УСТРОЙСТВО ДЛЯ ГЕОЭЛЕКТРОРАЗВЕДКИ Российский патент 2000 года по МПК G01V3/12 

Предлагаемое устройство относится к геофизике, а именно к технике высокочастотного контроля, и может использоваться для геоэлектроразведки подповерхностного слоя почвы или массива горных пород при проведении земляных работ с целью выявления различных неоднородностей, повреждающих рабочие органы землеройной техники.

Известные устройства для геоэлектроразведки основаны:
на использовании фазовых измерений, датчиков электромагнитного поля, смесителя, усилителя промежуточной частоты и фазометра (устройство для фазовых измерений в геоэлектроразведке, авт. свид. N 321783, G 01 V 3/02, 1978);
на использовании частотно-модулированных сигналов передатчика, состоящего из задающего генератора, генератора линейного напряжения, усилителя мощности, передающей антенны и приемника, состоящего из приемной антенны, усилителя высокой частоты, балансного смесителя, усилителя низкой частоты и анализатора спектра (устройство для обнаружения неоднородностей в массивах горных пород, авт. свид. N 396652, G 01 V 3/06, 1971);
на использовании приемно-передающей антенны, антенного переключателя передатчика, приемника, фазового дискриминатора, аналого-цифрового преобразователя, блока изменения частоты, коррелометра, блока памяти, блока управления, блока изменения периода следования модулирующих импульсов и блока индикации (устройство, реализующее "способ геоэлектроразведки", авт. свид. N 1193622, G 01 V 3/12, 1984);
на использовании измерительного и опорного генераторов, первого и второго смесителей, выходы которых заведены на входы третьего смесителя, соединенного с амплитудным дискриминатором (металлоискатель, авт. свид. N 1420574, G 01 V 3/11, 1985);
на использовании измерительного и опорного генераторов, первого и второго смесителей, выходы которых заведены на входы третьего смесителя, соединенного с амплитудным дискриминатором, причем частота F_о опорного генератора и частота F_и.г измерительного генератора связаны соотношением
F_о.г=(N+1)F_из,
где N - кратность умножения умножителя частоты (металлоискатель, авт. свид. N 1469488, G 01 V 3/11, 1987);
на применении сверхгенераторного детектора в качестве датчика неоднородностей в материалах среды (датчик неоднородностей в материалах среды, авт. свид. N 1317378, G 01 V 3/11, 1985) и другие.

Из известных устройств наиболее близким к предлагаемому является устройство, реализующее "Способ геоэлектроразведки" (авт. свид. N 1193622, G 01 V 3/12, 1984), которое и выбрано в качестве прототипа.

Однако указанное устройство, используя простой зондирующий сигнал, имеет сравнительно низкие помехоустойчивость, чувствительность и достоверность геоэлектроразведки подповерхностного слоя почвы или массива горных пород.

Задачей изобретения является повышение помехоустойчивости, чувствительности и достоверности геоэлектроразвердки подповерхностного слоя почвы или массива горных пород.

Поставленная цель достигается тем, что в устройство, содержащее последовательно включенные блок управления, блок изменения периода следования модулирующих импульсов, передатчик, второй вход которого через блок изменения частоты соединен с первым выходом блока управления, антенный переключатель и приемопередающую антенну, последовательно подключенные к второму выходу антенного переключателя приемник, фазовый дискриминатор, второй вход которого соединен с вторым выходом блока изменения частоты, аналого-цифровой преобразователь, второй вход которого соединен с вторым выходом блока управления, коррелометр, второй вход которого через блок памяти соединен с третьим выходом блока управления, и первый блок индикации, второй вход которого соединен с четвертым выходом блока управления, управляющий вход которого соединен с выходом коррелометра, введены блок формирования модулирующего кода, два перемножителя, блок сдвига частоты, два фильтра разностной частоты, многоканальный коррелятор, компаратор и второй блок индикации, причем третий вход передатчика через блок формирования модулирующего кода соединен с пятым выходом блока управления между выходом приемника и первым входом фазового дискриминатора последовательно включены первый перемножитель, второй вход которого соединен с первым выходом блока сдвига частоты, первый фильтр разностной частоты, второй перемножитель, второй вход которого соединен с выходом передатчика, и второй фильтр разностной частоты, между вторым выходом блока изменения частоты и вторым входом фазового дискриминатора включен блок сдвига частоты, к выходу передатчика последовательно подключены многоканальный коррелятор, второй вход которого соединен с выходом приемника, компаратор и второй блок индикации, управляющий вход которого соединен с четвертым выходом блока управления.

Структурная схема устройства для геоэлектроразведки представлена на фиг. 1. Временные диаграммы, поясняющие работу устройства, изображены на фиг. 2.

Устройство содержит блок 1 управления, блок 2 формирования модулирующего кода, блок 3 изменения периода следования модулирующих импульсов, блок 4 изменения частоты, передатчик 5, блок 6 памяти, антенный переключатель 7, приемопередающую антенну 8, исследуемую среду 9, исследуемый объект 10, приемник 11, первый перемножитель 12, блок 13 сдвига частоты, первый фильтр 14 разностной частоты, второй перемножитель 15, второй фильтр 16 разностной частоты, фазовый дискриминатор 17, аналого-цифровой преобразователь 18, коррелометр 19, первый индикатор 20, многоканальный коррелятор 21, многоотводную линию задержки 22_i, многоканальный перемножитель 23_i, фильтр 24_i нижних частот, компаратор 25_i (i=1,...,n) и второй блок 26 индикации. Причем к первому выходу блока 1 управления последовательно подключены блок 3 изменения периода следования модулирующих импульсов, передатчик 5, второй вход которого через блок 4 изменения частоты соединен с первым выходом блока 1 управления, а третий вход - через блок 2 формирования модулирующего кода соединен с пятым выходом блока 1 управления, антенный переключатель 7 и приемопередающая антенна 8. К второму выходу антенного переключателя 7 последовательно подключены приемник 11, перемножитель 12, второй вход которого соединен с вторым выходом блока 13 сдвига частоты, фильтр 14 разностной частоты, перемножитель 15, второй вход которого соединен с выходом передатчика 5, фильтр 16 разностной частоты, фазовый дискриминатор 17, второй вход которого соединен через блок 13 сдвига частоты с вторым выходом блока 4 изменения частоты, аналого-цифровой преобразователь 18, второй вход которого соединен с вторым выходом блока 1 управления, коррелометр 19, второй вход которого через блок 6 памяти соединен с третьим выходом блока 1 управления, и блок 20 индикации, второй вход которого соединен с четвертым выходом блока 1 управления, управляющий вход которого соединен с выходом коррелометра 19. К выходу передатчика 5 последовательно подключены многоканальный коррелятор 21, второй вход которого соединен с выходом приемника 11, компаратор 25_i (i=1,.. .,n) и блок 26 индикации, управляющий вход которого соединен с четвертым выходом блока 1 управления.

Устройство для геоэлектроразведки работает следующим образом.

Импульсы синхронизации (фиг. 2а) с первого выхода блока 1 управления подаются на входы блока 3 изменения периода следования модулирующих импульсов и блока 4 изменения частоты, которые управляют работой передатчика 5. Импульсы синхронизации (фиг. 2б) с пятого выхода блока 1 управления подаются на вход блока 2 формирования модулирующего кода, который формирует модулирующий код M(t) (фиг. 2в). Блок 3 изменения периода следования модулирующих импульсов, запускает передатчик 5, который вырабатывает радиоимпульсы, несущая частота которых изменяется от импульса к импульсу по заданному закону с помощью блока 4 изменения частоты
U_c(t) = U_clog(ω_it+ϕ_i), 0 ≤ t ≤ T_i, i=1,...,m,
где U_c, ω_i, ϕ_i, T_i - амплитуда, несущая частота, начальная фаза и длительность радиоимпульсов, из которых составлен зондирующий сигнал.

Сформированный модулирующий код M(t) с выхода блока 2 поступает на третий вход передатчика 5 и осуществляет манипуляцию фазы радиоимпульсов на 180^o, формируя тем самым фазоманипулированный (ФМн) зондирующий сигнал (фиг. 2г)
U₁(t) = U_c•cos[ω_it+ϕ_к(t)+ϕ_i], 0 ≤ t ≤ T_i,
где ϕ_к(t) = {0,π} - манипулируемая составляющая фазы, отображающая закон фазовой манипуляции в соответствии с модулирующим кодом M(t), причем ϕ_к(t) = const при kτ_n< t < (k+1)τ_n и может изменяться скачком при t = kτ_n, т.е. на границах между элементными посылками (K = 1,2,...N_i);
τ_n, N_i - длительность и количество элементарных посылок, из которых составлен i-й радиоимпульс длительностью T_i (T_i = N_i τ_n ).

Указанный сигнал с выхода передатчика 5 через антенный переключатель 7 поступает на приемопередающую антенну 8 и излучается в пространство в направлении исследуемой среды 9. Зондирующий ФМн-сигнал U₁(t) проходит через среду 9 и достигает исследуемого объекта 10, частично поглощающего его и частично отражающего в направлении приемопередающей антенны 8.

Отраженный ФМн-сигнал (фиг. 2д)
U₂(t) = U₂•cos[ω_it+ϕ_к(t)+ϕ_i+Δϕ_i], 0 ≤ t ≤ T_i,
где
фазовый сдвиг, зависящий от свойств исследуемого объекта 10 и глубины его залегания;
с выхода антенны 8 через антенный переключатель 7 и приемник 11 поступает на первый вход перемножителя 12. Напряжение с второго выхода блока 4 изменения частоты поступает на вход блока 13 сдвига частоты, где оно сдвигается по частоте на величину промежуточной частоты
U_г(t) = U_г•cos[(ω_i-ω_пр)t+ϕ_i], 0 ≤ t ≤ T_i.

Это напряжение поступает на второй вход перемножителя 12, на выходе которого образуются напряжения комбинационных частот. Фильтром 14 выделяется напряжение разностной (промежуточной) частоты
U_прi(t) = U_пр•cos[ω_прt+ϕ_к(t)+Δϕ_i], 0 ≤ t ≤ T_i,
где
K₁ - коэффициент передачи перемножителя, которое поступает на второй вход перемножителя 15, на первый вход которого подается зондирующий ФМн-сигнал U₁(t) с выхода передатчика 5. На выходе перемножителя 15 образуется результирующее напряжение

где
Из полученного результирующего напряжения фильтром 16 выделяется напряжение разностной частоты
U₃(t) = U_Σ•cos[(ω_c-ω_пр)t+ϕ_i-Δϕ_i], 0 ≤ t ≤ T_i,
которое поступает на первый вход фазового дискриминатора 17, на второй вход которого подается напряжение U_r(t) с первого выхода блока 13 сдвига частоты. На выходе фазового дискриминатора 17 образуется напряжение U_н(i) = U_н•cosΔϕ_i, где
K₂ - коэффициент передачи фазового дискриминатора.

При следующем запуске передатчика 5 с другой частотой фазовый сдвиг и напряжение на выходе фазового дискриминатора 17 меняются. Получающееся при этом напряжение, пропорциональное фазовому сдвигу Δϕ_i, преобразуется в аналого-цифровом преобразователе 18 в дискретную функцию и поступает на первый вход коррелометра 19. На второй вход коррелометра 19 подаются эталонные дискретные функции, хранящиеся в блоке 6 памяти. Величина изменения фазы отраженного ФМн-сигнала при изменении длины волны от 100 до 400 м составляет, например, 9^o и 2^o для глины.

Информация для различных сред в виде напряжений, пропорциональных фазовым сдвигам Δϕ_i, заложена в блок 6 памяти и с частотой тактовых импульсов в виде дискретных функций статистических значений разности фаз подается на второй вход коррелометра 19. Последний осуществляет последовательное сравнение полученного напряжения, пропорционального фазовому сдвигу Δϕ_i, с эталонными напряжениями, хранящимися в блоке 6 памяти. В случае соответствия сравниваемых напряжений коррелометр 19 формирует управляющий сигнал остановки для блока 1 управления и управляющий сигнал разрешения на индикацию результата сравнения в блоке 20 индикации в виде данных об исследуемом объекте 10.

Одновременно производится корреляционная обработка зондирующего U₁(t) и отраженного U₂(t) ФМн-сигналов. С этой целью указанные сигналы с выходов передатчика 5 и приемника 11 подаются на два входа многоканального коррелятора 21, состоящего из многоотводной линии задержки 22_i, многоканального перемножителя 23_i и фильтра 24_i нижних частот (i=1,...,n). На выходе коррелятора 21 образуется напряжение, пропорциональное корреляционной функции R(τ), которое будет иметь максимальное значение при τ = τ_o. С выходов многоканального коррелятора 21 напряжения соответствующих каналов поступают на входы компаратора 25_i (i= 1,...,n). Каждый i-ый элемент компаратора представляет собой аналоговый элемент сравнения, в котором сравниваются два напряжения: выходное U_вх и опорное U_оп. В случае превышения входного напряжения над опорным на выходе i-го элемента компаратора формируется напряжение, соответствующее логической "1". Следует отметить, что напряжение с выходов многоканального коррелятора 21 подаются на элементы компаратора 25_i таким образом, что на два соседних элемента подается одно и то же напряжение. Причем на один из элементов вы качестве входного напряжения U_вх, а на другой - опорного U_оп.

Следовательно, на выходах компаратора 25_i (i = 1,...,n) образуется параллельный двоичный код, в котором "1" соответствует превышению напряжения в (i+1)-м канале коррелятора над напряжением в i-м канале. Последовательность единиц двоичного кода соответствует возрастанию корреляционной функции R(τ), а последовательность нулей - соответствует спаду корреляционной функции R(τ). Таким образом, последняя единица в двоичном коде будет соответствовать максимуму корреляционной функции R(τ) Подсчитав количество единиц двоичного кода (m), можно определить номер канала, в котором τ_i= τ_o, а следовательно, и значение τ_o, т.е. глубину залегания исследуемого объекта 10.

Например, если фазовый сдвиг оказывается равным 2^o, то в блоке 20 индикации будет зафиксирована "глина", а в блоке 26 будет указана глубина ее залегания.

Длительность и период следования зондирующих импульсов выбираются в зависимости от конкретной геологической задачи. Например, при работе по объектам на глубине до 10 м в породах со скоростью распространения электромагнитной энергии порядка 50 м/мкс длительность зондирующих импульсов не должна превышать 0.01 - 1 мкс.

Для того, чтобы задний фронт отраженного сигнала не приходил во время последующего импульса, выбор энергетического потенциала производится, учитывая затухание электромагнитной энергии в породах, что связано с решением конкретной геофизической задачи по глубинности и разрешающей способности. Глубинность радиолокационного метода для решения геофизических задач составляет величину - от единиц метров до нескольких километров. Период следования зондирующих импульсов при скорости распространения электромагнитной энергии во вращающей среде 30 - 300 м/мкс составляет 0.01 - 100 мкс. Длительность зондирующих импульсов лежит в пределах 0,005 - 10 мкс. Скважность, определяющая отношение длительности импульса к периоду следования импульсов, должна иметь пределы 2 - 2•10⁴. Поскольку зондирующие импульсы должны содержать не менее 5 - 10 периодов несущей частоты, последняя должна изменяться в пределах 0,1 - 10⁶ МГц.

Таким образом, предлагаемое устройство по сравнению с прототипом и другими аналогичными устройствами обеспечивает повышение помехоустойчивости, чувствительности и достоверности геоэлектроразведки подповерхностного слоя почвы, например, торфяных месторождений, песчаных грунтов, мерзлых пород и т. п. с помощью электромагнитных волн. Это достигается использованием сложного фазоманипулированного сигнала, у которого произведение длительности T_i на ширину спектра Δf_c значительно превышает единицу (T_i•Δf_c >> 1), а корреляционная функция имеет один главный лепесток, значительно превышающий уровень боковых лепестков, что дает большие преимущества в смысле увеличения глубинности, улучшения разрешающей способности и повышения помехочувствительности.

Кроме того, измерения величины разности фаз осуществляется на разностной частоте. Поэтому нестабильность несущей частоты принимаемого ФМн-сигнала, обусловленная различными дестабилизирующими факторами, не оказывает влияния на процесс измерения.

При использовании сложного ФМн-сигнала обеспечивается повышение чувствительности приемника. Ширина спектра ФМн-сигнала определяется длительностью элементарных посылок (Δf_c= 1/τ_n), тогда как ширина спектра Δf_г гармонического колебания U₃(t) определяется его длительностью T_i ( Δ f_г = 1/T_i), т.е. ширина спектра Δf_г гармонического колебания в N раз меньше ширины спектра Δf_с отраженного ФМн-сигнала (Δf_c/Δf_г= N).
Следовательно, при соответствующей обработке отраженного ФМн-сигнала его спектр "сворачивается" в N раз. Это дает возможность с помощью узкополосного фильтра 16 выделить гармоническое колебание U₃(t), отфильтровав при этом значительную часть шумов и помех, т.е. повысить помехоустойчивость и чувствительность приемника.

Используя замечательное свойство корреляционной функции ФМн-сигнала, предлагаемое устройство обеспечивает повышение точности измерения глубины залегания исследуемых объектов подповерхностного слоя почвы.

Изобретение относится к геофизике, а именно к технике высокочастотного контроля, и может использоваться для геоэлектроразведки подповерхностного слоя почвы или массива горных пород при проведении земляных работ с целью выявления различных неоднородностей, повреждающих рабочие органы землеройной техники. Устройство содержит блок управления, блок формирования модулирующего кода, блок изменения периода следования модулирующих импульсов, блок изменения частоты, передатчик, блок памяти, антенный переключатель, приемопередающую антенну, приемник, первый перемножитель, блок сдвига частоты, первый фильтр разностной частоты, второй перемножитель, второй фильтр разностной частоты, фазовый дискриминатор, аналого-цифровой преобразователь, коррелометр, первый блок индикации, многоканальный коррелятор, многоотводную линию задержки, многоканальный перемножитель, фильтр нижних частот, компаратор и второй блок индикации. Технический результат - повышение помехоустойчивости, чувствительности и достоверности геоэлектроразведки подповерхностного слоя почвы или массива горных пород. 2 ил. !_

Устройство для геоэлектроразведки, содержащее последовательно включенные блок управления, блок изменения периода следования модулирующих импульсов, передатчик, второй вход которого через блок изменения частоты соединен с первым выходом блока управления, антенный переключатель и приемопередающую антенну, подключенный к второму выходу антенного переключателя приемник, последовательно соединенные фазовый дискриминатор, аналого-цифровой преобразователь, второй вход которого соединен с вторым выходом блока управления, коррелометр, второй вход которого через блок памяти соединен с третьим выходом блока управления, и первый блок индикации, второй вход которого соединен с четвертым выходом блока управления, управляющий вход которого соединен с выходом коррелометра, отличающееся тем, что в него введены блок формирования модулирующего кода, два перемножителя, блок сдвига частоты, два фильтра разностной частоты, многоканальный коррелятор, компаратор и второй блок индикации, причем третий вход передатчика через блок формирования модулирующего кода соединен с пятым выходом блока управления, между выходом приемника и первым входом фазового дискриминатора последовательно включены первый перемножитель, второй вход которого соединен с первым выходом блока сдвига частоты, первый фильтр разностной частоты, второй перемножитель, второй вход которого соединен с выходом передатчика, и второй фильтр разностной частоты, между вторым выходом блока изменения частоты и вторым входом фазового дискриминатора
включен блок сдвига частоты, к выходу передатчика последовательно подключены многоканальный коррелятор, второй вход которого соединен с выходом приемника, компаратор и второй блок индикации, управляющий вход которого соединен с четвертым выходом блока управления.