пружинной подвеской и установленным в центре тяжести маятника референтным уголковым оптическим отражателем интерферометра, дополнительно вблизи шарнирной опоры установлен уголковый оптический отражатель интерферометра, образуя второй информационно-измерительный канал. При этом исключение влияния сейсмических колебаний на результат измерения ускорения свободного падения осуществляется путем введения поправок по разности показаний двух каналов с учетом корреляционной связи между ними.

На чертеже представлена схема баллистического лазерного гравиметра.

Гравиметр состоит из He-Ne лазера 1, оптического раздвоителя 2, оптической делительной пластины 3, фотоприемников интерференционного сигнала 4, 5, пробной массы с уголковым оптическим отражателем 6, катапульты для подбрасывания пробной массы 7, вакуумной камеры 8, электронно-счетного устройства 9, балансировочного груза 10, первого референтного уголкового оптического отражателя 11, расположенного в центре тяжести горизонтального маятника 12, поворотных зеркал 13, демпфера 14, второго референтного уголкового оптического отражателя 15, установленного вблизи шарнирной опоры 16, пружинной подвески 17.

Баллистический лазерный гравиметр работает следующим образом. Принцип действия основан на преобразовании свободного движения пробной массы с уголковым оптическим отражателем 6, подброшенной вертикально вверх, в интерференционные сигналы по двум каналам. He-Ne лазер 1, оптический раздвоитель 2, оптическая делительная пластина 3, фотоприемники 4, 5, у толковый оптический отражатель пробной массы 6, поворотные зеркала 13, референтные у толковые оптические отражатели 11, 15 образуют лазерный интерферометр перемещений с двумя информационно-измерительными каналами. Луч от источника монохроматического света Не-Ne лазера 1 в оптическом раздвоителе 2 расщепляется на два луча. Каждый из двух лучей попадает на оптическую делительную пластину 3. Часть двух лучей направляются на уголковый оптический отражатель пробной массы 6 и после троекратного отражения возвращаются на оптическую делительную пластину 3. Вторая часть лучей, отразившись от поворотных зеркал 13, направляются на у толковые оптические отражатели 11, 15 и после троекратного отражения возвращаются на оптическую делительную пластину 3, где интерферируют с лучами, отраженными от уголкового оптического отражателя 6, совершающим свободное движение. Оптические интерференционные сигналы при помощи фотоприемников 4, 5 преобразуются в электрические сигналы переменной частоты, которые обрабатываются в электронно-счетном устройстве 9 для вычисления абсолютных значений ускорения свободного падения g по каждому каналу. Измерения пути за заданные промежутки времени Т проводятся как на восходящей, так и на ниспадающей ветвях траектории синхронно. Измеренные единичные значения ускорения свободного падения g_1i и g_2i, в каждом канале определяются по формуле:



где N_h1, N_h2 - количество квантов h пути, сформированных из интерференционного сигнала на восходящей и ниспадающей ветвях траектории полета пробной массы с уголковым оптическим отражателем 6; - пауза при вершине траектории. В первом канале путь измеряется с ослаблением сейсмических колебаний, во втором - практически без ослабления. После проведения серии n единичных измерений определяются средние квадратические отклонения ₁, ₂ по каждому каналу и коэффициент подавления сейсмических колебаний г в соответствии с выражениями:





r = ₂/₁,

среднее арифметическое значение.

Необходимым условием введения поправок в результаты измерений является г>1, которое на практике при наличии сейсмических колебаний от индустриальных источников, как правило, выполняется. При г=1 инерциальная помеха отсутствует, и дальнейшая процедура вычисления поправок не производится.

Для определения степени линейной связи показаний двух измерительных каналов вычисляется коэффициент корреляции:



Определяется разность показаний по каждому отдельно взятому единичному измерению g_i=g_li-g_2i.

При линейной связи двух измерительных каналов коэффициенты поправок являются функцией коэффициента подавления сейсмических колебаний и коэффициента корреляции:





Скорректированные значения показаний гравиметра определяются через выражения:

g*_li=g_li-g_iR₁;

g*_2i=g_2i-g_iR₂.

После коррекции производится статистическая обработка по каждому из каналов.

Источники информации 1. А.П. Юзефович, Л.В. Огородова "Гравиметрия." - М.: Недра,1980.

2. В.А. Романюк "Измерение абсолютного значения ускорения силы тяжести" Geod. Geoph. Veroff. R., Ill, H30,Berlin, 1974.