СПОСОБ ИДЕНТИФИКАЦИИ ПОДПОВЕРХНОСТНЫХ СТРУКТУР И ЛОКАЛЬНЫХ ОБЪЕКТОВ В НИХ Российский патент 2005 года по МПК G01S13/02 G01V3/12 

Изобретение относится к способам идентификации подповерхностных структур и локальных объектов в них.

Известен способ идентификации подповерхностных структур, заключающийся в том, что производят излучение импульсных радиосигналов не сверхширокополосных и с длительностью импульса 1-0,1 мс, в диапазоне несущих частот от 30 до 500 мГц, что позволяет только очень грубо оценить структурные характеристики геологического разреза. Способ также не позволяет оценить дифракционные эффекты и вынужденное рассеяние. Поэтому он использовался только в Антарктиде, т.е. в районах с ледяным покровом [1].

Известен способ идентификации подповерхностных структур, заключающийся в том, что в каждой точке пространства для принимаемого отражённого сигнала после его прямого детектирования используют энтропийный критерий построения плотностей вероятностей и из выражения Винера-Хопфа получают семейства импульсных характеристик. При идентификации подповерхностных структур учитывают вынужденное рассеяние с переносом излучения, представляя отраженные продетектированные сигналы тремя уровнями отношений "S/P":

S/P>>1;

S/P≅1; S/P<<1;

где S - сигнал, соответствующий по своей структуре излученному импульсному радиосигналу,

Р - поляризация, обусловленная вынужденным рассеянием.

Выполняют оценки корреляционных функций, проводят редукцию данных и последующее построение эмпирического распределения результатов. В качестве характеристики структурной связи между указанным эмпирическим распределением и текущими значениями оценок различных моментов результатов зондирования конкретной точки в геологическом разрезе используют информационную меру Кульбака. Значение информационной меры Кульбака связывают с автокорреляционной функцией излученного импульсного радиосигнала и взаимной корреляционной функцией излученного и отраженного сигналов идентифицируемого объекта в конкретной точке геологического разреза. В качестве устойчивых признаков идентификации геологической структуры используют преобразование Фурье авто- и взаимной корреляционных функций результатов зондирования. В качестве признаков идентификации объекта в геологическом разрезе определенному типу временной дисперсии или пространственной дифракции используют значения фазового спектра и уровень затухания излученных импульсных радиосигналов в слое геологического разреза [2].

Недостатком известного способа идентификации подповерхностных структур является то, что дано универсальное правило идентификации, но не указано, как конкретно использовать значения фазового спектра и уровень затухания измеренных импульсных радиосигналов в слое геологического разреза для определения участков нарушенных литологических типов, выделения интервалов водонасыщенных литологических типов, для идентификации локальных объектов, определения размеров локальных объектов.

Заявленный способ идентификации решает задачу по повышению эффективности идентификации подповерхностных структур.

Поставленная задача решена тем, что способ идентификации подповерхностных структур и локальных объектов в них заключается в том, что в каждой точке пространства для принимаемого отраженного сигнала после его прямого детектирования используют энтропийный критерий построения плотностей вероятностей и из выражения Винера-Хопфа получают семейства импульсных характеристик, учитывают вынужденное рассеяние с переносом излучения, выполняют оценки корреляционных функций, проводят редукцию данных и последующее построение эмпирического распределения результатов, в качестве характеристики структурной связи между указанным эмпирическим распределением и текущими значениями оценок различных моментов результатов зондирования конкретной точки в геологическом разрезе используют информационную меру Кульбака, значение информационной меры Кульбака связывают с автокорреляционной функцией излученного импульсного радиосигнала и взаимной корреляционной функцией излученного и отраженного сигналов идентифицируемого объекта в конкретной точке геологического разреза, в качестве устойчивых признаков идентификации геологической структуры используют преобразование Фурье авто- и взаимной корреляционных функций результатов зондирования, в качестве признаков идентификации объекта в геологическом разрезе определенному типу временной дисперсии или пространственной дифракции используют значения фазового спектра и уровень затухания излученных импульсных радиосигналов в слое геологического разреза, отличается тем, что участки нарушенных литологических слоев определяют по минимальным мгновенным значениям стремящейся к нулю амплитуды авто- и взаимной корреляционных функций результатов зондирования, водонасыщенные литологические слои выделяют, анализируя две группы фазового спектра длинноволнового и коротковолнового диапазонов из условия, что разность фаз по двум группам данных равна нулю, локальные объекты в подповерхностных слоях определяют из условия, что разность фаз мгновенных значений авто- и взаимной корреляционных функций сигнала длинноволнового и коротковолнового диапазонов, отражённого от протяжённых литологических слоев с мощностью, превышающей максимальную принимаемую длину волны, отлична от нуля, а также, что структура авто- и взаимной корреляционных функций - фаза, амплитуда и период сигнала в длинноволновом и коротковолновом диапазонах совпадают полностью, либо с кратным увеличением одного из диапазонов, а сам локальный объект регистрируют посредством коротковолнового спектра отраженного сигнала, причём интенсивность потока отраженных волн различается в длинноволновом и коротковолновом спектре в пределах интервала разреза, где присутствует локальный объект, при этом изменения амплитуды и фазы мгновенных значений авто- и взаимной корреляционных функций сигнала длинноволнового спектра имеют выраженную тенденцию к устойчивому росту или уменьшению, а изменения амплитуды и периода мгновенных значений авто- и взаимной корреляционных функций сигнала коротковолнового спектра имеют колебательный характер, среднегеометрический размер локального объекта определяют по интервалу, в пределах которого имеется различие в изменениях амплитуды и фазы мгновенных значений авто- и взаимной корреляционных функций длинноволнового и коротковолнового спектров.

Заявленный способ является новым, так как он не известен из уровня техники.

Заявленный способ имеет изобретательский уровень, так как он для специалиста явным образом не следует из уровня техники.

Заявленный способ является промышленно применимым, так как он может быть использован при строительстве транспортных тоннелей, для обследования подземных сооружений, выполненных из железобетонных или чугунных тюбингов для зондирования геологического разреза, для разведочного зондирования горного массива впереди строящихся тоннелей, для определения залегающих в грунте контуров инженерных сооружений, таких как фундаменты опор, сваи, тоннели, коллекторы и т.д., и выявления дефектов в подобных объектах, для проведения археологических работ, определения мест загрязнения окружающей среды (нефтью и т.д.).

Способ идентификации подповерхностных структур и локальных объектов в них заключается в том, что в каждой точке пространства для принимаемого отраженного сигнала после его прямого детектирования используют энтропийный критерий построения плотностей вероятностей.

Из выражения Винера-Хопфа получают семейства импульсных характеристик. Учитывают вынужденное рассеяние с переносом излучения. Выполняют оценки корреляционных функций. Проводят редукцию данных и последующее построение эмпирического распределения результатов. В качестве характеристики структурной связи между указанным эмпирическим распределением и текущими значениями оценок различных моментов результатов зондирования конкретной точки в геологическом разрезе используют информационную меру Кульбака. Значение информационной меры Кульбака связывают с автокорреляционной функцией излученного импульсного радиосигнала и взаимной корреляционной функцией излученного и отраженного сигналов идентифицируемого объекта в конкретной точке геологического разреза.

В качестве устойчивых признаков идентификации геологической структуры используют преобразование Фурье авто- и взаимной корреляционных функций результатов зондирования. В качестве признаков идентификации объекта в геологическом разрезе определенному типу временной дисперсии или пространственной дифракции используют значения фазового спектра и уровень затухания излученных импульсных радиосигналов в слое геологического разреза.

Новым в способе является то, что участки нарушенных литологических слоев определяют по минимальным мгновенным значениям стремящейся к нулю амплитуды авто- и взаимной корреляционных функций результатов зондирования.

Водонасыщенные литологические слои выделяют, анализируя две группы фазового спектра длинноволнового и коротковолнового диапазонов из условия, что разность фаз по двум группам данных равна нулю.

Локальные объекты в подповерхностных слоях определяют из условия, что разность фаз мгновенных значений авто- и взаимной корреляционных функций сигнала длинноволнового и коротковолнового диапазонов, отражённого от протяжённых литологических слоев с мощностью, превышающей максимальную принимаемую длину волны, отлична от нуля, а также, что структура авто- и взаимной корреляционных функций - фаза, амплитуда и период сигнала длинноволнового и коротковолнового диапазонов совпадают полностью, либо с кратным увеличением одного из диапазонов.

Сам локальный объект регистрируют посредством коротковолнового спектра отраженного сигнала, причём интенсивность потока отраженных волн различается в длинноволновом и коротковолновом спектре в пределах интервала разреза, где присутствует локальный объект, при этом изменения амплитуды и фазы мгновенных значений авто- и взаимной корреляционных функций сигнала длинноволнового спектра имеют выраженную тенденцию к устойчивому росту или уменьшению, а изменения амплитуды и фазы мгновенных значений авто- и взаимной корреляционных функций сигнала коротковолнового спектра имеют колебательный характер.

Среднегеометрический размер локального объекта определяют по интервалу, в пределах которого имеется различие в изменениях амплитуды и фазы мгновенных значений авто- и взаимной корреляционных функций длинноволнового и коротковолнового спектров.

Способ идентификации подповерхностных структур и локальных объектов в них реализуют посредством устройства для идентификации подповерхностных структур и локальных объектов в них.

Устройство для идентификации подповерхностных структур и локальных объектов в них (см.чертеж) содержит генератор 1, вырабатывающий электромагнитные импульсы наносекундной длительности мощностью от сотен кВт до 6МВт, соединенный с передающей антенной 2, излучающей импульс в подповерхностную среду 3, отраженные и переизлученные подповерхностной средой сигналы-отклики принимаются приемными антеннами 4, соединенными с приемным блоком 5. Один выход приемного блока 5 соединен со входами блока 6 автокорреляционных функций, другой выход приёмного блока 5 соединён со входами блока взаимокорреляционных функций 7. Блок автокорреляционных функций 6 состоит из блока определения по автокорреляционным функциям участков нарушенных литологических слоев 6.1, блока выделения водонасыщенных литологических слоев 6.2 и блока определения местонахождения локальных объектов и их среднегеометрических размеров 6.3. Выходы длинноволновых и коротковолновых сигналов приёмного блока 5 соединены с соответствующими входами блоков определения по автокорреляционным функциям участков нарушенных литологических слоев 6.1, выделения водонасыщенных литологических слоев 6.2 и определения местонахождения локальных объектов и их среднегеометрических размеров 6.3. Блок взаимокорреляционных функций 7 состоит из блоков определения по взаимнокорреляционным функциям участков нарушенных литологических слоев 7.1, блока выделения водонасыщенных литологических слоев 7.2 и блока определения местонахождения локальных объектов и их среднегеометрических размеров 7.3. Выходы длинноволновых и коротковолновых сигналов приёмного блока 5 соединены с соответствующими входами блоков определения по взаимнокорреляционным функциям участков нарушенных литологических слоев 7.1, блока выделения водонасыщенных литологических слоев 7.2 и блока определения местонахождения локальных объектов и их среднегеометрических размеров 7.3. Выходы блоков определения по автокорреляционным функциям 6.1 и взаимнокорреляционным функциям 7.1 участков нарушенных литологических слоев блоков выделения по автокорреляционным функциям 6.2 и взаимнокорреляционным функциям 7.2 водонасыщенных литологических слоев и блоков определения по автокорреляционным функциям 6.3 и взаимнокорреляционным функциям 7.3 местонахождения локальных объектов и их среднегеометрических размеров соединены с соответствующими входами блока идентификации 8. Один выход блока идентификации 8 соединён с базой данных электронно-вычислительной машины 9, выход базы данных электронно-вычислительной машины 9 соединён с соответствующим входом блока идентификации 8. Выход базы данных электронно-вычислительной машины 9 соединён с входом печатающего устройства 10.

Устройство для определения рельефа горизонтально-слоистого разреза работает следующим образом.

Генератор 1 вырабатывает наносекундные импульсы в диапазоне 10 ГГц...10 МГц мощностью до 6 МВт, излучаемые передающей антенной 2.

Зондирующий сигнал проходит в подповерхностных структурах 3, которые трансформируют его в соответствии со своими пространственно-частотными характеристиками. Используют зондирующий сверхширокополосный импульс гауссовской формы и семейство откликов, получаемых при использовании таких воздействий в различных направлениях, называемых семействами импульсных характеристик.

Эти отклики трансформированного сигнала принимаются приемными антеннами 4 в диапазоне частот 10 ГГц...1 МГц, каждой в своей полосе частот и фиксируются приемным блоком 5, в качестве которого в конкретном случае выбран многоканальный стробоскопический осциллограф с масштабно-временным преобразованием принятых сигналов.

Длинноволновые и коротковолновые сигналы с выходов приёмного блока 5 приходят каждый на свой вход блоков определения по автокорреляционным функциям 6.1 и взаимнокорреляционным функциям 7.1 участков нарушенных литологических слоев.

Длинноволновые и коротковолновые сигналы соответственно с других выходов приёмного блока 5 приходят на соответствующие входы блоков выделения по автокорреляционным функциям 6.2 и взаимно корреляционным функциям 7.2 водонасыщенных литологических слоев. Длинноволновые и коротковолновые сигналы с выходов приёмного блока 5 поступают на соответствующие входы блоков определения по автокорреляционным функциям 6.3 и взаимно корреляционным функциям 7.3 местонахождения локальных объектов и их среднегеометрических размеров. Все эти сигналы поступают на входы блоков определения по автокорреляционным функциям 6.1 и взаимно корреляционным функциям 7.1 участков нарушенных литологических слоев, блоков выделения по автокорреляционным функциям 6.2 и взаимно корреляционным функциям 7.2 водонасыщенных литологических слоев и блоков определения по автокорреляционным функциям 6.3 и взаимно корреляционным функциям 7.3 местонахождения локальных объектов и их среднегеометрических размеров одновременно.

Обработку сигналов длинноволнового и коротковолнового диапазонов в блоках определения по автокорреляционным функциям 6.1 и взаимно корреляционным функциям 7.1 участков нарушенных литологических слоев, в блоках выделения по автокорреляционным функциям 6.2 и взаимно корреляционным функциям 7.2 водонасыщенных литологических слоев и в блоках определения по автокорреляционным функциям 6.3 и взаимно корреляционным функциям 7.3 местонахождения локальных объектов и их среднегеометрических размеров осуществляют одновременно.

Центрированные относительно текущих значений оценок первого и второго моментов результаты сверхширокополосного подповерхностного зондирования конкретной точки аппроксимируют системой линейных алгебраических уравнений, являющейся решением интегрального уравнения во временной области. Используя это решение, связывающее искомую импульсную характеристику с автокорреляционной функцией входного сигнала и взаимной корреляционной функцией входного и выходного сигнала идентифицируемого объекта, находят импульсные характеристики для горизонтально-слоистого разреза конкретной точки.

Используя преобразование Фурье авто- и взаимокорреляционных функций результатов сверхширокополосного зондирования в конкретной точке, а в качестве признаков идентификации - принадлежность слоя в горизонтально-слоистом разрезе определенному типу временной или пространственной нелокальности и дисперсии, значение фазового спектра и уровень затухания сверхширокополосного сигнала в слое, получают устойчивые признаки идентификации геоструктуры.

В блоке идентификации 8 производят сравнение автокорреляционных и взаимнокорреляционных функций, поступивших из блоков определения по автокорреляционным функциям 6.1 и взаимнокорреляционным функциям 7.1 участков нарушенных литологических слоев, из блоков выделения по автокорреляционным функциям 6.2 и взаимно-корреляционным функциям 7.2 водонасыщенных литологических слоев и из блоков определения по автокорреляционным функциям 6.3 и взаимно-корреляционным функциям 7.3 местонахождения локальных объектов и их среднегеометрических размеров, являющихся решением алгебраического уравнения Винера-Хопфа.

В электронно-вычислительной машине 9 производят сопоставление выявленных участков нарушенных литологических слоев, участков водонасыщенных литологических слоев, участков с локальными объектами с имеющимися в базе данных конкретными буровыми (проходческими) данными о подповерхностных структурах. Результаты распечатывают печатающим устройством 10. Заявленный способ позволяет повысить эффективность идентификации подповерхностных структур и локальных объектов в них.

Источники информации

1. Финкельштейн М.И., “Радиолокационное подповерхностное зондирование морского льда и земных покровов на ультракоротких волнах”, Вестник АН СССР, 1984 г. №9, стр. 20-28.

2. Патент РФ №2144682 “Способ радиолокационного зондирования геологического разреза”, Бюлл. №2, 20.01.2000 г.

Изобретение относится к способам идентификации подповерхностных структур и локальных объектов в них. Заявленный способ идентификации подповерхностных структур и локальных объектов в них отличается тем, что участки нарушенных литологических слоев определяют по минимальным мгновенным значениям стремящейся к нулю амплитуды авто- и взаимной корреляционных функций результатов зондирования, водонасыщенные литологические слои выделяют, анализируя две группы фазового спектра длинноволнового и коротковолнового диапазонов из условия, что разность фаз по двум группам данных равна нулю, локальные объекты в подповерхностных слоях определяют из условия, что разность фаз мгновенных значений авто- и взаимной корреляционных функций сигнала длинноволнового и коротковолнового диапазонов, отраженного от протяженных литологических слоев с мощностью, превышающей максимальную принимаемую длину волны, отлична от нуля, а также, что структура авто- и взаимной корреляционных функций - фаза, амплитуда и период сигнала длинноволнового и коротковолнового диапазонов совпадают полностью либо с кратным увеличением одного из диапазонов, а сам локальный объект регистрируют посредством коротковолнового спектра отраженного сигнала, причем интенсивность потока отраженных волн различается в длинноволновом и коротковолновом спектре в пределах интервала разреза, где присутствует локальный объект, при этом изменения амплитуды и фазы мгновенных значений авто- и взаимной корреляционных функций сигнала длинноволнового спектра имеют выраженную тенденцию к устойчивому росту или уменьшению, а изменения амплитуды и фазы мгновенных значений авто- и взаимной корреляционных функций сигнала коротковолнового спектра имеют колебательный характер, среднегеометрический размер локального объекта определяют по интервалу, в пределах которого имеется различие в изменениях амплитуды и фазы мгновенных значений авто- и взаимной корреляционных функций длинноволнового и коротковолнового спектров. 1 ил.

Способ идентификации подповерхностных структур и локальных объектов в них, заключающийся в том, что в каждой точке пространства для принимаемого отраженного сигнала после его прямого детектирования используют энтропийный критерий построения плотностей вероятностей и из выражения Винера-Хопфа, получают семейства импульсных характеристик, учитывают вынужденное рассеяние с переносом излучения, выполняют оценки корреляционных функций, проводят редукцию данных и последующее построение эмпирического распределения результатов, в качестве характеристики структурной связи между указанным эмпирическим распределением и текущими значениями оценок различных моментов результатов зондирования конкретной точки в геологическом разрезе используют информационную меру Кульбака, значение информационной меры Кульбака связывают с автокорреляционной функцией излученного импульсного радиосигнала и взаимной корреляционной функцией излученного и отраженного сигналов идентифицируемого объекта в конкретной точке геологического разреза, в качестве устойчивых признаков идентификации геологической структуры используют преобразование Фурье авто- и взаимной корреляционных функций результатов зондирования, в качестве признаков идентификации объекта в геологическом разрезе определенному типу временной дисперсии или пространственной дифракции используют значения фазового спектра и уровень затухания излученных импульсных радиосигналов в слое геологического разреза, отличающийся тем, что участки нарушенных литологических слоев определяют по минимальным мгновенным значениям стремящейся к нулю амплитуды авто- и взаимной корреляционных функций результатов зондирования, водонасыщенные литологические слои выделяют, анализируя две группы фазового спектра длинноволнового и коротковолнового диапазонов из условия, что разность фаз по двум группам данных равна нулю, локальные объекты в подповерхностных слоях определяют из условия, что разность фаз мгновенных значений авто- и взаимной корреляционных функций сигнала длинноволнового и коротковолнового диапазонов, отраженного от протяженных литологических слоев с мощностью, превышающей максимальную принимаемую длину волны, отлична от нуля, а также, что структуры авто- и взаимной корреляционных функций - фаза, амплитуда и период сигнала длинноволнового и коротковолнового диапазонов совпадают полностью либо с кратным увеличением одного из диапазонов, а сам локальный объект регистрируют посредством коротковолнового спектра отраженного сигнала, причем интенсивность потока отраженных волн различается в длинноволновом и коротковолновом спектре в пределах интервала разреза, где присутствует локальный объект, при этом изменения амплитуды и фазы мгновенных значений авто- и взаимной корреляционных функций сигнала длинноволнового спектра имеют выраженную тенденцию к устойчивому росту или уменьшению, а изменения амплитуды и фазы мгновенных значений авто- и взаимной корреляционных функций сигнала коротковолнового спектра имеют колебательный характер, среднегеометрический размер локального объекта определяют по интервалу, в пределах которого имеется различие в изменениях амплитуды и фазы мгновенных значений авто- и взаимной корреляционных функций длинноволнового и коротковолнового спектров.