Способ измерения нестационарного электромагнитного поля и устройство для его осуществления Советский патент 1993 года по МПК G01V3/08 

Изобретение относится к способам и устройствам проведения геофизических исследований с использованием искусственного электромагнитного поля для изучения геоэлектрического разреза и картирования электрических границ.

Известен способ и устройство регистрации нестационарного электромагнитного поля в любой зоне источника, включающий в себя возбуждение электромагнитного поля питающим источником в виде горизонтальной электрической линии 1 АВ, или горизонтальной незаземленной рамкой Q и поинтервальное измерение поля на некотором расстоянии от источника или внутри питающей О с ограничением полосы пропускания измерительного канала с помощью аналоговых фильтров при увеличении чувствительности канала. В качестве датчика по- ля используется горизонтальная

незаземленная рамка (петля) измеряющая производную вертикальной компоненты поля. Датчик поля подключается на вход измерительного канала цифровой электроразведочной станции.

Прототипом изобретения является способ зондирования поля в ближней зоне источника с возбуждением поля незаземленной рамкой Q и поинтерваль- ным измерением вертикальной производной магнитного поля ЭВг/ д t в центре питающей петли аппаратурой Цикл-2.

Данный способ широко используется при измерениях сигнала в высокочастотной области, но обладает теми же недостатками, что и аналог (снижение точности измерений при поинтервальной регистрации сигнала с ограничением полосы пропускания измерительного канала при увеличении его чувствительности).

VI

00

о.

ft

О

Известен также электроразведочный комплекс, который содержит генераторную установку с задающим генератором, автономными измерителями, включающими последовательно соединенные датчики поля и усилители, коммутатор, а также аналого- цифровой преобразователь, арифметиче- ско-логическое устройство, оперативное запоминающее устройство, систему синхронизации и управления, систему телеко- манд, содержащую передатчик и дешифратор, а также модуль приемо-пере- дачи данных

Недостатков данного электроразведочного комплекса являются:

1. Ограниченное число каналов в автономном измерителе, связанное с конечной скоростью записи данных в магнитный регистратор и ограниченностью частотного диапазона для такого построения системы.

Например, для регистрации данных в диапазоне 10 - 100 Гц необходима минимальная частота квантования 200 Гц.

Объем данных на один канал, времени регистрации 10 с составит 12048 слов, при восьмиканальнрм построении системы ско- рбсть поступления- даннцх составит 1600 слов/с, или при использовании двухбайтового слова 3200 байт/с. Последнее характерно для сущёстЁующйх типов кассетных магнитофонов (например типа СМ 5204). Объем данных, необходимый для регистрации одного полного измерения с генераторной установкой составит не менее 100 массивов на каждый канал при объёме 204$ слов и вбеьмиканальной системой регистрации : .Щ:-№ . -х :

V 2048x 100x8 1 638400слов :;;

Указанный объем данных невозможно записать На кассетный накопитель на магнитной ленте (НМЛ), применение же стационарных НМЛ нецелесообразно из-за большого потребления энергии и габарит- ных размеров. Поэтому такое пост| 4 Ри системы ограничивает ее возмозкнос Ш аЯ стй используемого числа капалов(Йл я; уменьшения объема регистрируемой; формации в прототипе применяется цйфро- вая фильтрация данных, которая позволяет уменьшить объем регистрируемой йнфрр- мации в 6-8 раз I v; ..../..v;..:. r: ; -: :

2. Соотношение сигнал-шум будет определяться выбранной полосой пропускания аналогового тракта, что особенно сильно Влияет на точность измерения низкрчастот- ных сигналов. Для получения приемлемой точности необходимо существенно увеличить объем накопления.

Целью изобретения является расширение частотного диапазона и сокращение

0

: й ;й Ш | 0

5

5

0

5

0

5

0

объема регистрируемых данных при ромагнитных исследованиях...

Сущность способа заключается в следующем. Известно, что процесс становления нестационарного электромагнитного поля представляет собой функцию, изменяющуюся во времени с большим динамическим диапазоном (96-120 дБ)и широким ральным составом от Гц до 105 Гц, Параметры сигнала (динамический диапазон, спектральный состав) меняются в широких пределах в зависимости от геоэлектрического разреза и расстояния от источника поля.

Длительность процесса становления поля может меняться от первых секунд (районы Восточной Сибири) до сотен секунд (районы Юго-Западной Туркмении). Это определило необходимость использования в известных способах поинтервальную рфги- страцию сигнала, так как ограничение по: ло- сы пропускания измерительного канала при увеличении его чувствительности увеличивает соотношение сигнал/помеха. Измерение сигнала в широком частотйом диапазоне обусловлено необходимос|ыо изучения модели среды от первых сотен метров до глубин 4-5 и больше километров, Потеря информации о верхней части раёре- за (при.ограничении полосы пропускайия йзМёрйтельнргО канала по высоким чабто- там) приводит к значительным ошибкам При Интерпретации полевого материала, бенно при наличии неоднородностей в верхней части разреза. Однако непрерывная регистрация сигнала с постоянным тагом дискретизации At в широком частотном;диапазоне (от 10 кГц до Гц) приводит к резкому увеличению объема регистрируемой информации. Действительно при At 0,1 мс и длительности сигнала 20 с и бфее для одного сигнала потребуется зарегистрировать 200000 отсчётов, а учитывая, что при 50рм регистрируется 50-100 сигналов о$ъе- Щйнфррмации будет достигать 2 10 сАов, Тр .при 16-разрядном информационном ;о4рбе ооставит 32 107 бит на одно зондиро- BpNVieV Достигнуть сокращения объема |ин- формацй/и при увеличении точности Измерений можно за счет использования дискретного изменения полосы пропуфка- ния аналогового канала в процессе регистрации Сигнала. Однако, известно, чтр лкэбое бг рашчение полосы пропускания измерительного канала приводит к искажению Ьиг- нала во временной области..

Поэтому переключение фильтрующих элементов (как аналоговых, так и цифровых) в измерительном канале должно быть cojviaсовано с изменением сигнала во времени и обеспечивать заданную точность измерения сигнала. ...,.

Наиболее просто реализуемым цифровым фильтром является осреднение группы отсчетов. Частотная характеристика такто- вого фильтра может быть описана выражением

А ,f ч /Sin KTTf Atx2

AvT Usin;7rf AtJ

где At-шаг дискретизации исходной функции;

К - число осредняемых отсчетов исход- .ной функции (К 2);

f - частота, для которой ведется расчет частотной характеристики. .; ; :; ;

Учитывая, что сигнал становления поля может быть аппроксимирован кусочно-экспоненциальной функцией нетрудно пока- зать, что на интервале аппроксимации

..... :. :.- исходного сигнала функцией е сигнал

(y(f)) после осреднения с шагом т - k A t будет иметь вид y(f) x(f) j3. Величина {3 определяет искажения сигнала на интервале аппроксимации экспоненциальной функцией

sin

ат

2

5

10

15

:

20

25 30

мая при этом, что предельное затухание сигнала становления поля, наблюдается в случае, если проводящий разрез подстилается изолятором, тогда сигнал затухает как Г4. Это значит, что при выборе предельной экспоненты затухание ее при переходе в следующую декаду по времени должно быть больше чем t . Исходя из этого положения на фиг.1 в интервале времен от 0,001 до 10 с в каждой декаде по времени изображена предельная экспонента с заданной величиной a . Пунктиром в каждом временном интервале показано предельно допустимое затухание сигнала становления пбля для модели-проводящий разрез над изолятором. Начальное время регистрации (tHaO целесо1

frp

,а

образно выбирать из условия гнач.

;: At должно быть-таким, чтобы удовлетвори- тельйгоДописать начальную стадию процесса становления, поля. Примем At 0,1 Тнач.

ЗЙДЙДИМ frp. 1000 Гц, 1нач. 0,001 С, A t

HD;OpUT с. В качестве цифрового выберем наиболее-простой - осредняющий фильтр. Зададим предельную погрешность не хуже 1%.. Тогда из условия (2) величина и i - i5 0,5, где i - номер текущей временной Декады, в которой производится измерение поля. Число осредняемых отсчетов в каждой декаде можно определить

Х -т- 1нач.декады (3)

Использование: в области геофизики для изучения геоэлектрического разреза и картирования. Сущность изобретения: измерение компонент поля в любой зоне источника с использованием в измерительном канале фильтра низких частот, последующая оцифровка данных с постоянным шагом квантования. Цифровые значения сигнала дли каждой компоненты подвергают фильтрации с изменяющейся во времени полосой пропускания, при этом синхронно с изменением полосы пропускания фильтра изменяют частоту среза фильтра низких частот измерительного канала, причем полоса пропускания фильтра низких частот шире полосы пропускания цифрового фильтра. 2 с.п. ф-лы, 4 ил. Sfc

Анализ экспериментальных и теорети- ческих сигналов под различными моделями геоэлектрического разреза показал, что с увеличением времени показатель степени (а) аппроксимирующей экспоненциальной функцией уменьшается. В связи с этим имеется возможность за счет увеличения интервала осреднения г поддерживать постоянство величины ат на уровне, когда / не превышает заданной погрешности измерения..

На фиг.1 показана предельная экспо- нента с заданной величиной a ; на фиг.2 - структурная схема электроразведочного комплекса; на фиг.З - схема соединения полевых модулей при организации работ на нескольких профилях; на фиг.4 - схема системы синхронизации и управления.

Рассмотрим на примере районов Восточной Сибири предельные случаи подекадного по времени изменения сигнала. Для простоты анализа сигнала в каждой декаде времени для наиболее высокочастотных сигналов, получаемых в Восточной Сибири, заменим предельной экспонентной, понигде 1нач.декады - начальное время декады; в которой выполняется измерение,

Из заданных условий количество осреднений по декадам будет Ki 1, «2 10, Кз - 100, Ю) 1000 и т.д. Отсюда следует, что подавление случайной помехи только за счет осреднения в каждой декаде соответственно будет в 1 раз, 3,16 раза, 10 раз, 31,6 раза и т.д. Для еще более активного подавления помех в каждой декаде синхронно с изменением шага осреднения ограничивается полоса пропускания аналогового фильтра-. Чтобы ограничение полосы пропускания аналогового фильтра не приводило к еще большим погрешностям оценки сигнала, его полоса пропускания должна находиться в соотношении V2- 2,5, где Той

......... ;. Тф .

frp соответственно частота среза (на уровне 0,7) для аналогового и цифрового фильтра. Тогда полоса пропускания аналогового фильтра (frp. 0,4fo) на уровне 0,7 в соответствующих временных декадах будет ограничиваться частотами frp.1 1000 Гц, fYp.2 400 Гц, frp.3 40 Гц, fpp.4 4 Гц и т.д.

На фиг.2 представлена структурная схема электроразведочного комплекса.

Комплекс включает генераторную установку, набор полевых модулей и бортовой модуль.

Генераторная установка 1 содержит передатчик телекоманд 2 и приемник телекоманд 3. - -;; ;; .... .

Полевой модуль предназначен для преобразования сигналов компонент электромагнитного поля в цифровой эквивалент и передачей данных по линии связи. Модуль включает в себя датчики компонент электрического и магнитного полей 4, 5, усилители 6, 7, фильтры нижних частот 8-13, коммутаторы 14, 15, 16, АЦП - 17, систему синхронизации и управления 18, арифметико-логическое устройство 19, оперативное запоминающее устройство 20, модуль приема-передачи данных 21, : ;: - -., -: -- :. .

Бортовой модуль предназначен Для сбора информации в цифровой форме, управления параметрами полевых модулей, визуализации регистрируемой информации и ее записи на магнитную лейту, : ;. ;

Бортовой модуль включает в себя модуль приема-передачи данных 22, ЭВМ 23, дешифратор телекоманд 24, передатчик телекоманд 25, устройство визуализации 26, накопитель на магнитной ленте 27..-..; .. .

Работа осуществляется следующим образом. Генераторная установка 1 формирует импульсы зондирования в электрический диполь, - . . . .... ,.. - . В момент перехода фронтов токовых импульсов происходит запуск системы регистрации данных (бортовой модуль) через блок телекоманд 2, 3. Принимая кбмйнда фиксируется ЭВМ через дешифратор телекоманд 24. Сигналы, принимаемые датчиками компонент электромагнитного поля 4, 5 усиливаются усилителями б, 7, фильтруются фильтрами 8, 9, 10, 11, 12, 13 на начальном временном интервале и через коммутаторы 14, 15, 16, поступают на аналого цифровой преобразователь 17. Цифровой код после АЦП 17 через арифметическо-логйческое устройство 19 заг)исьгваются в ОЗУ 20. Одновременно информация из ОЗУ 20 через первый модуль приема-передачи данных 21 поступает в линию связи,

Система синхронизации и управления формирует команды управления блоками 14, 15, 16, 17, 19, 21,: ; .

Бортовой модуль приема-передачи данных 22 принимает информацию из линии связи от всех полевых модулей, эта информация проходит предварительную обработку на ЭВМ 23, представляется на устройстве визуализации 26 с одновременной записью на магнитную ленту 27, Дешифратор манд 24 обеспечивает синхронизацию d генераторной- установкой, а передатчик

телекоманд 25 обеспечивает синхронизацию и управление генераторной установкой.

Отличительной особенностью системы является возможность реализации сбора

0 информации при большом числе каналов (до 100-200 и более), что позволяет реализовать высЬкоплотные площадные наблюдений.

Как показано на фиг.З применение переключаемых фильтров в такой системе по5 зволяет существенно снизить объем информации, передаваемого по линии связи (на порядок), что существенно снижает требования в пропускной способности линий связи, телеметрической электрора ве0 дочной станции ЦЭС-Т.

Как показано на фиг.4 системы синхро й йзации и управления, содержат с-леДующие эл-ементы: опорный генератор 28,

счетчик импульсов 29 и дешифратор 30|, на

5 выходе которого формируется необходимая временная последовательность управления блоками полевого модуля. Система синхронизации и управления обеспечивает довательность тактовых импульсов и сигнал

0 начальной установки АЛУ 19, атакже выдает тактовые импульсы для функционирова ния

.. коммутаторов 14, 15, 16 и АЦП 17.

Арифметичёскб-логическое убтройртво может бь1ть пострдено на микропроцессор5 ных комплексах БИС серий К 587 и К $88, предназначенных для nocf роения ряда1 совместных микро-ЭВМ Электроника-ЙЦ, Благодаря секционной организации, прйме- нёнйю мИкрбпрЬграм гийрования, магйст0 ральмости связей они обеспечивают ёЬзйожнЬстьпострЬения различных лительйых и управляющих систем. Обе серии отличаются.от всех других значительно более низкой потребляемой мощностью,

5 высокой noMexoycTd 4MBOCfbra, что делает

перспективным их применение в MHilpoЭВМ и контроллерах для систем управления

технолЬгическимоборудованием,

Предпочт итёльным является ниё МПК К 588, поскольку БИС серий К587

не позвр ляёт осуществи ть некоторые спфсобы адрё с ации команды обработки пфей

бйт, р;асширёние по выполнению арифмртическйх бпёраций, а также макрокоманды и

5 ;пбльзовате;ля. .:. ..; :

Система телекоманд состоит из nipe- датчйков -и дешифраторов телекоманд.|Телекоманда, представляющая многоразрядный двоичный код, вырабётывается передатчиком телекоманд и содержит данные о режимах работы и параметрах измерительных.каналов, автономных измерителей и генераторной установки. Например, при выполнении площадных работ по методу ЗС от закрепленного источника телекомандами можно задавать параметры измерительно-регистрирующих каналов полевых модулей, распределенных по площади работ на разном удалении от источника поля, так, чтобы измерения сигналов становления поля производились для каждого конкретного канала в расширенном частотном и динамическом диапазонах, что обеспечивает повышение информативности исследований.

Комплексное использование аналоговой и цифровой фильтрации позволит существенно снизить уровень внешних помех, а использование осредняющего фильтра по- зволит уменьшить количество регистрируемой информации. При выбранном режиме регистрации объем информации в интервале времен от 0,001 сек до 10 сек составит 400 отсчетов с хорошей проработкой сигна- ла во всех временных интервалах (100 отсчетов на декаду). В случае постоянного шага дискретизации, например At 0,001 сек, объем информации в интервале времен от 0,001 сек до 10 сек составит 10000 отсчетов, при этом проработка сигнала в области начальных времен будет не удовлетворительна. Формула изобретения 1. Способ измерения нестационарного электромагнитного поля, при котором измеряют компоненты нестационарного электромагнитного поля в любой зоне источника с использованием в измерительном канале фильтрации низких частот и последующей дискретизации сигнала с постоянным шагом квантования At, отличающийся тем, что, с целью расширения частотного диапазона и сокращения объема регистри- руемых значений, осуществляют преобразование значений отсчетов величины сигналов каждой компоненты путем аналоговой фильтрации, а после аналого-цифро- вого преобразования цифровой фильтрации с изменяющейся во времени по декадному закону -прло.сой пропускания с ограничением, при этом осуществляют согласование по частотным характеристикам аналоговой и цифровой фильтрации путем синхронного переключения, задают режимы цифровой и аналоговой фильтрации таким образом, что полосы пропускания определяются соотношением fo/frp 2,5, где fo, frp - частота среза на уровне 0,7 аналогового и цифрового фильтров соответственно.

а -з

Со

6SW811

12 V 1В

Выходы

И

1

28

1В

1

А /

29

Фиг.4