Обработка данных гравиметрической разведки

Обработка данных гравиметрической разведки

Иллюстрации

Показать все

Реферат

Данное изобретение относится к усовершенствованным методам обработки данных измерений потенциального поля, полученных при авиационной разведке, например гравиметрической разведке, и к усовершенствованным методам сбора данных, которые обеспечиваются за счет усовершенствованных методов обработки данных.

Традиционно, авиационная разведка потенциального поля, например гравиметрическая разведка, проводится по схеме сетки. Сетка задается ортогональными наборами параллельных линий (маршруты полета) на двухмерной поверхности, которая огибает нижележащий рельеф. Огибающая поверхность удовлетворяет ограничению минимальной высоты (т.е. минимальной высотой над землей, на которой разрешено летать самолету) и ограничению по максимальной скорости подъема/спуска самолета, обычно около трех процентов. Этот подход годится для плоского рельефа, но для холмистого или гористого рельефа, поверхность, на которой летит самолет, может варьироваться в пределах двух-трех километров от, скажем, дна нижележащей долины до вершины гористого района/ района разведки, поэтому необходим другой подход.

Полезно иметь возможность собирать данные потенциального поля, в частности гравиметрические данные, вблизи земли, т.е. на низкой высоте. При гравиметрической разведке близлежащая масса обеспечивает данные высокой и низкой (пространственной) частоты, тогда как влияние более глубоколежащей массы наблюдается в основном только на низких частотах. При поиске нижележащих аномалий промежуточная масса имеет преобладающее влияние, и для обеспечения точного представления глубинных особенностей желательно иметь хорошее представление поверхностных особенностей, чтобы иметь возможность вычитать, в частности, высокие частоты (которые преобладают в энергетическом спектре). Например, сигнал с длиной волны λ ослабевает с высотой z по закону exp(-kz), где k=2π/λ, откуда можно оценить, что составляющая сигнала с длиной волны 200 метров от массы на глубине 100 метров ослабевает приблизительно в 20 раз от своего первоначального значения на поверхности земли (и дополнительно ослабевает в геометрической прогрессии с ростом высоты), тогда как можно видеть, что более длинные длины волны ослабевают значительно медленнее. В общем случае размер и позиция разведки выбираются согласно шкале длины волны, соответствующей сигнатуре, предполагаемой в соответствии с размером и глубиной цели.

Из вышеприведенного рассмотрения следует, что в общем случае желательно иметь возможность осуществлять авиационную разведку на низкой высоте, но на практике ограничения самолета и схема полетов, привязанная к сетке, может накладывать значительные ограничения. Схема полетов, привязанная к сетке, необходима, поскольку традиционные методы обработки данных гравиметрической разведки опираются на предположение постоянной высоты. В широком смысле предположение состоит в том, что для глубинного источника высота самолета приблизительно постоянна, и отклонение от этого предположения рассматривается лишь как небольшая коррекция. Кроме того, традиционные методы обработки данных гравиметрической разведки опираются на регулярно размещенные элементы данных, обычно в количестве степени двойки, что позволяет применять (быстрое) преобразование Фурье, тем самым задавая требование для ортогональных наборов параллельных маршрутов полета. Необходимо, чтобы маршруты полета располагались на общей поверхности, поскольку существующие методы предполагают, например, что если два маршрута пересекаются, то они пересекаются на одной и той же высоте. Дополнительная проблема с существующими маршрутами полета возникает, когда область разведки не является в точности прямоугольной, например вследствие локального рельефа. В этом случае, чтобы иметь возможность применять традиционные методы, элементы данных "забиваются", например, путем интерполяции или экстраполяции для генерации регулярного набора элементов данных в прямоугольной области. Затем длины волны (или, в частности, волновые числа), используемые для Фурье-анализа, определяются по максимальным размерам x и y (длине и ширине) забитой прямоугольной области.

Ввиду вышеизложенных недостатков традиционных методов требуются усовершенствованные методы обработки данных разведки потенциального поля и схемы разведывательных полетов.

Согласно первому аспекту настоящего изобретения предусмотрен способ обработки данных измерений потенциального поля, полученных при разведке потенциального поля земли для определения картографических данных для картографирования поля, способ содержит этапы, на которых вводят данные измерений потенциального поля, причем данные измерений потенциального поля содержат данные, задающие совокупность измерений потенциального поля и соответствующих позиций, причем каждая позиция задает позицию измерения потенциального поля в трехмерном пространстве; определяют совокупность соотношений между измерениями потенциального поля и позициями, причем каждое соотношение соотносит измерение потенциального поля с функцией соответствующей позиции в трехмерном пространстве, умноженной на параметр картографирования поля; и определяют, по существу, самосогласованный набор параметров картографирования поля для совокупности соотношений для определения, таким образом, картографических данных.

Данные потенциального поля могут содержать гравиметрические данные (данные измерения гравитационного поля), данные гравитационного градиентометра (данные измерения градиента магнитного поля), данные векторного магнитометра, данные истинного магнитного градиентометра или аналогичные данные. Параметры картографирования поля (коэффициенты или параметры, позволяющие описывать потенциальное поле) можно использовать для генерации аналогичных данных потенциального поля и, согласно вариантам осуществления, в общем случае параметры определяются выбором значений параметров, которые задают данные потенциального поля, например гравитационного поля или градиента гравитационного поля, которые наиболее точно аппроксимируют данные измерений потенциального поля. Это может быть, например, минимизация среднеквадратической ошибки или другая аналогичная оптимизация.

Согласно вариантам осуществления соотношения содержат систему уравнений, которую можно представить, например, матрицей, и определение содержит решение этих уравнений. Предпочтительно уравнения являются избыточно ограниченными, и решение содержит решение посредством процедуры понижения шума, например оптимизации методом наименьших квадратов. Предпочтительно соотношения таковы, что они имеют вид поля реального (гравитационного) потенциала, благодаря чему шум, который обычно не имеет такого вида, в итоге отфильтровывается в процедуре оптимизации. Таким образом, предпочтительно функция (трехмерной) позиции удовлетворяет уравнению Лапласа. В ряде репрезентативных примеров способа может быть порядка 10K параметров и 100K позиций.

Картографические данные могут просто содержать набор параметров картографирования поля (коэффициенты или параметры потенциального поля), поскольку эти данные можно использовать для генерации диапазона данных потенциального поля (например, данных гравитационного поля или градиента гравитационного поля) в зависимости от нужной высоты, зоны покрытия и/или картографируемой поверхности. Однако способ может дополнительно содержать определение нужного поля, обычно на поверхности, из набора параметров картографирования поля для генерации карты, т.е. осуществление прямого вычисления данных потенциального поля из набора параметров картографирования поля. Согласно объяснению, приведенному ниже, варианты осуществления способа предусматривают генерацию того же типа данных потенциального поля, которые измеряются, по меньшей мере, неявно, при определении параметров картографирования поля посредством процедуры, целью которой является минимизация или иная оптимизация различий между вычисленными и измеренными значениями. То, что это работает независимо от того, содержат ли данные потенциального поля, скажем, гравиметрические данные или данные гравитационного градиентометра, можно видеть, применяя одну из теорем Грина. Кроме того, зная один тип данных потенциального поля, например гравитационное поле или градиент гравитационного поля, можно определить другой путем интегрирования/дифференцирования, а также скалярный потенциал.

В одном варианте осуществления способа применяется представление эквивалентного источника данных потенциального поля. В этом варианте осуществления находят значения поверхностной плотности (или массы) для совокупности массивных элементов поверхности, которые совместно создают гравитационное (или другое) поле, которое наилучшим образом аппроксимирует измеренное гравитационное (или другое) поле. Поверхность в общем случае, но не обязательно, является плоской, и ее, например, можно выбирать для аппроксимации поверхности земли в районе разведки. Найдя значения для этих массивных элементов, можно применять простое прямое вычисление для прогнозирования скалярного потенциала, или гравитационного поля, или градиента гравитационного поля, например для генерации любой нужной карты района разведки. Обычно прямое вычисление производится для определения одной или нескольких составляющих поля на плоскости плоского картографирования.

В общих чертах, согласно вариантам осуществления этого способа квадрат разности между измеренным полем и полем, определенным из масс эквивалентного источника (измеряется/вычисляется гравитационное поле или градиент гравитационного поля), является функцией ошибок по массе. Таким образом, беря частную производную этой функции по, отдельно, массе каждого элемента поверхности, составляем систему уравнений, в которой переменными являются только массы всех массивных элементов поверхности (при условии, что позиция измерения в отношении массивного элемента поверхности, r-r′, известна). Эту систему уравнений удобно представить в виде матрицы и решать относительно значений массивных элементов поверхности. Поскольку количество измерений обычно много больше количества уравнений в системе (т.е. количества массивных элементов), например, по меньшей мере, в пять или десять раз больше, система уравнений является избыточно ограниченной. Это полезно, поскольку значения массивных элементов поверхности ни в коем случае не будут соответствовать шуму; вместо процедуры оптимизации для определения значений массивных элементов поверхности используется, например, аппроксимация методом наименьших квадратов, что позволяет понизить шум. Кроме того, благодаря использованию физической модели гравитационного поля, уравнения подчиняются уравнению Лапласа, что позволяет аппроксимировать гравитационное поле, а не шум.

Во втором варианте осуществления способа применяется метод модифицированных базисных функций Фурье. Согласно этому методу для представления данных измерений используется двухмерное разложение в ряд Фурье, но благодаря умножению на высотно-зависимый коэффициент () каждой двухмерной составляющей (), это представление все же является наиболее общим и подчиняется уравнению Лапласа (при дифференцировании множителей высотно-зависимого коэффициента и сокращении двухмерных составляющих). Разложение можно обрезать в той или иной точке, в зависимости от нужной точности представления, например, определяемой количеством переменных, сделанных зависимыми. Можно применять другие разложения, например по сферическим гармоникам, которые полезны для более обширных областей, в частности, когда кривизной земли нельзя пренебречь.

В общем случае коэффициенты разложения определяются следующим образом. В позиции r измеренное потенциальное поле (гравитационное поле или градиент гравитационного поля) известно, и для конкретной пары значений k _m и k _n значение также известно. Таким образом, при разложении в ряд Фурье (например, согласно приведенному ниже уравнению (3)) каждый элемент данных можно в итоге рассматривать по отдельности, и, как и в первом варианте осуществления, описанном выше, формируется система уравнений, которую можно решить относительно коэффициентов разложения в ряд Фурье. Эти коэффициенты затем можно использовать для определения (путем прямого вычисления) гравитационного поля или градиента гравитационного поля на любой двухмерной поверхности, которую нужно картографировать. Очевидно, что в этом (и предыдущем) варианте осуществления данные можно выбирать произвольным образом, поскольку элементы данных фактически не связаны между собой - все, что необходимо, это набор измерений и соответствующих (x, y, z) позиций, чтобы иметь возможность определения гравитационного поля или градиента гравитационного поля на любом другом наборе точек, в частности на поверхности или плоскости, то есть карте. Кроме того, отсюда следует, что, с использованием традиционных методов, нет необходимости забивать данные измерений для построения прямоугольника. В принципе, элементы данных можно рассматривать как участок произвольной формы двухмерной области максимальных размеров, определяемых максимальными длинами волны для разложения в ряд Фурье в направлениях x и y (хотя, как можно видеть, данные измерений не обязаны лежать на двухмерной поверхности). Отсюда следует, что значения k _m и k _n можно выбирать независимо от размеров области разведки (здесь k - волновое число, т.е. 2π/λ, тогда как при традиционной разведке максимальная длина волны должна соответствовать длине или ширине прямоугольной области разведки).

Согласно другому аспекту изобретения предусмотрена система обработки данных для обработки данных измерений потенциального поля, полученных при разведке потенциального поля земли, для определения картографических данных для картографирования поля, система содержит устройство хранения данных для хранения данных измерений потенциального поля, причем данные измерений потенциального поля содержат данные, задающие совокупность измерений потенциального поля и соответствующих позиций, причем каждая позиция задает позицию измерения потенциального поля в трехмерном пространстве; устройство хранения программ для хранения кода управления процессором; и процессор, подключенный к устройству хранения данных и устройству хранения программ, для загрузки и выполнения кода управления, причем код содержит код, предписывающий процессору вводить данные измерений потенциального поля; определять совокупность соотношений между измерениями потенциального поля и позициями, причем каждое соотношение соотносит измерение потенциального поля с функцией соответствующей позиции в трехмерном пространстве, умноженной на параметр картографирования поля; и определять, по существу, самосогласованный набор параметров картографирования поля для совокупности соотношений для определения, таким образом, картографических данных.

Согласно дополнительному аспекту изобретения предусмотрен способ обработки данных измерений, полученных в авиационной гравиметрической разведке для обеспечения данных для карты гравитационного поля, причем данные измерений содержат совокупность измерений гравитационного потенциального поля, с каждым из которых связана позиция измерения в трехмерном пространстве, способ содержит этапы, на которых используют данные измерений для оценки коэффициентов, на которые умножается функция трехмерной позиции в гармоническом разложении, для определения, таким образом, представления гравитационного поля в районе разведки для карты гравитационного поля.

Изобретение дополнительно предусматривает способ обработки данных измерений, полученных в авиационной гравиметрической разведке для обеспечения данных для карты гравитационного поля, причем данные измерений содержат совокупность измерений гравитационного потенциального поля, с каждым из которых связана позиция измерения в трехмерном пространстве, способ содержит этапы, на которых используют данные измерений для оценки совокупности массивных элементов, каждый из которых умножается на функцию трехмерной позиции в представлении эквивалентного источника гравитационного поля, для обеспечения, таким образом, данных для карты гравитационного поля.

Изобретение дополнительно предусматривает способ картографирования гравитационного поля, способ содержит этапы, на которых вводят данные измерений, полученные в авиационной гравиметрической разведке, причем данные измерений содержат совокупность измерений гравитационного потенциального поля, с каждым из которых связана позиция измерения в трехмерном пространстве; определяют совокупность соотношений между измерениями потенциального поля и позициями, причем каждое соотношение соотносит измерение потенциального поля с функцией соответствующей позиции в трехмерном пространстве, умноженной на параметр картографирования поля; и картографируют гравитационное поле, определяя, по существу, самосогласованный набор параметров картографирования поля для совокупности соотношений.

Варианты осуществления вышеописанных способов дополнительно содержат разведку поля для получения данных измерений потенциального поля путем облета набора маршрутов, которые не обязаны быть параллельными или образовывать схему прямоугольной сетки.

Как упомянуто выше, варианты осуществления вышеописанного способа можно применять, при желании, к фактически произвольно выбранным данным. Хотя произвольная выборка может оказаться неудобной с практической точки зрения, тем не менее очевидно, что, поскольку описанные здесь способы, в общем случае, не ограничены, маршруты авиационной разведки можно выбирать так, чтобы получить лучшие начальные данные, в частности, за счет возможно более низкого полета, ограниченного только общими соображениями безопасности и возможностями самолета. Таким образом, например, в широком смысле традиционный набор маршрутов можно дополнять полетами вдоль линий долин и/или модифицировать, например, искривляя один или несколько маршрутов полета для повторения горного рельефа.

Хотя маршруты не обязаны пересекаться на, по существу, одинаковой высоте ("перекрещивание"), тем не менее перекрещивания полезны для понижения шума и низкочастотного дрейфа, поскольку они обеспечивают два сильно коррелирующих измерения аналогичных участков. Однако в отличие от традиционных методов разведки маршруты не обязаны пересекаться на одной и той же высоте. Кроме того, возможны различные схемы пересечения, например, в долине два кусочно-линейных или змеевидных маршрута могут извиваться в противоположных направлениях для обеспечения последовательности перекрещиваний вдоль маршрутов.

Поэтому согласно дополнительному аспекту изобретения предусмотрен способ проведения авиационной разведки потенциального поля, способ содержит этапы, на которых ведут самолет по набору маршрутов и измеряют данные потенциального поля в точках на маршрутах, в котором набор маршрутов имеет одну или несколько из следующих особенностей: два маршрута пересекаются на высотах, отличающихся, по меньшей мере, на 50 метров; в районе разведки маршруты в одном и том же общем направлении не параллельны более чем на 5 градусов; маршруты включают в себя криволинейные маршруты; маршруты из набора маршрутов, вместе взятые, по существу, не лежат на поверхности; маршруты из набора маршрутов, вместе взятые, задают поверхность, в котором, по меньшей мере, один из маршрутов задает одно из двух ортогональных направлений на поверхности, так что скорости изменения высоты с расстоянием в разных ортогональных направлениях поверхности отличаются более чем на 5 процентов.

Согласно вариантам осуществления вышеописанных способов два маршрута пересекаются на высотах, отличающихся более чем на 50, 100, 150 или 200 метров. Маршруты могут быть прямолинейными, кусочно-линейными или искривленными и в общем случае соседние маршруты полета могут отклоняться от параллельности более чем на два градуса, три градуса, пять градусов, десять градусов или более. Как отмечено выше, маршруты, вместе взятые, не обязаны, по существу, лежать на поверхности, в частности, по причине отсутствия ограничения "по существу, постоянной высоты". Однако один удобный метод построения набора маршрутов для такой авиационной разведки предусматривает обеспечение традиционной разведки с ее последующей модификацией в сторону приближения к земле, в частности, на низинных участках, где желательно лучшее покрытие.

Типичный способ обеспечения традиционной разведки предусматривает построение двухмерной поверхности, огибающей рельеф, на котором должна производиться разведка. В высоких точках нижележащего рельефа высота поверхности обычно определяется минимально разрешенной высотой полета самолета (для безопасности), и затем высота поверхности уменьшается вследствие присущих самолету ограничений на скорость подъема/спуска, обычно порядка двух-трех процентов. Поскольку маршруты ограничиваются прямоугольной сеткой, эти ограничения применяются в двух ортогональных направлениях. В отличие от вариантов осуществления вышеописанного способа такое ограничение нужно применять только в одном направлении (в одном измерении, а не в двух). В итоге для определения маршрутов полета можно применять одномерную огибающую. Таким образом, согласно вариантам осуществления описанного здесь способа набор маршрутов, вместе взятых, задает поверхность, на которой лежит маршрут, задающий один или два ортогональных направления, причем в другом направлении поверхности разрешено иметь скорость изменения высоты с расстоянием, превышающую разрешенную скорость подъема/спуска самолета, например, более чем на три процента, пять процентов, десять процентов, двадцать процентов или более.

Изобретение также предусматривает носитель данных, переносящий навигационные данные самолета для такого набора маршрутов авиационной разведки потенциального поля.

Изобретение дополнительно предусматривает код управления процессором для реализации вышеописанных способов, в частности, на носителе данных, например диске, CD- или DVD-ROM, в программируемой памяти, например постоянной памяти (программно-аппаратное обеспечение), или на носителе данных, например носителе оптического или электрического сигнала. Код (и/или данные) для реализации вариантов осуществления изобретения может содержать исходный, объектный или исполнимый код, на традиционном языке программирования (интерпретируемом или компилируемом), например C, или код ассемблера, код для настройки и управления ASIC (специализированной интегральной схемой) или FPGA (вентильной матрицей, программируемой пользователем), или код на языке описания аппаратных средств, например Verilog (торговая марка) или VHDL (языке описания аппаратных средств для высокоскоростных интегральных схем). Специалисту очевидно, что такой/ие код и/или данные могут распределяться между рядом компонентов, осуществляющих связь друг с другом.

Ниже изложены дополнительные аспекты изобретения.

Способ проведения разведки потенциального поля с воздуха, для чего самолет снабжен комплектом оборудования для геофизических измерений, включающим в себя один или несколько приборов для измерения потенциального поля, например векторный гравиметр, гравитационный градиентометр, магнитометр, магнитный градиентометр или другие приборы, и согласно которому самолет облетает нерегулярный набор разъединенных, не находящихся на одном уровне, непрямолинейных маршрутов полета, которые покрывают район разведки, предпочтительно с наименьшим возможным расстоянием между поверхностью и самолетом для каждой линии полета и с приблизительно однородным покрытием района разведки (такие линии согласуются с безопасной эксплуатацией самолета). Предпочтительно, согласно этому способу, величина потенциального поля земли, представляющего интерес, определяется с использованием алгоритмов, которые работают с данными измерений, полученными с помощью прибора для измерения потенциального поля, собранными вдоль линий разведки как есть, без необходимости выравнивать данные, приводить данные к общей горизонтальной плоскости или привязывать данные к сетке, причем такие данные включают в себя измерение самой величины потенциального поля и (мгновенную) позицию и, в необязательном порядке, высоту прибора(ов) для измерения потенциального поля.

Способ проведения разведки потенциального поля с воздуха, описанный выше, но в котором схема полета немного изменена с целью достижения приемлемого количества "перекрещиваний" на единицу площади, причем в данном случае "перекрещивание" представляет собой точку, где линии полета самолета с разными курсовыми направлениями номинально пересекаются в одной и той же точке в пространстве.

Способ проведения разведки потенциального поля с воздуха, описанный выше, где некоторые линии из набора, по существу, параллельных, но не обязательно прямых линий, сознательно сделаны извивающимися для увеличения количества перекрещиваний с другими линиями в этом наборе, которые проходятся параллельно.

Способ проведения разведки потенциального поля с воздуха, описанный выше, где все линии проходятся с целью обеспечения максимального (возможного) количества перекрещиваний по всему району разведки (с учетом ограничения, например, на суммарную/ое длину/время полета). Ни одна из линий разведки не обязана быть параллельной какой-либо другой линии разведки, также ни одна из линий не обязана быть прямой, и в общем случае многие линии не будут пересекать весь район разведки от края до края.

Способ проведения разведки потенциального поля с воздуха, описанный выше, но в котором самолет осуществляет разведку по более традиционной схеме, например по схеме разведки с двухмерной огибающей или постоянной высотой или какой-либо другой схеме, которая запутывает линии полета и связывает их с тем, чтобы они пересекались в каждом перекрещивании. (Например, навигационные данные могут задавать точное пересечение, хотя на практике пилот достигает этого лишь с точностью, например, 10 м или 20 м.)

Способ проведения разведки потенциального поля с воздуха, описанный выше, в котором данные "выравниваются" до обработки. Выравнивание здесь является общим термином, который охватывает методы, включающие в себя один или несколько из: понижения шума, удаления низкочастотного дрейфа, согласования низкочастотного спектра соседних линий, соотнесения данных с плоскостью фиксированной высоты и пр. Данные также можно привязывать к сетке до обработки.

Способ проведения разведки потенциального поля с воздуха, описанный выше, где первая стадия анализа содержит удаление или регулировку данных, которые никоим образом не могут быть обусловлены никакими геологическими структурами, являющимися предметом исследования или геоморфологии (рельефом), в районе разведки. Влияние рельефа также можно использовать для корректировки данных на любой стадии обработки до расчета гравитационного потенциала земли.

Способ проведения разведки потенциального поля с воздуха, описанный выше, где создается точная DEM (цифровая модель рельефа) с использованием лидара (лазерного радара) совместно с IMU (инерциальным измерительным блоком), а также с DGPS (дифференциальной системой глобального позиционирования) для корректировки данных лидара для плоского движения. Данные DEM и DGPS также можно использовать для корректировки данных измерений потенциального поля с учетом рельефа. Аналогично данные ускорения, высоты, ориентации, угловой скорости и углового ускорения самолета также можно использовать для корректировки выходных данных аппаратуры для измерения потенциального поля. Любой бортовой или дистанционный датчик можно использовать для обеспечения информации положения и движения для самолета и/или аппаратуры для измерения потенциального поля.

Поэтому предпочтительно оборудовать самолет различными дополнительными стандартными авиационными приборами геофизической разведки, например аппаратурой для GPS, DGPS, альтиметра, измерения высоты, измерения давления, гиперспектрального сканера, системы электромагнитных измерений (EM), системы измерения переходных электромагнитных процессов (TDEM), векторного магнитометра, акселерометра, гравиметра и других устройств, включая другие устройства измерения потенциального поля.

Способ проведения разведки потенциального поля с воздуха, описанный выше, в котором выходные сигналы аппаратуры на самолете разведки корректируются с использованием аппаратуры на стационарной или подвижной базовой станции, например, согласно наилучшей практике в данное время. Такое оборудование может включать в себя аппаратуру GPS и магнитную аппаратуру и высококачественные наземные гравиметры.

Способ проведения разведки потенциального поля с воздуха, описанный выше, в котором данные, собранные согласно любому из вышеописанных способов, объединяются с любыми данными наземной или спутниковой разведки для улучшения анализа, причем такие данные включают в себя данные рельефа, спектральные, магнитные или другие данные.

Эти и другие аспекты изобретения будут дополнительно описаны исключительно в порядке примера, со ссылкой на прилагаемые чертежи, на которых:

Фиг. 1 - самолет с данными авиационной разведки и пример системы обработки данных, приспособленной для реализации варианта осуществления способа, отвечающего изобретению;

Фиг. 2 - логическая блок-схема процедуры обработки данных измерений потенциального поля для реализации варианта осуществления способа, отвечающего изобретению;

Фиг. 3 - логическая блок-схема процедуры генерации данных маршрутов полета для осуществления авиационной разведки потенциального поля согласно варианту осуществления способа, отвечающего изобретению; и

Фиг. 4 - иллюстративный набор маршрутов полета для авиационной разведки потенциального поля, данные которых можно обрабатывать согласно вариантам осуществления изобретения.

Теоретическое обоснование

Сначала обратимся к теоретическим основам, которые позволяют лучше понять изобретение.

Данные потенциального поля включают в себя, но без ограничения, гравиметрические данные, данные гравитационного градиентометра, данные векторного магнитометра и данные истинного магнитного градиентометра. Такие данные можно математически описать рядом соотношений, которые определяют характер изменения величин в зависимости от пространственных координат с учетом различных типов измерения. Элементы и представления потенциального поля можно вывести из скалярной величины.

Для гравитационного поля соответствующий потенциал представляет собой скалярный потенциал гравитационного поля, Φ(r), определяемый как

где r, ρ(r′), G - соответственно позиция измерения гравитационного поля, массовая плотность в положении r′ и гравитационная постоянная. Напряженность гравитационного поля, выражающая действие гравитационного поля, равна пространственной производной скалярного потенциала. Напряженность гравитационного поля - это вектор, поскольку имеет направление, которое всем известно - сила тяжести действует вниз. Ее можно представить тремя составляющими относительно любой выбранной декартовой системы координат:

Каждая из этих трех составляющих изменяется в каждом из этих трех направлений, вследствие чего градиент гравитационного поля представляет собой тензор, имеющий девять составляющих:

Математическая теория потенциальных полей и фундаментальные уравнения и соотношения вытекают из анализа свойств скалярной потенциальной функции, ее производных, ее преобразований Фурье и других математических величин.

Согласно одной из теорем Грина если на замкнутой поверхности известна любая из пространственных производных скалярного потенциала (включая сам скалярный потенциал), то значение этой пространственной производной известно во всех точках объема, ограниченного этой поверхностью. Отсюда следует, что если эта величина известна во всех точках, то путем дифференцирования и интегрирования можно получить все остальные производные скалярного потенциала, включая сам скалярный потенциал, и все его производные фактически известны во всех точках объема, когда лишь одна из производных известна на поверхности, охватывающей этот объем. Это говорит о том, что полное измерение любой составляющей любой производной скалярного потенциала позволяет вычислить любую другую составляющую любой производной скалярного потенциала. Отсюда следует, что, по меньшей мере, теоретически не имеет значения, какую величину измерять, и выбор аппаратуры определяется исключительно тем, какой прибор измеряет нужную величину с наибольшим отношением сигнал/шум.

Дифференцирование вышеописанного скалярного потенциала гравитационного поля (после решения некоторых вопросов, связанных с , когда r→0) в конце концов дает:

которое в областях, свободных от материи, сводится к уравнению Лапласа, важному фундаментальному соотношению в теории гравитации:

Гармонические функции удовлетворяют уравнению Лапласа и многие из их свойств можно использовать в анализе данных, собранных в ходе разведки потенциального поля.

Данные можно анализировать и обрабатывать с использованием различных методов, которые работают с данными, собранными при разведке, в качестве начальной точки, но которые затем изменяют данные и/или их формат таким образом, что все значения, связанные с измеренными величинами, оказываются на регулярной двухмерной сетке, расположенной на горизонтальной плоскости анализа фиксированной высоты, используемые процессы называются "выравниванием" и "привязкой к сетке".

Привязка к сетке - это геофизический метод численной обработки, основной принцип которой состоит в:

- разбиении района разведки на прямоугольные ячейки, стороны которых обычно выровнены с основными направлениями прохождения разведки,

- замене фактических данных измерений данными, которые полностью "эквивалентны" данным измерений, но которые являются назначенными значениями в точках посередине каждой ячейки.

Такие данные называются данными, "привязанными к сетке". Существует много способов убедиться, что данные, "задуманные" как представляющие данные измерений, действительно "эквивалентны" данным измерений. Также существует много способов выбора размеров каждой ячейки, но все они связаны с усредненным разбиением линий, проведенных в двух ортогональных направлениях. Когда линии разведки проведены не регулярно, как описано здесь, идею привязки к сетке, хотя и не обязательно, но все же можно использовать, но при этом существует гораздо больше возможностей выбора размера и ориентации ячеек.

Когда данные имеют этот формат, их значительно удобнее подвергать математическим преобразованиям. Никакие данные, участвующие в этих процессах, не обязаны удовлетворять уравнению Лапласа. Данные рассматриваются как набор чисел, и к числам применяются статистические и другие методы для получения наилучшей оценки потенциального поля на горизонтальной плоскости анализа.

Данные можно свести к двухмерному ряду Фурье таким образом, чтобы в дополнение к требованию, чтобы данные находились на фиксированной высоте, действовало требование, чтобы каждая линия данных имела 2ⁿ элементов данных, чтобы можно было применять метод быстрого преобра