Способ измерения полуосей полного эллипса поляризации магнитного поля и устройство для его осуществления
METHOD FOR MEASURING THE SEMI-AXES OF THE FULL POLARIZATION ELLIPSE OF THE MAGNETIC FIELD AND A DEVICE FOR ITS IMPLEMENTATION

Предлагаемое изобретение относится к области геофизических исследований и может быть использовано при изучении строения верхней части земной коры и поисках месторождений полезных ископаемых методами электроразведки.
Для изучения геоэлектрического строения среды широко применяется класс методов электроразведки, основанных на измерении характеристик переменного магнитного поля. Характеристики магнитного поля определяются по данным измерений пространственных составляющих (компонент) полного поля, что порождает определенные проблемы, связанные с необходимостью точной ориентировки измерительного датчика, причем, чем ближе проводится измерение к источнику поля, тем точнее должно быть ориентировка.
Предметом настоящего изобретения является метод и устройство, позволяющие измерять инвариант поля - полный эллипс поляризации магнитного поля, чувствительный к неоднородностям электропроводности полупространства.
Само появление эллиптической поляризации гармонического магнитного поля обусловлено наличием двух полупространств - верхнего непроводящего (воздух) и нижнего проводящего (земля), благодаря чему круговая поляризация магнитного поля, характерная однородной среде, деформируется в эллиптическую, причем тем больше, чем выше электропроводность подстилающего полупространства. Характеристикой, чувствительной к электропроводности среды, является отношение большой полуоси эллипса поляризации к малой.
Использование характеристик эллипса поляризации переменного магнитного поля, создаваемого гармоническим током стороннего источника с ориентацией измерительных катушек в плоскости его поляризации, известен достаточно давно [1].
Наиболее простой способ заключается в непосредственных измерениях величин большой и малой полуосей эллипса магнитного поля при последовательной ориентации измерительной катушки в плоскости поляризации поля до нахождения экстремальных значений и является очень низко производительной операцией.
х
z
а
b
Известен способ (аналог) измерений полуосей эллипса поляризации магнитного поля с фиксированной ориентировкой ортогональных измерительных катушек в вертикальной плоскости, проходящей по линии источник-приемник, с фазочувствительными измерениями двух декартовых составляющих магнитного поля Н, H и дальнейшим пересчетом квадратурных компонент поля Re и Im в величины большой и малой полуосей эллипса Н, H по известным формулам [2, 3].
Устройство для реализации данного способа требует применения фазочувствительной аппаратуры с передачей фазы от источника поля к измерителю, находящемуся в точке измерений.
Известен способ и устройство для измерения угла и направления наклона эллипса поляризации и отношений его полуосей [4]. В устройстве использованы два ортогональных датчика и характеристики поля восстанавливаются по измеренным амплитудам и фазовым сдвигам между каналами. Недостатком этого способа является необходимость точной ориентировки измерительной системы в горизонтальной и вертикальной плоскостях.
Известно устройство для электромагнитного зондирования и профилирования [5]. Устройство позволяет проводить амплитудные и фазовые измерения трех компонент поля вертикального магнитного диполя на 10 частотах. К недостаткам данного устройства следует отнести необходимость передачи опорного сигнала по проводу и необходимость точной ориентировки измерительной системы датчиков на месте измерений.
Известно устройство для электромагнитного профилирования в аэроварианте, включающее в себя генераторную рамку и трехкомпонентную систему датчиков магнитного поля [6]. Устройство позволяет выполнять амплитудные и фазовые измерения поля на нескольких частотах и по данным измерений определять параметры эллипса поляризации поля (отношение полуосей, угол и азимут наклона). При этом в самом устройстве использована сложная система определения относительных координат и углов наклона генераторной рамки и измерительной системы.
Известен способ измерения полуосей эллипса поляризации магнитного поля с ориентировкой приемных катушек в вертикальной плоскости, проходящей по линии источник-приемник и устройство для его осуществления [7], который является прототипом предложенного способа. Сущность способа-прототипа заключается в применении двух взаимно-перпендикулярных датчиков магнитного поля, в котором сигнал, принятый одним датчиком, поворачивают по фазе на угол, равный четверти периода, а затем половине периода и после каждого поворота фазы складывают с сигналом, снимаемым со второго датчика; полученные два напряжения выпрямляются и определяют их полусумму и полуразность, которые численно пропорциональны большой и малой полуосям эллипса поляризации.
Основным недостатком способа-прототипа и других применяемых способов является то, что в условиях неоднородной проводящей среды плоскость поляризации магнитного поля может существенно отклоняться от плоскости, проходящей через источник и приемник поля. Для точного определения полуосей эллипса поляризации в пространстве необходимы измерения трех составляющих магнитного поля. Вторым недостатком способа-прототипа является необходимость выполнения процедуры двух поворотов фазы измеряемого сигнала на определенные углы с последующими вычислениями полуосей эллипса поляризации по измеряемым сигналам.
Цель предлагаемого решения - определение параметров полного эллипса поляризации магнитного поля в пространстве.
Поставленная цель достигается тем, что в предлагаемом способе с помощью стороннего источника в окружающем пространстве возбуждают гармоническое электромагнитное поле и в точках наблюдений измеряют три ортогональные составляющие магнитного поля без какой-либо ориентации измерительной системы в пространстве. При этом регистрацию составляющих поля выполняют с относительными измерениями сдвигов фаз составляющих поля относительно фазы генератора опорного сигнала измерителя.
Сущность предлагаемого способа заключается в том, что являясь пространственным инвариантом, величины полуосей эллипса поляризации не зависят от пространственной ориентации датчиков трех декартовых составляющих поля.
Повороты измерительной системы координат в пространстве на произвольные углы (ориентация трех ортогональных датчиков) не влияют на величину определяемых полуосей эллипса поляризации.
Фиг. 1. Эллипс поляризации магнитного поля и его проекции в основной XY и смещенной X'Y' системах координат.
Фиг. 2. Пространственно-временная развертка эллипса поляризации магнитного поля.
Фиг. 3. Устройство для измерения пространственного эллипса поляризации магнитного поля.
а
ь
х
z
а
ь
На фиг. 1 изображен эллипс поляризации магнитного поля, его образующие полуоси Н, Н и составляющие магнитного поля Н, H в основной XY и  смещенной X'Y' системах координат. Поворот системы координат, т.е. изменение ориентации датчиков поля, приводит к изменению угла наклона большой полуоси эллипса поляризации в и величин составляющих магнитного поля, при этом величины полуосей эллипса поляризации Н, Н не изменяются.
Эта инвариантность поля сохраняется в случае пространственного изменения ориентации трех взаимоортогональных датчиков магнитного поля.
Второй особенностью является временная инвариантность поля. Она заключается в том, что величины полуосей эллипса не зависят от абсолютных значений сдвига фаз каждой из трех составляющих магнитного поля относительно фазы тока в источнике поля и достаточно ограничиться относительными измерениями сдвигов фаз составляющих поля.
х
z
0
0
На фиг. 2 изображена пространственно-временная развертка эллипса поляризации магнитного поля в системе координат xzt, где в качестве одной из осей является время. Временная развертка вектора магнитного поля представляет собой дискретное положение конца вектора магнитного поля, ортогонального оси t и вращающегося в плоскости xz по поверхности цилиндра с эллиптическим основанием, в заданный момент времени t и представляет собой винтовую линию. Измерения величин составляющих магнитного поля Н, H за период Т могут быть выполнены как при синхронизации начала фаз измеряемого сигнала относительно фазы тока в источнике относительно времени t (что реализуется в фазочувствительной аппаратуре), так и за тот же период T относительно времени t+dt, если за начало отсчета принять фазу сигнала внутреннего генератора измерителя или одного из датчиков поля. За период Т вектор магнитного поля описывает эллипс, начиная с произвольного момента времени, если проецировать его на плоскость xz. Эта инвариантность поля сохраняется в случае произвольной ориентации ортогональных датчиков магнитного поля.
Предлагаемый способ реализуется следующим образом.
x
у
z
х
у
z
Гармоническим током в источнике (заземленной линии или незаземленном контуре), питаемым силовым генераторным устройством, в окружающем пространстве создают электромагнитное поле. В точках наблюдений, удаленных от источника поля, выполняют регистрацию амплитуд трех составляющих поля, ориентированных произвольным образом, и сдвигов фаз составляющих поля относительно фазы сигнала внутреннего генератора измерителя. Величины полуосей пространственного эллипса поляризации по декартовым составляющим магнитного поля H, Н, H и относительным фазам ϕ, ϕ, ϕ определяются по формулам
где угол α определяется из соотношения
За нулевую (начальную) фазу можно принять любую из фаз трех составляющих поля.
Устройство для реализации предложенного способа содержит две основных части - генераторную и измерительную. Генераторная часть представляет собой типовое устройство, применяемое в электроразведке, включающее в себя силовой блок, создающий периодический ток постоянной частоты и источник поля (заземленную линию или незаземленный контур). Измерительная часть представляет собой устройство для амплитудно - фазовых измерений магнитного поля по трем пространственным составляющим.
х
у
z
Измерительное устройство для реализации способа измерения пространственного эллипса поляризации магнитного поля представлено фиг. 3. В структурную схему измерительного устройства входят следующие узлы и блоки: три идентичных измерительных канала составляющих магнитного поля Н, Н, H в измерительном устройстве, каждый из которых включает в себя компонентный датчик магнитного поля 1, предварительный усилитель 2, полосовой фильтр 3, измеритель амплитуды сигнала 4, измеритель фазы сигнала 5, общий для всех каналов генератор сигнала опорной частоты 6, аналого-цифровой преобразователь 7 и устройство анализа и хранения данных 8.
Устройство для измерения пространственного эллипса поляризации магнитного поля работает следующим образом. Сигнал от датчика магнитного поля 1 поступает на вход предварительного усилителя 2, где усиливается, далее поступает на вход полосового фильтра 3, настроенного на частоту измеряемого сигнала. С выхода фильтра сигнал поступает на измеритель амплитуды 4 и измеритель фазы 5 сигнала. Опорный сигнал для измерения фазы задается генератором 6, имеющим частоту генерации равной частоте измеряемого сигнала. Опорный сигнал является общим для всех трех каналов, что обеспечивает общую начальную точку отсчета во времени для всех каналов при определении фазы. Далее аналоговые значения амплитуды и фазы подаются на вход многоканального аналого-цифрового преобразователя 7, с выхода которого в виде цифрового кода поступают в устройство анализа и хранения данных 8, на котором уже производятся вычисления значений полуосей эллипса по формулам (1)-(2) и основанных на этих значениях характеристик геоэлектрического разреза.
Трехканальное измерительное устройство наиболее универсально и может использоваться, в том числе для выполнения измерений в движении.
Описанный способ измерения полуосей может быть реализован более простым двухканальным измерительным устройством при дискретных наземных измерениях. Для выполнения измерений полуосей эллипса двухканальным измерителем необходимо, чтобы один из датчиков имел возможность поворота на 90° вокруг оси, в направлении которой ориентирован другой датчик. Тогда за два измерения можно получить значения амплитуд и относительных фаз поля по трем пространственным компонентам.
Источники:
1. Заборовский А.И. Электроразведка. М.: ГНТИ, 1963. 424 с.
2. Светов Б.С. Теория, методика интерпретация материалов низкочастотной индуктивной электроразведки. М.: Недра. 1973. 254 с.
3. Якубовский Ю.В., Ляхов Л.Л. Электроразведка. М.: Недра, 1988. 395 с.
4. Yamashita М., Hirano K., Thai N.D. Method and apparatus for measuring ellipse parameters of electromagnetic polarization in geophysical exploration // Pat. US 4100482, 1978.
5. PROMIS Multi-frequency multi-spacing 3 component EM system for sounding & profiling. URL: https://www.iris-instruments.com/Pdf_file/Promis.pdf.
6. Система низкочастотной индуктивной аэроэлектроразведки ЕМ-4Н. URL: https://geotechnologies.ru/ads/brochures/EM-4H_ru.pdf.
7. Светов Б.С. Способ измерения полуосей эллипса поляризации магнитного поля и устройство для его осуществления. А.С. №132345. БИ №12, 1960.