Устройство для геоэлектроразведки

 

Изобретение относится к геофизике, а именно к технике высокочастотного контроля, и может использоваться для геоэлектроразведки подповерхностного слоя почвы или массива горных пород при проведении земляных работ с целью выявления различных неоднородностей, повреждающих рабочие органы землеройной техники. Устройство содержит блок управления, блок формирования модулирующего кода, блок изменения периода следования модулирующих импульсов, блок изменения частоты, передатчик, блок памяти, антенный переключатель, приемопередающую антенну, приемник, первый перемножитель, блок сдвига частоты, первый фильтр разностной частоты, второй перемножитель, второй фильтр разностной частоты, фазовый дискриминатор, аналого-цифровой преобразователь, коррелометр, первый блок индикации, многоканальный коррелятор, многоотводную линию задержки, многоканальный перемножитель, фильтр нижних частот, компаратор и второй блок индикации. Технический результат - повышение помехоустойчивости, чувствительности и достоверности геоэлектроразведки подповерхностного слоя почвы или массива горных пород. 2 ил. !_

Предлагаемое устройство относится к геофизике, а именно к технике высокочастотного контроля, и может использоваться для геоэлектроразведки подповерхностного слоя почвы или массива горных пород при проведении земляных работ с целью выявления различных неоднородностей, повреждающих рабочие органы землеройной техники.

Известные устройства для геоэлектроразведки основаны: на использовании фазовых измерений, датчиков электромагнитного поля, смесителя, усилителя промежуточной частоты и фазометра (устройство для фазовых измерений в геоэлектроразведке, авт. свид. N 321783, G 01 V 3/02, 1978); на использовании частотно-модулированных сигналов передатчика, состоящего из задающего генератора, генератора линейного напряжения, усилителя мощности, передающей антенны и приемника, состоящего из приемной антенны, усилителя высокой частоты, балансного смесителя, усилителя низкой частоты и анализатора спектра (устройство для обнаружения неоднородностей в массивах горных пород, авт. свид. N 396652, G 01 V 3/06, 1971); на использовании приемно-передающей антенны, антенного переключателя передатчика, приемника, фазового дискриминатора, аналого-цифрового преобразователя, блока изменения частоты, коррелометра, блока памяти, блока управления, блока изменения периода следования модулирующих импульсов и блока индикации (устройство, реализующее "способ геоэлектроразведки", авт. свид. N 1193622, G 01 V 3/12, 1984); на использовании измерительного и опорного генераторов, первого и второго смесителей, выходы которых заведены на входы третьего смесителя, соединенного с амплитудным дискриминатором (металлоискатель, авт. свид. N 1420574, G 01 V 3/11, 1985); на использовании измерительного и опорного генераторов, первого и второго смесителей, выходы которых заведены на входы третьего смесителя, соединенного с амплитудным дискриминатором, причем частота Fо опорного генератора и частота Fи.г измерительного генератора связаны соотношением Fо.г=(N+1)Fиз, где N - кратность умножения умножителя частоты (металлоискатель, авт. свид. N 1469488, G 01 V 3/11, 1987); на применении сверхгенераторного детектора в качестве датчика неоднородностей в материалах среды (датчик неоднородностей в материалах среды, авт. свид. N 1317378, G 01 V 3/11, 1985) и другие.

Из известных устройств наиболее близким к предлагаемому является устройство, реализующее "Способ геоэлектроразведки" (авт. свид. N 1193622, G 01 V 3/12, 1984), которое и выбрано в качестве прототипа.

Однако указанное устройство, используя простой зондирующий сигнал, имеет сравнительно низкие помехоустойчивость, чувствительность и достоверность геоэлектроразведки подповерхностного слоя почвы или массива горных пород.

Задачей изобретения является повышение помехоустойчивости, чувствительности и достоверности геоэлектроразвердки подповерхностного слоя почвы или массива горных пород.

Поставленная цель достигается тем, что в устройство, содержащее последовательно включенные блок управления, блок изменения периода следования модулирующих импульсов, передатчик, второй вход которого через блок изменения частоты соединен с первым выходом блока управления, антенный переключатель и приемопередающую антенну, последовательно подключенные к второму выходу антенного переключателя приемник, фазовый дискриминатор, второй вход которого соединен с вторым выходом блока изменения частоты, аналого-цифровой преобразователь, второй вход которого соединен с вторым выходом блока управления, коррелометр, второй вход которого через блок памяти соединен с третьим выходом блока управления, и первый блок индикации, второй вход которого соединен с четвертым выходом блока управления, управляющий вход которого соединен с выходом коррелометра, введены блок формирования модулирующего кода, два перемножителя, блок сдвига частоты, два фильтра разностной частоты, многоканальный коррелятор, компаратор и второй блок индикации, причем третий вход передатчика через блок формирования модулирующего кода соединен с пятым выходом блока управления между выходом приемника и первым входом фазового дискриминатора последовательно включены первый перемножитель, второй вход которого соединен с первым выходом блока сдвига частоты, первый фильтр разностной частоты, второй перемножитель, второй вход которого соединен с выходом передатчика, и второй фильтр разностной частоты, между вторым выходом блока изменения частоты и вторым входом фазового дискриминатора включен блок сдвига частоты, к выходу передатчика последовательно подключены многоканальный коррелятор, второй вход которого соединен с выходом приемника, компаратор и второй блок индикации, управляющий вход которого соединен с четвертым выходом блока управления.

Структурная схема устройства для геоэлектроразведки представлена на фиг. 1. Временные диаграммы, поясняющие работу устройства, изображены на фиг. 2.

Устройство содержит блок 1 управления, блок 2 формирования модулирующего кода, блок 3 изменения периода следования модулирующих импульсов, блок 4 изменения частоты, передатчик 5, блок 6 памяти, антенный переключатель 7, приемопередающую антенну 8, исследуемую среду 9, исследуемый объект 10, приемник 11, первый перемножитель 12, блок 13 сдвига частоты, первый фильтр 14 разностной частоты, второй перемножитель 15, второй фильтр 16 разностной частоты, фазовый дискриминатор 17, аналого-цифровой преобразователь 18, коррелометр 19, первый индикатор 20, многоканальный коррелятор 21, многоотводную линию задержки 22i, многоканальный перемножитель 23i, фильтр 24i нижних частот, компаратор 25i (i=1,...,n) и второй блок 26 индикации. Причем к первому выходу блока 1 управления последовательно подключены блок 3 изменения периода следования модулирующих импульсов, передатчик 5, второй вход которого через блок 4 изменения частоты соединен с первым выходом блока 1 управления, а третий вход - через блок 2 формирования модулирующего кода соединен с пятым выходом блока 1 управления, антенный переключатель 7 и приемопередающая антенна 8. К второму выходу антенного переключателя 7 последовательно подключены приемник 11, перемножитель 12, второй вход которого соединен с вторым выходом блока 13 сдвига частоты, фильтр 14 разностной частоты, перемножитель 15, второй вход которого соединен с выходом передатчика 5, фильтр 16 разностной частоты, фазовый дискриминатор 17, второй вход которого соединен через блок 13 сдвига частоты с вторым выходом блока 4 изменения частоты, аналого-цифровой преобразователь 18, второй вход которого соединен с вторым выходом блока 1 управления, коррелометр 19, второй вход которого через блок 6 памяти соединен с третьим выходом блока 1 управления, и блок 20 индикации, второй вход которого соединен с четвертым выходом блока 1 управления, управляющий вход которого соединен с выходом коррелометра 19. К выходу передатчика 5 последовательно подключены многоканальный коррелятор 21, второй вход которого соединен с выходом приемника 11, компаратор 25i (i=1,.. .,n) и блок 26 индикации, управляющий вход которого соединен с четвертым выходом блока 1 управления.

Устройство для геоэлектроразведки работает следующим образом.

Импульсы синхронизации (фиг. 2а) с первого выхода блока 1 управления подаются на входы блока 3 изменения периода следования модулирующих импульсов и блока 4 изменения частоты, которые управляют работой передатчика 5. Импульсы синхронизации (фиг. 2б) с пятого выхода блока 1 управления подаются на вход блока 2 формирования модулирующего кода, который формирует модулирующий код M(t) (фиг. 2в). Блок 3 изменения периода следования модулирующих импульсов, запускает передатчик 5, который вырабатывает радиоимпульсы, несущая частота которых изменяется от импульса к импульсу по заданному закону с помощью блока 4 изменения частоты Uc(t) = Uclog(it+i), 0 t Ti, i=1,...,m,
где Uc, i, i, Ti - амплитуда, несущая частота, начальная фаза и длительность радиоимпульсов, из которых составлен зондирующий сигнал.

Сформированный модулирующий код M(t) с выхода блока 2 поступает на третий вход передатчика 5 и осуществляет манипуляцию фазы радиоимпульсов на 180o, формируя тем самым фазоманипулированный (ФМн) зондирующий сигнал (фиг. 2г)
U1(t) = Uccos[it+к(t)+i], 0 t Ti,
где к(t) = {0,} - манипулируемая составляющая фазы, отображающая закон фазовой манипуляции в соответствии с модулирующим кодом M(t), причем к(t) = const при kn< t < (k+1)n и может изменяться скачком при t = kn, т.е. на границах между элементными посылками (K = 1,2,...Ni);
n, Ni - длительность и количество элементарных посылок, из которых составлен i-й радиоимпульс длительностью Ti (Ti = Ni n ).

Указанный сигнал с выхода передатчика 5 через антенный переключатель 7 поступает на приемопередающую антенну 8 и излучается в пространство в направлении исследуемой среды 9. Зондирующий ФМн-сигнал U1(t) проходит через среду 9 и достигает исследуемого объекта 10, частично поглощающего его и частично отражающего в направлении приемопередающей антенны 8.

Отраженный ФМн-сигнал (фиг. 2д)
U2(t) = U2cos[it+к(t)+i+i], 0 t Ti,
где
фазовый сдвиг, зависящий от свойств исследуемого объекта 10 и глубины его залегания;
с выхода антенны 8 через антенный переключатель 7 и приемник 11 поступает на первый вход перемножителя 12. Напряжение с второго выхода блока 4 изменения частоты поступает на вход блока 13 сдвига частоты, где оно сдвигается по частоте на величину промежуточной частоты
Uг(t) = Uгcos[(i-пр)t+i], 0 t Ti.

Это напряжение поступает на второй вход перемножителя 12, на выходе которого образуются напряжения комбинационных частот. Фильтром 14 выделяется напряжение разностной (промежуточной) частоты
Uпрi(t) = Uпрcos[прt+к(t)+i], 0 t Ti,
где
K1 - коэффициент передачи перемножителя, которое поступает на второй вход перемножителя 15, на первый вход которого подается зондирующий ФМн-сигнал U1(t) с выхода передатчика 5. На выходе перемножителя 15 образуется результирующее напряжение

где
Из полученного результирующего напряжения фильтром 16 выделяется напряжение разностной частоты
U3(t) = Ucos[(c-пр)t+i-i], 0 t Ti,
которое поступает на первый вход фазового дискриминатора 17, на второй вход которого подается напряжение Ur(t) с первого выхода блока 13 сдвига частоты. На выходе фазового дискриминатора 17 образуется напряжение Uн(i) = Uнcosi, где
K2 - коэффициент передачи фазового дискриминатора.

При следующем запуске передатчика 5 с другой частотой фазовый сдвиг и напряжение на выходе фазового дискриминатора 17 меняются. Получающееся при этом напряжение, пропорциональное фазовому сдвигу i, преобразуется в аналого-цифровом преобразователе 18 в дискретную функцию и поступает на первый вход коррелометра 19. На второй вход коррелометра 19 подаются эталонные дискретные функции, хранящиеся в блоке 6 памяти. Величина изменения фазы отраженного ФМн-сигнала при изменении длины волны от 100 до 400 м составляет, например, 9o и 2o для глины.

Информация для различных сред в виде напряжений, пропорциональных фазовым сдвигам i, заложена в блок 6 памяти и с частотой тактовых импульсов в виде дискретных функций статистических значений разности фаз подается на второй вход коррелометра 19. Последний осуществляет последовательное сравнение полученного напряжения, пропорционального фазовому сдвигу i, с эталонными напряжениями, хранящимися в блоке 6 памяти. В случае соответствия сравниваемых напряжений коррелометр 19 формирует управляющий сигнал остановки для блока 1 управления и управляющий сигнал разрешения на индикацию результата сравнения в блоке 20 индикации в виде данных об исследуемом объекте 10.

Одновременно производится корреляционная обработка зондирующего U1(t) и отраженного U2(t) ФМн-сигналов. С этой целью указанные сигналы с выходов передатчика 5 и приемника 11 подаются на два входа многоканального коррелятора 21, состоящего из многоотводной линии задержки 22i, многоканального перемножителя 23i и фильтра 24i нижних частот (i=1,...,n). На выходе коррелятора 21 образуется напряжение, пропорциональное корреляционной функции R(), которое будет иметь максимальное значение при = o. С выходов многоканального коррелятора 21 напряжения соответствующих каналов поступают на входы компаратора 25i (i= 1,...,n). Каждый i-ый элемент компаратора представляет собой аналоговый элемент сравнения, в котором сравниваются два напряжения: выходное Uвх и опорное Uоп. В случае превышения входного напряжения над опорным на выходе i-го элемента компаратора формируется напряжение, соответствующее логической "1". Следует отметить, что напряжение с выходов многоканального коррелятора 21 подаются на элементы компаратора 25i таким образом, что на два соседних элемента подается одно и то же напряжение. Причем на один из элементов вы качестве входного напряжения Uвх, а на другой - опорного Uоп.

Следовательно, на выходах компаратора 25i (i = 1,...,n) образуется параллельный двоичный код, в котором "1" соответствует превышению напряжения в (i+1)-м канале коррелятора над напряжением в i-м канале. Последовательность единиц двоичного кода соответствует возрастанию корреляционной функции R(), а последовательность нулей - соответствует спаду корреляционной функции R(). Таким образом, последняя единица в двоичном коде будет соответствовать максимуму корреляционной функции R() Подсчитав количество единиц двоичного кода (m), можно определить номер канала, в котором i= o, а следовательно, и значение o, т.е. глубину залегания исследуемого объекта 10.

Например, если фазовый сдвиг оказывается равным 2o, то в блоке 20 индикации будет зафиксирована "глина", а в блоке 26 будет указана глубина ее залегания.

Длительность и период следования зондирующих импульсов выбираются в зависимости от конкретной геологической задачи. Например, при работе по объектам на глубине до 10 м в породах со скоростью распространения электромагнитной энергии порядка 50 м/мкс длительность зондирующих импульсов не должна превышать 0.01 - 1 мкс.

Для того, чтобы задний фронт отраженного сигнала не приходил во время последующего импульса, выбор энергетического потенциала производится, учитывая затухание электромагнитной энергии в породах, что связано с решением конкретной геофизической задачи по глубинности и разрешающей способности. Глубинность радиолокационного метода для решения геофизических задач составляет величину - от единиц метров до нескольких километров. Период следования зондирующих импульсов при скорости распространения электромагнитной энергии во вращающей среде 30 - 300 м/мкс составляет 0.01 - 100 мкс. Длительность зондирующих импульсов лежит в пределах 0,005 - 10 мкс. Скважность, определяющая отношение длительности импульса к периоду следования импульсов, должна иметь пределы 2 - 2104. Поскольку зондирующие импульсы должны содержать не менее 5 - 10 периодов несущей частоты, последняя должна изменяться в пределах 0,1 - 106 МГц.

Таким образом, предлагаемое устройство по сравнению с прототипом и другими аналогичными устройствами обеспечивает повышение помехоустойчивости, чувствительности и достоверности геоэлектроразведки подповерхностного слоя почвы, например, торфяных месторождений, песчаных грунтов, мерзлых пород и т. п. с помощью электромагнитных волн. Это достигается использованием сложного фазоманипулированного сигнала, у которого произведение длительности Ti на ширину спектра fc значительно превышает единицу (Tifc >> 1), а корреляционная функция имеет один главный лепесток, значительно превышающий уровень боковых лепестков, что дает большие преимущества в смысле увеличения глубинности, улучшения разрешающей способности и повышения помехочувствительности.

Кроме того, измерения величины разности фаз осуществляется на разностной частоте. Поэтому нестабильность несущей частоты принимаемого ФМн-сигнала, обусловленная различными дестабилизирующими факторами, не оказывает влияния на процесс измерения.

При использовании сложного ФМн-сигнала обеспечивается повышение чувствительности приемника. Ширина спектра ФМн-сигнала определяется длительностью элементарных посылок (fc= 1/n), тогда как ширина спектра fг гармонического колебания U3(t) определяется его длительностью Ti ( fг = 1/Ti), т.е. ширина спектра fг гармонического колебания в N раз меньше ширины спектра fс отраженного ФМн-сигнала (fc/fг= N).
Следовательно, при соответствующей обработке отраженного ФМн-сигнала его спектр "сворачивается" в N раз. Это дает возможность с помощью узкополосного фильтра 16 выделить гармоническое колебание U3(t), отфильтровав при этом значительную часть шумов и помех, т.е. повысить помехоустойчивость и чувствительность приемника.

Используя замечательное свойство корреляционной функции ФМн-сигнала, предлагаемое устройство обеспечивает повышение точности измерения глубины залегания исследуемых объектов подповерхностного слоя почвы.


Формула изобретения

Устройство для геоэлектроразведки, содержащее последовательно включенные блок управления, блок изменения периода следования модулирующих импульсов, передатчик, второй вход которого через блок изменения частоты соединен с первым выходом блока управления, антенный переключатель и приемопередающую антенну, подключенный к второму выходу антенного переключателя приемник, последовательно соединенные фазовый дискриминатор, аналого-цифровой преобразователь, второй вход которого соединен с вторым выходом блока управления, коррелометр, второй вход которого через блок памяти соединен с третьим выходом блока управления, и первый блок индикации, второй вход которого соединен с четвертым выходом блока управления, управляющий вход которого соединен с выходом коррелометра, отличающееся тем, что в него введены блок формирования модулирующего кода, два перемножителя, блок сдвига частоты, два фильтра разностной частоты, многоканальный коррелятор, компаратор и второй блок индикации, причем третий вход передатчика через блок формирования модулирующего кода соединен с пятым выходом блока управления, между выходом приемника и первым входом фазового дискриминатора последовательно включены первый перемножитель, второй вход которого соединен с первым выходом блока сдвига частоты, первый фильтр разностной частоты, второй перемножитель, второй вход которого соединен с выходом передатчика, и второй фильтр разностной частоты, между вторым выходом блока изменения частоты и вторым входом фазового дискриминатора
включен блок сдвига частоты, к выходу передатчика последовательно подключены многоканальный коррелятор, второй вход которого соединен с выходом приемника, компаратор и второй блок индикации, управляющий вход которого соединен с четвертым выходом блока управления.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2



 

Похожие патенты:

Изобретение относится к подповерхностной радиолокации, а именно к средствам определения расположения и формы неоднородностей и включений в конденсированных средах

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

Изобретение относится к электромагнитным методам, геофизической разведки нефтяных и газовых месторождений и может быть использовано при прямых поисках нефтегазовых месторождений

Изобретение относится к технике обнаружения инородных образований в почве, а конкретно мин, в частности противопехотных

Изобретение относится к области подповерхностной радиолокации, а именно к устройствам определения расположения и формы неоднородностей и включений в строительных конструкциях и сооружениях

Изобретение относится к области сейсмологии и может найти применение в национальных системах наблюдения и обработки данных геофизических измерений для прогнозирования землетрясений

Изобретение относится к геофизическим способам исследования природных сред и может быть успешно использовано в области инженерной геологии

Изобретение относится к горному делу и может быть использовано для выявления и оконтуривания скоплений глины, опасных по прорывам в горные выработки, при разработке мощных крутопадающих угольных пластов и пластообразных рудных залежей, перекрытых на выходах связными глинистыми отложениями, обрушивающимися в выработанное пространство

Изобретение относится к области исследования физических явлений, происходящих в околоземном космическом пространстве на высотах внешней ионосферы, и может быть использовано для прогнозирования в сейсмологии, нефтегеологии, в гидрогеологии явлений, связанных с зонами геодинамических напряжений

Изобретение относится к геофизике, в частности к устройствам геоэлектроразведки с использованием электромагнитных волн высокой частоты, и может быть использовано при разведке полезных ископаемых, а также для поиска инженерных коммуникаций и других скрытых неоднородностей в исследуемом подповерхностном слое земной поверхности

Изобретение относится к способам, которые могут быть использованы в геофизической разведке и при поиске погребенных объектов в условиях экстремальных ситуаций

Изобретение относится к геофизике горного дела и может быть использовано при электроразведочных работах и исследованиях электромагнитных полей, излучаемых горными породами при их разрушении, а также в горной промышленности для прогноза динамических проявлений в массиве горных пород при изменении его напряженно-деформированного состояния

Изобретение относится к области геофизики, в частности к геофизическим методам исследования скважин, и может быть использовано при изучении земной коры, для выявления зон геологических осложнений при бурении глубоких скважин, для решения задач инженерной геологии

Изобретение относится к сигнальным системам обеспечения безопасности при контроле доступа в охраняемые помещения, конкретно - к системам дистанционного обнаружения предметов, скрытых под одеждой людей, проходящих досмотр

Изобретение относится к геофизике, в частности, к устройствам геоэлектроразведки с использованием электромагнитных волн высокой частоты, и может быть использовано при разведке полезных ископаемых, а также для поиска инженерных коммуникаций и других скрытых неоднородностей в исследуемом подповерхностном слое земной поверхности

Изобретение относится к геофизике, а именно к технике высокочастотного контроля, и может использоваться для геоэлектроразведки подповерхностного слоя почвы или массива горных пород при проведении земляных работ с целью выявления различных неоднородностей, повреждающих рабочие органы землеройной техники

Наверх