ИЗМЕРИТЕЛЬНОЕ УСТРОЙСТВО ДЛЯ ГЕОЭЛЕКТРОРАЗВЕДКИ
MEASURING DEVICE FOR GEOELECTRIC EXPLORATION

Изобретение относится к устройствам измерения амплитуды и фазы переменного электромагнитного поля низкой частоты.
Областью преимущественного использования предлагаемого изобретения является многочастотное электромагнитное дипольное профилирование и частотно-дистанционное электромагнитное дипольное зондирование геологической среды в верхней части земной коры. Изобретение ориентировано на применение в методах электроразведки, использующих измерение переменного электромагнитного поля в движении, поэтому основными задачами изобретения были обеспечение возможности одновременного измерения амплитудных и частотных характеристик сигнала на нескольких частотах в пределах возможно более широкого частотного диапазона и минимизация энергопотребления измерительного устройства.
Известно устройство [1], измеряющее электромагнитное поле на ряде частот в полосе 10-2000 Гц, при этом каждая частота измеряется в своем узком частотном диапазоне с полосой пропускания 0,2-0,3 Гц на нескольких входных каналах. Частотная селекция реализуется синхронным фильтром на переключаемых конденсаторах, а измерение сигнала выполняется аналого-цифровым преобразователем (АЦП), подключенным входом к выходу синхронного фильтра. Устройство позволяет измерять амплитуду сигнала и фазовые отношения между измерительными каналами. Частота измеряемого сигнала переносится в низкочастотную область, что позволяет понизить частоту дискретизации. Недостатком устройства является отсутствие возможности проведения измерений на нескольких частотах одновременно.
Известна электроразведочная аппаратура [2], с многочастотным измерительным устройством, производящим измерение сигнала одновременно на ряде частот в диапазоне от 0 Гц до 48 кГц. Выделение гармоник сигнала производится узкополосным цифровым фильтром на основе цифрового сигнального процессора. Недостатком этого устройства является необходимость высокой частоты дискретизации сигнала (96 кГц) и мощного специализированного процессора для частотной фильтрации, а так же отсутствие возможности расширения рабочего частотного диапазона в высокочастотную область.
Известно устройство для проведения многочастотных электроразведочных измерений [3], которое производит выделение всех заданных гармоник сигнала в реальном времени в диапазоне частот до 7,8 кГц без преобразования частоты. Диапазон измерений ограничен сверху как максимальной частотой дискретизации, которая составляет 15625 Гц, так и скоростью устройства передачи данных измерения в персональную ЭВМ, которая производит частотную фильтрацию сигнала. Устройство имеет те же недостатки, что и предыдущее.
Известно устройство для индукционного частотного зондирования [4], использованное в качестве прототипа. Устройство позволяет проводить измерения амплитудных и фазовых характеристик электромагнитного поля на 14 выделенных частотах в диапазоне 2,5-200 кГц. Измерения проводятся последовательно на выбранных частотах диапазона. При измерении в цифровую форму преобразуется сигнал с выхода фазового детектора. Недостатком данного устройства является, как и у устройства [1] невозможность одновременного измерения на нескольких частотах.
Предлагаемое в качестве изобретения устройство, в отличие от устройства [1] и [4] решает задачу преобразования многочастотного спектра в низкочастотную область одновременно на всех рабочих частотах аппаратуры, что позволяет увеличить информативность измерений и сократить время их выполнения.
Цели предлагаемого технического решения - расширение рабочего диапазона условий зондирования (глубины и удельной проводимости геоэлектрического разреза), уменьшение энергоемкости, массы и габаритов измерительной части, увеличение производительности и точности исследований за счет одновременного измерения поля на нескольких частотах в заданном частотном диапазоне, достигаемые за счет реализации следующих возможностей:
- расширение частотного диапазона зондирующего сигнала с возможностью ведения измерений одновременно на нескольких выделенных частотах в пределах частотного диапазона;
- уменьшение потока данных и вычислительной нагрузки на устройства цифровой обработки данных;
- снижение необходимого быстродействия аналого-цифрового преобразователя, канала передачи данных измерения в ЭВМ и вычислительных затрат ЭВМ при проведении цифровой фильтрации данных для измерений в реальном времени.
Предлагаемый способ достижения целей изобретения заключается в переносе сетки частот сигнала частотного зондирования из широкополосной области в низкочастотную область и выполнения дальнейших вычислительных операций с относительно медленно изменяющимся низкочастотным сигналом. Основная идея предлагаемого изобретения заключается в том, что частоты зондирующего сигнала расположены в пределах широкого частотного диапазона по редкой сетке с шагом в геометрической прогрессии. И, хотя общая ширина частотного диапазона (разность между наивысшей и наинизшей частотами) может быть большой (десятки - сотни кГц), суммарная ширина полосы, в которую попадает сигнал на всех частотах измерения относительно мала и определяется частотой и глубиной амплитудной модуляции, возникающей при изменении электромагнитного поля в точке измерения вследствие перемещения зондирующей установки вдоль профиля в условиях неоднородной геологической среды.
Реализация способа переноса частот заключается в перемножении входного сигнала с многочастотным опорным сигналом и последующей фильтрации фильтром низких частот (ФНЧ). При этом частоты измеряемого и опорного сигналов выбраны таким образом, чтобы их разностные частоты попадали в относительно узкий низкочастотный диапазон. Основное отличие предлагаемого устройства от ранее известных заключается в том, что в данном устройстве применена модуляция многочастотного измеряемого сигнала многочастотным опорным сигналом, технически реализованная путем умножения цифрового опорного сигнала на измеряемый аналоговый сигнал перемножающим цифро-аналоговым преобразователем (ЦАП) [5]. Такое решение позволяет сузить частотную полосу обрабатываемого сигнала в несколько сот раз, что дает возможность использовать более экономичный и имеющий более широкий динамический диапазон АЦП, существенно снизить энергопотребление обрабатывающей части и уменьшить объем первичных данных. При этом сами узлы модулятора и генератора опорного цифрового сигнала могут быть реализованы средствами, существенно не увеличивающими энергопотребление.
Предлагаемое устройство (фиг. 1) состоит из датчика электромагнитного поля 1, входного согласующего усилителя 2, модулятора 3, генератора цифрового опорного сигнала 4, ФНЧ 5, усилителя низкой частоты 6, АЦП 7, устройства хранения и анализа цифровой информации 8.
Предлагаемое устройство работает следующим образом.
Измеряемое электромагнитное поле многочастотного зондирующего сигнала создает на выходе датчика 1 многочастотный сигнал, который подается на вход согласующего усилителя 2. С выхода согласующего усилителя измеряемый аналоговый сигнал подается на вход опорного напряжения модулирующего ЦАП 3. На цифровой вход ЦАП 3 от генератора цифрового опорного сигнала 4 подается модулирующий опорный сигнал в виде цифрового кода. Мгновенное значение на выходе ЦАП равно произведению на входе опорного сигнала на множитель, поданный в виде цифрового кода на цифровой вход. Измеряемый и опорный сигналы представляют собой суммы N гармонических колебаний с амплитудами , частотами  и фазовыми сдвигами  соответственно (n=1…N). Сигнал S на выходе модулятора равен произведению сумм гармоник измеряемого и опорного сигналов:
где t - время. Используя формулу произведения косинусов формула 1 может быть преобразована к виду:
Частоты измеряемого и опорного сигналов выбираются такими, что составляющая с их разностной частотой  попадает в полосу пропускания ФНЧ 5, подключенного к выходу модулятора. Составляющие с суммарной частотой и составляющие с высокими разностными частотами попадают в полосу заграждения фильтра и исключаются из дальнейшей обработки. Низкочастотный сигнал с выхода ФНЧ 5 поступает на усилителя низкой частоты 6, а с выхода усилителя 6 - на вход АЦП 7. Поток данных в цифровом виде в выхода АЦП поступает на вход устройства анализа и хранения информации 8, где и выполняется их основная обработка.
Предлагаемое изобретение реализовано в виде лабораторного макетного устройства, с частотой дискретизации опорного сигнала 100 кГц и частотой измеряемых гармоник до 30 кГц.
Источники, использованные при составлении заявки:
1. Пат. 2207596 Российская Федерация, МПК G01V 3/08. Измерительное устройство для электроразведки / Человечков А.И., Коноплин А.Д., Иванов Н.С., Астафьев П.Ф., Вишнев В.С., Дьяконова А.Г.; заявитель и патентообладатель Институт геофизики УрО РАН. - №2001120399/28; заявл. 20.07.2001; опубл. 27.06.2003 г., Бюл. №18.
2. GEM-2: A new multifrequency electromagnetic sensor / I.J. Won [et al.]// Journal of Environmental & Engineering Geophysics. - 1996. - №1. - C. 129-138.
3. Арзамасцев Е.В., Коноплин А.Д., Астафьев П.Ф. Многочастотный комплекс фазочувствительного частотного индукционного зондирования. // Датчики и системы. 2018 №5. С. 55-60.
4. Пат. 2502092 Российская Федерация, МПК C1 G01V 3/10. Способ и устройство для индукционного частотного зондирования / Манштейн А.К., Балков Е.В.; заявитель и патентообладатель Институт нефтегазовой геологии и геофизики СО РАН. - №2011132460/28; заявл. 01.08.2011; опубл. 20.12.2013 г., Бюл. №35.
5. DAC8811 16-bit, single-channel, serial input multiplying DAC with 0.5us settling time. URL: https://www.ti.com/product/DAC8811