Способ электромагнитной геофизической разведки Советский патент 1982 года по МПК G01V3/10 

(54 СПОСОБ, ЭЛЕКТРОГЛАГНИТНОЙ ГЕОФИЗИЧЕСКОЙ

t2 Изобретение относится к способам геофизической разведки электромагнит ными полями и может быть использовано для поиска металлосодержащих объектов в морской воде, геоэлектрического картирования горизонтально слоистых сред, поиска рудных тел в горных выработках. Известен способ геоэлектрической разведки, основанный на измерении . поздних стадий переходных процессов в индуктивно возбужденном магнитном поле t1D Разрешение вторичных полей в этом способе обеспечивается затягиванием переходного процесса в объекте поиска, для чего требуется достаточно большое время выдержки после отключения первичного поля. Это время составляет от единиц до нескольких десятков миллисек нд, поэтому период повторения сигналов должен быть выбран по крайней мере не меньше этого времени. В связи с тем, что в област низких частот спектральная плотность электромагнитных полей имеет закон изменения с частотой 1/о , то испол зование малых частот повторения сигналов первичного лоля приводит к сии жению отношения сигнал/шум и, следоРАЗВЕДКИвательно, к дополнительной трате мощности источника питания. Кроме того, если объект находится в среде с высокой проводимостью, например морской воде,мокрой глнне, то сама форма зондирующего импульса суп1ественно искажается средой, так что на низких частотах падает отношение полезного сигнала к синхронной помехе, в{лзываемой электродинамическими процессами в среде под действиями этого импульса. Наиболее близким к изобретению является способ электромагнитной локации проводящей среды, заключающийся в зондировании среды электромагнитными импульсами конечной длительности и регистрации сигналов вторичного поля в паузах между импульсами. Ширину спектра импульсов при этом способе выбирают много больше ширины низкочастотного окна, в котором электромагнитное поле затухйет не более чем на 3 дБ, что позволяет сосредоточить зондирующий сигнал по времени так, чтобы можно было выделять отраженный от объектов сигнап без фона первичного поля 2.3. Однако расширение спектра зондирующего сигнала приводит к увели- чению энергетических потерь передат чика на 15 дБ, а следовательно, к снижению дальности поиска. Целью изобретения является повышение дальности поиска без увеличения энергетических затрат. Поставленная цель достигается тем, что согласно способу электромагнитной геофизической разведки, заключающемуся в зондировании среды электромагнитными импульсами .конечной длительности и регистрации сигнала вторичного поля в паузе между импульсами, перед началом измерений ц базовой точке профиля зондирующий импульс устанавливают в виде осцилл .рующей, затухающей на интервале С функции вида 3(t)W(t) W(t) J где W(t)-весовая функция; Wj-центральная частота oc:цилляции;t-текущее время; общую длительность импульса танавливают равной времени группово запаздывания на участке излучатель объект - приемник, в зависимости от ожидаемой минимальной дальности до объекта поиска г и средней электро проводности окружающей среды ев соответствии с формулой. t- t 0,65-10Л2Г центральную частоту осцилляции uJj у танавливают равной эффективной полосе частот ожидаемого энергетического отношения сигнал/помеха плюс шум на входе приемника далее зменяют соотношение амплитуд полукрсинусоидальных импульсов в зондирую щем сигнале и добиваются минимально. го отклика среды по показаниям приемника, затем выполняют Езабочие изМерения вдоль профиля наблюдений, регистрируют амплитуду и время з паздывания вторичного сигнала,по которым судят о размерах объекта поиска и его дальности. Яа фиг. 1 изображены зависимости сигнала и помех от рабочей частоты на фиг. 2а - оптимальная форма зондирующего импульса} на фиг. 26 форма эффективного импульса первичного поля E,(t) Ьстаточных синхронных помех E(t) и поле нЬго сигнала ); на фиг. 3 - заврслмость отношения сигнал/помгха плюс шум в функции от частоты/ на фиг. 4 - огибающая сигнала, отражен ного от сферического объекта, как функция времени при прямоугольном зондирующем импульсе различной длительности t 0,5, 1; 2;.Э 5 мс и 00; на фиг. 5 - зайисимость отношения сигнал/помеха в функции тельности импульса. Пусть объектом поиска является проводящий шар радиусом а, находящийся в проводящей среде на расстоянии г от поисковой установки (ПУ). Если излучатель ПУ возбуждает поле с прямоугольной формой импульса, то за счет поглощения в среде объект будет возбуждаться импульсами со сглаженными фронтами, что соответствует обрезанию верхних частот его спектра (кривая 1, фиг. 1). Одновременно, в силу явления скин-эффект та верхние частоты зондирующего сигнала (ЗС) концентрируются вблизи излучателя, создавая мощные электродинамические сигналы реакции среды,т.е. синхронные помехи (кривая 2,фиг. 1). В области низких частот домини-; рующуто роль начинают играть некоррелированные с сигналом шумовые помехи (шумы ), интенсивность которых, например, в диапазоне 100 -Югц нарастает с понижением частоты по закону 1/UJ (кривая 3, фиг. 1). Одновременно на низких частотах падает модуль передаточной функции объекта поиска и приемного датчика (в случае датчика магнитного типа). Таким образом, для каждой задачи поиска в проводящей среде существует оптимальный диапазон нижних и верхних частот ЧОн - WB в котором сосредоточена основная мощность полезного сигнала и имеется наилучшее соотношение сигнал/синхронная помеха плюс шум (кривая 4, фиг. 1К Назовем указанный оптимальный диапазон эффективной полосой частот, определяемой какТ «eqM s|&s|(u.) отношение энергетического спектра полезного сигнала к энергетическому спектру синхронных помех и шумов; ) ;S (ш) ; ) - соответственно энергетические спектры сиг-1 нала, синхронных помех и шумов; -Vmeix максимальное значение энергетического соотнсяиения в пределах диапазона частот UJH -lOg. С точки зрения энергетических в этой полосе и целесообразно сосредоточить максимешьную часть энергии зондирующего сигнала. ; однако ограничение спектра сигнала приводит к увеличению его длитель ности и, следовательно, к проблеме вьщеления слабого вторичного поля на фонэ мощного первичного. Для решения этой задачи предлагается зондирующий сигнал ограни чить по длительности временем его группового запаздывания на участке излучатель - объект - прнемник: Г t ,(4) -расстояние до объекта поиска;-групповая скорость распрос ранения электромагнитного возмущения в среде, м/с: Vr-VlO где fft - верхняя частота, для кото1рой q (uJ) -2 mcrt ; б - электропроводность среды. В качестве оценки времени запазд вания группы волн можно принять вре мя распространения сигнала на часто те низкочастотного окна (2) 3,76-10 -- рг Подстановкой выражений (5) и (6 в формулу (4), с заменой fg f , получим формулу 42): tp 0,65-10 г ь Эта формула дает хорошее совпаде ние с экспериментом и может быть ис пользована для оперативной установк длительности зондирующего импульса согласно условию (4 ). Сигналом, ограниченным во времени t , максимальная часть энергии которого сосредоточена в заданном диапазоне частот ч, н являет ся затухающая осциллирующая Функция (1) (фиг. 2с1) : fl О itir 3(t)W{t) lO t 7/f Такой сигнал минимально искажает ся средой и наиболее рационально ис пользует isнергию генератора. Разрешение вторичного сигнала относительно первичного по времени обеспе чивается в данном способе как за счет времени, так и за счет подбора соотношения амплитуд полукосинусоидальных импульсов, входящих в сос тав осциллирующей функции зондирующего сигнала. С этой целью в базовой точке про филя изменяют соотношения 2 .За j-i jJi одновременно наблюдая на выходе приемного датчика результирующую форму сигнала первичного поля E(t) (эффек тивного импульса) и реакцию среды En(t) (фиг. 25). Настройка параметров зондирующего импульса заканчивается по получении минимального уровня сигнала синхронной помехи Ef,(t). После окончания настройки генератора производятся наблюдения вдоль рабочего профиля. Вторичный сигнал ), отраженный объектом поиска за счет поглощения верхних частот средой, в несколько раз расширяется по времени, по сравнению с полученным после подстройки эффективным импульсом первичного поля E(t). Это также способствует улучшению выделения слабых вторичных сигналов на фоне синхронных помех. В процессе наблюдения предлагает- ся регистрировать два основных параметра вторичного сигнала : амплитуду и время запаздывания tpотносительно центра положения эффективного импульса первичного поля (.. Заметим, что длительность эффективного импульса t меньше общей длительности ЗС - т , что благоприятно влияет на улучшение разрешения полезного сигнала. Поскольку спектр ;зондирующего импульса перекрывает в основном область высоких частот амплитудно-час-|тотной характеристики объекта поиска, то теряется информация о внутренней структуре. При этом полезный сигнал являе.тся зеркальным отражением первичного поля. Его амплитуда пропорциональна какой-либо степени от характерного размера объекта поиска: кубу, квадрату для локальных тел, первой степени для линейных протяженных тел, у которых длина больше расстояния до поисковой установки. Принципиальным отличием данного способа является подбор оптимального режима передатчика - формы ЗС, длительности излучения во времени ширины спектра возбуждающего импульса, в зависимости от проводимости среды, дальности поиска, амплитудно-частотных .характеристик объекта поиска и основных помех. Все это позволяет снизить энергетические затраты передатчика и,темcaMsiM, увеличить глубинность поиска. Способ осуществляется следующим образом. Устанавливают зондирующий импульс в виде осциллирующей затухающей на интервале т функции с центральной частотой осцилляции, равной эффективной полосе частот ожидаемого энергетического отношения сигнал/помеха плюс шум на входе приемника,изменяют соотношение амплитуд полукосинусоидальны5с импульсов в зондирующем сигнале до получения минимального отклика среды в базовой точке, после окончания операций подстройки режима выполняют рабочие измерения амплитуды и времени запаздывания сигнала. Пример. Производится расчет задачи поиска проводящего тела, моделируемого сферой, радиусом а 4 м.

электропроводностью б на расстоянии г 40 м в морской воде с проводимостью (Э2 4 с/м. Поисковая установка дипольного типа с электрическим возбуждением и магнитным при-A 1/р) (/i4otVP. Otaр)(р) H,iVP) л

S + S где 22 1;- электромагнитные параметры среда, - магнитная пгюн ииае:; rr:,ssso. ность среды; - постоянные коэффициенты, подбираемые из условия равенств модулей 1-го и 2-го членов знаменателя средней частоте диа пазона LOg - ш f щр,, ., ySp - амплитудно-частотная - -характеристика сферы jrY/uT Oi:- электромагнитный параметр сферы; и б . jiL и ю - магнитная проницаемость и электропроводность среды; - комплексная частота. максимум функции q(ш) фиг. 3 рас , - положен на частоте 220 Гц. Эффективная полоса частот fg 500 Гц. Как видно из графика (фиг. 4) в (районе t 3-5 мс имеется определен|ный оптимум длительности зондирую- I щего импульса, при которой полезный сигнал максимален. Зондирующий сигнал большей длительности формировать нёцелесообраз но. График отношения сигнал/синхронная помеха (фиг. 5, кривая 5) в функции от t показывает, что -это отношение с увеличением Т от О до 5 падает лишь на 15%. Вместе с тем, с увеличением Т, вследствие уменьшения времени накопления сигнала в npHeViHHKe, существенно возрастает м роль шумовых помех. Максимальный от-f клик полезного сигнала приходится навремя 2 мс после окончания зонди-г рукицего импульса (кривая 6, фиг. 5). j Расчетная оценка группового времени запаздывания согласно формуле (2) дает t 4,2 мс. Следовательно, и с точки зрения разделения первично го и вторичного сигналов оптимальная Т( ч липмт ятмчпот ufuin 7TTT. длительность зондирующего импульса соответствует, оценке, взятой непосредственно из фиг. 4, где индексация кривых соответствует различным длительностяй 4 импульсов ЗС.

емом, с разносом между генераторным и приемным датчикомR 3 м.

Отношение сигнала/ синхронная помеха плюс шум по мощности оценивалось с помощью выражения

(f)

По сравнению с методом переходных процессов (МПП), когда регистрация, полезного сигнала производится на поздних временах t 77 при ,(фиг, 4), ,,SLrSpS::rpe™c.рации t 2 мс и для с 3 мс . превьпдает сигнал МПИ, при времени t 10 мс в 30 раз. Таким образом предложенный способ энергетически значительно эффективней МПП. По сравнению с известным методом видеолокации его энергетический выигрыш будет не меньше, чем 15 дБ, т.е. соответствует потерям на расширение спектра ЗС, оцененным в работе С2. Наиболее подходящей областью применения данного способа является поиск электрических неоднородностей в однородной среде, например поиск проводящих тел в морской воде, геоэлектрическое картирование горизонтально-слоистых сред, поиск рудных ТЯНТ-НП-(- nnMr-TWV . ППИГ-Т/- nVTTHMV тел в горных выработках, т.е. в условиях, когда электромагнитные параметры среды вблизи излучающих и приемных датчиков мало изменяются при передвижении установки вдоль профиля наблюдения. Формула изобретения Способ электромагнитной геофизической разведки, заключающийся в зондировании среды электромагнитными импульсами конечной длительности и регистрации сигнала вторичного поля 6 паузе между импульсами, о т л и- чающийся тем, что, с целью повышения дальности поиска, перед началом измерений в базовой точке профиля зондирующий импульс устанавливают в виде осциллирующей,затухающей на интервале г функции вида , ,, г О t it 3 (t)W( t) ° ... ; W(t)JQ .лЭLгде W(t). - весовая функция; VWj - центральная частота осцилляции; t - текущее время;

общую длительность импульса t устанавливают равной времени группового запаздывания на участке излучатель - объект - приемник, в зависимости от минимальной дальности до объекта поиска « и средней электропроводности окружакяпе среды б в соответствии с формулой

tp- т - 0,65-1СГ г I

центральную частоту осцилляции iwj устанавливают равной эффективной полосе частот ожидаемого энергетического отношения сигнал/помеха плюс шум на входе приемника, далее гзменяют соотношение амплитуд полукосинусоидальных импульсов в зонднруюадем сигнале и добиваются минимального отклика среды по показаниям приеятника, затем выполняют рабочие измеряемия вдоль профиля наблюдений, регистрируют амплитуду и время запаздьшания вторичного сигнала, по которым судят о размерах объекта поиска и его дальности.

Источники информации, принятые во внимание при экспертизе

1.. Авторское свидетельство СССР 187172, кл. G 01 V 3/10, 1966.

2. Баррел Дж.рПитере Л. Распространение низкочастотных видеоимпульсов в средах с потерями. ТИИЭР, т. 67, -7, июль 1979, с. 16 (прототип) .