Способ радиолокационного зондирования геологического разреза

 

Изобретение относится к способам радиолокации, которые используют существенно немонохроматический сигнал для получения измерительной информации, которая может быть использована для оценки структурных характеристик геологического разреза через большую толщину твердых тел. Способ включает излучение импульсных радиосигналов в геологический разрез, прием отраженных радиосигналов из геологического разреза, засинхронизированных во времени с излучаемыми импульсными радиосигналами, обработку принимаемых отраженных радиосигналов для суждения о структурах геологического разреза. Излучают импульсные радиосигналы, сверхширокополосные, с различной формой импульса, частичную полосу которых выбирают большей или равной средней частоте. Принимают отраженные радиосигналы по меньшей мере в двух точках пространства в полосе частот большей, чем частотная полоса излученных импульсных радиосигналов. Средние несущие частоты принимаемых отраженных сигналов в каждой точке пространства выбирают отличными друг от дуга. 7 з.п.ф-лы.

Изобретение относится к способам радиолокации, которые используют существенно немонохроматический сигнал для получения измерительной информации, которая может быть использована для оценки структурных характеристик геологического разреза через большую толщу твердых тел.

Известен способ радиолокационного подповерхностного зондирования, включающий излучение радиосигналов на несущей частоте в геологический разрез, прием отраженных радиосигналов из геологического разреза, засинхронизированных во времени с излучаемыми радиосигналами, обработку принимаемых отраженных радиосигналов для суждения о структурных характеристиках геологического разреза (1).

В этом способе используется монохроматический радиосигнал в дециметровом или сантиметровом диапазоне, полоса Δf_и которого много меньше несущей частоты f_н. Такой сигнал может быть использован для зондирования только в средах, обладающих малым затуханием волн, например, при исследовании ледовых покровов, сухих песчаников, покровов каменной соли и известняков.

Известен также автоматизированный сверхширокополосный радиолокационный измерительно-вычислительный комплекс, обеспечивающий возможность излучения импульсных радиосигналов, частотная полоса которых выбрана большей или равной средней частоте, прием по меньшей мере в двух точках пространства отраженных радиосигналов, засинхронизированных во времени с излучаемыми импульсными радиосигналами, обработку принимаемых отраженных радиосигналов для суждения о характеристиках цели (2).

В комплексе применяют импульсные зондирующие сигналы субнаносекундной длительности и такой комплекс в принципе может быть использован для различного целевого назначения: обнаружения и распознавания космических аппаратов, ракет и самолетов, надводных кораблей и подводных лодок, построения трехмерных радиолокационных изображений. Однако при использовании такого комплекса при анализе структур геологического разреза он не способен обеспечить необходимую точность измерений, поскольку оценивает геологический объект как обычную радиолокационную цель, а две разнесенные антенны для приема отраженных сигналов служат только для оценки углового положения локальных отражающих элементов цели. В устройстве отсутствуют средства для оценки дифракционных эффектов в геологическом срезе и вынужденного рассеяния, обусловленного перемещением зарядов в подповерхностных структурах под воздействием внешнего электромагнитного поля. Вынужденное рассеяние может не возникать только для обычных радиолокационных целей в двух типах сред: в сильно разряженных газах, где отсутствуют близлежащие молекулы, оказывающие влияние на локальное поле; и в металлах со свободными электронами, где волновые функции электронов более размазаны по всему кристаллу, чем локализованы в одном атоме. В известном комплексе используется неперестраиваемый генератор импульсов возбуждения, поэтому в этом техническом решении нельзя в принципе учесть описанные выше эффекты, возникающие при зондировании геологического среза.

Таким образом, известный комплекс не предназначен и не может использоваться для решения задачи оценки структурных характеристик геологического среза.

Наиболее близким по назначению является способ радиолокационного зондирования геологического разреза, включающий излучение импульсных радиосигналов на несущей частоте в геологический разрез, прием отраженных радиосигналов из геологического разреза, засинхронизированных во времени с излучаемыми импульсными радиосигналами, обработку принимаемых отраженных радиосигналов для суждения о структурных характеристиках геологического разреза (3).

Однако в этом способе производят излучение импульсных радиосигналов не сверхширокополосных и с длительностью импульса 1-0,1 мс, в диапазоне несущих частот от 30 до 500 мГц, что позволяет только очень грубо оценить структурные характеристики геологического разреза. Способ также не позволяет оценить дифракционные эффекты и вынужденное рассеяние. Поэтому он использовался только в Антарктиде, т.е. в районах с ледяным покровом.

Решаемая изобретением задача - повышение качества получаемой измерительной информации.

Технический результат, который может быть получен при использовании изобретения - расширение арсенала средств для оценки геологического разреза и учет дифракционных эффектов и вынужденного рассеяния при анализе структур геологического разреза.

Для решения поставленной задачи с достижением указанного технического результата в известном способе радиолокационного зондирования геологического разреза, включающем излучение импульсных радиосигналов в геологический разрез, прием отраженных радиосигналов из геологического разреза, обработку принимаемых отраженных радиосигналов для суждения о структурах геологического разреза, согласно изобретению излучают импульсные радиосигналы, сверхширокополосные, с различной формой импульса, частотную полосу которых выбирают большей или равной его средней частоте f_ср, определяемой как преобразование Фурье вида конкретного импульса или как f_ср = (f_в + f_н)/2, где f_в = 1/τ_фр, где τ_фр - - длительность фронта импульса; f_н = 1/τ_и, где τ_и - - длительность импульса; принимают отраженные радиосигналы по меньшей мере в двух точках пространства в полосе частот большей, чем частотная полоса излученных импульсных сверхширокополосных радиосигналов, при этом средние частоты принимаемых отраженных сигналов в каждой точке пространства выбирают различными друг от друга, а обработку принимаемых отраженных радиосигналов проводят с учетом дифракции и вынужденного рассеяния в геологическом разрезе.

Возможны дополнительные варианты для осуществления способа, в которых целесообразно, чтобы: - при излучении импульсных радиосигналов изменяли длительность импульса; - при излучении импульсных радиосигналов изменяли длительность переднего фронта импульса; - при излучении импульсных радиосигналов изменяли длительность вершины импульса; - при излучении импульсных радиосигналов изменяли длительность заднего фронта импульса;
- при излучении импульсных радиосигналов изменяли полярность импульса;
- при излучении импульсных радиосигналов изменяли частоту следования импульсов;
- для каждой точки пространства принимали отраженные радиосигналы в полосах частот Δf_пI, которые выбирали бы из условия

где n - общее число точек приема;
Δf - общая полоса частот приема много большая, чем частотная полоса Δf_и излученного импульсного радиосигнала.

Указанные преимущества, а также особенности настоящего изобретения поясняются лучшим вариантом осуществления способа.

В настоящем изобретении для формирования сверхширокополосного импульсного радиосигнала используется видеоимпульс преимущественно несимметричной формы для разделения пространственной дисперсии и временной.

Слои в геологическом разрезе можно рассматривать как обобщенные фильтры, характеристики которых заданы пространственной структурой слоя и определяются временной структурой излучаемого импульсного радиосигнала - формой импульса во времени. Тогда механизм преобразования сверхширокополосного импульсного радиосигнала обобщенными фильтрами может быть сведен к обратной задаче рассеяния с переносом излучения (проблеме Милна). Такой подход позволяет определить правую часть неоднородного векторного уравнения Гельмгольца, а само уравнение Гельмгольца может быть решено с использованием функции Грина.

Решения уравнения Гельмгольца будут отличаться друг от друга при наличии геологической границы ( τ_рел f₁(x, у, z); D = f₂(x, у, z); где τ_рел время релаксации зарядов, D - коэффициент диффузии зарядов, x, у, z- координаты) и при ее отсутствии в случае изотропного пространства (τ_рел const; D = const). Любая подповерхностная структура будет излучать при q(τ) ≠ 0, где q(τ) - функция времени, описывающая вид видеоимпульса, а время переизлучения будет определяться τ_рел.
Таким образом, решение неоднородного векторного уравнения Гельмгольца с использованием функции Грина учитывает как возникновение дифракционных эффектов, так и вынужденного рассеяния, обусловленного перемещением зарядов в геологических слоях под воздействием внешнего электромагнитного поля.

Необходимость учета изменения длины волны электромагнитного поля при прохождении его через толщу исследуемых пород вызывается тем, что на наблюдаемые эффекты оказывает влияние соотношение развивающихся в толще пород длин волн и геометрических размеров отдельных геологических включений. Это соотношение обуславливает возникновение отдельных видов дифракции.

В предложенном способе дифракционные эффекты удается отделить от вынужденного рассеяния за счет излучения сверхширокополосного импульсного радиосигнала, частотную полосу Δf_и которого выбирают большей или равной средней частоте f_o, и последующего приема отраженного радиосигнала по меньшей мере в двух точках пространства, например многоканальным приемником прямого детектирования и усиления, что обеспечивает сверхширокополосность принимаемого сигнала разнесенными на фиксированную базу сверхширокополосными приемными антеннами, каждая из которых отличается свой средней частотой. При этом генератор видеоимпульсов возбуждения должен иметь несколько видов форм видеосигналов. Принимают отраженный радиосигнал в полосе частот Δf_п ≫ Δf_и- частотной полосы излученного импульсного радиосигнала. Прием может осуществляться на развертках меньше длительности видеоимпульса и с синхронизацией приема от генератора видеоимпульсов возбуждения через управляемую линию задержки.

Расстояние между точками пространства (геометрические размеры приемных антенн и их база многоканального приемника) выбирают исходя из требуемого разрешения по глубине (с использованием, например, соотношения для дифракционного параметра где d = x, у - размеры объекта на глубине z. Длительность развертки для каждого такого канала приема определяет разрешающую способность по переизлучению (времени релаксации зарядов, переместившихся в геологических слоях под воздействием внешнего электромагнитного поля). Синхронизация многоканального приемника через управляемую линию задержки с передатчиком, излучающим сверхширокополосный импульсный радиосигнал, обеспечивает требуемую глубину зондирования.

Таким образом, для реализации заявленного способа в известный автоматизированный сверхширокополосный радиолокационный измерительно-вычислительный комплекс (2) должны быть внесены значительные конструктивные изменения, важнейшими из которых являются использование генератора импульсов возбуждения с перестраиваемой формой видеоимпульсов, использование сверхширокополосных приемных антенн с настройкой на свою среднюю частоту, применение для синхронизации излученного импульсного радиосигнала и принятого отраженного сигнала управляемой линии задержки (внутренняя синхронизация может и не проводиться в случае использования синхронизации от принимаемого, отраженного радиосигнала), выбор в микроЭВМ алгоритмов, способных осуществить учет дифракционных эффектов и вынужденного рассеяния.

В дополнительных вариантах осуществления способа целесообразно, например, перестраивать длительность импульса для получения других значений временной дисперсии геологической среды, что обеспечивает дополнительное выявление характерных особенностей геологического разреза.

Форму видеоимпульса можно изменять различными эквивалентными с точки зрения решаемой задачи средствами: изменением длительности переднего фронта импульса и/или изменением длительности вершины импульса и/или изменением длительности заднего фронта (среза) импульса.

Изменение полярности импульса позволяет дополнительно выявлять особенности и новые значения коэффициента диффузии в геологическом разрезе.

Перестройка частоты следования импульсов позволяет уменьшить или увеличить время проведения измерений, что обеспечивает проведение исследований для различных геологических разрезов.

С учетом необходимости обеспечения требуемой для реализации способа сверхширокополосности приема для каждой точки пространства отраженного радиосигнала целесообразно использовать несколько широкополосных антенн с числом, например, и более двух, при этом отдельную полосу частот для каждой антенны Δf_пI в этом случае можно выбирать из условия

где n - общее число точек приема (количество разнесенных антенн),
Δf общая полоса частот приема много большая, чем частотная полос Δf_и и излученного импульсного радиосигнала.

Таким образом, удается снизить жесткие требования на широкополосность каждой отдельной антенны и перекрыть необходимую частотную полосу.

В качестве несущей частоты f_о импульсного радиосигнала в зависимости от предполагаемой структуры геологического разреза можно использовать частоты из диапазона от 100 МГц до 10 ГГц.

Для обработки принятых отраженных сигналов могут использоваться различные алгоритмы, заложенные в память процессора или ЭВМ, которые не составляют предмета настоящего изобретения, поскольку заявленные операции и средства позволяют за счет указанной совокупности признаков достичь желаемого технического результата. Структурная же схема проведения последующих расчетов может включать в себя совершенной различные критерии оценки и алгоритмы.

Например, в каждой точке пространства для принимаемого отраженного сигнала после его прямого детектирования используют энтропийный критерий построения плотностей вероятностей и из выражения Винера-Хопфа получают семейства импульсных характеристик. При идентификации подповерхностных структур учитывают вынужденное рассеяние с переносом излучения, представляя отраженные продетектированные сигналы тремя уровнями отношений "S/P":
S/P >> 1;
S/P 1;
где S - сигнал, соответствующий по своей структуре излученному импульсному радиосигналу,
P - поляризация, обусловленная вынужденным рассеянием.

Выполняют оценки корреляционных функций, проводят редукцию данных и последующее построение эмпирического распределения результатов. В качестве характеристики структурной связи между указанным эмпирическим распределением и текущими значениями оценок различных моментов результатов зондирования конкретной точки в геологическом разрезе используют информационную меру Кульбака. Значение информационной меры Кульбака связывают с автокорреляционной функцией излученного импульсного радиосигнала и взаимной корреляционной функцией излученного и отраженного сигналов идентифицируемого объекта в конкретной точке геологического разреза. В качестве устойчивых признаков идентификации геологической структуры используют преобразование Фурье авто- и взамной корреляционных функций результатов зондирования. В качестве признаков идентификации объекта в геологическом разрезе определенному типу временной дисперсии или пространственной дифракции используют значения фазового спектра и уровень затухания излученных импульсных радиосигналов в слое геологического разреза, полагая, что поле в произвольной точке геологического разреза зависит от возбуждения лишь внутри пространственно-временного объема - светового конуса- и не зависит от характеристик этого объема. Профильную функцию геологического разреза определяют как площадь проекции поверхности цели, освещенной световым конусом на ось глубины. Рельеф залегания профильной функции восстанавливают двукратным интегрированием импульсной характеристики.

Наиболее успешно заявленный способ радиолокационного зондирования геологического разреза может быть использован в различных отраслях промышленности для получения измерительной информации, на основе которой строятся инженерно-геологические, гидрогеологические, геологические или археологические разрезы. С помощью данной информации возможна оценка через большую толщу твердых тел фундаментов бетонных, кирпичных и других сооружений, наличие свай и глубину их забивки, глубины залегания грунтовых вод и характер их взаимодействия с подземными конструкциями, состояние дорожного покрытия и подсыпки в ходе его строительства и дальнейшей эксплуатации, состояние подводной части причалов при строительстве портов и их эксплуатации, определение места выхода жидких углеводородов в реки и водоемы, состояние конструкций заглубленных в грунт или водоем таких, как нефте- и газопроводы.

Источники информации:
1. Финкельштейн М. И., "Радиолокационное подповерхностное зондирование морского льда и земных покровов на ультракоротких волнах", Вестник АН СССР, 1984 г. N 9, стр. 20-28.

2. Л. Ю.Астанин, А.А.Костылев, "Основы сверхширокополосных радиолокационных измерений", Москва, "Радиосвязь", 1989 г., стр. 134-140, рис. 5.16.

3. В.К.Хмелевской, "Основной курс электроразведки", часть 2, Радиолокационный метод высокочастотной электроразведки. Издательство Московского Университета, 1971 г., стр. 247-249.

Формула изобретения

1. Способ радиолокационного зондирования геологического разреза, включающий излучение импульсных радиосигналов в геологический разрез, прием отраженных радиосигналов из геологического разреза, обработку принимаемых отраженных радиосигналов для суждения о структурах геологического разреза, отличающийся тем, что излучают импульсные радиосигналы, сверхширокополосные, с различной формой импульса, частотную полосу которых выбирают большей или равной его средней частоте, принимают отраженные радиосигналы по меньшей мере в двух точках пространства в полосе частот большей, чем частотная полоса излученных импульсных сверхширокополосных радиосигналов, при этом средние несущие частоты принимаемых отраженных сигналов в каждой точке пространства выбирают различными друг от друга, а обработку принимаемых отраженных радиосигналов проводят с учетом дифракции и вынужденного рассеяния в геологическом разрезе.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что при излучении импульсных радиосигналов изменяют длительность импульса.

3. Способ по п.1, отличающийся тем, что при излучении импульсных радиосигналов изменяют длительность переднего фронта импульса.

4. Способ по п.1, отличающийся тем, что при излучении импульсных радиосигналов изменяют длительность вершины импульса.

5. Способ по п.1, отличающийся тем, что при излучении импульсных радиосигналов изменяют длительность заднего фронта импульса.

6. Способ по п.1, отличающийся тем, что при излучении импульсных радиосигналов изменяют полярность импульса.

7. Способ по п.1, отличающийся тем, что при излучении импульсных радиосигналов изменяют частоту следования импульсов.

8. Способ по п.1, отличающийся тем, что для каждой точки пространства принимают отраженные радиосигналы в полосах частот Δf_nI, которые выбирают из условия

где n - общее число точек приема;
Δf - общая полоса частот приема много большая, чем частотная полоса Δf и излученного импульсного радиосигнала.