СПОСОБ ГЕОДИНАМИЧЕСКОГО МОНИТОРИНГА И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ
METHOD FOR GEODYNAMIC MONITORING AND DEVICE FOR ITS IMPLEMENTATION

Изобретение относится к области геофизических исследований и может быть использовано в системах геодинамического мониторинга для контроля за изменениями внутренних структур геологических сред, а также для решения задач раннего обнаружения, предсказания и пространственной локализации незаконных вторжений с использованием подземного пространства (например, подкопов, тоннелей).
Наиболее близким к предлагаемому способу является способ геоэлектроразведки [1] для регистрации внутренних изменений структуры массива горных пород путем выявления на исследуемой территории потенциально опасного участка. В данном способе на исследуемом участке устанавливается не менее трех измерительных модулей, каждый из которых состоит из излучающего электрода, основной измерительной электродной пары, один электрод которой является нулевым, и, по меньшей мере, одной дополнительной электродной пары. Электродные пары каждого измерительного модуля расположены на одной эквипотенциальной линии излучающего электрода и относительно друг друга под углом 180°/n, где n - количество электродных пар. В данном способе строятся диаграммы направленности электродных пар: измерение разности потенциалов проводят между нулевым электродом основной электродной пары и другими электродами соответствующего измерительного модуля, а по аномальным значениям разности потенциалов и диаграмме направленности электродных пар определяют направление для каждого измерительного модуля на зону неоднородностей массива горных пород, причем местоположение зоны определяют путем пересечения этих направлений.
Основным недостатком предлагаемого способа является то, что он относится к классу амплитудных методов (требует проведения измерений разности потенциалов между нулевым электродом основной электродной пары и другими электродами соответствующего измерительного модуля) и требует при этом расположения электродов каждого измерительного модуля на одной эквипотенциальной линии с излучающим электродом. Такое решение позволяет снизить величину действующих электрических помех и влияние метеофакторов, однако оно также приводит и к снижению чувствительности приемных пар электродов ввиду особенностей эквипотенциальных линий. Как следствие, невозможно однозначно решать задачи по регистрации и обнаружению малых геодинамических событий в геологических средах. Кроме того, необходимость наличия не менее трех излучающих электродов приводит к нежелательному увеличению времени установления необходимой в данном способе неизменной формы эквипотенциальных линий электрического поля в пределах территории охвата системы, что снижает мобильность развертывания конкретной измерительной системы и, соответственно, оперативность принятия управленческих решений.
Техническим результатом изобретения является увеличение помехозащищенности и чувствительности при регистрации и обнаружении малых геодинамических событий при проведении геодинамического мониторинга.
Технический результат достигается за счет того, что в основе способа геодинамического мониторинга лежит принцип контроля за динамикой изменений фаз регистрируемых геоэлектрических сигналов относительно фазы эталонного высокостабильного колебания. В частности, известно, что фазовые характеристики электрического поля несут в 2π раз больше информации, чем амплитудные и при одной и той же точности измерений характеризуются приблизительно в 40 раз меньшей потребляемой мощностью или временем измерений [Петропавловский, В.П. Фазовые цифровые преобразователи угла / В.П. Петропавловский, Н.Ф. Синицын. - М.: Машиностроение. - 1984. - С. 5]. Кроме того, многолетняя практика разработки и эксплуатации электронной аппаратуры показывает, что измерения фазы с погрешностью от 0,5 до 1 в диапазоне от 0 до 360 не представляют особых трудностей, а относительная погрешность измерений в этом случае находится в пределах 0,1-0,2% [Петропавловский, В.П. Фазовые цифровые преобразователи угла / В.П. Петропавловский, Н.Ф. Синицын. - М.: Машиностроение. - 1984. - С. 5]. Дополнительно следует отметить, что фазовые методы контроля более устойчивы к наличию регулярных помеховых воздействий, изменениям климатических факторов и вариациям параметров конкретной геоэлектрической установки [Петропавловский, В.П. Фазовые цифровые преобразователи угла / В.П. Петропавловский, Н.Ф. Синицын. - М.: Машиностроение. - 1984. - С. 4].
1
1
2
2
N
N
Сущность изобретения поясняется на фиг. 1, на которой представлена общая схема реализации предлагаемого способа геодинамического мониторинга. На фиг. 1 приняты следующие обозначения: А и В - излучающие точечные источники, на которые подаются сдвинутые по фазе на заданный угол относительно друг друга зондирующие модулированные сигналы с расширением их спектров; GND - фиктивный точечный источник, который условно относится в «бесконечность»; M и М', М и М'… M и M' - пары приемных линий точечных измерителей, расположенных по окружности; N - количество пар приемных линий точечных измерителей; О - центр линии излучающих точечных источников.
В предлагаемом способе для формирования геоэлектрического поля заданной конфигурации и с заданными параметрами используется только два излучающих точечных источника, расположенных на контролируемой территории. Для повышения помехозащищенности используются методы модуляции и расширения спектров зондирующих сигналов [Скляр, Б. Цифровая связь. Теоретические основы и практическое применение. Изд. 2-е, испр.: Пер. с англ. / Б. Скляр. - М.: Издательский дом «Вильямс». - 2003. - 1104 с.; Феер, К. Беспроводная цифровая связь. Методы модуляции и расширения спектра.: Пер. с англ. / К. Феер. Под ред. В.И. Журавлева. - М.: «Радио и связь». - 2000. - 520 с.; Харкевич А.А. Борьба с помехами. - Изд. 2. - М.: Наука, 1965. - С.57], сдвинутых по фазе на заданный угол относительно друг друга и поступающих на точечные источники. При этом для предлагаемого расположения пар приемных линий точечных измерителей фазовый сдвиг между зондирующими сигналами может быть произвольным и устанавливаться в диапазоне от 0° до 360° [Kuzichkin, O.R., Vasilyev, G.S., Grecheneva, A.V., Mikhaleva, E.V., Baknin, M.D., Surzhik, D.I. Application of phase-metric compensation method for geoelectric control of near-surface geodynamic processes / Bulletin of Electrical Engineering and Informatics. - 2020. - №9(3). - Pp.899-902]. Для повышения чувствительности при приеме геоэлектрических сигналов используется несколько пар точечных измерителей, число которых выбирается исходя из требуемой точности измерений, а пространственное расположение - с учетом рельефа и условий местности [Электроразведка. Справочник геофизика в двух книгах. Под ред. В.К. Хмелевского и В.М. Бондаренко. - 2-е издание. - М.: Недра. - 1989. - Кн. 1, С. 104-109; Куфуд, О. Зондирование методом сопротивлений. Перевод с англ. Под ред. М.Н. Бердичевского. - М.: Недра. - 1984. - С. 11-13; Бобачев А.А., Горбунов А.А., Модин И.Н., Шевнин В.А. Электротомография методом сопротивлений и вызванной поляризации / Приборы и системы разведочной геофизики. - 2006. - №2. - С. 5-6].
Таким образом, предлагаемый способ позволяет достигнуть технического результата изобретения, который заключается в увеличении помехозащищенности и чувствительности при регистрации и обнаружении малых геодинамических событий при проведении геодинамического мониторинга за счет того, что способ заключается в подаче зондирующих сигналов на точечные источники и приеме сигналов с нескольких пар точечных измерителей, отличающийся тем, что используют методы модуляции и расширения спектров для пары зондирующих сигналов, сдвинутых по фазе на заданный угол относительно друг друга и поступающих на два точечных источника, между которыми по окружности расположены пары точечных измерителей, при этом осуществляют контроль за динамикой изменений фаз регистрируемых сигналов пар точечных измерителей относительно фазы эталонного высокостабильного колебания. Тем самым предлагаемый авторами способ устраняет недостатки использованного прототипа.
Вариант измерительного устройства для геодинамического мониторинга представлен в виде структурной схемы на фиг. 2. Оно содержит последовательное соединенные: дифференциальный усилитель (ДУ) 1, первый усилитель с переменным коэффициентом усиления (УПКУ1) 2, фазовый детектор (ФД) 3, фильтр нижних частот (ФНЧ) 4, усилитель (У) 5 и устройство преобразования (УП) 6, причем на второй вход фазового детектора 3 поступает сигнал с опорного генератора (ОГ) 7, прошедший через второй усилители с переменным коэффициентом усиления (УПКУ2) 8.
Данное устройство содержит дифференциальный усилитель для выделения информационного разностного сигнала, содержащего данные о динамике фазы между парой точечных измерителей и подавления синфазных помех; фазовый детектор для сравнения фазы данного сигнала с фазой высокостабильного эталонного колебания опорного генератора; фильтр нижних частот для выделения полезной компоненты фазового детектирования; усилитель для преобразования данной компоненты до необходимого уровня; устройство преобразования для перевода полученного сигнала в градусную меру и два усилителя с переменными коэффициентами усиления для нормирования входных сигналов фазового детектора.
ЛИТЕРАТУРА
1. Заявка: 2010113331/28, 07.04.2010, Камшилин А.Н, Волкова Е.Н., Хоменко В.П. Способ геоэлектроразведки. Опуб. 10.08.2011. - Бюл. №22.