Измеритель проводимости земной поверхности Российский патент 2024 года по МПК G01V3/08 

Предлагаемое изобретение относится к области радиоэлектроники, связанной с измерением электрической проводимости земной поверхности посредством приема и обработки импульсного электромагнитного излучения очень низкочастотного или низкочастотного (ОНЧ - НЧ) диапазонов. Оно может быть использовано в геоэлектроразведке, а также в областях геофизических наблюдений, радиосвязи, радиопеленгования и радионавигации в целях повышения их точности.

Известно устройство измерения проводимости земной поверхности для систем радиосвязи посредством приема и обработки электромагнитного излучения, содержащее приемную антенну, заявленное в патенте РФ 2671299 МПК G01V 3/08 «Способ измерения параметров подстилающей среды и устройство для его осуществления», заявл. 12.04.2017. Также известно устройство измерения проводимости земной поверхности, содержащее приемную рамочную антенну в патенте РФ 2316113 МПК H04B 3/46 «Способ измерения параметров подстилающей среды и устройство для его осуществления», заявл. 04.08.2005. Однако указанные аналоги требуют в своем составе специальных излучателей электромагнитного поля. Это приводит к громоздкости и усложнению измерителей.

В устройстве для измерения проводимости земной поверхности, реализующем способ согласно изобретению SU 140131 A1 МПК G01V 3/12 «Способ электроразведки методом индукции», заявл. 22.07.60 в целях упрощения и удешевления предложено измерения осуществлять на основе сравнения по фазе напряжений, наводимых в опорном и измерительном узкополосных каналах, подключенных соответственно к вертикальной штыревой и горизонтальной рамочной антеннам, принимающих электромагнитное поле молниевого разряда. Однако такой измеритель обладает низкой точностью. Наводимые в опорном и измерительном каналах сигналы будут соответственно пропорциональны вертикальным компонентам электрического и магнитного поля излучателя, относящихся к нормальным и аномальным компонентам, распространение которых в волноводе Земля-ионосфера происходит практически независимо. Поэтому разность их фаз в сильной мере зависит от параметров ионосферы, расстояния до излучателя и случайных параметров самого излучателя.

В книге Кашпровский В.Е., Кузубов Ф.А. Распространение средних радиоволн земным лучом. М.: «Связь». 1971, с. 156-158 описан измеритель проводимости земной поверхности, реализующий способ измерения проводимости по наклону электрического поля фронта волны. Измеритель содержит вращающуюся штыревую антенну и соединенный с ней измеритель амплитуды сигнала. По углу отклонения антенны от вертикали в плоскости распространения волны, соответствующему максимальному показанию измерителя амплитуды, определяют проводимость где - длина принимаемой волны (см. формулу (4.25) в этой книге). Такой измеритель требует знания направления на излучатель и времени на разворот антенны, что не позволяет применять его при приеме кратковременных излучений от молниевых разрядов.

В книге Бобровников Л.З., Кадыров И.Н., Попов В.А. Электроразве-дочная аппаратура и оборудованиею М.: «Недра». 1985, с. 290-291, рис.129 описан другой измеритель проводимости земной поверхности, реализующий способ измерения проводимости по наклону магнитного поля фронта волны, содержащий каналы формирования опорного и измеряемого сигналов, первый из которых состоит из последовательно соединенных вертикальной рамочной антенны, предварительного и избирательного усилителей и регулятора амплитуды, а второй - из последовательно соединенных горизонтальной рамочной антенны и избирательного усилителей. Кроме того, в состав измерителя входит вычитающее устройство, фазочувствительный детектор и стрелочный прибор, причем выходы каналов формирования подключены ко входам вычитающего устройства, выход вычитающего устройства и второй выход избирательного усилителя первого канала подключены к двум входам фазочувствительного детектора, выход которого соединен со стрелочным прибором. Недостатком этого измерителя являются низкая оперативность, как и в предыдущем аналоге, поскольку в процессе измерений требуется настройка регулятора амплитуды, что не позволяет его применять при приеме кратковременных излучений от молниевых разрядов. Другим недостатком является малая точность, поскольку наклон вектора поля при неизвестном направлении на излучатель определяется в вертикальной плоскости, перпендикулярной к плоскости вертикальной рамочной антенны, не совпадающей с плоскостью распространения волны. Кроме того, вертикальная магнитная компонента , принимаемая в измерительном канале на горизонтальную рамочную антенну, по своей амплитуде от 100 до 1000 раз меньше амплитуд горизонтальных магнитных компонент , принимаемых в опорном канале на вертикальную рамочную антенну. Малейшее отклонение нормали к плоскости горизонтальной рамочной антенны от вертикали, или наличие конечной толщины витков обмотки этой антенны в вертикальной плоскости приведет к наводке на нее вредных горизонтальных магнитных компонент, сравнимых или даже значительно превышающих по амплитуде измеряемую вертикальную компоненту. Это приведет к значительным дополнительным погрешностям измерения проводимости земной поверхности.

Наиболее близким по технической сущности является измеритель, заявленный по п.1 и п.2 в изобретении SU 1784935 A1 МПК G01V 3/08 «Измеритель проводимости земной поверхности», заявл. 20.08.90. Он содержит индикатор в виде электронно-лучевой трубки (ЭЛТ) и каналы формирования опорного и измеряемого сигналов, первый из которых состоит из последовательно соединенных вертикальной штыревой антенны, резонансного усилителя, фазовращателя на угол +45˚ и первого квадратора, являющегося выходом канала, а второй - из последовательно соединенных горизонтальной рамочной антенны, резонансного усилителя, первого масштабного усилителя с коэффициентом усиления 120·π, второго квадратора, блока вычитания, второго регулируемого масштабного усилителя, при этом выход второго квадратора соединен с первым входом блока вычитания, а выход второго регулируемого масштабного усилителя является выходом канала формирования измеряемого сигнала, кроме этого, в канал формирования измеряемого сигнала входят две дополнительные взаимно ортогональные горизонтальные штыревые антенны, подключенные к ним два дополнительных резонансных усилителя, выходы которых соединены с третим и четвертым квадратором, выходы квадраторов соединены с двумя входами сумматора, выход которого подключен ко второму входу блока вычитания, выходы опорного и измеряемого сигналов подключены к вертикальным и горизонтальным отклоняющим пластинам ЭЛТ.

Недостатком прототипа является применение в его составе горизонтальной рамочной антенны для приема малой по амплитуде вертикальной компоненты магнитного поля и возникновение из-за этого значительных погрешностей из-за возможного наведения в этой антенне помеховых напряжений от горизонтальных компонент , значительно больших по величине (см. вышеописанные недостатки последнего аналога). Кроме того, наличие четырех антенн в прототипе усложняет его, а применение в качестве индикатора ЭЛТ затрудняют применение измерителя по кратковременным излучениям молниевых разрядов (малая величина времени свечения изображения на экране).

Задачей предлагаемого изобретения является упрощение настройки измерителя и повышение точности измерений величины проводимости земной поверхности за счет исключения из канала измеряемого сигнала горизонтальной рамочной антенны.

На фиг. 1 показана структурная схема заявляемого измерителя.

На фиг. 2 показана продольная и вертикальная компоненты поля в точке приема N на поверхности Земли, где

о - центр Земли;

S - излучатель;

- радиальный, продольный и поперечный орты сферической системы

координат (r, θ, φ).

На фиг. 3 показана горизонтальная проекция эллиптического движения вектора .

Измеритель содержит вертикальную штыревую антенну 1 канала опорного сигнала, ортогональные друг другу горизонтальные симметричные вибраторные антенны 2 и 3 канала измеряемого сигнала, резонансные усилители 4 - 6, фазовращатель 7 на угол +45°, три квадратора 8, 11, 12 и дополнительный квадратор 19, два фазовращателя 9, 10 на угол +90°, два перемножителя 14, 15, устройство вычитания 16, амплитудный детектор 17, сумматор 18, устройство деления 20, масштабный усилитель 21 с коэффициентом выход которого является выходом канала измеряемого сигнала. В измеритель введен канал индикатора, состоящий из компаратора 13 с заземленным пороговым входом, дополнительного перемножителя 22, устройства выборки и хранения 23, аналого-цифрового преобразователя 24 и цифрового индикатора 25.

При этом выход фазовращателя 7 параллельно соединен с квадратором 12 и сигнальным входом компаратора 13, выход квадратора 12 подсоединен к амплитудному детектору 17, выход которого является выходом канала опорного сигнала, он подсоединен к первому входу дополнительного перемножителя 22, ко второму входу которого подключен выход канала измеряемого сигнала, антенны которого 2 и 3 через резонансные усилители 5 и 6 подключены параллельно первая - к квадратору 8, фазовращателю 9 и первому входу перемножителя 14, а вторая - к квадратору 11, фазовращателю 10 и первому входу перемножителя 15, при этом выход фазовращателя 9 подключен ко второму входу перемножителя 14, а выход фазовращателя 10 подключен ко второму входу перемножителя 15, выходы перемножителей 14 и 15 подсоединены к входам устройства вычитания 16, выход которого подключен к дополнительному квадратору 19, а выход 19 подсоединен к входу делимого устройства деления 20, выход которого подключен ко входу масштабного усилителя 21 с коэффициентом выход масштабного усилителя, являясь выходом канала измеряемого сигнала, подключен ко второму входу дополнительного перемножителя 22, при этом его выход подсоединен к аналоговому входу устройства выборки и хранения 23, его выход подключен к сигнальному входу аналого-цифрового преобразователя (АЦП) 24, выход компаратора 13 подключен параллельно к управляющим входам устройства выборки и хранения 23 и АЦП 24, а выход АЦП 24 подключен к цифровому индикатору 25.

Измеритель работает следующим образом. Приемные антенны 1 - 3 выделяют сигналы электрических вертикальной компоненты и двух взаимно ортогональных произвольно направленных в горизонтальной плоскости компонент и . Сигналы компонент узкополосно усиливаются в резонансных усилителях 4 - 6, с регулируемой, но одинаковой для всех усилителей частотой настройки. Сигнал компоненты далее сдвигается по фазе на угол +45° в фазовращателе 7, образуя на его выходе сдвинутый сигнал , который поступает параллельно на вход квадратора 12 и сигнальный вход компаратора 13. В квадраторе 12 он квадратично усиливается и поступает на амплитудный детектор 17, где из него выделяется выходной сигнал опорного канала, пропорциональный квадрату амплитуды вертикальной компоненты поля, который поступает на первый вход дополнительного перемножителя 22. В канале измеряемого сигнала напряжения горизонтальных компонент и с выхода резонансных усилителей 5 и 6 поступают с усилителя 5 параллельно на квадратор 8, фазовращатель 9 на угол +90° и первый вход перемножителя 15, а с усилителя 6 поступают параллельно на квадратор 11, фазовращатель 10 на угол +90˚ и первый вход перемножителя 14, выход фазовращателя 9 подключен ко второму входу перемножителя 14, а выход фазовращателя 10 подключен ко второму входу перемножителя 15, при этом сигнал с выхода перемножителя 15 вычитается из выходного сигнала перемножителя 14 в устройстве вычитания 16, и квадратично усиливается в дополнительном квадраторе 19, образуя на его выходе сигнал, пропорциональный , то есть квадрату разности произведений горизонтальных компонент , на сдвинутые на +90˚ по фазе компоненты . Этот сигнал квадрата разности для конкретного измерения проводимости не зависит от времени, так как равен квадрату произведения неизменных для конкретного измерения амплитуд компонент на синус разности их фаз . Одновременно выходы квадраторов 8 и 11 подключены ко входам сумматора 18, на выходе которого формируется сигнал пропорциональный текущей сумме квадратов компонент . Он в устройстве деления 20 нормируется к сигналу , а в масштабном усилителе 21 нормируется еще и к коэффициенту, пропорциональному длине волны , так что на выходе канала измеряемого сигнала образуется напряжение, пропорциональное отношению . Оно поступает на канал индикатора, в частности на второй вход дополнительного перемножителя 22, где перемножается с выходным сигналом опорного канала, пропорциональным квадрату амплитуды , образуя на выходе 22 сигнал, произведения . Этот сигнал, зависящий от времени, поступает на аналоговый вход устройство выборки и хранения 23, которое сохранит на своем выходе величину сигнала в момент времени прихода управляющего импульса с выхода компаратора 13 на управляющий вход устройства 23. Так как пороговый вход компаратора 13 заземлен, он вырабатывает этот управляющий импульс, в момент времени t₁ нулевого перехода сигнала сдвинутой вертикальной компоненты и, следовательно, и нулевого перехода продольной компоненты , поскольку их фазы совпадают и

. (1)

В результате устройство выборки и хранения 23 сохранит на своем выходе напряжение, пропорциональное результату перемножения в дополнительном перемножителе 22 сигналов опорного и измерительного сигналов в момент t₁ нулевого перехода продольной компоненты . Далее, сохраненная аналоговая величина сигнала с выхода устройства выборки и хранения 23 поступает на вход аналого-цифрового преобразователя 24, где преобразуется в цифровой отсчет, поступающий в момент t₁ с выхода АЦП 24 на цифровой индикатор 25, индицирующий результирующий цифровой отсчет, равный измеряемой проводимости подстилающей земной поверхности.

Покажем, что при таком построении измерителя действительно индицируемый в индикаторе 25 отсчет величины будет равен проводимости .

Известно, что в диапазонах ОНЧ-НЧ электрические продольная и вертикальная компоненты поля в точке приема связаны между собой согласно зависимости (см. Кашпровский В.Е., Кузубов Ф.А. Распространение средних радиоволн земным лучом. М.: «Связь». 1971, формула (2.12), стр. 38):

(2)

где - иллюстрируемые на фиг. 2 продольная и вертикальная компоненты поля в точке приема N на поверхности Земли в сферической системе координат с началом, расположенным в центре Земли и полярной осью, проходящей через излучатель (см. книгу Шевченко В.П. Радиотехнические методы и средства специального мониторинга. Радиопеленгация ядерных взрывов: учебник/ В.П. Шевченко. - Серпухов: ФВА РВСН, 2015..- ISBN 978-5-91954-119-6, стр. 13, рис. 1.5) о - центр Земли),

- комплексная диэлектрическая проницаемость почвы;

- диэлектрическая проницаемость и проводимость почвы;

- длина принимаемой волны;

j - мнимая единица.

Из формулы (2) следует

, (3)

где -амплитуды компонент .

В диапазонах ОНЧ-НЧ преимущественного излучения молниевых разрядов характерна большая длина волны λ= 10³…10⁵. Поэтому величина второго отношения под знаком радикала в (3) составляет 3·10^-3…2·10^-8 от первого. С большой точностью десятые…миллионные доли процента вторым отношением в (3) можно пренебречь, как и в прототипе, и оценивать проводимость согласно зависимости

. (4)

Покажем, что при измерениях цифровой индикатор 25 будет индицировать величину, равную проводимости:

. (5)

Для этого необходимо из сравнения второго и третьего отношения в последней формуле доказать, что справедливо равенство

. (6)

Преобразуем сигнал из комплексной во временную область. Так, для компоненты

. (7)

Аналогично для компоненты

(8)

Откуда для сигнала G справедливо

. (9)

Из формулы (9) следует , что напряжение G не зависит от времени и для данного принимаемого сигнала постоянно. Подставим (9) в левую часть (6):

. (10)

Последнее равенство справедливо, так как ортогональные компоненты поля , и ортогональные компоненты являются составляющими одного горизонтального вектора , который, в свою очередь, является проекцией полного вектора напряженности электрического поля волны, описывающего эллипс поляризации (ЭП) за период Т колебания волны (фиг 3). На фиг. 3 показана горизонтальная проекция эллиптического движения вектора в натуральную величину (см. подробнее аналогичную картину для магнитного вектора в книге Шевченко В.П. Радиотехнические методы и средства специального мониторинга. Радиопеленгация ядерных взрывов: учебник/ В.П. Шевченко. - Серпухов: ФВА РВСН, 2015..- ISBN 978-5-91954-119-6, стр. 119, рис. 5.2). Ортогональные горизонтальные компоненты вектора повернуты друг относительно друга на угол азимута α на источник сигнала S. В результате, как следует из фиг. 3, компоненты в разных системах координат связаны между собой:

(11)

Из (11) вытекают зависимости амплитуд и фаз гармонических составляющих компонент на выходе резонансных усилителей

(12)

Из (12) и следует равенство знаменателей второго и третьего отношений в (10). Также из (11) следует равенство

(13)

Следовательно, равенство (13) справедливо и момент времени t₁:

(14)

Подставим равенство (14) в (10)

. (15)

Из равенства (1) известно, что в момент времени t₁ величина . Поэтому равенство (15) преобразуется к виду

. (16)

В то же время из (12) . Это выражение равно нулю когда аргумент косинуса то есть при . Откуда для числителя (16)

. (17)

Подставим (17) в числитель выражения (16):

. (18)

Формула (18) действительно доказывает выражения (6) и (5). То есть действительно заявляемый измеритель на фиг. 1 на своем индикаторе 25 будет индицировать величину, равную проводимости подстилающей поверхности:

. (19)

Заявленный измеритель может быть легко реализован. Все схемотехнические элементы для его реализации являются хорошо известными и широко применяемыми.

Основным достоинством заявляемого измерителя является упрощение настройки измерителя и высокая точность измерений из-за отсутствия в канале измеряемого сигнала горизонтальной рамочной антенны и погрешностей ее горизонтирования и плоского построения (без боковой поверхности).

Новизна предлагаемого измерителя усматривается в том, что в канале измеряемого сигнала предусмотрены только две взаимно-ортогональные горизонтальные штыревые антенны, из выходных напряжений которых и формируется выходной сигнал канала на выходе масштабного усилителя 21. Горизонтальная рамочная антенна исключена из состава канала, что исключает и погрешности из-за ее наличия, связанные с малостью измеряемой ей величиной вертикальной магнитной компоненты, от 100 до 1000 раз меньшей горизонтальных магнитных компонент и их искажающего действия на горизонтальную рамочную антенну. Сравнение заявленного технического решения с прототипом позволило установить соответствие его критерию "новизна", так как оно не известно на современном уровне техники.

ЛИТЕРАТУРА:

1. Патент №2671299 Российская Федерация, МПК G01V 3/08. Способ измерения параметров подстилающей среды и устройство для его осуществления : № 2017112640 : заявл. 12.04.2017 : опубл. 12.10.2018.

2. Патент №2316113 Российская Федерация, МПК G01V 3/08. Способ измерения параметров подстилающей среды и устройство для его осуществления : №2005124900/09 : заявл. 04.08.2005 : опубл. 10.02.2007.

3. А. с. 140131 СССР, 21g, 30₀₃ 15/11. Способ электроразведки методом индукции : №674421/22 : заявл. 22.07.60 : опубл. Бюл. №15 за 1961 г.

4. Кашпровский В.Е., Кузубов Ф.А. Распространение средних радиоволн земным лучом. М.: «Связь». 1971, с. 156-158.

5. Бобровников Л.З., Кадыров И.Н., Попов В.А. Электроразведочная аппаратура и оборудованиею М.: «Недра». 1985, с. 290-291.

6. А. с. 1784935 СССР, МПК G01V 3/08. Измеритель проводимости земной поверхности : №4860629/25 : заявл. 20.08.90 : опубл. 30.12.92 : Бюл. №48.

7. Шевченко В.П. Радиотехнические методы и средства специального мониторинга. Радиопеленгация ядерных взрывов: учебник/ В.П. Шевченко. - Серпухов: ФВА РВСН, 2015. - 305 с.- ISBN 978-5-91954-119-6.

Изобретение относится к области измерений электрической проводимости земной поверхности посредством приема и обработки естественного импульсного электромагнитного излучения очень низкочастотного или низкочастотного (ОНЧ - НЧ) диапазонов. Технический результат: упрощение и повышение точности измерения проводимости земной поверхности. Сущность: измеритель включает каналы формирования опорного и измеряемого сигналов, канал индикатора. Канал формирования опорного сигнала содержит вертикальную штыревую антенну и последовательно соединенные с ней резонансный усилитель, фазовращатель на угол +45°, квадратор, амплитудный детектор, выход которого является выходом этого канала. Канал формирования измерительного сигнала содержит две ортогональные друг другу горизонтальные симметричные штыревые антенны, резонансные усилители, квадраторы, устройство отношения, два фазовращателя на угол +90°, два перемножителя, сумматор, блок вычитания, масштабный усилитель с коэффициентом ¹/_60λ , выход которого является выходом канала измеряемого сигнала. Канал индикатора состоит из компаратора, дополнительного перемножителя, устройства выборки и хранения, амплитудно-цифрового преобразователя и цифрового индикатора. 3 ил.

Измеритель проводимости земной поверхности, включающий каналы формирования опорного и измеряемого сигналов, один из которых содержит вертикальную штыревую антенну и последовательно соединенные с ней резонансный усилитель, фазовращатель на угол +45° и квадратор, а второй содержит две ортогональные друг другу горизонтальные симметричные штыревые антенны, к каждой из которых последовательно подключены резонансный усилитель и квадратор, выходы квадраторов подсоединены к сумматору, в канал измеряемого сигнала также входит блок вычитания и дополнительный квадратор, а выходом этого канала является масштабный усилитель с коэффициентом ¹/_60λ , отличающийся тем, что в канал опорного сигнала введен амплитудный детектор, выход которого является выходом этого канала, в измеритель проводимости введен канал индикатора, состоящий из компаратора, дополнительного перемножителя, устройства выборки и хранения, амплитудно-цифрового преобразователя и цифрового индикатора, причем сигнальный вход компаратора подключен к выходу фазовращателя на угол +45°, пороговый вход компаратора заземлен, а выход компаратора подключен к управляющему входам устройства выборки и хранения и аналого-цифрового преобразователя, выход канала опорного сигнала подключен к первому входу дополнительного перемножителя, ко второму входу дополнительного перемножителя подключен выход канала измеряемого сигнала, выход дополнительного перемножителя подсоединен к сигнальному входу устройства выборки и хранения, выход устройства выборки и хранения подключен к сигнальному входу аналого-цифрового преобразователя, выход которого подключен к цифровому индикатору, в канал измеряемого сигнала дополнительно входят устройство отношения, два фазовращателя на угол +90°, входы которых подключены к выходам резонансных усилителей, и два перемножителя, причем выходы фазовращателей на угол +90° подключены к первым входам перемножителей, ко вторым их входам подсоединены выходы резонансных усилителей, выходы перемножителей подключены ко входам блока вычитания, выход которого подсоединен ко входу дополнительного квадратора, выход дополнительного квадратора и выход сумматора подключены соответственно к входу делителя и входу делимого устройства деления, а его выход подсоединен ко входу масштабного усилителя.