СПОСОБ ГЕОЭЛЕКТРОРАЗВЕДКИ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ
GEOELECTRIC SURVEY METHOD AND APPARATUS FOR REALISING SAID METHOD

Изобретение относится к области геоэлектроразведки с использованием электромагнитного поля изменяющейся частоты и предназначено для применения при выполнении различного рода поисковых и инженерно-геологических исследований.
Известны способы геоэлектроразведки, основывающиеся на искусственном низкочастотном или высокочастотном электромагнитном просвечивании геологической среды путем профилирования или зондирования (см. US 5185578 A, G01V 3/12, 09.02.1993; SU 1611101 А1, G01V 3/12, 10.01.2000; SU 1699273 А1, G01V 3/12, 30.07.1994).
Данным способам присущи недостаточные для ряда приложений точность, достоверность и информативность измерений кажущегося сопротивления геологической среды и результатов их геофизической интерпретации.
Наиболее близким к заявляемому является способ геоэлектроразведки по патенту RU 2280269 С1, G01V 3/12, 01.08.2005, бюл. №20, 20.07.2006.
Согласно этому способу в одной из точек поверхности исследуемого участка геологической среды генератором с рамкой, располагаемой поочередно вертикально и горизонтально, излучают электромагнитное поле, периодически изменяют частоту излучения от минимального до максимального значений в отстоящих друг от друга и от генератора точках поверхности приемником с рамкой, располагаемой поочередно вертикально и горизонтально, принимают электромагнитное поле, измеряют амплитуды сигнала, характеризующего принятое электромагнитное поле для всех используемых частот, по измеренным амплитудам выявляют характер изменения кажущегося сопротивления геологической среды вдоль профиля и по глубине частотных разрезов и осуществляют его геофизическую интерпретацию.
Данному способу присущи недостаточные для ряда приложений точность, достоверность и информативность измерений кажущегося сопротивления геологической среды и результатов их геофизической интерпретации.
Известны устройства, реализующие способы геоэлектроразведки, основывающиеся на искусственном низкочастотном или высокочастотном электромагнитном просвечивании геологической среды путем профилирования или зондирования (см. US 5185578 A, G01V 3/12, 09.02.1993; SU 1611101 A1, G01V 3/12, 10.01.2000; SU 1699273 A1, G01V 3/12, 30.07.1994).
Им также присущи недостаточные для ряда приложений точность, достоверность и информативность измерений кажущегося сопротивления геологической среды и результатов их геофизической интерпретации.
Наиболее близким к заявляемому является устройство по патенту RU 2280269 С1, G01V 3/12, 01.08.2005, бюл. №20, 20.07.2006, которое содержит генератор электромагнитного поля, в состав которого входят последовательно включенные синхронизатор, микроконтроллер, управляемый синтезатор частот, усилитель мощности и излучающая рамка, установленная с возможностью поочередного вертикального и горизонтального расположения, клавиатура и дисплей, подключенные к входу/выходу микроконтроллера, аккумулятор с преобразователем напряжения, соединенным с питающим входом усилителя мощности, приемник электромагнитного поля, в состав которого входят последовательно включенные приемная рамка, установленная с возможностью поочередного вертикального и горизонтального расположения, усилитель, смеситель, аналого-цифровой преобразователь, микроконтроллер и синхронизатор, гетеродин, соединенный со вторым входом смесителя, клавиатура и дисплей, подключенные к входу/выходу микроконтроллера, а также радиоканал синхронизации, включающий в себя передающий блок с передающей антенной, соединенный с выходом синхронизатора приемника электромагнитного поля, и приемный блок с приемной антенной, соединенный с входом синхронизатора генератора электромагнитного поля.
Этому устройству также присущи недостаточные для ряда приложений точность, достоверность и информативность измерений.
В основу заявляемого изобретения положена техническая задача повышения точности, достоверности и информативности измерений кажущегося сопротивления геологической среды и результатов их геофизической интерпретации.
Поставленная задача решается тем, что в способе геоэлектроразведки, согласно которому в одной из точек поверхности исследуемого участка геологической среды генератором электромагнитного поля с рамкой, располагаемой поочередно вертикально и горизонтально, излучают электромагнитное поле изменяемой частоты, в отстоящих друг от друга и от генератора точках поверхности приемником электромагнитного поля с рамкой, располагаемой поочередно вертикально и горизонтально, принимают электромагнитное поле, выявляют характер изменения кажущегося сопротивления геологической среды вдоль профиля и по глубине частотных разрезов и осуществляют его геофизическую интерпретацию, согласно изобретению значения кажущегося сопротивления геологической среды находят по измеряемым комплексным спектрам сигнала, характеризующего напряженность компонент принятого электромагнитного поля для всех используемых частот. Позиционирование местоположения излучающей рамки и приемной рамки возможно с помощью навигационного приемника.
Для решения поставленной задачи в устройстве для осуществления способа геоэлектроразведки, содержащем генератор электромагнитного поля, в состав которого входят синхронизатор, последовательно включенные микроконтроллер, управляемый синтезатор частот, усилитель мощности и излучающая рамка, установленная с возможностью поочередного вертикального и горизонтального расположения, блок клавиатуры и дисплея, подключенный к входу/выходу микроконтроллера, аккумулятор с преобразователем напряжения, соединенным с питающим входом усилителя мощности, приемник электромагнитного поля, в состав которого входят синхронизатор, последовательно включенные приемная рамка, установленная с возможностью поочередного вертикального и горизонтального расположения, предварительный усилитель и смеситель, микроконтроллер, блок клавиатуры и дисплея, соединенный с входом/выходом микроконтроллера, аналого-цифровой преобразователь, соединенный с входом микроконтроллера, а также радиоканал синхронизации, включающий в себя передающий блок с передающей антенной, соединенный с выходом синхронизатора приемника электромагнитного поля, и приемный блок с приемной антенной, соединенный с входом синхронизатора генератора электромагнитного поля, согласно изобретению в генераторе электромагнитного поля микроконтроллер соединен с входом управления усилителя мощности и дополнительными выходами управляемого синтезатора частот и приемного блока радиоканала синхронизации, а в приемник электромагнитного поля дополнительно введены управляемый синтезатор частот, соединенный входом с дополнительным выходом синхронизатора, а выходами - со вторым входом смесителя, с тактирующим входом аналого-цифрового преобразователя и с тактирующим и управляющим входами микроконтроллера, усилитель промежуточной частоты, соединенный с выходом смесителя и сигнальным входом аналого-цифрового преобразователя, и вычислитель, подключенный к одному из выходов микроконтроллера, соединенного другими выходами с входами управления усилителя промежуточной частоты, аналого-цифрового преобразователя, управляемого синтезатора частот и передающего блока радиоканала синхронизации. Вычислитель может быть выполнен с возможностью ввода географических координат излучающей и приемной рамок, полученных с помощью навигационного приемника или иных средств.
На чертеже приведена функциональная схема устройства, реализующего предложенный способ геоэлектроразведки.
Устройство содержит генератор 1 электромагнитного поля, один или несколько приемников 2 электромагнитного поля и элементы радиоканала 3 синхронизации.
В состав генератора 1 электромагнитного поля входят синхронизатор 4, микроконтроллер 5, блок 6 клавиатуры и дисплея, управляемый синтезатор частот 7, усилитель мощности 8, излучающая рамка 9, аккумулятор 10 и преобразователь напряжения 11. Микроконтроллер 5, управляемый синтезатор частот 7, усилитель мощности 8 и излучающая рамка 9 включены последовательно, как и аккумулятор 10 и преобразователь напряжения 11, подключенный к питающему входу усилителя мощности 8. Блок 6 клавиатуры и дисплея соединен с входом/выходом микроконтроллера 5, который соединен с входом управления усилителя мощности 8 и со вторым выходом управляемого синтезатора частоты 7, подключенного своим вторым входом к выходу синхронизатора 4.
В состав приемника 2 электромагнитного поля входят приемная рамка 12, предварительный усилитель 13, смеситель 14, усилитель промежуточной частоты 15, аналого-цифровой преобразователь 16, микроконтроллер 17 и вычислитель 18, которые соединены последовательно, а также блок 19 клавиатуры и дисплея, управляемый синтезатор частот 20 и синхронизатор 21. Блок 19 клавиатуры и дисплея соединен с входом/выходом микроконтроллера 17, который также соединен с входами усилителя промежуточной частоты 15, аналого-цифрового преобразователя 16 и управляемого синтезатора частот 20, который вторым входом подключен к синхронизатору 21, первым выходом - к второму входу смесителя 14, вторым выходом - к аналого-цифровому преобразователю 16, а третьим и четвертым выходами - к микроконтроллеру 17.
В состав радиоканала 3 синхронизации входят передающий блок 22 с передающей антенной, который соединен с соответствующими выходами микроконтроллера 17 и синхронизатора 21 приемника 2 электромагнитного поля, и приемный блок 23 с приемной антенной, соединенный выходами с соответствующим входом микроконтроллера 5 и синхронизатором 4 генератора 1 электромагнитного поля.
Предложенный способ осуществляется следующим образом.
Искусственно создаваемое гармоническое электромагнитное поле в заданном диапазоне частот и заданной напряженности возбуждают генератором 1 электромагнитного поля. Значения частот и напряженностей поля определяют соответствующими кодами микроконтроллера 5, которые передаются им соответственно на вход управления частотой управляемого синтезатора частот 7 и вход управления усилителя мощности 8. На второй вход управляемого синтезатора частот 7 поступает сигнал опорной частоты с синхронизатора 4. На первом выходе управляемого синтезатора частот 7 формируется гармонический сигнал заданной частоты, который усиливается усилителем мощности 8, а на втором выходе - сигнал тактовой частоты для микроконтроллера 5. Необходимые питающие напряжения на усилитель мощности 8 подают от аккумулятора 10 через преобразователь напряжения 11. Ввод значений частот и напряженностей поля в микроконтроллер 5 осуществляют с клавиатуры блока 6 клавиатуры и дисплея при местном управлении генератором 1 электромагнитного поля или с выхода приемного блока 23 радиоканала синхронизации 3 при дистанционном управлении генератором 1 электромагнитного поля со стороны приемника 2 электромагнитного поля. В обоих случаях эти значения отображаются на дисплее блока 6 клавиатуры и дисплея. Со второго выхода приемного блока 23 на вход синхронизатора 4 поступает высокочастотный сигнал с приемника 2 электромагнитного поля, синхронизирующий работу генератора 1 и приемника 2 электромагнитного поля.
Изменяющееся по частоте электромагнитное поле излучается рамкой 9, располагаемой (автоматизированно или вручную) вертикально или горизонтально. Переключение частот в заданном диапазоне осуществляется или автоматически, или по выбору оператора.
г
с
пч
г
с
Измерения проводятся приемником 2 электромагнитного поля. Электромагнитное поле воспринимается рамкой 12, преобразующей его в электрический сигнал, который усиливается предварительным усилителем 13 и поступает на первый вход смесителя 14. На второй вход смесителя 14 поступает сигнал с первого выхода управляемого синтезатора частот 20 с частотой гетеродина f, отличающейся от частоты принятого сигнала f на величину промежуточной частоты приемника f=|f-f|, одинаковую для всех используемых частот сигнала. Сигнал промежуточной частоты усиливается усилителем промежуточной частоты 15 с автоматической регулировкой усиления, осуществляемой с помощью микроконтроллера 17. Возможно также управление и его полосой пропускания. При этом в области низких частот приемник может работать без преобразования частоты сигнала при подаче на второй вход смесителя 14 постоянного напряжения от управляемого синтезатора частот 20.
д
Усиленный и стабилизированный по амплитуде (в необходимой степени) сигнал с выхода усилителя промежуточной частоты 15 поступает на сигнальный вход аналого-цифрового преобразователя 16. В аналого-цифровом преобразователе 16 он дискретизируется по времени последовательностью импульсов с второго выхода управляемого синтезатора частот 20 с частотой дискретизации (частотой выборок) f и преобразуется в цифровой сигнал. Необходимое для последующей обработки число преобразуемых выборок N сигнала определяется длительностью строб-импульса, поступающего на вход управления (разрешения преобразования) аналого-цифрового преобразователя 16 от микроконтроллера 17. Момент начала управляющего строб-импульса привязывается в микроконтроллере 17 к последовательности импульсов с частотой, равной промежуточной частоте приемника, которые поступают на него с третьего выхода управляемого синтезатора частот 20, где они формируются. При измерениях с усреднением микроконтроллером 17 последовательно выводятся L строб-импульсов в соответствии с заданным числом циклов усреднения. На четвертом выходе управляемого синтезатора частот 20 формируется тактовая частота для микроконтроллера 17.
По N или L·N вводимым с аналого-цифрового преобразователя 16 выборкам цифрового сигнала в микроконтроллере 17 вычисляется средний уровень сигнала и при необходимости изменяется значение коэффициента усиления усилителя промежуточной частоты 15. При соответствии коэффициента усиления усилителя промежуточной частоты 15 уровню принятого сигнала считанные микроконтроллером 17 выборки сигнала передаются для обработки в вычислитель 18.
k
k
Re
k
k
k
Im
k
k
k
k
д
пр
пр
с
с
пр
с
пр
с
пр
с
пр
с
Re
с
пр
Im
с
пр
с
пр
В вычислителе 18 по N усредненным или неусредненным (при L=1) выборкам сигнала s(n), взвешенным весовой функцией w(n), n=0, 1, …N-1, с помощью дискретного преобразования Фурье (ДПФ) (или быстрого преобразования Фурье - БПФ) измеряется комплексный спектр сигнала , определяемый значениями его модуля |S(jf)|, аргумента φ(f) или вещественной S(f)=|S(jf)|cos[φ(f)] и мнимой S(f)=|S(jf)|sin[φ(f)] частью. Спектр измеряется на дискретных частотах f=k·f/N, k=0, 1, …, (N-1)/2, соответствующих всем используемым значениям частот сигнала (принятого электромагнитного поля). По известному коэффициенту усиления K приемника 2 электромагнитного поля и вносимому им фазовому сдвигу φ находятся характеристики комплексного спектра для используемой частоты сигнала f, приведенные к входу приемника: |S(jf)|=|S(jf)|/K, φ(f)=φ(f)-φ(f) и S(f), S(f). Они пропорциональны или совпадают (для φ(f)) с характеристиками напряженности принятой магнитной компоненты электромагнитного поля.
с
пр
с
пр
Измеряемая магнитная компонента электромагнитного поля определяется заданным расположением излучающей и приемной рамок (вертикальное или горизонтальное). Каждая из компонент, как и соответствующие им характеристики комплексного спектра сигнала, содержат в себе информацию о кажущемся сопротивлении геологической среды и связаны с ним известными (и достаточно сложными) функциональными зависимостями (см. Вешев А.В. Электропрофилирование на постоянном и переменном токе / Л.: Недра, 1980. - 392 с.; Аузин А.К. Электроразведка (спецкурс по индуктивным и радиоволновым методам рудной электроразведки) / М.: Недра, 1977. - 134 с.). Разрешая с помощью вычислителя 18 эти зависимости относительно кажущегося сопротивления среды, косвенным образом находят его искомые измеренные значения. Условиям точности, однозначности и диапазона измеряемых значений наиболее отвечают измерения кажущегося сопротивления среды по отношениям поочередно находимых модулей напряженностей вертикальной и горизонтальной магнитных компонент для вертикальной излучающей рамки (т.е. по отношениям соответствующих им приведенных модулей спектра сигнала |S(jf)|) и по разности аргументов (разности фаз) φ(f) этих компонент для горизонтального (под углом 45 градусов) расположения излучающей рамки. При этом отпадает необходимость точного знания коэффициента усиления приемника (одинакового для обеих измеряемых компонент) и вносимых им фазовых сдвигов сигналов.
Значения используемых частот электромагнитного поля, на которых проводят измерения, и их диапазон зависят от свойств исследуемых геологических сред - проводящие, непроводящие, магнитные, немагнитные - и от совместно или раздельно решаемых задач профилирования и/или зондирования.
В вычислитель 18 приемника 2 электромагнитного поля вводят необходимое для расчета кажущегося сопротивления геологической среды расстояние между излучающей 9 и приемной 12 рамками, а также их географические координаты, получаемые путем позиционирования их местоположения с помощью навигационного приемника или иных средств.
Посредством программного обеспечения вычислителя 18 выявляют характер изменения кажущегося сопротивления среды по профилю и по глубине частотных разрезов и осуществляют его геофизическую интерпретацию, проводят электронное картографирование.
Возможно также применение в генераторе 1 электромагнитного поля и в приемнике 2 электромагнитного поля комбинированных (вертикальной и горизонтальной) рамок, что позволяет использовать электронные средства переключения (коммутации) их, существенно сокращающие время на проведение измерений.
Для проведения исследований обычно необходимы два человека. Один (оператор) работает с приемником 2 электромагнитного поля и входящей в него приемной рамкой 12, последовательно перемещая их из одной точки поверхности исследуемого участка в другую. Другой (помощник) имеет дело с генератором 1 электромагнитного поля и входящей в него излучающей рамкой 9. При дистанционном управлении генератором 1 электромагнитного поля со стороны измерительного приемника 2 электромагнитного поля значения рабочих частот и напряженностей электромагнитного поля генератора 1, а также необходимое расположение излучающей рамки 9 вводятся с клавиатуры блока 19 клавиатуры и дисплея приемника 2 электромагнитного поля в микроконтроллер 17, которые кодируются и через передающий блок 22 с передающей антенной радиоканала синхронизации 3 передаются в приемный блок 23 с приемной антенной на стороне генератора 1 электромагнитного поля. Несущее высокочастотное колебание поступает в передающий блок 22 с передающей антенной с синхронизатора 21. По истечении определенного времени, необходимого на настройку генератора 1 электромагнитного поля, автоматически или по команде помощника начинаются генерация электромагнитного поля и его прием. По истечении задержки на время переходных процессов в приемнике 2 электромагнитного поля считывается оцифрованная реализация принятого им сигнала и выполняются измерения. Совместная работа генератора 1 электромагнитного поля и приемника 2 электромагнитного поля осуществляется в соответствии с временной диаграммой, записанной в памяти микроконтроллера 17. Действия оператора и помощника дополнительно согласуются также с помощью переговорных средств связи.
Преимущества заявляемого изобретения (повышение точности, достоверности и информативности измерений кажущегося сопротивления геологической среды и результатов их геофизической интерпретации) достигаются прежде всего за счет измерения с высокой точностью спектральных характеристик сигналов, соответствующих измеряемым магнитным компонентам принятого электромагнитного поля. Такие измерения обеспечиваются в приемнике 2 электромагнитного поля введением управляемого синтезатора частот 20 и вычислителя 18. Последнее обусловлено недостаточными для спектральных измерений вычислительными возможностями микроконтроллеров, ориентированных преимущественно на задачи управления. При выполнении измерений с помощью микроконтроллера используют упрощенные измерительные алгоритмы, например оценку амплитуды сигнала по его средневыпрямленному значению, и приближенные методы вычисления кажущегося сопротивления геологической среды, включающие табулирование и интерполяцию связывающих их сложных функциональных зависимостей, что еще требует и наличия большого объема памяти. В результате погрешности микроконтроллерных амплитудных измерений кажущегося сопротивления геологической среды достигают 10% и более, особенно при малых отношениях сигнал-шум, реально имеющих место при геофизических исследованиях.
При спектральных измерениях можно управлять точностью измерения в достаточно больших пределах путем выбора числа выборок сигнала, вида весовой функции и числа циклов усреднения, обнаруживать и компенсировать влияние помех и т.д.
Сопоставление значений кажущегося сопротивления геологической среды, полученных разными методами, повышает достоверность измерений и результатов их последующей геофизической интерпретации.
Совместное использование фазовых методов позволяет дополнительно выявить магнитные аномалии геологической среды, что также повышает информативность измерений и результатов их последующей геофизической интерпретации.
Использование навигационного приемника для позиционирования местоположения излучающей и приемной рамок и измерения расстояния между ними способствуют повышению точности измерения кажущегося сопротивления геологической среды и расширяет возможности вторичной обработки результатов исследования, включая электронное картографирование.
Введение в приемник 2 электромагнитного поля усилителя промежуточной частоты 15 с автоматической регулировкой усиления расширяет динамический диапазон измеряемых сигналов, что, как и повышение точности измерения, способствует увеличению глубинности проводимых исследований без увеличения выходной мощности генератора 1 электромагнитного поля.
Все блоки устройства, осуществляющего заявляемый способ геоэлектроразведки, в том числе и вновь вводимые, выполняются на основе стандартных технических средств или типовых инженерных решений. В частности, для реализации смесителя 14 и усилителя промежуточной частоты 15 могут быть использованы перспективные программируемые аналоговые интегральные схемы (ПАИС) компании Anadigm. В управляемом синтезаторе частот 20 формирование гармонического сигнала с частотой гетеродина может быть обеспечено с помощью интегральной микросхемы прямого цифрового синтеза AD 9832 или AD 9851 и др., а формирование импульсных сигналов, выводимых на микроконтроллер 17 и аналого-цифровой преобразователь 16, - с помощью цифровых интегральных микросхем делителей частоты опорного сигнала, поступающего с синхронизатора 21.
В качестве вычислителя 18 можно использовать портативные компьютеры для промышленных и полевых применений, например GETAC M230N, GETAC A790, GETAC B300 или промышленные защищенные карманные персональные компьютеры (КПК) с встроенным навигационным приемником GPS, например GETAC PS535F или «Кулон».