Способ геоэлектроразведки

 

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.

СОЮЗ СОВЕТСНИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСНИХ

РЕСПУБЛИН

3 197 А (19) (11) 3(51) G 01 V 3/12

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

0 М

tPuz.1

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ НОМИТЕТ СССР

ПО ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТКРЫТИЙ

Н АВТОРСНОМЪГ.СВИДЕТЕЛЬСТВУ (21) 3319742/18-25 (22) 01.07 ° 81 (46). 23.08.83. Бюл. М 31 (72) A.Â. Калинин,.В.В. Калинин, А,А, Мусатов и Б.Л. Пивоваров (71) Московский ордена Ленина, ордена Октябрьской Революции и ордена

Трудового Красного Знамени государственный университет им..М.В. Ломоносов.а (53) 550. 837 (088. 8), (56) 1. Бобровников Л.З.,Кадыров И.Н

Попов B,A. Электроразведочная аппа ратура и оборудование. М., Недра, 1979ю с. 250-257.

2..Мусатов A.A. Аппаратура и методика электрометрических исследова. ний на акваториях при решении инженерно-геологических задач..йвтореф. канд. дис. М., МГУ, 1980, с.2-14 (прототип);

3. Трахтман A.М., Трахтман В.A.

Основы теории дискретных сигналов на конечных интервалах. М., Советское радио, 1975, с. 95-113. (54)(57) 1. СПОСОБ ГЕОЗЛЕКТРОРАЗВЕДКИ, заключающийся в возбуждении 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 прямоуголъныки сигнала-, ми различной частоты соответственно, а принимаемый сигнал коррелируют одновременно с каждой из L возбужO ,даемых последовательностей, при этом корреляцию осуществляют в базисе функций Уолша, а откоррелированные сигналы выпрямляют путем умноже- С ния на знаковую функцию соответствующего сигнала, перемножают и сум- Я мируют.

2. Способ по п. l о т л и ч а юшийся тем, что в качестве модулирующих сигналов выбирают функции

Уолша.

1037197.

Изобретение относится к геофизи ческим исследованиям, в частности к геоэлектрическим исследованиям н районах с высоким уровнем регулярных помех.

Геоэлектрические методы исследований 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 уровень полезного сигнала.

Известен способ .геоэлектроразведки, предназначенный для работы в условиях интенсивных помех, заключаю- 15 щийся н возбуждении переменного электромагнитного поля в виде периодического сигнала и приема с помощью линейных фильтров (1 ).

Основным недостатком такого способа является необходимость использования фильтров, перестраинаемых по частоте, когда сигнал регистриру-. ется на фоне регулярных помех, Сосредоточенных .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 перестраинаемых по частоте фильтров с высокой избирательностью представляет сложную техническую проблему даже при использовании современной микроэлектронной технологии.

Наиболее близким по технической сущности к изобретению является способ геоэлектроразведки, заключающийся в возбуждении электромагнитного поля в течение. заданного времени T в виде последовательности иден- 4О тичных импульсов, модулированных сигналом в виде прямоугольной функ,ции заданной частоты, и в корреля- ционном приеме сигнала в течение времени Т. Принимаемый сигнал умно- 45 жают на знаковую функцию модулирующего сигнала и ныделяют постоянную составляющую полученного произведения путем его интегрирования за время действия сигнала.T. При таком спо- 50 собе возбуждения и приема полезный сигнал горизонтального спектрального состава выпрямляется синхронно с re" нерируемым сигналом, а полезную ин-. формацию несет его постоянная составляющая, для выделения которой ис- 55 пользуют фильтр низкой частоты, каким является, например, интегратор.

Тем самым исключается необходимость использования перестраиваемых фильтров. Избирательность приема достига- 6О ется при этом соответствующим изменением времени T. В качестве заполняющего сигнала, образующего последовательность генерируемых импульсов, выбирают обычно сигнал, образуемый 65 импульсами прямоугольной формы и полупериодами синусоидального колебания, а в качестве модулирующей функции — различные виды так называемых меандровых функций, принимающих два значения +1 н -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 знаковую функцию модулирующего сигнала 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 идентичных импульсов, модулированных сигналом в виде прямоугольной функции заданной частоты, и в корреляционном приеме сигнала н 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 Ь возбуждаемых последовательностей, при этом корреляцию осуществляют в базисе функций

Уолша, а откоррелированные 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 нид сигналов, соответствующих каждой из операций, для случая L=2: на фиг. 1 " вид запбминающих импульсов à (i). на фиг. 2 и 3 — модулирующие сигналы Ф„(1, k<) и ф2(3., < ) l на фиг. 4-6 - вид сигналов двух последовательностей F (i) и F> (1).и их суммарный сигнал Г(1)у на фиг. 7 и 8— частотные характеристики сигналов, изображенных на фиг. 4 и 5, коррелиронанные 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 T в изучаемой среде возбуждают электромагнитное поле. Такое возбуждение, осуществляемое обычно с по1037197

Отмеченные трудности можно преодолеть, применяя Ь последовательностей, 60 модулированные Ь различными сигналами. В качестве модулирующих сигиалов. рассмотрим для L = 2 функции Уолша

W(i ) и N(i Е2) ° Тогда в соответ ствии со спектральными соотношения65 ми в базисе функций Уолша (3 g спектN-1 .Р (K}=5 (K}= —,) F (i) ч}(,K}, 1

8;=0 1

hl- }

3 (к)= (к)= —" Р (1)ч (1 K), К = 0,1,2,..., N-1, мощью магнитного или электрического а откоррелированные сигналы (фиг. 9 диполя, заключается в одновременном и 10) определяются соотношениями генерировании через диполь двух по- И-1 следов атель ностей, образуемых иден- Р 1) 52 КУ) тичными заполняющими импульсами 1, модулированных сигналами 2 и 3. Та- 5 ким образом, одновременно в изучае- 2(1)= 5 (к}Щ(1,К}, мой среде возбуждаются два сигнала (2

4 и 5, а суммарный излучаемый .сигнал,де }(. K) у функции Уолша; имеет вид 6. В тех случаях, когда распространение электромагнитного 1р поля в геоэлектрическом разрезе не 2 и Г (i) — соответствуют сигналам на фиг 9 и 10. сопровождается частотно-зависимыми Фильтрующее действие коррелятОпроцессами, принимаемый сигнал с точ- ров основано на специфике спектров ностью дС постоянного множителя пред периодической по периодической последовательности в ставлен сигналом 6. Этот сигна кор 15 базисе функций У азисе ункций Уолша, которая состорелируют одновременно с двумя возбуждаемыми последовательностями 4 Пусть один период п усть один период последовательи 5, что равносильно их пропусканию ности f (j) задан на точках в интерчерез два фильтра, частотные харак вале (О, Н -1}, где М =2", и - целое теристики 7 и 8 котоРых есть спектры щ число В примере приведенном н последовательностей 4 и 5i соответст фиг. 1, Ni =8. Тогда спектр Уолша венно полученные в базисе функций S (К) этого периода так этого периода также определяетУолша. Откоррелированные сигналы 9 ся в N точках в соотв тст точках в соответствии с выи 10 перемножают на знаковые функции ражением (2). Спектр Уолша S (К) пемодулирующих сигналов .2 и соответ р5 риодической последовательности f (i) ственно, полученные сигналы перемно- в соответствии с теорией спектров в жают, суммируют.

Математическая запись рассмотрениз тех же N отсчетов, разделенных ных операций в терминах анализа дис- n-n на 2"-" -1 нулями Следовательно кретных сигналов и линейных .дискрет1 если на вход оптимального фильт акорр лятор посту ае помеха П (), кратно о повторения заполняющих им- .то ее значение tI(i) на выходе фильтпульсов, заданная на М-точечном ин- Ра опРеДелитсЯ соотношением тервале (О.,N-1}, i — текущий параметр. Поскольку используются спек- 35 тральные разложения в базисе функ- П() =. S(K)S„(K}W(t, K) (ц ций Уолша, то N = 2, где n — - целое ф„(Л., 8„) H ф (1, 02) — дисгде S (К) — спектр помехи в базисе кретные модулйрующие фунйции, огиба- ., функций Уолша. ющив которых показаны на фиг. 2 и 3, 4р Нз соотношения (4) следует, что заданные на интервале (О, N-1}. Па- в том случае, когда помеха является раметры Р„ и Р определяют частоту . непериодической, она будет подавлятьмодулирующих функций. В приведенном о .в силу того, что ее энергия распримере N = 4. пределена по всем частотам К (p N-1} дискретные последовательности сиг- в То время как энергия сигнала расналов, описывающие изучаемое электро- пределена íà N частотах. Если же

45 .магнитное поле 4 и 5, имеют вид помеха является периодической, например регулярная помеха от источников р (;) р(;)хф (} 8 1, промышленного тока, то она будет по- (a) давляться на всех частотах, за исклю 5Р чением частот, которым соответствует период, кратный периоду сигнала f(i). оптимальной фильтрации в базисе функдимо применять перестраиваемые по ций Уолша. Это означает, что прини- :частоте фильтры Уолша подобно том фильтров частотные характеристики

55 ка axO делается ) (К) и 0 (К) (фиг. 7 и 8) которых . равны

1037197 ры генерируемых последовательностей

F 1 и F2 равны

5Ä(K) = S (KQ Е„У, 5г(к)= 5(КО г) где B означает операцию смещения, проводимую по модулю 2;

S(К) — спектр последовательности

f(i). Операция смещения по модулю 2 сводится к перестановке отсчетов спектра S „(К) и S.2(Ê), при этом, учитывая отмеченное свойство спектров S(К) периодической последова- тельности f(i) справедливо соотношение 15

10 „(к) 52(к)=0 (й для всех. К Е (О, N 1). В то же время в силу инвариантности отклика (оптимальный фильтр Уолша относительно

20 двоичного .сдвига) справедливо соотношение.

{F„(>){={P2(;)I. (6) Рассмотрим теперь корреляцию суМмарного принимаемого сигнала с учетом помехи или, учитывая соотношения (3) и (5), й-q

1()=F (j)+Q S„(K)g (K)5(()>K)„F (;) П () 40 где fl (i) — откоррелированная помеха, являющаяся периодической с тем же

1 периодом, что и сигнал F „(i). сигнал, полученный в результате 45 корреляции с второй последовательностью имеет вид:

А (I=F ()+П (4) °

Выпрямление сигналов A „и A путем5 умножения их на знаковые функцйи модулирующих сигналов (в случае применения в качестве модулирующих сигналов функций Уолша их знаковая функция совпадает с самим сигналом) дает 55 с учетом соотношения (6)

f A„(i)f=fP (ip+fl,(i)f, {м ()I=I F2(;).пг(;>I .

Перемножение и суммирование А1 и А при соответствующем выборе двух модулирующих функций обеспечивает подавление помехи. Выбор модулирующих. сигналов производится таким об () = „()+ г() + П ()

30 с одной из входных последовательностей, например с первой. Откоррелиро- ванный сигнал будет иметь вид

N-a

1(1 D (51(K)+S (K)+5п(K)J Sq(K)%(>,ê) 35 разом, чтобы частотные диапазоны пропускания помех для каждого из фильтров не совпадали между собой.

Рассмотренный механизм подавления помех на основе использования оптимальных фильтров-корреляторов Уолша действует 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 сигналы 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 генери- . руются наиболее просто; знаковая функция для них совпадает с самой функцией.

Использование предлагаемого способа в сравнении с известным обес-. печивает 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 уст;, ройств, поскольку спектральное 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, результаты которого рассматриваются ниже. Иа фиг. 11 показан заполняющий сигнал 1, сформированный иэ полупериодов синусоидального тока единичной амплитуды промышленной частоты

50 Гцу 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 мс. В качестве модулирующих сигналов были рассмотрены 16.воэмож1037197 ных функций Уолша, взятые в упорядочении Пэли. Г Регулярная помеха задавалась в. виде синусоиды также единичной амплитуды с частотой 1-100 Гц с шагом .Ь Е = 1 Гц. Кривые 1 и 2 на фиг. 12,показывают отношение амплитуды сигнала к амплитуде помехи на выходе одиночных корреляторов, согласованных с сигналами, модулирующие сигналы которых задавались соответ. ственно в виде функций Уолша W(i,0) i() и W(i,12). Применение одиночных корреляторов аналогично действию по известному способу: существуют диапазоны частот, для которых подавление помехи происходит неэффективно.

W(i+ 0),Ы(з., 12) 19

15 W(i+ 1), И(1, 12) 20

3 2

3S

39

-7.0

В таблице приведены результаты применения предлагаемого способа, где показаны значения коэффициента помех только для тех частот, для которых этот коэффициент 40 дБ. Как видно из приведенных данных, способ уже при Ь = 2 позволяет более, чем на порядок (в сравнении с известными способами), подавить регулярные помехи в широком диапазоне частот

Модулирующие Частота, Ослаблефункции, Гц ние помеУолша хи, дБ

W(i,2), W(i, 12) 15

1037197 (Риг:7

Фиг.

1037197

1037197

Составитель Л. Воскобойников

Редактор С. Лыжова .,Техред Ж.Кастелевич. Корректор А. Ильин

Йакав 7714 Тираж 710 Подписное

ВНИИПИ- Государственного комитета СССР по делам. ивобретений и открытий

113035, Москва, Ж35, Раушская наб., д. 4/5,4вмаФайе мйеаее бавбеюе евев щеев аю,вев филиал ППП Патент,. г. Ужгород, ул. Проектная, 4