Способ радиоволнового зондирования и устройство для его осуществления

 

Изобретение относится к области высокочастотной геоэлектроразведки методом радиоволнового зондирования приповерхностных частей геологических разрезов. Способ радиоволнового зондирования основан на измерении амплитудных значений горизонтальных и вертикальной электрических составляющих электромагнитного поля при разных углах ориентировки геометрической оси антенн передатчика или приемника и относительной разности фаз между составляющими поля. По изменению измеренных параметров или их отношений судят о структурных особенностях и о распределении радиоволновых электромагнитных характеристик геологического разреза по горизонтали и глубине. Устройство для радиоволнового зондирования состоит из передатчика, к выходу которого подключена электрическая горизонтальная антенна, и приемника с электрической горизонтальной антенной, подключенной к входу усилительно-преобразовательного канала, построенного по супергетеродинной схеме с многократным преобразованием частоты. Антенна передатчика состоит из двух горизонтальных электрических взаимно перпендикулярных антенн, подсоединяемых через переключатель к его выходу, а антенна приемника - из двух, идентичных с антенной передатчика, горизонтальных и одной вертикальной антенны, подсоединяемых через переключатель к соответствующему входу приемника. Приемник содержит два усилительно-преобразовательных канала, построенных по супергетеродинной схеме, общий гетеродин, первый и второй детекторы амплитудных каналов, соединенные входами с выходами усилительно-преобразовательных каналов, два смесителя с усилителями промежуточной частоты фазового канала, сумматор-детектор фазового канала, узкополосный усилитель низкой частоты фазового канала, фазометрическое устройство. Один из входов каждого смесителя соединен с соответствующим выходом усилительно-преобразовательного канала, общий гетеродин соединен со вторыми входами смесителей и одним из входов фазометрического устройства, выходы каждого смесителя с усилителем промежуточной частоты соединены с входами сумматора-детектора, а его выход через узкополосный усилитель низкой частоты соединен со вторым входом фазометрического устройства. Технический результат - повышение информативности и достоверности. 2 с.п. ф-лы, 2 ил.

Изобретение относится к области высокочастотной геоэлектроразведки методом радиоволнового зондирования приповерхностных частей геологических разрезов.

Известен способ радиоволнового интерференционного зондирования, основанный на измерении амплитудных значений магнитной составляющей электромагнитного поля, и устройство для его осуществления, состоящее из передатчика с горизонтальной электрической антенной и приемника с горизонтальной рамкой, работающее на разных частотах, разных расстояниях между геометрическими центрами антенн, а по изменению измеряемого параметра судят о глубине залегания горизонтальных слоев с разными электромагнитными параметрами (Справочник геофизика. Под ред. А.Г. Тархова. М.: Недра, 1980, с. 310).

Недостатком способа радиоволнового интерференционного зондирования и устройства для его осуществления является ограниченное применение для изучения слабоконтрастных по электрофизическим свойствам и не электропроводных геологических образований, ввиду недостаточности измеряемых интерпретационных параметров.

Наиболее близким по технической сущности является способ наземного и шахтного радиоволнового зондирования, основанный на измерении амплитудных значений горизонтальных электрических составляющих электромагнитного поля, и устройство для его осуществления, состоящее из передатчика и приемника с электрическими горизонтальными антеннами, размещенными на поверхности земли, и работающее при разных углах ориентировки геометрической оси антенны передатчика или приемника в одной плоскости, на разных частотах, разных расстояниях между геометрическими центрами антенн, а по изменению измеренных параметров или их отношению судят о структурных особенностях и о распределении радиоволновых электромагнитных характеристик пород в разрезе и плане (Геологическое изучение и использование недр: Научно-технический информационный сборник АОЗТ "Геоинформмарк". М., 1996, вып. 5, с. 40 - 48).

Недостатком способа является то, что измерение только горизонтальных амплитудных составляющих поля не позволяет с достоверностью характеризовать структурные особенности и особенности распределения радиоволновых электромагнитных характеристик пород в разрезе и плане, особенно в слабоконтрастных геологических средах.

Недостатком устройства является низкая информативность, связанная с отсутствием возможности измерения вертикальной электрической составляющей и относительной разности фаз между составляющими электромагнитного поля и низкая производительность и точность измерений, связанные с технической необходимостью изменения ориентировки антенн передатчика и приемника, что ограничивает применение устройства в движении.

Предлагаемый способ радиоволнового зондирования основан на измерении амплитудных значений горизонтальных электрических составляющих электромагнитного поля при разных углах ориентировки геометрической оси антенн передатчика или приемника, а по изменению измеренных параметров или их отношений судят о структурных особенностях и о распределении радиоволновых электромагнитных характеристик геологического разреза по горизонтали и глубине. Дополнительно измеряют амплитудное значение вертикальной электрической составляющей электромагнитного поля и относительную разность фаз между составляющими поля. Предлагаемое устройство для радиоволнового зондирования состоит из передатчика, к выходу которого подключена электрическая горизонтальная антенна, и приемника с электрической антенной, подключенной к входу усилительно-преобразовательного канала, построенного по супергетеродинной схеме с многократным преобразованием частоты. Антенна передатчика состоит из двух горизонтальных электрических взаимно перпендикулярных антенн, подсоединенных через переключатель к его выходу, а антенна приемника - из двух, идентичных с антенной передатчика, горизонтальных и одной вертикальной антенны, подсоединенных через переключатель к соответствующему входу приемника. Приемник содержит два усилительно-преобразовательных канала, построенных по супергетеродинной схеме, общий гетеродин, первый и второй детекторы амплитудных каналов, соединенные входами с выходами усилительно-преобразовательных каналов, два смесителя с усилителями промежуточной частоты фазового канала, сумматор-детектор фазового канала, узкополосный усилитель низкой частоты фазового канала, фазометрическое устройство, причем, один из входов каждого смесителя соединен с соответствующим выходом усилительно-преобразовательного канала, общий гетеродин соединен со вторыми входами смесителей и одним из входов фазометрического устройства, выходы каждого смесителя с усилителем промежуточной частоты соединены с входами сумматора-детектора, а его выход через узкополосный усилитель низкой частоты соединен со вторым входом фазометрического устройства.

Предлагаемый способ радиоволнового зондирования и устройство для его осуществления позволяют повысить информативность и достоверность результатов измерений.

На фиг. 1 представлен один из вариантов схемы измерений способом радиоволнового зондирования. Передатчик и приемник размещают на свободной поверхности геологической среды, при расстоянии R между геометрическими центрами антенн, затем изменяют расстояние R₁, R₂,...R_n, перемещая передатчик по пикетам вдоль линии профиля, причем в каждой точке стоянки передатчика, геометрическая ось одной из антенн (например A_x) постоянно ориентируется вдоль профиля измерений, а другая - A_y - перпендикулярно профилю. Переключая поочередно по заданной программе антенны A_x и A_y передатчика, приемником каждый раз производят цикл измерений необходимых компонент составляющих электромагнитного поля по координатным плоскостям XOY, XOZ, YOZ соответственно E_ox, E_oy, E_oz и относительную разность фаз между ними ϕ₁= (ϕ_x-ϕ_y); ϕ₂= (ϕ_x-ϕ_z); ϕ₃= (ϕ_y-ϕ_z). Следует отметить, что рассматриваемый вариант предусматривает несимметричное радиоволновое зондирование с максимальным количеством измеряемых параметров. Может также выполняться симметричное радиоволновое зондирование при изменении расстояния R одновременным перемещением передатчика и приемника и частотное зондирование с изменением рабочих частот при постоянном R. При наземных съемках различного масштаба в движении применяется профилирование с измерением минимально необходимого количества параметров, например, одновременно двух амплитудных значений поля или одного из значений относительной разности фаз.

Вариант способа радиоволнового зондирования устанавливается в зависимости от поставленной задачи и детальности съемки.

Радиоволны, распространяющиеся от передатчика, постепенно затухают вследствие непрерывного оттока вглубь земли части энергии, которая испытывает явление поглощения, дифракции, отражения, преломления, а часть энергии, несущей информацию о структуре и распределении электромагнитных характеристик пород по глубине, возвращается в виде вторичного поля. Вторичное поле, состоящее из синфазной и сдвинутыми на некоторый угол составляющими поля, при сложении с первичным полем вызывают либо аномалии амплитуды напряженности поля и искажение азимута прихода волн, либо изменение фазовой структуры и создает в зоне аномалии эллиптическую поляризацию поля, что и используется критерием для классификации измеряемых электромагнитных характеристик геосреды. По измеренным амплитудам E_ox, E_oy, E_oz и относительным разностям фаз ϕ₁, ϕ₂ и ϕ₃, определяется отношение b/a (малой - b и большой оси - a) и положение в пространстве, т.е. угол наклона Θ_o большой оси эллипса поляризации. Соотношения между составляющими электромагнитного поля позволяют, в отличии от аналога, оценить приповерхностные части геологических разрезов по удельному электрическому сопротивлению ρ_п и диэлектрической проницаемости ε_п. Оценка значений ρ_п и ε_п позволяют определить радиоволновые электромагнитные характеристики пород (фазовую постоянную, длину волны в среде, скорость распространения волны в среде, коэффициент поглощения), как для слабопроводящих сред, так и для сред с хорошей проводимостью, т.е. пород с различным отношением токов проводимости и смещения.

Результаты измерений по профилю представляются в виде двухмерной матрицы изолиний распределения радиоволновых электромагнитных характеристик, либо матрицы амплитудных и фазовых характеристик поля или их отношений, визуализирующих распределение радиоволновых электромагнитных характеристик. Дискретность матрицы зависит от требуемой детальности получения информации и определяется методическими параметрами измерений (дискретность шага по профилю, дискретность частоты). Координаты точек матрицы определяются по горизонтали положением середины установки а по вертикали - глубиной h. При этом исследуемое пространство геологического разреза предполагается совпадающим с областью существенной для распространения и отражения радиоволн, в частности радиусом r_ф1,2...n первой зоны Френеля.

На фиг. 2 представлена структурная схема устройства, реализующего способ.

Устройство содержит передатчик и приемник. Передатчик включает в себя последовательно соединенные высокостабильный задающий генератор 1, перестраиваемый по частоте, усилитель 2 мощности, согласующее устройство 3, антенный переключатель 4, антенное устройство, состоящее из двух взаимно перпендикулярных электрических горизонтальных антенн 5, 6.

Приемник включает в себя антенное устройство, состоящее из двух горизонтальных взаимно перпендикулярных электрических антенн 7, 8 и одной вертикальной электрической антенны 9, антенный переключатель 10, первый и второй усилительно-преобразовательные каналы 11 и 12, смесители 13 и 15 с усилителями 16 и 18 промежуточной частоты фазового канала, общий гетеродин 14, сумматор-детектор 17 фазового канала, детекторы 19 и 21 первого и второго амплитудных каналов, узкополосный усилитель 20 низкой частоты фазового канала, фазометрическое устройство 22 и устройство 23 считывания и предварительной обработки информации.

Устройство работает следующим образом. Задающий генератор 1 передатчика вырабатывает синусоидальное высокостабильное напряжение высокой частоты, напряжение усиливается усилителем 2 мощности, создается режим оптимального согласования с антенной согласующим устройством 3 и далее подается через антенный переключатель 4 на одну из антенн 5 или 6, где энергия высокочастотного напряжения преобразуется в энергию свободных электромагнитных колебаний продольных либо поперечных волн в зависимости от подключаемой антенны.

Приемник работает в режиме "Измерение амплитуды" и "Измерение фазы". В режиме "Измерение амплитуды" комбинация сигналов, наведенных одновременно в антеннах 7 и 8, 7 и 9, 8 и 9 через антенный переключатель 10 подаются на входы усилительно-преобразовательных каналов 11 и 12 соответственно, где после двукратного преобразования с помощью общего гетеродина 14 усиливаются и поступают на входы детекторов 19 и 21 и далее на вход устройства 23, где производится регистрация сигналов одновременно по двум каналам в виде значений комбинаций составляющих E_ox, E_oy, и E_oz, либо в виде отношений напряженности поля.

В режиме "Измерение фазы" сигналы промежуточной частоты с выходов усилительно-преобразовательных каналов 11 и 12 подаются на входы смесителей 13 и 15 фазового канала, на вторые входы смесителей 13 и 15 с выхода общего гетеродина 14 подаются два гетеродинных напряжения, отличающихся на частоту F. В результате преобразования на выходах смесителей 13 и 15 будут действовать два напряжения, отличающиеся частотой F. С выходов смесителей 13 и 15 сигналы усиливаются усилителями 16 и 18 промежуточной частоты и подаются на вход сумматора-детектора 17. После совместного детектирования суммы этих двух сигналов, на выходе детектора выделяется напряжение, изменяющееся с частотой F и с фазой, не зависящей от частоты и фаз гетеродинных напряжений и равную разности фаз ϕ₁= (ϕ_x-ϕ_y); ϕ₂= (ϕ_x-ϕ_z); ϕ₃= (ϕ_y-ϕ_z) сигналов, принятых на антенны.

Полученное напряжение после усиления узкополосным усилителем 20 подается на вход фазометрического устройства 22, где оно сравнивается по фазе с фазой опорного напряжения той же частоты F, поступающим от гетеродина 14 и определяется величина относительной разности фаз.

Формула изобретения

1. Способ радиоволнового зондирования, основанный на измерении амплитудных значений горизонтальных электрических составляющих электромагнитного поля при разных углах ориентировки геометрической оси антенн передатчика или приемника, а по изменению измеренных параметров или их отношений судят о структурных особенностях и о распределении радиоволновых электромагнитных характеристик геологического разреза по горизонтали и глубине, отличающийся тем, что дополнительно измеряют амплитудное значение вертикальной электрической составляющей электромагнитного поля и относительную разность фаз между составляющими поля.

2. Устройство для радиоволнового зондирования, состоящее из передатчика, к выходу которого подключена электрическая горизонтальная антенна, и приемника с электрической горизонтальной антенной, подключенной к выходу усилительно-преобразовательного канала, построенного по супергетеродинной схеме с многократным преобразователем частоты, отличающееся тем, что антенна передатчика состоит из двух горизонтальных электрических взаимно перпендикулярных антенн, подсоединяемых через переключатель к его выходу, а антенна приемника - из двух, идентичных с антенной передатчика, горизонтальных и одной вертикальной антенны, подсоединяемых через переключатель к соответствующему входу приемника, содержащего два усилительно-преобразовательных канала, построенных по супергетеродинной схеме, общий гетеродин, первый и второй детекторы амплитудных каналов, соединенные входами с выходами усилительно-преобразовательных каналов, два смесителя с усилителями промежуточной частоты фазового канала, сумматор-детектор канала, узкополосный усилитель низкой частоты фазового канала, фазометрическое устройство, причем один из входов каждого смесителя соединен с соответствующим выходом усилительно-преобразовательного канала, общий гетеродин соединен со вторыми входами смесителей и одним из входов фазометрического устройства, выходы каждого смесителя с усилителем промежуточной частоты соединены с входами сумматора-детектора, а его выход через узкополосный усилитель низкой частоты соединен со вторым входом фазометрического устройства.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2