ГЕОРАДАРНЫЙ СКВАЖИННЫЙ КОМПЛЕКС

Георадарный скважинный комплекс относится к устройствам геоэлектроразведки с использованием электромагнитных волн высокой частоты и может быть использован при разведке полезных ископаемых, а также для поиска инженерных коммуникаций и других скрытых неоднородностей.
Известно СВЧ электромагнитное скважинное устройство [US 4581584 Apr.8, 1986], используемое для обнаружения подповерхностных образований, окружающих скважину. Оно содержит приспособление для перемещения в скважине, не менее трех СВЧ антенн, смещенных с оси скважины и ориентированных примерно на 120° друг относительно друга, импульсный источник СВЧ энергии, СВЧ устройство для передачи СВЧ энергии к антеннам, СВЧ приемное устройство, коммутирующее устройство, обеспечивающее подключение антенн к импульсному источнику СВЧ энергии и средство обработки сигналов.
Известен также скважинный радар [US 4814768 Mar.21, 1989], предназначенный для обнаружения и определения местоположения неоднородностей в геологической формации вблизи скважины. Он состоит из цилиндрической капсулы, перемещающейся в скважине, передающего устройства, передающей антенны, приемной антенны, развязывающего устройства, сигнального процессора, направленного антенного устройства, представляющего собой линейный излучатель и металлическую отражающую поверхность, параллельную линейному излучателю, а
также цилиндрической трубы из диэлектрического материала, образующей полость, заполненной диэлектрическим материалом с диэлектрической проницаемостью от 20 до 150.
1
Наиболее близким по технической сущности является Радиолокатор для обнаружения неоднородностей в подповерхностном слое земли [RU 2200332 C опубл. 10.03.2003], сущность которого состоит в том, что он содержит последовательно соединенные передатчик и передающую антенну, приемную антенну, широкополосный усилитель, сигнальный процессор и аналогово-цифровой преобразователь, а также устройство выборки и хранения, стробоскопическое устройство, электронно-оптический преобразователь, оптико-электронный преобразователь, постоянное запоминающее устройство, первый двунаправленный оптико-электронный преобразователь, второй двунаправленный оптико-электронный преобразователь и датчик перемещений. Приемная антенна соединена с входом широкополосного усилителя, выход которого подключен к первому входу устройства выборки и хранения. Первый выход сигнального процессора подключен к входу электронно-оптического преобразователя, выход электронно-оптического преобразователя связан оптическим кабелем с оптико-электронным преобразователем, выход оптико-электронного преобразователя подключен к входу передатчика, второй выход сигнального процессора подключен к первому входу стробоскопического устройства, выход стробоскопического устройства соединен со вторым входом устройства выборки и хранения, выход устройства выборки и хранения подключен к входу аналогово-цифрового преобразователя. Первый вход-выход сигнального процессора соединен с входом-выходом первого двунаправленного оптико-электронного преобразователя, вход-выход первого двунаправленного оптико-электронного преобразователя связан оптическим кабелем с входом-выходом второго оптико-электронного преобразователя, вход-выход второго оптико-электронного преобразователя является входом-выходом радиолокатора для обнаружения неоднородностей в подповерхностном слое земной поверхности. Второй вход-выход сигнального процессора соединен шиной данных с первым входом-выходом стробоскопического устройства и выходом постоянного запоминающего устройства, выход аналогово-цифрового преобразователя подключен к первому входу сигнального процессора, а выход датчика перемещений соединен со вторым входом сигнального процессора.
Недостатком известных геофизических радиолокаторов является невозможность обнаружения ими линейных объектов, имеющих ориентацию
перпендикулярную оси скважины, вследствие их работы с одной (осевой) поляризацией сигнала.
Техническим результатом полезной модели является достижение возможности обнаружения скрытых неоднородностей произвольной геометрии.
Сущность предполагаемой полезной модели состоит в том, что предлагаемый георадарный скважинный комплекс содержит передатчик, первую передающую антенну, первую приемную антенну, широкополосный усилитель, сигнальный процессор и аналогово-цифровой преобразователь, устройство выборки и хранения, стробоскопическое устройство, первый электронно-оптический преобразователь, первый оптико-электронный преобразователь, постоянное запоминающее устройство, первый двунаправленный оптико-электронный преобразователь, второй двунаправленный оптико-электронный преобразователь и первый датчик перемещений. Выход широкополосного усилителя подключен к первому входу устройства выборки и хранения. Первый выход сигнального процессора подключен к входу первого электронно-оптического преобразователя, выход первого электронно-оптического преобразователя связан оптическим кабелем с первым оптико-электронным преобразователем, выход первого оптико-электронного преобразователя подключен к входу передатчика, второй выход сигнального процессора подключен к первому входу стробоскопического устройства, первый выход стробоскопического устройства соединен со вторым входом устройства выборки и хранения, выход устройства выборки и хранения подключен к первому входу аналогово-цифрового преобразователя. Первый вход-выход сигнального процессора соединен с входом-выходом первого двунаправленного оптико-электронного преобразователя, вход-выход первого двунаправленного оптико-электронного преобразователя связан оптическим кабелем с входом-выходом второго оптико-электронного преобразователя. Второй вход-выход сигнального процессора соединен шиной данных с первым входом-выходом стробоскопического устройства и выходом постоянного запоминающего устройства, выход аналогово-цифрового преобразователя подключен к первому входу сигнального процессора, второй выход стробоскопического устройства соединен с вторым входом аналого-цифрового преобразователя.
Новым в предлагаемом скважинном георадарном комплексе является то, что дополнительно введены вторая приемная антенна, вторая передающая антенна, первый коммутатор, второй коммутатор, второй электронно-оптический преобразователь, второй оптоэлектронный преобразователь, устройство управления, второй датчик перемещения и двигатель. Причем первые приемная и передающая антенны
выполнены горизонтальной поляризации, а вторые приемная и передающая антенны выполнены вертикальной поляризации, а вход-выход второго двунаправленного оптического преобразователя соединен с входом-выходом устройства управления, второй вход-выход которого является входом-выходом георадарного скважинного комплекса, первый выход устройства управления вращением двигателя подключен к первому входу двигателя, второй выход устройства управления подключен ко второму входу двигателя, выход первого датчика перемещения соединен с первым входом устройства управления, выход второго датчика перемещения соединен с вторым входом устройства управления, третий выход сигнального процессора подключен соответственно к третьему входу первого коммутатора и к входу второго электронно-оптического преобразователя, выход которого соединен со входом второго оптико-электронного преобразователя, выход второго оптико-электронного преобразователя подключен ко второму входу второго коммутатора. Выход передатчика соединен с первым входом второго коммутатора, первый выход второго коммутатора соединен с входом первой передающей антенны, второй выход второго коммутатора соединен с входом второй передающей антенны, а выход первой приемной антенны подключен к первому входу первого коммутатора, выход второй приемной антенны соединен с вторым входом первого коммутатора, выход первого коммутатора подключен ко входу широкополосного усилителя.
На фиг.1 представлена блок-схема предлагаемого георадарного скважинного комплекса.
На фиг.2 представлен пример выполнения сигнального процессора.
На фиг.3 представлен пример выполнения стробоскопического устройства
На фиг.4 представлен пример выполнения устройства выборки и хранения.
На фиг.5 представлен пример выполнения арифметико-логического устройства
На фиг.6 представлен пример выполнения устройства управления.
Георадарный скважинный комплекс состоит из первой приемной антенны 1, широкополосного усилителя 2, устройства выборки и хранения 3, аналогово-цифрового преобразователя 4, сигнального процессора 5, первого двунаправленного оптико-электронного преобразователя 6, второго двунаправленного оптико-электронного преобразователя 7, первого электронно-оптического преобразователя 8, первого оптико-электронного преобразователя 9, передатчика 10, первой передающей антенны 11, первого датчика перемещения 12, постоянного запоминающего устройства (ПЗУ) 13, стробоскопического устройства 14, второй приемной антенны 15, второй передающей антенны 16, первого коммутатора 17, второго коммутатора 18,
второго датчика перемещения 19, устройства управления 20, двигателя 21, второго электронно-оптического преобразователя 22, второго оптоэлектронного преобразователя 23.
Выход широкополосного усилителя 2 подключен к первому входу устройства выборки и хранения 3. Выход устройства выборки и хранения 3 подключен к входу аналогово-цифрового преобразователя 4, выход которого шиной соединен с первым входом сигнального процессора 5.
Первый выход сигнального процессора 5 соединен с входом первого электронно-оптического преобразователя 8, выполненного на средствах волоконной оптики, например, на светодиодах, выход первого электронно-оптического преобразователя 8 связан оптическим кабелем с первым оптико-электронным преобразователем 9, выполненным, например, на светодиодах, выход его подключен к входу передатчика 10. Выход передатчика 10 соединен с первым входом второго коммутатора 18, первый выход второго коммутатора 18 подключен к первой передающей антенне 11, а второй выход второго коммутатора подключен ко второй передающей антенне 16. Второй выход сигнального процессора 5 подключен к первому входу стробоскопического устройства и 14, второй выход стробоскопического устройства 14 соединен со вторым входом устройства выборки и хранения 3.
Первый вход-выход сигнального процессора 5 подключен к входу-выходу первого двунаправленного оптико-электронного преобразователя 6, выполненного, например, на светодиодах, оптический вход-выход которого связан оптическим кабелем с оптическим входом-выходом второго двунаправленного оптико-электронного преобразователя 7, выполненного, например, на светодиодах, выход второго двунаправленного оптико-электронного преобразователя 7 соединен с входом-выходом устройства управления 20, второй вход-выход которого является входом-выходом георадарного скважинного комплекса, первый выход устройства управления 20 соединен с первым входом двигателя 21, второй выход устройства управления двигателем 20 соединен со вторым входом двигателя 21.
Второй вход-выход сигнального процессора 5 шиной данных подключен к первому входу-выходу стробоскопического устройства 14 и выходу постоянного запоминающего устройства 13. Третий выход сигнального процессора 5 подключен соответственно к третьему входу первого коммутатору 17 и к входу второго электронно-оптического преобразователя 22, выход которого соединен со входом второго оптико-электронного преобразователя 23, выход второго оптико-электронного преобразователя 23 подключен ко второму входу второго коммутатора.
Выход первой приемной антенны 1 соединен с первым входом первого коммутатора 17, выход второй приемной антенны 15 соединен с вторым входом первого коммутатора 17, выход первого коммутатора 17 подключен ко входу широкополосного усилителя 2.
Выход первого датчика перемещений 12 соединен с первым входом устройства управления 20, выход второго датчика перемещения 19 соединен со вторым входом устройства управления 20.
Сигнальный процессор 5, пример выполнения которого приведен на фиг.2, состоит из первого устройства ввода-вывода 24, арифметико-логического устройства 25, являющегося блоком управления режимами работы, второго устройства ввода-вывода 26, оперативного запоминающего устройства (ОЗУ) 27, выходного регистра 28, причем выход первого устройства ввода-вывода 24, вход которого является первым входом сигнального процессора 5, соединен шиной с первым входом арифметико-логического устройства 25, первый вход-выход которого подключен к первому входу-выходу второго устройства ввода-вывода 26, второй вход-выход второго устройства ввода-вывода 26 является первым входом-выходом сигнального процессора 5. Второй вход-выход арифметико-логического устройства 24 шиной соединен с входом-выходом ОЗУ 27, выходом выходного регистра 28.
Стробоскопическое устройство 14, пример выполнения которого, приведен на фиг.3, состоит из источника тока 29, ключа 30, компаратора 31, цифроаналогового преобразователя 32 и накопительного конденсатора 33.
Устройство выборки и хранения 3, пример выполнения которого приведен на фиг.4, состоит из коммутатора 34 и накопителя 35.
Арифметико-логическое устройство 25, пример выполнения которого приведен на фиг 5., состоит из программируемого дешифратора команд 36 и регистра 37.
Устройство управления 20, пример выполнения которого приведен на фиг.6, состоит из выходного микропроцессорного регистра 38, входного регистра 39 и коммутатора вращения 40.
Работа георадарного скважинного комплекса основана на использовании для обнаружения неоднородностей, окружающих скважину, широкополосного моноимпульсного сигнала. Для преобразования отраженного от неоднородностей сигнала в цифровую форму используется способ стробоскопической развертки, при котором за один такт работы передатчика получается оцифрованное значение только одной точки по глубине. Полностью принятый сигнал преобразуется в цифровую форму последовательным перебором точек.
При включении питания из постоянного запоминающего устройства (ПЗУ) 13, предварительно записанный программный код поступает на арифметико-логическое устройство 25 сигнального процессора 5 и далее переписывается в оперативное запоминающее устройство 27 сигнального процессора 5. Арифметико-логическое устройство 25 после этого переходит в режим ожидания команды от устройства управления 20.
Оператор с ПЭВМ выдает на устройство управления 20 команду «Принять данные». Эта команда ретранслируется через второй двунаправленный оптический преобразователь 7, где преображается из электрического сигнала в оптический, оптический кабель, первый двунаправленный оптический преобразователь 6, где преобразуется из оптического сигнала в электрический, и через второе устройство ввода-вывода 26 сигнального процессора 5 поступает на программный дешифратор команд 36 арифметико-логического устройства 25, где дешифруется.
По этой команде сигнальный процессор 5 через третий выход переключает широкополосный усилитель 2 через первый коммутатор 17 на работу с первой приемной антенной 1, имеющей горизонтальную поляризацию, и этим же сигналом через электронно-оптический преобразователь 22, оптический кабель, оптико-электронный преобразователь 23 переключает передатчик 10 через второй коммутатор 18 на работу с первой передающей антенной 11, имеющей горизонтальную поляризацию.
После этого арифметико-логическое устройство 25 по шине записывает в цифро-аналоговый преобразователь (ЦАП) 32 устройства стробоскопической развертки 14 код первой точки. Первая точка соответствует началу принятого сигнала. Далее по той же команде арифметико-логическое устройство 25 через регистр 37 и выходной регистр 28 сигнального процессора 5 выдает импульс запуска передатчика, который преобразуется в оптический сигнал в электронно-оптическом преобразователе 8, по оптическому кабелю передается в оптико-электронный преобразователь 9, где преобразуется в электрический сигнал, который и запускает передатчик 10. Передатчик 10 формирует моноимпульсный высокочастотный сигнал, излучаемый первой передающей антенной 11.
Принятый первой приемной антенной 1 и усиленный в широкополосном усилителе 2, отраженный от неоднородностей сигнал поступает на первый вход устройства выборки и хранения 3.
Одновременно с импульсом запуска передатчика арифметико-логическое устройство 25 через выходной регистр 28 выдает импульс запуска стробоскопического устройства
14, который открывает ключ 30, и накопительную емкость 33 начинает заряжаться от источника 29. При этом напряжение на накопительной емкости 33 начинает возрастать. Это напряжение подается на первый вход компаратора 31, на второй вход которого подается напряжение с ЦАП 32, пропорциональное записанному коду первой точки. При совпадении этих напряжений компаратор 31 выдает сигнал, который поступает на второй вход коммутатора 34 устройства выборки и хранения 3 с задержкой, пропорциональной записанному коду первой точки.
Устройство выборки и хранения 3 в накопителе 37 по сигналу с компаратора 31 стробоскопического устройства 14 запоминает амплитуду принятого высокочастотного сигнала, поступающего на первый вход коммутатора 34 устройства выборки и хранения 3 на время, необходимое для преобразования его в цифровую форму в аналогово-цифровом преобразователе 4. После преобразования в цифровую форму сигнал поступает через первое устройство ввода-вывода 24 сигнального процессора 5 на арифметико-логическое устройство 25 и записывается в оперативное запоминающее устройство (ОЗУ) 27. Затем процесс повторяется для следующей точки.
После набора заданного количества точек сигнальный процессор через третий выход переключает широкополосный усилитель 2 через первый коммутатор 17 на работу со второй приемной антенной 15, имеющей вертикальную поляризацию, и этим же сигналом через электронно-оптический преобразователь 22, оптический кабель, оптико-электронный преобразователь 23 переключаем передатчик 10 через второй коммутатор 18 на работу со второй передающей антенной 16, имеющей вертикальную поляризацию, и процесс набора точек повторяется.
После набора второго массива точек АЛУ 25 считывается весь массив данных из ОЗУ 27 и через второе устройство ввода-вывода 26 сигнального процессора 5 первый двунаправленный электронно-оптический преобразователь 6, оптический кабель, второй оптико-электронный преобразователь 7, передает их в устройство управления 20.
Устройство управления 20 добавляет к полученным данным информацию от первого датчика перемещения 12 и второго датчика перемещения 19 и передает данные для индикации в ПЭВМ.
Таким образом, использование переключаемых антенн с горизонтальной и вертикальной поляризацией позволяет обнаруживать неоднородности с произвольной геометрией, в том числе имеющих ориентацию, перпендикулярную оси скважины.