Способ геоэлектроразведки Советский патент 1983 года по МПК G01V3/12 

Изобре-рение относится к геофизическим исследованиям, в частности к геоэлектрическим исследованиям в районах с высоким уровнем регулярных помех., Геоэлек-трические методы исследова ВИЙ при работах в крупных промышленных агломерациях и тяготящих к ним районах встречаются с трудностями, связанными с наличием интенсивных регулярных электромагнитных помех, уровень которых намного превосходит достижимый уровеньполезного сигнала Известен способ .геоэлектроразведки, предназначенный для работы в условиях интенсивных помех, заключающийся в возбуждении переменного элек тромагнитного поля в виде периодичес кого сигнала и приёма с помощью линейных фильтров fl Основным недостатком такого способа является необходимость использования фильтров, перестраиваемых по частоте, когда сигнал регистрируется на фоне регулярных помех, сосре доточенных в различных частотных диапазонах. Проблема подавления такого -рода помех приобретает особую остроту в тех случаях, когда необходимо выделить сигнал инфранизкой частоты. В этих условиях создание перестраиваемых по частоте фильтров с высокой избирательностью представляет сложную техническую проблему даже при использовании современной микроэлектронной технологии. Наиболее близким по технической суюяостк к изобретению является спо соб геОэлектроразведки, заключающийся в возбуждении электромагнитно го поля в течение заданного времени Т в виде последовательности иден- тичных импульсов, модулированных сигналом в виде прямоугольной функ.ции заданной частоты, и в корреляционном приеме сигнала в течение времени Т. Принимаемый сигнал умножают на знаковую функцию модулирующего сигнала и выделяют постоянную составляющую полученного произведения путем его интегрирования за вре мя действия сигнала Т. При таком cn собе возбуждения и приема полезный сигнал горизонтального спектральног состава выпрямляется синхронно с ге нерируемым сигналом, а полезную информацию несет его постоянная составляющая, для выделения которой ис пользуют фильтр низкой частоты, каким является, например, интегратор. Тем самым исключается необходимость использования перестраиваемых фильт ров. Избирательность npHeijia достига ется при этом соответствую1цим изменением времени Т. В качестве заполняющего сигнала, образующего послед вательность генерируемых импульсов, выбирают обычно сигнал, образуемый импульсами прямоугольной формы и полупериодами синусоидального колебания, а в качестве модулирующей функции - различные виды так называемых меандровых функций, принимающих два значения +1 и -1 2 , Недостаток известного способа заключается в том, что спектральные составляющие помехи на частотах,, кратных частоте модулирующего сигнала, не подавляются, поскольку при перемножении и такой помехи на знаковук) функцию модулирующего сигна-. ла в результирующем сигнале появляются комбинационные частоты, попадающие в полосу пропускания фильтраинтегратора. Цель изобретения - повышение эффективности способа за счет повышения помехоустойчивости. Указанная цель -достигается тем, что согласно способу геоэлектроразведки заключающемуся в возбуждении электромагнитного поля в течение заданного времени Т в виде последовательности идент ичных импульсов, модулированных сигналом в виде прямоугольной функции заданной частоты, ив корреляционном приеме сигнала в течение времени Т, возбуждают одновременно по меньшей мере две последовательности L сигналов, .состоящие из идентичных импульсов, модулированных L прямоугольными сигналами различной частоты соответственно, а принимаемый сигнал коррелируют одновременно с каждой из L возбуждаемых последовательностей, при этом корреляцию осуществляют в б-азисе функций Уолша, а откоррёлированные сигналы выпрямляют путем умножения на знаковую функцию соответствующего модулирующего сигнала, перемножают и суммируют.. Кроме того, в качестве модулирующих сигналов выбирают функции Уолша. На фиг. 1-12 показана последовательность операций возбуждения и приема и вид сигналов, соответствующих каждой из операций, для случая на фиг. 1 - вид запоминающих импуль сов а (1).; на .Фиг. 2 и 3 - модулирующие сигналы Ф(1,-&) и 2( фиг. 4-6 - вид сигналов двух последовательностей FI (1) и F2 (1) -и их сум марный сигнал F(i); на фиг. 7 и 8 частотные характеристики сигналов, изображенных на фиг. 4 и 5, коррелированные с суммарным сигналом фиг.б; на фиг. 9 и 10 - результат корреляции на фиг. 11 - частный вид заполняющего сигнала; на фиг. 12 - отношение сигнал/помеха на выходе .корреляторов. Пусть в течение заданного времени Т в изучаемой среде возбуждают электромагнитное поле. Такое возбуждение, осуществляемое обычно с помощью магнитного или электрического диполя, заключается в одновременном генерировании через диполь двух последовательностей, образуемых идентичными заполнякяцими импульсами 1, модулированных сигналами 2 и 3. Таким образом, одновременно в изучаемой среде возбуждаются два сигнала 4 и 5, а суммарный излучаемый сигна имеет вид 6. В тех случаях, когда распространение электромагнитного поля в геоэлектрическом разрезе не сопровождается частотно-зависимыми npoueccaiMH, принимаемый сигнал с то ностью до постоянного множителя пре ставлен сигналом 6. Этот сигн.ал кор ,релируют одновременно с двумя возб ужд аемыми последов атель но с т я ми 4 и 5, что.равносильно их пропусканию через два фильтра, частотные характеристики 7 и 8 которых есть спектр последовательностей 4 и 5, соответс венно полученные в базисе функций Уолша. Откоррелированные сигналы 9 и 10 перемножают на знаковые функци модулирующих сигналов-2 и 3 соответ ственно, полученные сигналы перемно жают, суммируют. Математическая запись рассмотрен ных операций в терминах анализа дис кретных сигналов и линейных .дискрет .ных систем следующая: f (i) - послед вательность, образованная путем МKpaTHOfo повторения заполняющих импульсов, заданная -на N-точечном интервале .{0-,N-1 , .i - текущий параметр. Поскольку используются спектральные разложения в базисе функций Уолша, то N 2, где п - целое число; ф;,(1,С) и кретные модулирующие функции, огиба ющие которых показаны на фиг. 2 и 3 заданные на интервале О, N-1. Параметры К и Pg определяют частоту модулирующих функций. В приведенном примере N 4. Дискретные последовательности си налов, описывающие изучаемое электр магнитное поле 4 и 5, имеют вид р((1)Ф1(.е,), - F {1)Р(1)хФ2(1,у. Операция корреляции сводится к оптимальной фильтрации в базисе функ ций Уолша. Это означает, что принимаемый сигнал фильтрует с помощью фильтров, частотные характеристики D(K) и ) (фиг. 7 и 8) которых равны , NJ 5(K)-i;i-froi D2(K).52((,K|, К 0,1,2,..., N-1, а откоррелированные сигналы (фиг. 9 и 10) определяются соотношениями N-1 F,(i)IIs2(KjW(i,K), ; .(3J F2(i)S2(K)W(i,Kl, где W(i, К) - функции Уолша; и F (i) - соответствуют сигналам на фиг 9 и 10. Фильтрующее действие корреляторов основано на специфике спектров периодической последовательности в базисе функций Уолша, которая состоит в следующем. Пусть один период последовательности f (i) задан на точках в интервале С, N -1, где , п- целое число. В примере, приведенном на фиг. 1, N 8. Тогда спектр Уолша s(K) этого периода такжеопределяется в N точках в соответствии с выражением (2). Спектр Уолша S (К) периодической последовательности f (1) в соответствии с теорией спектров в базисе функций Уолша будет состоять из тех .же N отсчетов, разделенных на нулями. Следовательно, если на вход оптимального фильтракоррелятора поступает помеха П (i), то ее значение П(1) на выходе фильтра определится соотношением n(i)IIs{K)s(K)wfi,K;, (4) где S (К) - спектр помехи в базисе . функций Уолша. 1 Из соотношения (.4) следует, что в ТОМ случае, когда помеха является непериодической, она будет подавляться в силу того, что ее энергия распределена по всем .частотам К D,N-1, в то время как энергия сигнала распределена на N частотах. Если же помеха является периодической, например регулярная помеха от источников промышленного тока, то она будет подавляться на всех частотах, за исключением частот, которым соответствует период, кратный периоду сигнала f(l). Для подавления таких псялех необходимо применять перестраиваемые по . . частоте фильтры Уолша (подобно тому ка это делается в известном спосо-/ бе)... Отмеченные трудности можно преодолеть, применяя L последовательностей, модулированныеL различными сигналами. В качестве модулирующих сигналов рассмотрим для L 2 функции Уолша W(i,e) и W(i,E2). Тогда в соответ- ; ствии со спектральными соотношения- ми в базисе функций Уолша ГзJ спектры генерируемых последовательностей F и F равны 5(«) 5 где Э означает операцию смещения, проводимую по модулю 2; S(K) - спектр последовательност f(i). Операция смещения по модулю 2 сводится к перестановке отсчетов спектра S (К) и SgCK), при этом, учитывая отмеченное свойство спектров S(К) периодической последовательности f(i), справедливо соотношение5(К)х52(К)0 (5-) для всех. К е О, N-1.B то же время в силу инвариантности отклика (опти мальный фильтр Уолша относительно двоичного .сдвига) справедливо соотношение. ,(i|| F2(i)|. (6j Рассмотрим теперь корреляцию сум марного принимаемого сигнала с учетом помехи A(,(i)+F2(ihn(i) I с одной из входных последов тельнос тей, например с первой. .Откоррелиро ванный сигнал будет иметь вид N-1, , A(i),(K)4S,,(KK5(K)jS(K|W(i,K) или, учитывая соотношения (3) и (5) N-( A()F,(i) + Es(k)5(K)W{,-KJ.F(i)+n(,-,, где П(1) - откоррелированная помех являющаяся периодической с тем же периодом, что и сигнал F(i). Сигнал, полученный в результате корреляции с второй последовательностью имеет вид: ( р2 } 2 }Выпрямление сигналов А и А пут умножения их на знаковые функции мо дулирующих сигналов (в случае приме нения в качестве модулирующих сигна лов функций Уолша их знаковая функция совпадает с сигналом) дае с учетом соотношения (6) (i)| (F,{))|, Д2((1Пэремножемие и суммирование А и Aj при соответствующем выборе дву модулирующих функций обеспечивает подавление помехи. Выбор модулирующих сигналов производится таким образом, чтобы частотные диапазоны пропускания помех для каждого из фильтров не совпадали между собой. Рассмотренный механизм подавления помех на основе использования оптимальных фильтров-корреляторов Уолша действ.ует и в том случае, если в качестве модулирующих сигналов выбирают другие, помимо функций .Уолша, дискретные прямоугольные последовательности. Однако применение в качестве сигналов функций Уолша является наиболее выгодным по следующим . соображениям: функции Уолша проходят через фильтр Уолша без искажений, подобно тому как гармонические сиг- . налы проходят без искажений через фильтры Фурье; существуют аналитические методы синтеза фильтров Уолша с заданными параметрами, если модулирующие функции также являются функциями Уолша; при аппаратурной реализации возбуждения эти функции генерируются наиболее просто; знаковая функция для них совпадает с самой функцией. Использование предлагаемого способа в сравнении с известньом обеспечивает повышение эффективности геоэлектрических исследований, что достигается за счет следующих факто.ров: происходит значительно более сильное подавление помех; при наличии периодических регулярных помех уменьшается время Т возбуждения и приема, поскольку для подавления помех такого рода возможно применение высокоизбирательных фильтров Уолша и при малых Т, тем .самым повышается производительность работ; реализация предлагаемого способа не требует применения новых специальных устгройств, поскольку спектральцуое разложение дискретных последовательностей в базисе функций Уолша можно Вести на основе стандартных процессоров БПС (быстрого преобразования Фурье) .. . Основная область .применения предлагаемого способа - геоэлектрические исследования в условиях сильных регулярных .электромагнитных помех, связанных с наличием мощных промышленных источников тока. Предлагаемый способ был опробован с помощью численного моделирования, результата которого рассматриваются ниже. На фиг. 11 показан заполняющий сигнал 1, сформированный из полупериодов синусоидального тока единичной амплитуды промышленной частоты 50 Гц; переходя к дискретной переменной и считая, что периоду синусоиды 50 Гц соответствует 16 отсчетов, были сформированы сигналы на интервале N 512, что соответствует времени Т 640 МО. В качестве модулирующих сигналов были рассмотрены 16.возможных функций Уолша, взятые в упорядочении Пэли СВ Регулярная помеха эадавалаЪь в- виде синусоиды также единичной сштлитуды с частотой 1-100 Гц с шйгом Д 1 Гц. Кривые 1 и 2 на фиг. 12.показывают отношение амплитуды сигнала к амплитуде помехи на . выходе одиночных корреляторо в, согласованных с сигналами, мoдyлиpsпoщиe сигналы которых задавались соответственно в виде функций Уолша W(i,0) и W(i,l2). Применение одиночных корреляторов аналогично действию по известному способу: существуют диапа зоны частот, для которых подавление помехи происходит неэффективно.

В таблице приведены результаты применения предлагаемого способа, где показаны значения коэффициента помех только для тех частот, для

)

W

которых это коэффициент 40 дБ. Как видно из приведенных данных, способ уже при L 2 позволяет более, чем на порядок (в сравнении с известными способами), подавить регулярные помехи в широком диапазоне частот

W(i,2), W()

39 34

15 16

1. СПОСОБ ГЕОЭЛЕКТРОРАЗВЕД КЙ, заключающийся в возбуждении о N Фиг.1 электромагнитного поля в течение; времени Т в виде последовательности, идентичных импульсов, модулированных сигналом в виде прямоугольной функции заданной частоты, и в корреляционном приеме сигнала в течение времени Т, отличающийся тем, что, с целью повышения эффективности способа за счет повышения его помехоустойчивости, возбуждают одновременно по .меньшей мере две по следовательности сигналов, состоящие из идентичных импульсов, модулированных прямоугольными сигнала-, ми различной частоты соответственно, а принимаемый сигнал коррелируют одновременно с каждой яз U возбуж|Даемых последовательностей, при этом корреляцию осуществляют в базисе функций Уолша, а откоррелированные сигналы выпрямляют путем умножения на знаковую функцию соответствуквдего сигнала, перемножают и суммируют . 2. Способ по п. 1, о т л и ч а ющ и и с я тем, что в качестве модулирующих сигналов выбирают функции Уолша.

2N. JA/

N

фиг.2

)

V N

M N

Г Г I

Фиг

Фиг.З

)

«

w лГ

2V J/

фиг.9

10

/VN

фмЮ

5ЛГ

4

V

.. ,-.,

§

;Si

-f