СПОСОБ ОБРАБОТКИ ДАННЫХ ОБСЛЕДОВАНИЯ, СОБРАННЫХ ДЛЯ ПОДЗЕМНОГО ИССЛЕДОВАНИЯ, И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ПОДЗЕМНОГО ИССЛЕДОВАНИЯ Российский патент 1997 года по МПК G01V3/08 

Изобретение относится к способам и устройству для геофизического обследования и другим подземным исследованиям. В частности, оно относится к устройству, с помощью которого могут измеряться и одновременно соответствующим образом различаться магнитные аномалии временного или пространственного происхождения. Устройство обеспечивает возможность определения и отображения (картографирования) нескольких электрических и магнитных параметров земли в одной операции и с одним устройством восприятия (датчиком). Скорость, с которой это устройство может выполнять каждое измерение, такова, что на практике стали обычными регистрационные измерения на интервалах в метр или менее и при этом достигалось чрезвычайно высокое разрешение при геофизическом исследовании ближайшей поверхности. Такая информация полезна может быть в геологическом картографировании и в определении местоположения таких вещей, как месторождения полезных ископаемых, подземных вод, нефти, зарытых в землю искусственно созданных предметов, таких как трубопроводы, взрывчатые и артиллерийские снаряды, материал археологической ценности и тому подобное.

Способы географического исследования включают в себя измерение физических свойств, изменение которых связано с изменением в составе и структуре земли в районе исследования. Такие свойства включают в себя плотность, магнитную восприимчивость и остаточную намагниченность, сейсмическую скорость, электропроводность, поляризуемость и многое другое. В геофизической литературе описываются различные приборы для индивидуального измерения этих параметров. Два семейства этих физических качеств обычно измеряются при геофизических способах исследования. Ими являются:
1. Магнитные свойства.

Магнитное поле Земли изменяется в пространстве и времени. В известных технических решениях утвердилось использование этого магнитного поля в ряде способов геофизических исследований. Например, наиболее часто магнитные детекторы использовались для определения величины магнитного поля Земли в нескольких точках внутри района съемки. Пространственное изменение в магнитном поле Земли по району съемки может быть выделено посредством вычитания из каждого измерения величины магнитного поля, измеренного одновременно в соседней стационарно связанной точке. Пространственные изменения в магнитном поле количественно связаны с изменениями магнитных свойств земли.

2. Электрические и электромагнитные свойства.

Картографирование электрического сопротивления, электромагнитной и наведенной поляризации было описано во многих статьях, обнаруживаемых в геофизической литературе. При каждом из этих способов электрический ток создается в земле от искусственных гальванических или индуктивных источников или посредством естественных (природных) средств. Прохождение тока происходит в соответствии с установленными электрическими и электромагнитными законами. Например, он будет предпочтительно течь через материал, который имеет более проводящий состав, а если введенный ток имеет переменную полярность, то поток тока также подчиняется глубинно-частотным взаимоотношениям. Также известно, что посредством создания искусственного тока в земле может создаваться эффект поляризации переменной степени, зависящей от состава материала, присутствующего здесь и глубинно-частотных взаимосвязей.

Различные частоты и формы сигналов, возбуждающих прохождение искусственного тока, могут использоваться для различных эффектов. Измерение точка за точкой потенциала между электродами, помещенными в соприкосновение с землей, измерение вторичного электромагнитного поля, наведенного током в земле, и изменение фазы между передаваемыми и принимаемыми волновыми сигналами, все это ранее использовалось или индивидуально, или в сочетании для картографирования подземных электрических свойств.

Гальванические измерения с необходимостью должны были выполняться точка за точкой при расположении электродов в земле. Требовалось учитывать геометрию матрицы электродов. Ограничений, связанных с использованием электродов, избегают посредством использования источников для генерирования требуемых токов в земле. Индивидуальные компоненты вторичного электромагнитного поля, вызываемого потоком тока в земле, затем обычно измеряются приемниками типа индуктивной катушки. Когда используются индуктивные приемники и источники, способ может быть адаптирован для подвижных, морских или транспортируемых по воздуху применений. Использование индуктивных технологий требовало, чтобы во внимание принималась ориентация передатчика и приемника.

В этом изобретении сконструировано устройство, использующее одиночный преобразователь, для измерения нескольких параметров, связанных с магнитными, электрическими или электромагнитными свойствами земли, одновременно обладающее качествами экономии средств (стоимости), времени и сложности.

Вышеуказанные магнитные, электрические и электромагнитные свойства могут одновременно исследоваться устройством, описываемым в данном патенте.

Вообще говоря, это изобретение может быть описано как способ или средство для подземного исследования, в котором пространственно изменяющиеся магнитные или электромагнитные поля определяются посредством пересечения района съемки с магнитным детектором при определенной заранее приблизительно постоянной высоте детектора и скорости перемещения, но превышающей предварительно определенную максимальную скорость, и посредством измерения магнитных или электромагнитных временных сигналов, содержащих частоты, меньшие или равные верхней граничной частоте, определяемой скоростью пересечения и высотой детектора (частоте подавления ВЧ-составляющих).

В настоящем изобретении пространственные временные аномалии измеряются в виде временного сигнала посредством простого пересечения области съемки (обследования). Информацию о позиции получают от встроенного одометра (счетчика пройденного пути) или альтернативного устройства позиционирования. Было обнаружено, что этот временной сигнал, получаемый от перемещающегося магнитного датчика, имеет верхнюю граничную частоту, которая связана с высотой датчика над землей и скоростью, с которой он движется.

Рассмотрим магнитный детектор, который работает при приблизительно постоянной высоте E над поверхностью земли и перемещается с максимальной скоростью S. Изобретатели определили, что нижняя граничная частота F полосы пропускания в магнитном поле пространственного происхождения будет задаваться приблизительно соотношением
F S/2E.

Таким образом, временной сигнал от магнитного датчика, перемещающегося при 2 м/с на высоте в 1 м над землей, будет иметь отсечку в 20 дБ при менее или около 1 Гц.

Естественно, возникающие временные изменения магнитного поля ниже этой частоты могут соответствующим образом быть устранены синхронизированным, стационарным магнитным датчиком.

Таким образом, в одной предпочтительной форме изобретение дополнительно включает в себя шаги способа или дополнительное средство для одновременного получения измерения временных изменений магнитного поля Земли от синхронизированного стационарного магнитного датчика и вычитания его из измеренных сигналов.

Искусственно наведенные магнитные поля, генерируемые индуктивным или гальваническим источником, или их комбинацией, могут быть одновременно измерены подходящим магнитным сенсором. Сигнал, происходящий от пространственных источников в земле, может быть соответствующим образом отфильтрован от этого благодаря искусственному источнику, обеспечивающему то, что искусственный сигнал ограничен частотами больше F, верхней граничной частоты сигнала пространственного происхождения.

Отфильтрованные данные нижней полосы пропускания повторно считываются на регулярных расстояниях, определяемых устройством позиционирования и выбираемых для надлежащего снятия отсчетов пространственного магнитного поля в соответствии с теорией отсчетов. Обычно интервалы будут приблизительно равны высоте сенсора. Повторно считанные данные регистрируют.

Отфильтрованные данные верхней полосы пропускания являются спектрально анализируемыми и относящимися к делу параметрами, также регистрируемыми на регулярных интервалах расстояний. Относящиеся к делу (релевантные) параметры обычно включают в себя амплитуду и фазу на каждой из составляющих частот, присутствующих в искусственно генерируемом электромагнитном поле.

Зарегистрированные пространственного магнитного поля и спектральные параметры вторичного электромагнитного поля могут позже анализироваться экспертом обследования (съемки) для выполнения требуемого электрического и магнитного картографирования обследуемого района.

Подходящий магнитный датчик должен удовлетворять техническим требованиям по чувствительности и частотному отклику (амплитудно-частотной характеристике) в целях детектирования изменений магнитного поля в полосе частот от постоянного тока до максимальной частоты искусственно наведенного сигнала.

Полезным датчиком для таких измерений является прибор с оптической накачкой, который резонирует на частоте, зависящей от величины окружающего магнитного поля. В пределах ограничений, работа этого типа датчика зависит от ориентации, таким образом избегая обычного ограничения в работе ранее использовавшихся электромагнитных детекторов.

В дальнейшем изобретение поясняется конкретным вариантом его выполнения.

На фиг. 1 изображена блок-схема алгоритма, показывающая режим работы варианта осуществления изобретения; на фиг. 2 эскиз-план района обследования, в котором может выполняться способ изобретения.

Район 1 обследования, возможно размером несколько квадратных километров, первоначально готовится посредством установки надлежащего передатчика 2. Передатчик 2 может содержать передатчик 2a непосредственного гальванического типа, имеющий источник питания и генератор 3 электрических колебательных сигналов, и электроды 4, или передатчик 2b индуктивного типа, включающий в себя индуктивную катушку или антенну и соответствующий источник питания и генератор 3 колебательных сигналов. Во всяком случае передаваемый колебательный сигнал должен содержать частоты, ограниченные диапазоном между F, определенной в равенстве (1) и максимальным частотным откликом цифрового магнитометра. Сочетание обоих типов передатчика, работающих на различных частотах колебательных сигналов в пределах определенной выше полосы частот, может также использоваться для получения преимуществ в некоторых ситуациях. Для удобства предварительно выбранные линии перемещения, образующие соответствующую сеть, покрывающую район обследования 1, указывают персоналу, выполняющему работу по обследованию.

Преобразователь 6 магнитного поля, соответственно содержащий магнитное резонансное устройство типа с оптической накачкой, транспортируют вручную или посредством самодвижущегося транспортного средства на, по существу, постоянной высоте вдоль предварительно определенных линий перемещения. Между тем, точное устройство одометра, такое как хлопчатобумажная нить или типа радио, точно выдает позиционную информацию преобразователя.

Сигнал от преобразователя 6 обрабатывается счетчиком 7 и преобразуется в цифровой сигнал, представляющий в реальном времени детектированную интенсивность магнитного поля. Такой сигнал затем фильтруется цифровым фильтром 8 в высокочастотный и низкочастотный компоненты. Частота F разделения фильтра 8 будет уже выбираться в соответствии с равенством (1), когда сочетание максимальной скорости перемещения (пересечения) и высоты датчика определено.

Низкочастотные компоненты, соответствующие пространственным аномалиям, повторно считываются в позиции 9 при регулярных приращениях позиции, которые не должны превышать высоту датчика над землей. Время, когда измерения сделаны, также регистрируется, так что временные изменения в магнитном поле земли, которые регистрируются от синхронизированного стационарного опорного магнитометра, могут быть вычтены на следующей стадии.

Высокочастотные компоненты, соответствующие вторичному электромагнитному полю, связанному с током, проводимым через землю передатчиком, подвергаются цифровой обработке в позиции 10, включая технологию усиления сигнала и спектральный анализ. Амплитуды каждой из передаваемых частот снова воспроизводятся для запоминания (и последующего использования) и немедленной выдачи результата. При картографировании определенных подпочвенных свойств желательно получить измерение какого-либо фазового сдвига между первоначальным и детектированным сигналами. Радиосинхронизирующая связь или подобное синхронизирующее устройство может быть, следовательно, включено и комплексный спектральный анализ использован в обработке цифрового сигнала. Фазовая информация на каждой из частот передаваемого сигнала затем регистрируется вместе с амплитудной информацией.

Кроме того, для непосредственной пользы персонала, проводящего измерения, может быть предусмотрен видеотерминал реального времени с любой предварительно определенной желаемой формой показа, например графической или цифрового считывания.

Таким образом, произведенная и по желанию сохраненная информация позволяет эксперту обследования выполнять картографическую съемку магнитного поля, электрической проводимости или другую района обследования. Однако теперь есть возможность собирать эту изменяющуюся информацию с помощью единственного преобразователя при намного более высокой скорости и, следовательно, при намного более низких затратах. Там, где было ранее часто необходимо выполнение большого числа индивидуальных измерений с использованием различных приборов и регистрация каждого из этих измерений перед перемещением в следующую точку измерения, теперь можно пересечь район обследования быстро, в то же время при непрерывном измерении, анализе и регистрации всей необходимой информации одним прибором.

Хотя скорость перемещения частично ограничена частотным откликом (амплитудно-частотной характеристикой) магнитного детектора и мощностью оборудования цифровой обработки, имеющаяся технология позволяет иметь скорости перемещения (пересечения) порядка 10 км/ч при высоте датчика и интервале измерения в 1 м.

Использование: при геофизических исследованиях на поверхности Земли для выявления магнитных аномалий, связанных с подземными неоднородностями. Сущность изобретения: измеряют одновременно параметры магнитного и электрического поля путем пересечения района исследования переносным магнитным детектором при заданной постоянной высоте его расположения над поверхностью земли и при скоростях пересечения, не превышающих заданную максимальную скорость. Регистрируют две частоты, первая из которых меньше или равна граничной частоте, обе частоты обрабатывают раздельно, чтобы определить характеристики подземных неоднородностей. Для измерения используют устройство, включающее магнитный детектор, выполненный с возможностью выдачи сигнала, содержащего две составляющих, первая из которых включает диапазон частот ниже, а вторая - выше заданной граничной частоты, средство обработки сигналов магнитного детектора и средство выбора граничной частоты, определяемой скоростью перемещения магнитного детектора и его высотой над поверхностью земли. 2 с. и 13 з.п. ф-лы, 2 ил.

1. Способ обработки данных обследования, собранных для подземного исследования, включающих данные, представляющие изменяющееся в пространстве магнитное и изменяющееся во времени электрическое поля, отличающийся тем, что данные регистрируют одновременно посредством пересечения района обследования переносным магнитным детектором при заданной постоянной высоте Е расположения детектора над поверхностью земли, при скоростях пересечения, не превышающих заданную максимальную скорость S, далее осуществляют разделение сигнала, представляющего данные обследования, на две частотные составляющие, разделенные граничной частотой, определяемой скоростью пересечения и высотой детектора, причем граничная частота определяется как F S/2E, первая из частотных составляющих меньше или равна граничной частоте F и представляет изменяющееся в пространстве магнитное поле, причем обе составляющие обрабатывают раздельно, чтобы определить подземные характеристики района обследования. 2. Способ по п.1, отличающийся тем, что Е составляет около 1 м, а S составляет около 2 м/с. 3. Способ по любому из п.1 или 2, отличающийся тем, что первую составляющую сигнала считывают в точках, представляющих регулярные заданные расстояния пересечения, которые по меньшей мере меньше высоты детектора. 4. Способ по любому из пп.1,2 или 3, отличающийся тем, что пересечение района обследования осуществляют с помощью переносного магнитного детектора, а обработку данных осуществляют одновременно с пересечением. 5. Способ по любому из пп.1 4, отличающийся тем, что замеряют дополнительные данные с помощью стационарного магнитного датчика, причем дополнительные данные включают в себя временные изменения в полях, имеющие частоты ниже указанной граничной частоты, и осуществляют операции вычитания дополнительных данных из сигналов, представляющего данные обследования, или его первой составляющей. 6. Способ по п.4, отличающийся тем, что стационарным магнитным датчиком осуществляют замер низкочастотных временных изменений в указанных полях и вычитают выходной сигнал стационарного датчика из первой составляющей сигнала. 7. Способ по любому из пп.1 6, отличающийся тем, что осуществляют обеспечение искусственно индуцированного магнитного поля в районе обследования с помощью искусственного сигнала частоты, большей, чем граничная частота, и измеряют искусственно индуцированное поле в качестве указанной второй составляющей. 8. Устройство для подземного исследования, содержащее переносной магнитный детектор, отличающееся тем, что выполнен с возможностью выдачи сигнала, содержащего первую составляющую сигнала, имеющую диапазон частот ниже заданной граничной частоты, и вторую составляющую сигнала, имеющую диапазон частот выше заданной граничной частоты, средство обработки сигнала, предназначенное для приема сигнала от переносного магнитного детектора, выполнено с возможностью разделения первой и второй составляющих сигнала и регистрации каждой составляющей, причем выбранная граничная частота определяется заданной максимальной скоростью пересечения S и рабочей высотой Е расположения детектора над землей и средство выбора граничной частоты выполнено с возможностью задания граничной частоты как частоты F, определяемой так, что F S/2E. 9. Устройство по п.8, отличающееся тем, что Е составляет около 1 м, а S составляет около 2 м/с. 10. Устройство по любому из п.8 или 9, отличающееся тем, что содержит средство генерирования поля, предназначенное для искусственного инуцирования изменяющегося во времени электромагнитного поля в район обследования, причем изменяющееся во времени поле соответствует второй составляющей измеренного сигнала. 11. Устройство по любому из пп.8 10, отличающееся тем, что дополнительно содержит стационарный магнитный детектор для измерения временных изменений магнитного и электромагнитного полей и обрабатывающие устройства для вычитания сигналов, измеренных стационарным детектором, из первой составляющей сигнала. 12. Устройство по любому из пп.8 11, отличающееся тем, что дополнительно включает в себя бортовое устройство для измерения расстояния пересечения и для непрерывного обеспечения выдачи опорного сигнала пройденного расстояния на обрабатывающее средство. 13. Устройство по пп.8 11, отличающееся тем, что дополнительно содержит бортовое обрабатывающее оборудование, предназначенное для приема разделенных первой и второй составляющих сигнала и сигнала пройденного расстояния и для усиления, обработки и сохранения разделенной информации в запоминающем устройстве в реальном времени. 14. Устройство по п. 12, отличающееся тем, что дополнительно содержит бортовое обрабатывающее оборудование, принимающее разделенные сигналы и сигнал пройденного расстояния и предназначенные к усилению, обработке и сохранению разделенной информации в реальном времени. 15. Устройство по любому из пп.8 14, отличающееся тем, что дополнительно включает в себя транспортное средство, на котором установлен магнитный детектор, предназначенное для транспортировки магнитного детектора по району обследования с заданной постоянной скоростью и при заданной постоянной высоте детектора.