СПОСОБ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ ИМПЕДАНСА ЗЕМНОЙ КОРЫ В СВЕРХНИЗКОЧАСТОТНОМ ДИАПАЗОНЕ РАДИОВОЛН
METHOD AND DEVICE FOR MEASURING IMPEDANCE OF EARTH'S CRUST IN VERY LOW FREQUENCY RANGE OF RADIO-WAVES

Изобретение относится к области геоэлектрической разведки и может быть использовано для определения эффективной комплексной электропроводности земной коры на глубину скин-слоя, составления карт электропроводности разного масштаба, необходимых для проектирования линий электропередач и связи, в антенной технике при выборе районов размещения сверхнизкочастотных (СНЧ) излучателей, при изучении условий распространения радиоволн в полости "Земля - ионосфера" и в земной коре, для определения геоэлектрического разреза верхней части земной коры.
Г
В
Г
В
Известны способы геоэлектрической разведки с использованием электромагнитного поля естественных [1], [2], [3] и искусственных [4] источников. В способе [1] с использованием переменного естественного электрического поля (ПЕЭП) в диапазоне звуковых и инфразвуковых частот (4-2000 Гц), обусловленного, в основном, излучением молниевых разрядов, по отношению средних напряженностей горизонтальной Е и вертикальной Е компонент электрического поля судят о величине модуля наклона фронта электромагнитной волны и эффективном сопротивлении верхней части земной коры. Недостатком известного способа ПЕЭП является низкая точность определения модуля наклона фронта волны и эффективного сопротивления вследствие нестабильности отношения (Е/Е) во времени. Способ не позволяет получить информацию о фазе наклона фронта волны. В способе геоэлектрической разведки [4], использующем искусственное зондирующее поле, создаваемое воздействием на ионосферу мощного амплитудно-модулированного коротковолнового или средневолнового радиоизлучения, измерения поверхностного импеданса производят на частоте модуляции в диапазоне 10-2500 Гц и по частотной зависимости поверхностного импеданса судят о геоэлектрическом разрезе земной коры. Недостатком данного способа является то, что электромагнитное поле достаточного для измерений уровня создается на локальных участках размерами в несколько сот километров, а эффективность излучения зависит от широты места излучающего устройства и в средних широтах значительно меньше, чем в высоких широтах (в авроральной зоне).
Наиболее близким по совокупности сходных признаков к предложенному техническому решению является способ магнитотеллурического зондирования (МТЗ), основанный на том, что в пункте наблюдения на границе раздела "воздух-земля" измеряют электрические и магнитные компоненты естественного геомагнитного поля Земли горизонтальными взаимно перпендикулярными электрическими и магнитными датчиками [3]. Каждый датчик подключен через собственный усилитель к электронному самопишущему блоку или цифровому регистратору. По полученным синхронным записям вариаций напряженности электрической и магнитной компонент геомагнитного поля и известным характеристикам приемных трактов определяют поверхностный импеданс земной коры, по частотной зависимости которого судят о строении геоэлектрического разреза.
В
Недостатком известного способа МТЗ является то, что поверхностный импеданс земной коры определяется в диапазоне геомагнитных пульсаций (частоты ниже 1 Гц). При этом получают сведения лишь о строении самых глубоких слоев земной коры и верхней мантии. Для получения качественной информации используют вариации квазисинусоидальной формы, для накопления необходимого объема которых в диапазоне 0,001-1 Гц требуется значительное время, достигающее 5-7 суток. Распространение указанного метода на диапазон сверхнизкочастотных и крайне низкочастотных электромагнитных полей (СНЧ - 30-300 Гц; КНЧ - 3-30 Гц), где основным источником зондирующего магнитотеллурического поля является излучение молниевых разрядов, встречает большие трудности. Сложный импульсно-шумовой характер случайного электромагнитного поля, а также неопределенность в пространстве и времени источников, создающих его, существенно снижают качество получаемой информации - в настоящее время при измерениях поверхностного импеданса по указанному полю надежно оценивается только модуль поверхностного импеданса и не оценивается его фаза [2]. Отсутствие информации о фазе поверхностного импеданса приводит к значительным погрешностям в расчетах распространения СНЧ радиоволн и в определении энергетических характеристик СНЧ излучателей, представляющих собой линейные вибраторные антенны с заземленными концами. Недостатком известного способа МТЗ является также использование для измерений горизонтальной компоненты электрического поля в высокочастотной области геомагнитных пульсаций несимметричных электрических датчиков, в результаты измерений которых существенные погрешности вносит неизмеряемая вертикальная компонента электрического поля Е, являющаяся помехой.
Цель изобретения состоит в повышении достоверности и оперативности измерения комплексной величины поверхностного импеданса (модуля и фазы) в диапазоне сверхнизких (30-300 Гц) радиоволн.
Поставленная цель достигается тем, что в качестве зондирующего электромагнитного поля используется радиоволновое излучение горизонтальной заземленной симметричной линейной электрической антенны или системы таких антенн, питаемых высокостабильным синусоидальным током заданных частот и используемых в практике специальной радиосвязи [5]. Поле предложенного в качестве источника для геоэлектрических исследований СНЧ излучателя характеризуется малым ослаблением при распространении в волноводе "Земля-ионосфера" порядка 1 дБ на 1000 км на частотах около 100 Гц, что дает возможность вести измерения поверхностного импеданса от одного излучателя в любой точке территории страны. Эффективность излучения такой заземленной электрической антенны на 4 порядка выше, чем у искусственного ионосферного источника, предложенного в [4], который значительно уступает и в отношении создания на большой площади первичных электромагнитных полей для зондирования [6].
Таким образом, установлено, что у заявляемого способа имеются свойства, не совпадающие со свойствами известных решений и предлагаемый способ обладает новизной и существенными отличиями.
С
Ш
Относительно низкий уровень электромагнитного поля предлагаемого излучателя, соизмеримый с уровнем естественного электромагнитного поля Земли, не позволяет применять аппаратуру способа МТЗ из-за того, что отношение полезного сигнала к шуму на входе приемного тракта (U/U) будет меньше единицы.
Для реализации указанного способа измерения поверхностного импеданса предлагается двухканальное устройство для одновременного приема и регистрации горизонтальных магнитной и электрической компонент электромагнитного поля, содержащее, как в любом минимальном комплекте аппаратуры для магнитотеллурического зондирования (МТЗ), датчики электрической и магнитной компонент поля, усилители, калибратор и электронный самопишущий блок, в которое дополнительно введены дифференциальные предусилители, два синхронных детектора с фильтрами нижних частот на выходе каждого, фазовый регулятор и когерентный высокостабильный генератор опорной частоты.
Г
Г
Сущность изобретения поясняется блок-схемой устройства для измерения поверхностного импеданса земной коры, представленной на фиг.1. Горизонтальная магнитная компонента поля Н, излучаемого горизонтальной заземленной электрической антенной, принимается на расстоянии более 100 км чувствительным магнитоиндукционным датчиком 1 с сердечником из материала с высокой магнитной проницаемостью. Перпендикулярная ей горизонтальная электрическая компонента Е принимается горизонтальным заземленным электрическим диполем 2, представляющим собой трехэлектродную установку с двумя потенциальными электродами, разнесенными на одинаковое расстояние от третьего центрального электрода, соединенного с нулевой клеммой аппаратуры. Симметричная схема датчика электрического поля позволяет с помощью дифференциального предусилителя устранить влияние помех, наводящих в каждом плече датчика синфазные сигналы. Датчики ориентированы на максимум поля излучателя и составляют вместе с предусилителями 3 и 4 выносную часть устройства, расположенную на поверхности земли.
с
о
с
о
Г
Г
Г
Г
Г
Г
Сигналы с предварительных усилителей передаются по коаксиальным кабелям на основную часть устройства, где они после усиления полосовыми усилителями 5 и 6 с полосой пропускания 50-100 Гц подаются на первые входы синхронных детекторов 7 и 8, на вторые входы которых подаются опорные сигналы от высокостабильного генератора 9: к одному из синхронных детекторов непосредственно, а к другому через фазовый регулятор 10. После синхронного детектирования сигналы проходят через фильтры нижних частот 11, 12 с регулируемой постоянной времени τ и регистрируются на бумажной ленте двухканальным самопишущим блоком 13. На выходе ФНЧ выделяются сигналы разностной частоты Δf=f-f, где f - частота принимаемого зондирующего поля, f - частота опорного сигнала, в виде синусоид, искаженных шумом, прошедшим через фильтры нижних частот. Уменьшая величину расстройки Δf до 0,003-0,001 Гц и соответственно уменьшая полосу пропускания ФНЧ до 0,01-0,003 Гц, увеличением τ до 30-100 секунд и более можно добиться на ленте самописца отношения сигнал/шум >>1. На фиг.2 приведена синхронная запись синусоид сигналов разностной частоты Δf на бумажной ленте двухканального самопишущего блока. Амплитуды синусоид и разность фаз между ними несут информацию об амплитудах и разности фаз принимаемых компонент поля Н и Е, зная которые можно вычислить модуль и фазу поверхностного импеданса |Z|=|E|/|H|, argZ=arg Е-arg Н.
Г
Г
Г
Г
Амплитудная и фазовая калибровка каналов устройства выполняется для канала Н методом стандартного поля с помощью колец Гельмгольца 14, питаемых током от калибровочного генератора 15, и подачей калибровочного сигнала от того же генератора на вход предусилителя канала Е. Фазовращателем 10 в процессе калибровки устанавливается синфазность калибровочных синусоид на ленте самописца. Приемный электрический диполь не вносит разности фаз в рассматриваемом диапазоне частот, и разность фаз (ΔТ/Т)·360° синусоид на ленте самописца (фиг.2) при приеме сигнала будет равна разности фаз между измеряемыми компонентами поля Е и Н с неопределенностью ±180°. Эта неопределенность устраняется, если принять во внимание, что фаза поверхностного импеданса в СНЧ диапазоне частот находится в интервале 0°- -90°. Сопоставительный анализ с прототипом показывает, что заявляемое устройство отличается наличием новых блоков: дополнительных дифференциальных предусилителей, синхронных детекторов с фильтрами нижних частот, фазового регулятора и когерентного высокостабильного генератора опорной частоты. Таким образом, заявляемое устройство соответствует критерию изобретения "новизна".
Сравнение заявляемого решения с другими техническими решениями показывает, что дифференциальные предусилители, синхронные детекторы, фазовые регуляторы и когерентные генераторы опорной частоты широко известны [7], [8]. Однако при их введении в указанной связи с остальными элементами схемы в заявляемое устройство для измерения поверхностного импеданса земной коры в СНЧ диапазоне радиоволн вышеуказанные блоки проявляют новые свойства, что приводит к повышению достоверности и оперативности измерения модуля и фазы поверхностного импеданса в диапазоне СНЧ радиоволн. Это позволяет сделать вывод о соответствии технического решения критерию "существенные отличия".
-7
-7
-8
-7
Г
Г
Предложенный способ измерения поверхностного импеданса земной коры в сверхнизкочастотном диапазоне радиоволн реализован следующим образом. Горизонтальная заземленная линейная антенна длиной в несколько десятков километров питалась высокостабильным (нестабильность частоты выше 10) синусоидальным током порядка 300 А. Число рабочих частот, последовательно излучаемых в эфир в течение 1 часа на каждой частоте, достигало четырех (по заранее согласованному расписанию). Зондирующее радиоволновое излучение принималось в пункте измерения, удаленном от излучателя более чем на 4000 км. Уровни принимаемого поля составляли Н=(1÷4)·10 А/м, Е=10÷5·10 В/м и были соизмеримы или меньше уровня естественного электромагнитного поля Земли. Затраты времени на проведение измерений на одной частоте составили 1 час, на четырех частотах - 4 часа. Измерения проводились в модификациях зондирования и профилирования. Использование предлагаемого способа позволило определить фазу поверхностного импеданса земной коры в СНЧ диапазоне и повысить производительность измерений по сравнению с методом МТЗ в 5-10 раз. Предлагаемый способ измерений поверхностного импеданса может быть реализован при использовании любого СНЧ излучателя [5]. Использование способа наиболее эффективно для системы излучателей, питаемых током в несколько сотен ампер, и на удалениях от 100 до 8000 км в районах с высоким сопротивлением земной коры (кристаллические массивы). Для проведения измерений необходимо точно знать частоту излучаемого сигнала.
ус
Устройство для измерения поверхностного импеданса земной коры в СНЧ диапазоне радиоволн было выполнено по блок-схеме фиг.1. Датчик 1 представляет собой две последовательно соединенные многосекционные катушки с 90000 витков провода ПЭЛ-0,1 на сердечнике из ферритовых колец марки М 3000 НМ диаметром 31 мм. Датчик помещен в электростатический экран. Антенный малошумящий предусилитель 3 с симметричным входом и режекторными фильтрами на 50 и 150 Гц выполнен на полевых транзисторах и имеет коэффициент усиления около 2000. Калибровочные кольца Гельмгольца 14 имеют радиус 339 мм и содержат 20 витков медного провода, калибровочный ток обычно равен 0,71 мкА. Длина приемного электрического диполя 2 составляла 100 или 200 м. В качестве двух потенциальных электродов использованы неполяризующиеся электроды от станции ВП-62 или медные электроды. Дифференциальный предусилитель 4 представляет малошумящий усилитель с симметричным входом (К=10 дБ, входной импеданс 10 МОм/20 пФ, подавление синфазной составляющей более 80 дБ). В качестве усилителя и синхронного детектора с ФНЧ (блоки 5, 7, 10, 11 и 6, 8, 12) использовался гомодинный нановольтметр Унипан 232 В или усилитель-преобразователь измерительный УПИ-1, в качестве высокостабильных генераторов 9 и 15 - генераторы Г-3-110, синхронизованные от стандарта частоты Ч-1-69, в качестве самопишущего блока 13 - самописец H3021 с прямоугольными координатами.
о
c
с
о
Устройство работает при следующих режимах. Расстройка опорного сигнала f относительно принимаемого зондирующего сигнала f Δf=f-f=0,01; 0,003; 0,001 Гц. Постоянная времени фильтра нижних частот τ=10, 30, 100 сек. Превышение вышеуказанных верхних пределов приводит к увеличению времени измерений, а снижение их нижеуказанных пределов - к уменьшению отношения сигнал/шум, что в конечном итоге ухудшает качество измерений поверхностного импеданса и снижает надежность полученных данных.
Всего проведены измерения в 60 пунктах наблюдения или 130 определений модуля и фазы поверхностного импеданса. Общее количество часов записи на ленту самописца - 230 часов. Электропитание проводилось от бензоэлектрического агрегата АБ-2, аппаратура была смонтирована в отапливаемом кузове автомобиля ГАЗ-66.
При осуществлении изобретения достигается следующий положительный эффект:
- измеряется фаза поверхностного импеданса земной коры в СНЧ диапазоне радиоволн;
- при расчетах СНЧ излучающих систем учитывается комплексный характер эффективной электропроводности земной коры;
- повышается точность измерений за счет устранения влияния вертикальной составляющей электрического поля, являющейся помехой при измерениях;
- сокращается количество датчиков и используемой аппаратуры, упрощается процесс измерений;
- повышается оперативность определения комплексной величины поверхностного импеданса за счет сокращения времени измерений и экспресс-обработки данных непосредственно в процессе измерений.
Эффективность изобретения подтверждается результатами натурных испытаний на 60 пунктах наблюдений, в том числе на квазиоднородном геоэлектрическом разрезе с известными электрическими характеристиками.
Применение изобретения при поиске районов с высоким поверхностным импедансом земной коры для размещения СНЧ излучателей также показало его высокую технико-экономическую эффективность за счет высокой мобильности при работе в условиях горно-таежной местности отсутствием дорожной сети. Предложенное устройство легко транспортировалось в заданный район наблюдений автомобилем или вертолетом.
Источники информации
1. Авторское свидетельство СССР №646295, G01V 3/16, 1979.
2. Владимиров Н.П. Метод магнитотеллурического зондирования. М.: Наука, 1979, с.71-84.
3. Авторское свидетельство СССР №488176, G01V 3/12, 1975 (прототип).
4. Авторское свидетельство СССР №987552, G01V 3/12, 1983.
5. Бернстайн С.Л. и др. Дальняя связь на крайне низких частотах. ТИИЭР, 1974, т.62, №3, с.5-29.
6. Barr R., Stubbe P., "Polar Electrojet Anttenna" as soure of ELF radiation in the Earth-ionodhere wavequiede. Alm. Terr.Physics, 1984, v.46, №4, р.315-320.
7. Мэндл М. 200 избранных схем электроники. М.: Мир, 1985, с.42, 86, 222.
8. Гоноровский И.С. Радиотехнические цепи и М.: Сов. Радио, 1977, с.320.