СПОСОБ КАЛИБРОВКИ УСТРОЙСТВА ДЛЯ НАЗЕМНОГО ЭЛЕКТРОМАГНИТНОГО ИНДУКЦИОННОГО ЧАСТОТНОГО ЗОНДИРОВАНИЯ
METHOD OF CALIBRATING DEVICE FOR GROUND-BASED ELECTROMAGNETIC INDUCTIVE FREQUENCY SOUNDING

Изобретение относится к способам определения технических параметров приборов, выполняющих дистанционные исследования геологической среды.
Известен способ электромагнитного индукционного частотного зондирования (патент РФ №2152058, М. кл.7, G01V 3/10, опубл. 27.06.2000), включающий генерацию переменного магнитного поля последовательно на нескольких частотах и измерение на каждой частоте компонент вторичного магнитного поля приемными датчиками с предварительной компенсацией сигнала прямого поля на средней частоте диапазона. При этом жестко фиксируют положение датчиков относительно генераторной петли.
Устройство для осуществления данного способа содержит индукционный зонд, снабженный генератором и двумя приемными датчиками, которые рассматриваются как диполи, размещенные на одной прямой. Моменты диполей расположены в одной плоскости, перпендикулярной поверхности земли. Все элементы зонда соединены с электронным блоком, включающим узлы управления, преобразования, питания и компьютер. Прибор выполняет измерения кажущейся удельной электропроводности грунта последовательно на нескольких частотах.
Для количественной интерпретации данных, получаемых устройством, требуется знать действующие расстояния между центрами генераторного и приемных диполей и зависящие от частоты измерительные моменты. Определить эти параметры с требуемой точностью прямым измерением не удается. Имеющиеся в настоящее время подходы к калибровке каротажных и наземных электромагнитных приборов (например, а.с. №1242885, М. кл.4, G01V 3/18, опубл. 07.07.1986) также не обеспечивают требуемой точности калибровки устройства для наземного электромагнитного индукционного частотного зондирования.
Предлагаемое изобретение позволяет с помощью математической процедуры минимизации функции невязки в автоматическом режиме подобрать пять параметров указанного устройства.
Сущность предлагаемого способа состоит в следующем. Калибровку выполняют при помощи замкнутого токопроводящего калибровочного кольца (например, из медной проволоки) диаметром около 1 м, расположенного между устройством для электромагнитного индукционного частотного зондирования и поверхностью земли. Выполняют измерения сигнала от индуцированных токов в кольце при нескольких положениях устройства над кольцом. С помощью математического расчета подбирают параметры устройства, а именно эффективные расстояния от центра генераторного диполя до центров приемных диполей и моменты приемных контуров, зависящие от частоты, и уточненное положение калибровочного кольца, обеспечивающие совпадения расчетных сигналов с экспериментальными для всех рабочих частот и множества расстояний до кольца.
Участок земли, где производят калибровку, выбирают с наименьшей электропроводностью, по строению близким к полупространству. Поиски такого участка выполняют с помощью электроразведочных методов исследования геологических сред. Высота расположения устройства для электромагнитного индукционного частотного зондирования над поверхностью земли обеспечивает пренебрежимо малый сигнал от земли по сравнению с сигналом от замкнутого проволочного кольца.
В данном способе определению подлежат следующие параметры:
1
2
- эффективные расстояния от центра генераторного диполя до центров приемных диполей (r, r),
1
2
- моменты приемных контуров, зависящие от частоты (М(f), М(f));
- уточненное положение калибровочного кольца.
В результате измерений получают набор из нескольких десятков величин, которые необходимо уточнить исходя из максимальной близости экспериментальных и синтетических данных, полученных в калибровочной модели. Одиночные эксперименты не обеспечивают достаточной информации для определения этих параметров. Более того, подбор параметров из различных диапазонов сигналов дает несогласованные результаты. Например, при подборе только по отрицательным и только по положительным сигналам получаются различные значения параметров. Таким образом, необходимо установить соответствие между экспериментом и расчетом на основании полного набора экспериментальных данных при условии согласования подбираемых параметров между различными подмножествами - наборами положений эксперимента. Имеющиеся погрешности измерений делают невозможным взаимно однозначное определение значений всех искомых параметров по равному числу экспериментальных данных. Таким образом, необходим избыточный набор измерений. Задача калибровки сводится к минимизации целевой функции. Измерения при фиксированных положениях калибровочного кольца обеспечивают избыточность такой системы данных.
В качестве целевой функции F для минимизации выбрано относительное среднеквадратичное расхождение между измеренными и расчетными значениями сигнала
здесь N - число измерений.
Из-за большого числа искомых во всем пространстве параметров поиск минимума является ресурсоемким. Поэтому необходимо производить минимизацию на некоторых подмножествах полного набора. В качестве алгоритма минимизации используется симплекс метод Нелдера-Мида. Для исключения ложных решений задаются диапазоны допустимых изменений подбираемых величин.
i
j
1
i
j
2
i
j
1
i
j
2
i
j
j
1
2
1
2
Способ калибровки выполняют в следующей последовательности. Прибор размещают над калибровочным кольцом в нескольких фиксированных позициях по вертикали (например, 12). Для каждой (например, из 14-ти) частоты (f, i=1…14) и высоты (h, j=1…12) подбирают пять параметров r(f, h), r(f, h), M(f, h), M(f, h), h. При этом отслеживают условие согласования этих параметров для различных срезов, заключающееся в совпадении параметров, подбираемых для разных подмножеств. В результате выбирают осредненные значения. Затем найденные приближения используют для уточнения положений кольца. Автоматизированный подбор осуществляют последовательно по ряду подмножеств из пяти параметров для каждой частоты и высоты над кольцом. Значения расстояний (r и r) и измерительных моментов (M и M) для различных положений калибровочного кольца получают согласованными с достаточной точностью (например, 2%). После подбора параметры усредняют и используют для расчета абсолютной и относительной погрешности технических параметров устройства.